МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗький національний технічний університет

Баранов Дмитро Олександрович

УДК 621.74:669.13

підвищення якості чавуну шляхом

механічної та теплової дії

Спеціальність 05.16.01.

“Металознавство та термічна обробка металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя-2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі фізичного матеріалознавства Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Алімов Валерій Іванович, Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, професор кафедри фізичного матеріалознавства

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Ольшанецький Вадим Юхимович, Запорізький національний технічний університет (м. Запоріжжя), професор кафедри “Фізичне матеріалознавство”

Доктор технічних наук, доцент Чейлях Олександр Петрович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), проректор

Провідна установа:

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, відділи фізичних основ легування металів і сплавів та індукованих мартенситних перетворень, м. Київ

Захист відбудеться “___” ____________200_ р. о __ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 при Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ) за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ЗНТУ за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий “___” ____________ 200р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 17.052.01 д.т.н., проф. Внуков Ю.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Матеріали сучасної техніки, як правило, багатофункціональні. Окрім вимог до механічної міцності та опору корозії, вони повинні мати і специфічні властивості, що дозволить використовувати їх в машинобудуванні. Цим вимогам задовільняють композиційні матеріали, в яких завдяки суміщенню наповнювача та основи отримують необхідний комплекс властивостей. Як наповнювач, в цих матеріалах використовують графіт. Технологія композиційних матеріалів, що містять графіт, базується, в основному, на металокерамічних способах. Це дозволяє зберегти в матеріалі волокнисту та пластинчату форму графіту. В останні роки в науково-технічній літературі з’явилося багато публікацій та патентів, присвячених виготовленню залізо-графітних композицій із застосуванням металургійного способу. Надання графіту певної форми та орієнтоване розміщення його в залізній матриці, структуру якої можна змінювати термічною обробкою, дозволяє отримати в виробах потрібні властивості. Для утворення таких структур використовують термомеханічну дію на чавун. В зв’язку з цим дослідження впливу механічної дії на рідкий та твердий чавун з метою розробки способів управління структурою і властивостями чавунних виробів треба вважати актуальним як з наукової, так і з практичної точки зору.

Звґязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок, обраний для дослідження, характеризується тісним узгодженням з науковими планами Донецького національного технічного університету і являє собою подальший розвиток досліджень, виконаних в останні десятиріччя на фізико-металургійному факультеті ДонНТУ по розробці технологій, заснованих на суміщенні деформації та термічної обробки залізних сплавів. В рамках координаційного плану Міністерства освіти і науки України в ДонНТУ виконується науково-дослідна робота “Наукові основи механотермоциклічного способу удосконалення багатофазних сплавів” (ДР 0102U001221), в якій автор є виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є встановлення характеру механотермічної дії на формування структури та властивостей чавуну, та використання отриманих даних для поліпшення якості півфабрикатів.

Поставлена мета передбачає виконання наступних задач:

- виконати експериментальне дослідження впливу механічної та теплової дії на форму та розміщення графітних частинок в чавуні;

- визначити закономірності структуроутворення під час пластичної деформації чавуну із кулястим графітом;

- визначити вплив виду та основних параметрів деформації на деформівність і властивості високоміцного чавуну;

- визначити вплив попередньої деформації на зневуглецювання та графітизацію під час охолодження чавуну;

- розробити рекомендації по підвищенню деформівності високоміцного чавуну та випробувати їх на півфабрикатах.

Об’єкт дослідження. Чавуни із пластинчастим та кулястим графітом різного хімічного складу.

Предмет дослідження. Процеси структуроутворення та зміна властивостей високоміцного чавуну під час механічної та теплової дії.

Методи дослідження. Для докладного вивчення закономірностей структуроутворення чавуну під час механічної дії та визначення механізму формування його властивостей після прокатки та кування були використані засоби оптичної металографії та комп’ютерна обробка отриманих структур в трьох взаємно перпендикулярних перерізах деформованого чавуну, методи кількісної металографії, вимірювання твердості, густини, опору корозії, графітоутворення та зневуглецювання, аналіз деформівності чавуну способом прокатки клиноподібних зразків.

Наукова новизна.

1. Вперше, на підставі проведених досліджень за допомогою комп'ютерного моделювання визначено просторовий обрис частинок графіту, які утворюються під час холодної, теплої та гарячої прокатки високоміцного чавуну, а появу “хвостів” і “вусів” пов'язано із руйнуванням металевої основи.

2. Визначено закономірності зміни твердості та густини високоміцного чавуну внаслідок холодної, теплої і гарячої прокатки в широкому інтервалі обтиснень, що доповнюють відомі дані та поширюють залежності вищезазначених характеристик від різних чинників впливу.

3. Вперше встановлено вплив ступеня гарячої прокатки на утворення структурно вільного фериту, що формується при охолодженні і кількість якого збільшується відповідно попередній деформації, а після прокатки з обтисненням е>0,5 збільшується в [2·(1 - е)]-1 раз.

4. Вперше встановлено, що зміна форми графіту при прокатці і куванні високоміцного чавуну призводить до анізотропії фізико-хімічних властивостей, що особливо спостерігається при вимірюванні опору корозії та зневуглецюванню і потребує враховування під час технологічних випробувань.

5. Отримані кількісні залежності формозміни графіту від параметрів обробки тиском дозволяють прогнозувати вплив механотермічної дії на якість чавуну, оскільки твердість, густина, опір корозії, схильність до зневуглецювання та графітизації визначаються вихідним станом, температурою та мірою обтиску.

Внаслідок всього вищенаведеного набув подальший розвиток науково обгрунтований вибір основних параметрів технології деформованого високоміцного чавуну з метою отримання наперед заданих структур та властивостей.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані у дисертації теоретичні результати дозволили:

- визначити ефективні способи цілеспрямованого впливу на структуру та властивості чавуну, які є заснованими на механічній дії;

- розробити способи підвищення деформівності чавуну із кулястим графітом шляхом регулювання вихідного стану, використання попередньої термічної та термоциклічної обробок та вибору раціональних параметрів деформації;

- підвищити твердість, густину, опір зневуглецюванню та корозії півфабрикатів з деформованого високоміцного чавуну;

- випробувати в дослідно-промислових умовах ВАТ МЗ “Буран” (м. Донецьк) розроблені рекомендації, що дозволяють підвищити вихід придатного на 5 – 9 %;

- запропонувати деформований високоміцний чавун для виготовлення корозійностійких гвинтів із підвищеним шумопоглинанням, деталей вузлів тертя ковзання тощо.

Особистий внесок здобувача. Автором запропонована ідея підвищення деформівності високоміцного чавуну шляхом диспергування вихідної структури виливків і включення в технологію попередньої термічної та термоциклічної обробок. Ним також виконані дослідження щодо визначення раціональних параметрів попередніх обробок та пластичної деформації. Отримані кількісні дані щодо залежності формозміни графіту під час холодної, теплої та гарячої деформації з різною мірою обтиску. Проведено кількісний аналіз залежності ступеня графітизації під час охолодження гарячедеформованого чавуну. Отримано кількісну інформацію про вплив деформації на густину, опір корозії, твердість, зневуглецювання та графітизацію високоміцного чавуну. У дисертації не використані матеріали, що належать співавторам спільних публікацій.

Особистий внесок здобувача у співавторські роботи (в порядку, наведеному в списку надрукованих робіт): [1-2] – аналіз літератури, планування та розробка експерименту, аналіз отриманих результатів; [5] – проведення досліджень щодо впливу деформації на твердість високоміцного чавуну, висновки; [6, 7] – встановлення закономірностей зміни форми графіту під час прокатки та дослідження впливу деформації на опір корозії; [9 - 12] – виконання досліджень та математична обробка отриманих результатів; [13, 14] – запропоновані способи підвищення деформівності високоміцного чавуну, виконання досліджень та обробка отриманих результатів.

За особистий внесок в розробку деформованого високоміцного чавуну автору присуджена Премія Кабінету Міністрів України за 2002 р. в номінації “наукові досягнення” із врученням нагрудного знаку “Лауреат Премії Кабінету Міністрів України” (Постанова Кабінету Міністрів України №972 від 27 червня 2003 р.).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались та обговорювались на:

1. Міжнародній науковій конференції “Проблеми сучасного матеріалознавства”, Україна, Дніпропетровськ, 1997, 1998, 1999 рр.

2. Конференції “Донбас 2020: Наука і техніка – виробництву”, Україна, Донецьк, ДонНТУ, 05 – 06 січня 2002 р.

3. Третій Уральській школі-семінарі металознавців-молодих вчених, Росія, Єкатеринбург, УДТУ-УПІ, 13 – 15 листопада 2001 р.

4. Третій Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос”, Україна, Дніпропетровськ, НЦАОМУ, 18 – 20 квітня 2001 р.

5. Науково-технічній конференції молодих спеціалістів “Азовсталь - 2001”, Україна, Маріуполь, ВАТ МК “Азовсталь”, 18 – 20 травня 2001 р.

6. Першій Євразійській науково-практичній конференції “Міцність неоднорідних структур. ПРОСТ - 2002”, Росія, Москва, МІСіС, 16 – 18 квітня 2002 р.

7. Науково-практичній конференції молодих вчених “Металознавство і обробка металів”, Україна, Київ, ФТІМС НАН України, 26 – 28 лютого 2003 р.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у 12 статтях, з них 6 у фахових наукових журналах та збірниках, рекомендованих ВАК України. За матеріалами дисертації одержано 2 деклараційні патенти.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, додатка. Дисертація викладена на 134 сторінках машинописного тексту, в тому числі 37 рисунків, 6 таблиць. Список літературних джерел складається з 136 найменувань.

Автор висловлює глибоку вдячність к. т. н. В. В. Антонову (ВАТ “НКМЗ”), к. т. н. доц. І. В. Лейриху, к. т. н. А. П. Мітєву (ДонНТУ), к. т. н., с. н. с. А. А. Рижикову (ВАТ “ДМЗ”), інж. В. І. Симоненко, В. Г. Коніку (ВАТ МЗ “Буран”) і В. І. Бурдуку (ТОВ “Фірма Гефест”) за допомогу в проведенні експериментів і дослідно-промислового випробування рекомендацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Робота присвячена дослідженню способів отримання одноманітно орієнтованих пластинок графіту шляхом механотермічної дії на чавун з метою поліпшення будови та властивостей півфабрикатів.

У вступі висвітлені суть і стан наукової проблеми, підстави та вихідні дані для розробки теми дисертації, обґрунтована необхідність експериментального та теоретичного дослідження в обраному напрямку, наведена загальна характеристика роботи.

В першому розділі наведено огляд літератури з питань, що розроблені в роботі. Зокрема, проаналізована перевага, яку надає сплавам одноманітне орієнтування нерівноосних частинок графіту, та шляхи отримання подібної структури в чавунах. При цьому враховані останні результати проведених в ДонНТУ досліджень впливу суміщеної механічної та теплової дії на залізовуглецеві сплави і розроблених в ЗНТУ способів отримання композиційних структур. Проаналізовано вплив пластичної деформації прокаткою, пресуванням, гідростатичним видавлюванням та куванням на структуру чавуну із кулястим графітом, а також зміна властивостей чавунних виробів. В порівнянні із сталлю, теорія термомеханічної обробки чавуну розроблена недостатньо, що позначилося на обмеженому використанні теплової і механічної дії в виготовленні півфабрикатів із чавуну з кулястим графітом, а також листа, труб, дроту, арматури, гвинтів, деталей вузлів тертю ковзання та інш.

В другому розділі наведена стисла характеристика досліджуваних об’єктів, описані пристрої та устаткування, на якому виконано експерименти, а також відображені основні методи дослідження та розрахункові співвідношення.

Дослідження виконували на 7 плавках чавуну з вмістом: 2,6 – 4,0 %С; 1,50 – 2,84 %Si; 0,15 – 0,78 %Mn; 0,02 – 0,10 %P; 0,012 – 0,050 %S; 0,008 – 0,050 %Mg. Основна кількість виплавленого чавуну одержана в індукційній печі. Плавку масою 20 кг розливали в пісчано-глинисті форми 50х50х400 мм3. Після модифікування елементами - сфероідизаторами чавун розливали при 1400 – 1430 єС. Зразки плавки 2 вирізали із промислового виливка, який був отриман після подвійного модифікування. Після механічної обробки з виливків плавок 2 –7 вирізали зразки, які в окремих випадках мали клиноподібний вигляд. Деформацію проводили в прокатних станах 100 і 340 лабораторії кафедри ОМТ ДонНТУ і на молоті М – 4132А заводу “Буран”. Температуру деформації змінювали у діапазоні 20 – 1000 єС. Для отримання феритного чавуну використовували відпал 850 єС – 0,5 год і 680 єС – 20 год. При металографічному аналізі використовували мікроскопи Neophot – 21 і NU - 2

У третьому розділі наведено експериментальні результати, які були отримані в пошуках способів утворення орієнтованого розміщення графітних частинок. Під час направленої кристалізації евтектичного чавуну не вдається отримати композиційну структуру із одноманітним розміщенням пластинок та волокон графіту. В зв'язку з цим випробувані способи, що засновані на механотермічній дії. Маючи на увазі мікронеоднорідність евтектичного розчину біля евтектичної температури та наявність графітних сиботаксісів, можна було чекати упорядкування останніх під впливом хвильоподібного руху в рідині. Виявилося, що механічне перемішування з періодом 3-4 с позначилося на числі і розмірах евтектичних колоній і практично не впливало на взаємну орієнтацію пластинок графіту.

Встановлено, що торці графітних пластинок в колонії обламуються під дією інтенсивних потоків рідини і стають зародками нових евтектичних колоній, які, однак, не устигають зрости і розміщуються на межах великих евтектичних колоній. Всупереч сталим уявленням, при інтенсифікації перемішування рідини на фронті кристалізації руйнується не тільки графіт евтектичних колоній, що утворилися на стінках форми, але і інших колоній, що виросли в об'ємі виливка до певних розмірів.

У четвертому розділі дисертації приведені дані про вплив механічної дії на форму, розподіл і орієнтованість графітних частинок. Якщо механічною дією на рідину не вдалося змінити орієнтованість графітних пластинок, то вплив на чавун в твердому стані виявився більш ефективним. Завдяки пластичній деформації в чавуні виникає текстурованість, зумовлена одноманітною орієнтацією графітних пластинок вздовж течії металу. Особливо значним ефект деформації виявляється у високоміцному чавуні, що неодноразово відмічалося в попередніх дослідженнях. Вказані зміни чавуну і задовільна деформівність його при куванні і прокатці відомі давно, однак включення в технологію чавуну пластичної деформації стало можливим лише в останні роки. Однією з причин цього була відсутність систематичних даних щодо впливу пластичної деформації на структуру і властивості високоміцного чавуну та його знижена, в порівнянні із сталлю, деформівність. У дисертації зроблена спроба усунути ці недоліки.

При деформуванні прокаткою і куванням високоміцного чавуну графіт деформувався і витягувався в напрямі течії металу. Якщо при прокатці на гладкій бочці графіт набував вид еліпсоїдів і дисків (рис.1а), то кантування на 90є надає йому вид стрижнів та волокон (рис. 1б).

а) б)

Рис. 1. Монтаж структур деформованого високоміцного чавуну без (а) і з кантуванням на 90є (б), х100.

Кількісно формозміну графіту оцінювали співвідношенням , де d – діаметр кулястого графіту, b – велика вісь графітного еліпсоїда після деформування чавуну.

Рівень формозміни визначався співвідношенням реологічних властивостей металевої основи і графіту і залежав від параметрів деформації. На рис.2 приведені дані про залежність формозміни графіту від температури і міри деформації чавуну. Як видно, найбільша формозміна графіту спостерігалася при холодній прокатці, при якій виявляється велика відмінність в механічних властивостях металевої основи і графіту. З підвищенням температури прокатки ця відмінність послаблюється, але інтенсивна формозміна графіту мала місце і при гарячій прокатці. Оцінку міри формозміни графіту проводили із урахуванням розмірів включень. Відповідно до отриманих даних, великі частинки графіту, як правило, деформувалися в більшій мірі, ніж дрібні.

Рис. 2. Залежність формозміни графіту від міри обтиску (е) при прокатці високоміцного чавуну: 1- 20 єС; 2 – 600 єС; 3 – 1000 єС.

Зміна початкової структури високоміцного чавуну позначалася на його деформівності. У порівнянні із перлітними, феритні чавуни мали більшу деформівність як при холодній, так і при гарячій прокатці. Перші тріщини на боковій поверхні клиноподібних зразків виявлялися після прокатки з обтисненням 40 – 45 % для перлітного чавуну і 60 – 65 % для феритного чавуну. Феритизація вихідної металевої основи підвищувала деформівність високоміцного чавуну і при гарячій прокатці. Деформівність чавуну при вільному куванні трохи вища, ніж при прокатці з використанням гладких валків.

Інформація про форму графіту в трьох взаємно перпендикулярних перерізах чавунного прокату: паралельному площині прокатки (ПП), боковій поверхні (БП) і перпендикулярно напряму прокатки (ПС), використана при комп'ютерному моделюванні формозміни графіту. Побудова просторового вигляду деформованого графіту починалася зі статистичної обробки декількох тисяч частинок, перерізи яких отримані від зразків, прокатаних при різних температурах і мірах обтиску. На рис.3 приведені найбільш типові форми деформованого графіту. Як видно, вже на початку деформування чавуну включення оточується пояском, ширина якого збільшена в напрямі прокатки. На цій стадії деформації (е?20 %) внаслідок утворення і розширення пояска формозміна графіту перевищує обтиск чавуну. В міру того, як росте деформація, поясок розширюється, а середина включень зберігає трохи не кулястий вигляд. На далеких стадіях деформування чавуну (е>50 – 60 %) поясок розвивається в “хвости”, так що зовнішня поверхня включень сильно зростає. Деформується і серцевина частинок графіту, а приповерхневі ділянки сильно деформуються і руйнуються. У результаті цього графіт отримує приплюснутий вигляд. Секторальний характер структури графіту виявляється навіть після значних деформацій.

а) б)

в) г)

Рис. 3. Компґютерні моделі деформованого кулястого графіту після холодної (а – 75 %; в – 30 %), гарячої (б – 75 %) та теплої (г – 40 %) прокатки чавуну.

Складний характер структурних змін в графіті при деформуванні пов'язаний з його кристалічною будовою. У графіті ковзання відбувається, в основному, в базисній площині (0001)г. Кулястий графіт складений з десятків пірамід, вершини яких лежать в центрі включення, а основа паралельна базисним площинам. Тому деформація ковзанням характеризується великою неоднорідністю. Починається вона в пірамідах, сприятливо орієнтованих відносно дотичних напружень, а надалі деформація охоплює і інші ділянки включення. На структурі деформованого графіту позначається і неоднорідність включення, зумовлена різною температурою його утворення, а також обмеженість числа систем ковзання, що сприяє появі тріщин в кулястому графіті, що є, по суті, полікристалом.

На основі отриманих даних проаналізовані відомі в літературі і суперечні погляди про зміну об'єму і числа графітних частинок при деформуванні чавуну, переважної деформації дрібних включень та інш.

У п'ятому розділі приведено результати систематичного дослідження зміни властивостей високоміцного чавуну після прокатки. Особлива увага приділена зміцненню чавуну, густині, схильності до графітизації і зневуглецюванню, опору корозії.

Підвищення твердості після пластичної деформації високоміцного феритного чавуну виявляється при всіх вивчених температурах прокатки і збільшується із зростанням обтиску. Воно виявлялося при визначенні твердості на всіх трьох взаємно перпендикулярних перерізах прокату. Особливо високе зміцнення має місце після гарячої прокатки феритного чавуну, на яке впливала і зміна структури основи внаслідок розчинення графіту. Підвищення міцності і твердості високоміцного чавуну при гарячому деформуванні відмічалося і раніше. Але пов'язане воно не тільки з накопиченням дефектів атомно-кристалічної будови в матриці, а можливо, і зі змінами в будові і абсолютній величині міжфазної поверхні графіту з основою, а також із підвищенням розчинності графіту.

Величина зміни густини високоміцного чавуну під впливом пластичної деформації визначається початковим станом і місцем вирізання зразків. Як правило, прокатка підвищувала густину високоміцного чавуну і тим більше, чим вищою була міра обтиску. Густина перлітних зразків, вирізаних з верхньої частини виливка, після обтиснення при 20 єС на 42 % збільшилася від 7,032 до 7,089 г/см3, тобто на 0,95 %. Густина зразків нижнього горизонту виливка після тієї ж деформації стала меншою на 0,3 % (7,255 і 7,234 г/см3). Гаряча прокатка у всіх випадках підвищувала густину зразків, і особливо сильно у зразків, що були вирізані з верхньої частини виливка. Зміна густини феритного чавуну при деформуванні має більш складний характер. Так, після нагріву до 1000 єС і охолодження на повітрі густина зразків впала в середньому на 1 %, що пов'язано з утворенням пор при розчиненні графіту. У зв'язку з цим ефект гарячої деформації феритного чавуну більший, ніж перлітного (рис.4). Однак після обтиснення 60 – 65 % чустина чавуну зменшується.

Рис. 4. Вплив гарячої прокатки на густину перлітного (1) і феритного (2) чавуну.

У феритних чавунах максимум густини досягається при більших обтисненнях, ніж в перлітних, що свідчить про збільшення деформівності під впливом попередньої графітизації. Разом з тим, ні в перлітному, ні в феритному чавунах при гарячому деформуванні не досягалися теоретичні значення густини. Зміна густини чавуну, що виявляється в експериментах, є підсумком дії двох конкуруючих процесів: падіння густини внаслідок накопичення дефектів кристалічної будови і згущення завдяки запресуванню несуцільностей, що утворилися в чавуні при його затвердінні і розчиненні графіту.

Густина і міцність гарячекатаного чавуну залежать від фазового складу сплаву, в формуванні якого велику роль відіграє розвиток процесів графітизації при охолодженні прокату. У зв'язку з цим визначили вплив гарячої деформації на схильність до феритизації гарячекатаного чавуну. Після прокатки при 1000 єС клиноподібних зразків з обтисненням 0…75 % проводили гартування на мартенсит, а після 1 часу витримки при 500 єС спостерігали однорідну сорбитну структуру як поблизу графіту, так і вдалині від нього, що свідчить про рівномірний розподіл вуглецю. При уповільненому охолодженні гарячекатаного чавуну навколо графіту утворювалася феритна оболонка, товщину якої вимірювали на шліфах. Користуючись крапковим методом Глаголєва, визначили відносні об'ємні долі фериту, перліту і графіту. Отримані дані використали для кількісної оцінки ефекту деформації. З результатів підрахунку виходить, що із збільшенням міри деформації (е) об'єм структурно-вільного фериту зростає. Теоретичним аналізом процесу феритизації було визначено, що під впливом гарячої деформації е>0,5 об'єм фериту збільшується в [2·(1 -е)]-1 раз.

Вплив пластичної деформації на зневуглецювання деформованого чавуну вивчали на прокатаних при 1000 єС клиноподібних зразках. Міру зневуглецювання визначали у трьох напрямах: в площині прокатки, боковій поверхні прокату і поперечного перерізу його. Після відпалу при 1000 єС протягом 2, 4, 6 і 8 годин в суміші порошкового заліза, піску і вуглекислого барію поблизу поверхні зразків виявлявся зневуглецьований шар, товщина якого залежала від напряму зневуглецювання. Вздовж сплюснутого графіту зневуглецювання відбувалося більш інтенсивно, ніж в поперечному напрямі. Якщо ж вилучення вуглецю з чавуну проводилося зі сторони, паралельній площині прокатки, попередня деформація перешкоджала зростанню зневуглецьованого шару. Цей висновок узгоджується з відомими в літературі даними про зневуглецювання тонких пластинок деформованого високоміцного чавуну. Таким чином, затримка зневуглецювання чавуну під впливом деформації має місце не тільки в разі феритного, а і в разі аустенітного стану металевої основи чавуну. При цьому сплюснуті деформацією включення графіту екранують металеву основу, що розміщена за ними, доти, поки вони не розчиняться. Прискорення зневуглецювання вздовж великих осей еліпсоїдів графіту зумовлене впливом пор, що утворюються при розчиненні графіту і що збільшують дифузійні потоки вуглецю.

Анізотропія деформованого чавуну виявляється і при дослідженні корозійної стійкості. Зразки перлітного і феритного чавуну піддавали холодній і теплій прокатці з обтисненням 45 і 70 %. Випробування проводили у 20 % водному розчині сірчаної кислоти, який звичайно використовується при швидкісних випробуваннях сірого чавуну. Швидкість корозії визначали безперервно - по об'єму водню, що виділявся, і епізодично - по втраті маси чавуну. Виявилося, що перлітні чавуни більш схильні до електрохімічної корозії, ніж феритні. Попередня деформація підвищувала корозійну стійкість феритного чавуну. Ефект холодної деформації спостерігається після обтиснення на 45 % і збільшується після обтиснення на 70 %. Підвищення корозійної стійкості має місце, незважаючи на збільшення внутрішніх напруг і густини дефектів атомно-кристалічної будови фериту. Тепла прокатка, при якій дія вказаних чинників послаблена, виявилася найбільш ефективною. Завдяки високому опору графіту електрохімічній корозії фронт поширення корозії углиб зразку стає нерівним. Корозія зі сторони, паралельної площині прокатки, відбувається рівномірно, а в районі графітних частинок вона гальмується. Зі сторони бокової поверхні прокату і його поперечного перерізу процеси корозії розвивалися вздовж витягнутих графітних частинок, а корозія проникала глибше. Анізотропний характер корозії деформованого чавуну був підтверджений і іншими методами із застосуванням плоских зразків, паралельних одному із 3-х взаємно перпендикулярних перерізів прокату. Мала швидкість корозії поверхні, паралельної осі прокатки і розміщеної під кутом 45є до площини прокатки (рис.5). Таким чином, підвищення опору корозії деформованого чавуну особливо істотне, якщо інертні пластини графіту паралельні поверхні (ПП), що піддається корозії. Це необхідно враховувати при виборі технології деформування чавуну. В зв’язку з цим, корозійні випробування доцільно проводити не на матеріалі, а на натурних зразках і виробах.

Рис. 5. Швидкість корозії поверхні прокатаного високоміцного чавуну.

Отримані дані про підвищення опору корозії під впливом деформації можна пояснити величезною інертністю графіту. Графітні частинки залишаються в продуктах корозії і підвищують шляхи постачання компонентів з агресивного середовища до межі з непрокородованим чавуном (рис.6). Це гальмує електрохімічну корозію деформованого чавуну, особливо в напрямку, перпендикулярному до графітних пластинок. З часом корозійного випробування така пасивація чавуну зростає. Треба враховувати також внесок в опір корозії деформованого чавуну підвищення густини і міцності продуктів корозії під впливом графіту, що спостерігалося у сірих чавунах.

Рис. 6. Схема впливу деформації чавуну на корозію.

На закінчення розглянуті шляхи підвищення якості деформованого чавуну. Вивчене широке коло способів механотермічного впливу на формування орієнтованих структур і комплексу фізико-механічних і корозійних властивостей чавуну дозволяє звузити подальший пошук в розглянутому напрямі. Отримані в роботі кількісні дані про вплив різних чинників на деформівність, густину, міцність, схильність до графітизації і зневуглецювання, а також і опір корозії полегшують цілеспрямований вибір основних параметрів технології обробки високоміцного чавуну. Як видно, деформований високоміцний чавун є перспективним матеріалом сучасного машинобудування. До основних практичних рекомендацій потрібно віднести:

1. Розробка і обґрунтування способів підвищення деформівності високоміцного чавуну шляхом вибору початкового стану, а також режимів попередніх термічної і термоциклічної обробок. На способи отримані 2 деклараційні патенти України.

2. Розроблені і випробувані в лабораторних умовах способи підвищення опору корозії деформованого високоміцного чавуну шляхом феритизації металевої основи, вибором раціональних параметрів деформації та розміщення частинок графіту.

3. Підвищення якості чавуну механотермічною дією може бути досягнуто і зміною фазового складу і структури металевої основи. У дисертації сформульовані шляхи пошуку технологічних параметрів механотермічного впливу. Потрібно зазначити, що відповідний вибір режиму охолодження, температур гартування і відпалу дозволяє змінити вміст вуглецю в аустеніті і, тим самим, на одній і тій же плавці чавуну широко варіювати властивості. Це особливо важливо для малосерійного виробництва.

В ковальському цеху ВАТ МЗ “Буран” була прокована партія виливок із чавуну двох плавок у прути круглого і квадратного перерізу 25, 15 і 10 мм з різною попередньою обробкою. Встановлено, що попередня термоциклічна обробка за режимом 1000-600 єС значно поліпшує якість поковок і підвищує вихід придатного на 5 % (після 2 термоциклів) і на 9 % (після 5 термоциклів). Із отриманих поковок виготовлена партія гвинтів із підвищеними шумопоглинанням та опором корозії в розчині сірчаної кислоти і в проточній воді.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вивчене широке коло питань, пов'язаних з вдосконаленням структури і властивостей виливок чавуну внаслідок термомеханічної дії.

1. Показано, що пластична деформація чавуну з кулястим графітом веде до орієнтованого розміщення графітних частинок, видовжених у напрямі течії металу. При цьому ступінь формозміни графіту залежить від співвідношення реологічних характеристик графіту і основи, які змінюються з температурою. Утворення “хвостів” і “вусів” пов'язане з початковими стадіями руйнування.

2. Визначені умови і результати холодної, теплої і гарячої деформації чавуна, при яких графітні частки змінюють кулясту форму на орієнтовану еліпсоїдну, дискову та пластинчасту. Прокатка і кування з кантуванням на 90є веде до перетворення кулястого графіту в стержні та волокна. Отримана кількісна залежність деформації графіту від параметрів прокатки і вихідного стану чавуну.

3. За допомогою металографічного дослідження у трьох взаємно перпендикулярних перерізах прокату отримана кількісна інформація щодо впливу температури та міри обтиску на формозміну графіту, яку використано при комп’ютерному моделюванні. Вперше побудовано просторові моделі деформованого графіту, за допомогою яких проаналізовані зміни властивостей чавуну внаслідок деформації.

4. На підставі встановленої в роботі залежності пластичності чавуна від хімічного складу, вихідної структури основи і дисперсності графіту розроблені шляхи підвищення на 20 – 50% деформівності високоміцного чавуна за допомогою попередніх термічної і термоциклической обробок.

5. Вперше показано, що формозміна графіту при деформації і одноманітне його орієнтування в чавуні є причиною анізотропії деформованого матеріалу, котра виявляється при дослідженні зневуглецювання і опору корозії. В анізотропію деформованого чавуна великий внесок вносить інертність графіту в агресивних середовищах і пороутворення під час його розчинення. Розходження в опорах корозії різних поверхнь деформованого чавуна в розчинах сірчаної кислоти складає 230%.

6. В результаті деформації змінюються твердість, густина і схильність чавуну до графітизації, які залежать від різних чинників обробки та вихідного стану чавуна. Кількість структурно вільного фериту після гарячої прокатки з обтисненням е>0,5 збільшується в [2·(1 -е )]-1 раз.

7. Істотне підвищення якості високоміцного чавуну під впливом деформації дозволяє зробити висновок про значні перспективи цього конструкційного матеріалу, особливо при виробництві корозійностійких гвинтів із підвищеним шумопоглинанням, деталей вузлів тертя ковзання тощо.

Основний зміст дисеРтації опубліковано у роботах:

1. Управление структурой и свойствами высокоуглеродистых сплавов железа путем совмещения деформации и термообработки / В. И. Алимов, Д. А. Баранов, А. П. Штыхно // Сборник трудов 5-го собрания металловедов России. – Краснодар : КубГТУ. – 2001. – С. 119 – 122.

2. Алимов В. И., Баранов Д. А., Шутов В. В. Ресурсосберегающее упрочнение литых деталей из высокоуглеродистых сплавов // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. інформ. жур. / ПДАБтаА (Дніпропетровськ). – 2001. – №1. – С. 50 – 52.

3. Баранов Д. А. Влияние перемешивания и вибраций на структуру чугунных отливок // Металлофизика и новейшие технологии. – 2002. – №3. – С. 407 – 412.

4. Баранов Д. А. О влиянии горячей деформации на графитизацию высокопрочного чугуна // Литейное производство. – 2002. – №2. – С. 5 – 6.

5. Баранов Д. А., Митьев А. П. Влияние температуры и степени обжатия на твердость высокопрочного чугуна // Изв. ВУЗов. Черн. металлургия. – 2002. – №6. – С. 51.

6. Баранов Д. О., Неснов Д. В. Комп’ютерне моделювання формозміни графіту при деформації високоміцного чавуну // Металознавство та обробка металів. – 2002. – №4. – С. 13 – 17.

7. Баранов Д. А., Луничкина М. А., Нестерова А. И. Влияние прокатки на коррозионную стойкость высокопрочного чугуна // Защита металлов. – 2002. – Т. 39, №4. – С. 420 – 423.

8. Баранов Д. А. Влияние пластической деформации на плотность высокопрочного чугуна // Металлофизика и новейшие технологии. – 2002. – №12. – С.1689-1696.

9. Баранов Д. А., Черновол А. В. Влияние предварительной деформации на обезуглероживание высокопрочного чугуна // Процессы литья. – 2002. - №4. – С. 52 – 55.

10. Деформация графита при прокатке высокопрочного чугуна / Д. А. Баранов, С. М. Кутя // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ-Хмельницький. – 2002. – С. 353 – 355.

11. Баранов Д.А., Баранов А.А. Формирование структуры высокопрочного чугуна при затвердевании, деформации и термической обработке // Научные труды международной конференции “Эвтектика VI”. – НМетАУ, Днепропетровск. – 2003. – С. 155 – 158.

12. Деформируемый высокопрочный чугун / Д.А. Баранов, А.П. Митьев, А.А. Рыжиков, В.И. Бурдук, Л.Г. Коник // Металлообработка 2003. - №2. – С. 43 – 44.

13. Патент №51403 А України, МКІ С21D5/00. Спосіб термоциклічної обробки відливок з високоміцного чавуну / Д. О. Баранов, О. О. Баранов (Україна). – №.2002032043; Заявлено 14.03.2002; Опубл. 15. 11. 2002, Бюл. №11. – 4с.

14. Патент №53180 А України, МКІ С21D5/00. Спосіб обробки високоміцного чавуну / Д. О. Баранов, О. О. Баранов (Україна). – № 2002032476; Заявлено 28.03.2002; Опубл. 15. 01. 2003, Бюл. №1. – 4с.

Анотація

Баранов Д. О. Підвищення якості чавуну шляхом механічної та теплової дії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів. - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню структури і властивостей чавуну з одноманітно орієнтованим розміщенням графіту і способам його виготовлення. Механічним перемішуванням рідини вдавалося збільшити кількість евтектичних аустеніто-графітних колоній, але не впливати на розміщення графіту. Прокатка при 20, 600 і 1000 єС приводила до формозміни графіту і орієнтованому розміщенню його в високоміцному чавуні. Оцінено вплив температури і міри деформації на структуру чавуну і виконано комп'ютерне моделювання формозміни графіту на різних етапах деформування. Встановлено, що зневуглецювання і опір корозії в деформованому чавуні мають анізотропний характер. Досліджено зміцнення, густина, схильність до графітизації при охолодженні гарячекатаного чавуну. Показана роль несуцільностей при деформуванні високоміцного чавуну. Оцінено вплив початкової структури, дисперсності графіту і попередніх термічних обробок на деформівність високоміцного чавуну при прокатці на гладкій бочці. Розроблені режими термічної і термоциклічної обробок, що збільшують деформівність високоміцного чавуну. Використання рекомендацій дозволило підвищити якість чавуну.

Ключові слова: чавун, кристалізація, корозійна стійкість, деформація, структура, властивості, густина, зміцнення, графітизація, зневуглецювання.

Баранов Д. А. Повышение качества чугуна путем механического и теплового воздействия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01. – “Металловедение и термическая обработка металлов”. - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2004.

Диссертация посвящена исследованию структуры и свойств чугуна с однообразно ориентированным размещением графита и способам его изготовления. Механическим перемешиванием жидкости удавалось увеличить число эвтектических аустенито-графитных колоний, но не создавать однонаправленную ориентацию графитных пластин и влиять на их размещение в отливке. На основании анализа температурной зависимости реологических свойств графита и металлической основы чугуна рассмотрены три вида деформации – холодная, теплая и горячая. Прокатка при 20, 600 и 1000 єС приводила к формоизменению графита и к ориентированному размещению его в высокопрочном чугуне. Оценено влияние температуры и степени деформации на структуру чугуна и выполнено компьютерное моделирование формоизменения графита на различных этапах деформирования. Получена графическая зависимость формоизменения графита от степени обжатия чугуна при холодной, теплой и горячей прокатке на гладкой бочке. Образование “усов” и “хвостов” рассмотрено как результат разрушения металлической основы вблизи графита. Кантование на 90є при ковке чугуна ведет к формированию графита в виде стержней и волокон.

Исследован анизотропный характер обезуглероживания и сопротивления коррозии деформированного чугуна, а также упрочение, плотность и склонность к графитизации при охлаждении горячедеформированного чугуна. Расчетным путем получена согласующаяся с экспериментом зависимость количества феррита, образующегося при охлаждении горячедеформированного чугуна, от степени обжатия. Анизотропия сопротивления коррозии деформированного чугуна в водных растворах серной кислоты достигает 230 %. Анализируются причины возникновения анизотропии чугуна под влиянием пластической деформации. Показана роль пор при деформировании высокопрочного чугуна. Оценено влияние исходной структуры, дисперсности графита и предварительных термических обработок на деформируемость высокопрочного чугуна при прокатке на гладкой бочке. Разработаны режимы термической и термоциклической обработок, которые увеличивают деформируемость высокопрочного чугуна. Использование рекомендаций, основанных на запатентованных способах предварительной термоциклической обработки, позволило повысить качество чугуна.

Под влиянием пластической деформации графит высокопрочного чугуна вытягивается в направлении течения металла. Однообразная ориентация вытянутого графита придает деформированному чугуну свойства анизотропного материала. Анизотропию деформированного чугуна, зависимость свойств его от направления прокатки и ковки следует учитывать при технологических испытаниях и разработке технологии обработки давлением, ориентируя должным образом рабочие поверхности изделия относительно максимальных значений свойств.

На основании полученных в работе данных о структуре и комплексе свойств изделий получил дальнейшее развитие научно-обоснованный выбор основных параметров технологии деформированного высокопрочного чугуна. Под влиянием деформации высокопрочный чугун становится перспективным конструкционным материалом.

Ключевые слова: чугун, кристаллизация, коррозионная стойкость, деформация, структура, свойства, плотность, упрочение, графитизация, обезуглероживание.

Baranov D. A. The rise of quality of cast-iron by means of mechanical and thermal action. - Manuscript.

Thesis for the master’s degree in engineering by speciality 05.16.01. – “Physical metallurgy and heat treatment of metals”. - Zaporizhzhya national technical university, Zaporizhzhya, 2004.

Dissertation is devoted to investigation of structure and properties of pig-iron with monotonous oriented graphite placing and ways of itґs making. The amount of eutectic austenito-graphite colonies might be increased by mechanical liquid mixing. The rolling at 20, 600 and 1000 єС brought to change of graphite form and it is competent dislocation in high-strength iron. The influence of temperature and degree of