Н А Жижкина, А И Малык - Исследование структуры и свойств массивных чугунных отливок - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621.74.04:669.16

Жижкина Н.А., Малык А.И.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАССИВНЫХ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

Работа посвящена массивным отливкам из чугуна с шаровидным графитом. Установлено, что шаровидная форма снижает негативное влияние графита на уровень прочности. Показано, что содержание углерода определяет уровень таких свойств, а его изменение зависит от количества кремния.

Ключевые слова: прочность, структура, сменное металлургическое оборудование, химический состав, чугун, шаровидный графит

Постановка проблемы. Одним из критериев экономической эффективности работы металлургического предприятия является конкурентоспособность выпускаемой им продукции. Повышение такого показателя возможно путем улучшения качества металлопроката и снижения его себестоимости. Последнее неразрывно связано с эксплуатационной стойкостью сменного металлургического оборудования (валков, изложниц, кюмпельных поддонов и другое), характеризуемой его надежностью и расходным коэффициентом. Такое оборудование подвержено циклическим термическим ударам и последующему неравномерному как по длине, так и по сечению нагреву, который может достигать температуры 800 0С. В результате образующиеся в теле изделия растягивающие и сжимающие напряжения в совокупности с пластической деформацией и окислением его материала способствуют короблению, возникновению продольных и поперечных трещин, а также «сетки разгара» на рабочей поверхности. Для предотвращения их появления сменное металлургическое оборудование изготавливают из чугуна, характеризующегося одновременно высоким уровнем технологических и эксплуатационных свойств [1].

Вместе с тем повышение требований к эксплуатационным характеристикам таких изделий обуславливает изменения в их структуре и физико-механических свойствах. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляют методы воздействия на процесс структурообразования чугуна, позволяющие управлять уровнем эксплуатационных характеристик сменного металлургического оборудования.

Анализ последних исследований и публикаций. Известно [5], что чугунное изделие характеризуется сложной микроструктурой и представлено одновременно несколькими фазами, отличающимися содержанием углерода, железа и других элементов (табл. 1).

Таблица 1

Состав и удельная плотность фаз в процессе кристаллизации литейного чугуна

с 2,4% Si [5]

Фаза

Ориентировочный состав, %

Удельная плотность, 103 кг/м3

 

Fe C

 

Аустенит

96,9-96,5 0,7-1,1

7,8

Цементит

93,3 6,7

7,7

Графит

0,0 100

2,2

Исследования показали, что цементит и аустенит, имеющие одинаковую плотность и содержащие растворенный углерод, способствуют формированию более твердой "белой" структуры. С другой стороны, элементы сменного металлургического оборудования являются достаточно массивными отливками, затвердевание которых характеризуется процессом медленной кристаллизации, что способствует выделению из расплава графита и формированию менее твердой «серой» структуры. В результате структура таких изделий может быть представлена в виде серого, половинчатого и белого чугуна.

Опыт производства массивных валков [1] показывает, что повышение прочностных и эксплуатационных свойств чугунных отливок возможно за счет изменения морфологии графитных включений и формирования металлической основы путем регулирования технологических параметров процессов плавления, литья и термической обработки изделия. Вместе с тем управление процессом структурообразования невозможно без применения внепечной обработки расплава различными легирующими и модифицирующими добавками, которую осуществляют с учетом изменения химического состава, строения чугуна и различных свойств в литом состоянии. К   такой   обработке   относятся   вакуумирование,    продувка   газами   с одновременныммодифицированием порошкообразными добавками, обработка в магнитном поле и другие способы. Наиболее эффективной внепечной обработкой чугунов различных составов, приготавливаемых в разнообразных плавильных агрегатах, является модифицирование.

В процессе кристаллизации отливок из модифицированного чугуна образуется шаровидный графит и одновременно увеличивается дисперсность структуры, что обеспечивает получение уровня прочностных и пластических свойств, соответствующего стальным изделиям. Установлено [5], что сферические включения в таких чугунах препятствуют распространению трещины, затупляя ее остроту и тем самым снижая концентрацию напряжений у ее фронта. В результате возрастает сопротивление чугуна развивающейся трещине, а следовательно, повышается его способность выдерживать более высокие внешние знакопеременные температурные и динамические нагрузки, что позволяет использовать такие изделия для изготовления деталей сменного металлургического оборудования.

Основными методами модифицирования чугуна является введение специальных добавок в закрытые и открытые ковши, в автономные проточные реакторы, внутрь форм и другие. В качестве основных модификаторов применяют магний и его лигатуры, ферросилиций, силикобарий, алюминий, кальций, стронций, церий, РЗМ (Ce, Y, La) и другие компоненты. Наиболее эффективный сфероидизирующий элемент - магний, который обеспечивает получение шаровидных включений в структуре при наименьшем среди используемых модификаторов содержании [5].

Вместе с тем процесс модифицирования характеризуется нестабильностью эффекта, что обусловлено его чувствительностью к коагуляции, растворению, распределению добавок в объеме расплава и зависит от ряда технологических факторов: химического состава и температуры расплава, марки и фракции применяемого модификатора, количества обрабатываемого металла, скорости наполнения реакционной емкости, метода обработки. Определяющими факторами прочностных характеристик такого чугуна являются содержание связанного углерода Ссв, регулирующего долевое соотношения перлита и феррита в металлической основе, и количество и форма графита, описываемые .

Определение таких параметров, исходя из требуемого уровня характеристик изделий, затруднительно. Поскольку существующие диаграммы структурообразования не обеспечивают необходимую точность при описании взаимосвязи между химическим составом и прочностными свойствами обрабатываемого чугуна, что объясняется существенным воздействием большого количества факторов на такой процесс [2]. Вместе с тем соотношение связанного Ссв и свободного        углерода в чугуне зависит от общего его содержания Cобщ и регулируется

количеством кремния Si. По сравнению с Si доля остальных химических компонентов в рассматриваемом сплаве незначительна, следовательно, степень их влияния постоянна.

В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение количественной взаимосвязи между химическим составом, структурой, толщиной отливки и прочностными свойствами обрабатываемого материала. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследований:

- определить влияние формы графита чугуна на изменение уровня его прочности;

- оценить зависимость прочностных характеристик отливок от содержания углерода Собщ , кремния Si и структуры высокопрочного чугуна.

Материалы и результаты исследования

Исследования проводили на массивных отливках из высокопрочного чугуна с перлитно-ферритной основой, содержащего углерода   Собщ = 2,7 -3,6%   и кремния  Si = 1,1 -2,2%, при

растяжении которого предел прочности составил as = 400 - 500МПа. Для сравнения рассматривали изделия, изготовленные из серого чугуна. В таком сплаве, характеризующимся Собщ = 3,1 - 3,4%,   Si = 1,1 -1,8% ,  предел  прочности  при  растяжении  составил  в  среднем -

a s = 200МПа .

Взаимосвязь между содержанием углерода, кремния, структурой и толщиной массивной отливки описывается известным выражением [2]:

Si = AТ - Собщ  , (1) 0,5(С св + К)

где АТ = 6,3 - lnT - величина, зависящая от диаметра валковой шейки T , м; к - величина, зависящая от вида чугуна. Для половинчатого чугуна, подлежащего модифицированию, K = 0,3 -0.5 ; для серого - K = 0,9 -1,0 .

Следовательно, содержание связанного углерода:

Cсв = Ат   Собщ - K . (2) св      0,5 • Si

Исходя из того, что прочностные характеристики чугуна определяются структурой металлической основы, а строение графита характеризует степень снижения их уровня, изменение прочности чугуна при растяжении описывается уравнением [2]:

aвП + aвф • Ф

a в = і-вф-       , (3)

в • 100 w

где aв, - предел прочности при растяжении исследуемого чугуна, МПа; aвП - предел прочности при растяжении перлита, МПа; П - количество перлита в металлической матрице, %; a вф -предел

прочности при растяжении феррита, МПа; Ф - количество феррита в металлической матрице, %; г|в - степень снижения прочности чугуна графитом.

Для расчета предела прочности чугуна при растяжении с учетом количества связанного углерода Ссв в [2] предложена формула:

a в =-П-ф-ф, (4)

|в

где величины aвП , aвф определяются по справочным таблицам согласно типу чугуна, Ссв -

количество связанного углерода в чугуне.

Согласно формулам (2) в (4) расчетная зависимость для определения прочности чугуна принимает вид:

1,25 • (АТ05 °Т - K) ^ (a вп - a вф) + a вф

|в

На основании формулы (5) при условии известного значения a в определяется коэффициент г|в, выражающий степень снижения прочности чугуна графитом, для любого типа сплава:

1,25 • ( Ат - Собщ - K) (aвП - aвф) + aвф 0,5 • Si вП     вф вф

a в

Согласно формуле (6) сравнивали влияние различных форм графита на степень снижения прочности. Для исследуемого в работе высокопрочного чугуна = 1,0 ; АТ = 4,2 ; aвП = 430МПа ;

aвф = 200МПа   согласно [2-4]), характеризующегося  шаровидной  формой  графита, степень

снижения прочности | в составляет

4 2 - 3 4 1,25 • 3,4

Г\ С

-1,0) • (240 - 200) + 200

0,5 4,2_ 095

г|в =-----= 0,95.

в 475

Для   сравнения   рассматривали   серый   чугун,   характеризующийся   К = 1,0;   АТ = 4,2; aвП = 240МПа ; aвф = 200МПа [3, 4]. В этом случае коэффициент г|в составляет

4 2 - 3 4 1,25 • (42- 3,4

С

-1,0) • (240 - 200) + 200

0,5 4,2_

г|в =-----= 1,33.

200

Расчеты показали, что формируемая в результате модифицирования шаровидная форма графита способствует уменьшению коэффициентаг|в на 28,6 %, что обеспечивает получение

более высоких прочностных характеристик по сравнению с серым чугуном.

Подставляя полученные коэффициенты г|в в выражение (5), оценили уровень прочности при

растяжении исследуемых отливок (табл. 2). Достаточно высокая достоверность расчетных результатов подтверждена практическими данными. Отклонение расчетных величин от практических в среднем составляет 3,48 %.

Таблица 2

Сравнение результатов расчетов и практических значений предела прочности при растяжении модифицированного чугуна

п /п

Содержание химических компонентов,

 

Степень

 

К

снижения

Ат

 

прочности

 

Предел прочности на растяжение, МПа

Значения предела прочносіи чуіуна aв, МПа


 

%

 

 

 

 

 

 

С

общ

Si

 

 

 

перлита

a вП

феррита

авф

расчетное

практическое

1

3,18

1,75

0,4

0,95

4,2

430

200

442,6

417,8

2

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Н А Жижкина, А И Малык - Исследование структуры и свойств массивных чугунных отливок