Явление зонной графитизации в отливках из высокопрочного чугуна Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74

ЯВЛЕНИЕ ЗОННОЙ ГРАФИТИЗАЦИИ В ОТЛИВКАХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

А.А. Зайцев, В.И. Швецов, Б.А. Кулаков

Основной задачей литейного производства является получение качественных отливок при минимальных затратах, что возможно только при правильном понимании процессов, протекающих в сплаве в период охлаждения и затвердевания. Это особенно актуально для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), теоретические аспекты затвердевания которого до сих пор остаются противоречивыми ввиду ряда особенностей, присущих этому сплаву.

Исследование таких особенностей позволяет лучше понять механизм образования шаровидного графита и влияние различных факторов на процесс его возникновения и роста.

Изучение формирования макроструктуры отливки из ВЧШГ позволило экспериментально зафиксировать зонный характер выделения графита. Суть этого явления заключается в формировании трех основных зон от поверхности вглубь отливки. Количество, распределение и форма графита в этих зонах различаются.

Для экспериментального изучения затвердевания в песчано-глинистой форме была изготовлена отливка цилиндрической формы диаметром 60 мм. Сплав содержал: С - 3,61 %, - 2,66 %, Мп - 0,41 %,

виР-в пределах нормы. Для графитизирующего модифицирования использовался ферросилиций (Ре8150Мп10ВаЗ), а в качестве сфероидизатора была взята магнийсодержащая лигатура (Ре8М§611).

Исследование вырезанных из полученной отливки образцов, с помощью электронного сканирующего микроскопа УЕОЬ ДЭМ 6460ЬУ, позволило отчетливо установить наличие трех структурных зон (рис. 1).

Непосредственно у поверхности отливки находится относительно тонкая зона (рис. 1, а), характе-

ризующаяся очень большим количеством шаровидного графита правильной формы, средних размеров (ШГд25, ГОСТ 3443-87). Толщина этой зоны в данных условиях составила 1,5-2 мм. Далее вглубь отливки расположена переходная зона (рис. 1, б) толщиной также 2 мм, в которой заметно меньше графита, и он мельче (в основном ШГд15). Заметной особенностью переходной зоны является наличие большого количества посторонних включений, предположительно - нераспавшихся карбидов. Наконец, еще глубже расположена третья, центральная зона (рис. 1, в). В ней графита больше чем в переходной, он крупнее (ШГд15-ШГд25), менее правильной формы. В центре отливки наряду с отдельными глобулями обнаружены также графитовые включения в виде пленок.

Такой неравномерный, зонный рост графита в объеме отливки обусловлен, очевидно, большой разницей условий затвердевания разных частей отливки.

В процессе формирования шаровидного графита немаловажную роль играет целый ряд технологических параметров: скорость охлаждения сплава в форме, влияющая на величину переохлаждения в различных сечениях отливки, тип, количество и способ ввода модификатора, а также чистота от вредных примесей (сера, кислород и др.). Однако из перечисленных факторов только переохлаждение принципиально зависит от расстояния до поверхности раздела металл-форма.

Различные исследования [1, 2] показывают, что формирование шаровидного графита возможно и без сфероидизирующего модификатора, и в условиях недостаточной чистоты от серы и кислорода. Но это возможно только за счет высоких скоростей охлаждения (от 100 °С/мин), а, следова-

. V*

«*» *

' г*

»

<а* _**•

■

I- . * I **

»►

*

■#

% .*•> *

*

*

* * * ** •’ - * **2 ж я '* * '% '* *

Л* *‘ Р - V '** -- -*1. 4

» Л

•* ■# •• »

Л.

• * - 8

' 4 *

4

з-ч*- И;** >.* л-*

■ „г * . * *

*• *

'' £*

а) 6) в)

Рис. 1. Графитизация в отливке (хЗО, шлиф не травлен), зоны: а) поверхностная, б) переходная, в) центральная

тельно, больших величин переохлаждений. В условиях производственного изготовления отливок всегда используют модификаторы и следят за чистотой расплава от вредных примесей. Поэтому достижение необходимых переохлаждений возможно даже в песчано-глинистой форме.

Предполагая переохлаждение необходимым условием получения шаровидной формы графита, рассмотрим механизм формирования зон графити-зации в отливке.

Максимальные скорости охлаждения, а, следовательно, и переохлаждения развиваются в металле на границе с формой. Ввод сфероидизирую-щего модификатора (М§) снижает до минимума содержание серы и кислорода, не образуя изоморфных твердой фазе частиц. В этих условиях переохлаждение поверхностной части сплава может достигнуть 45-60 °С [1], после чего начинается затвердевание. Причем, в отсутствие готовых подложек, кристаллизация носит гомогенный характер.

При получении отливок из ВЧШГ в расплав вводится значительное количество графитизатора (81), чтобы избежать отбела, дестабилизируя карбидные фазы. Но помимо присутствия карбидообразующих элементов (Мп, М§) стабильность карбидов в большой степени определяется скоростью охлаждения [3]. Таким образом, в поверхностной зоне возникают благоприятные условия для затвердевания сплава по метастабильной диаграмме (Ре-Ре3С). Переходная зона на начальном этапе ничем не отличается от поверхностной.

После начала выделения твердой фазы из расплава скорость охлаждения падает. Моделирование процессов затвердевания с использованием программного пакета 1ЖМР1о\у показывает, что скорость охлаждения у поверхности понижается быстрее, чем в переходной зоне. В таких условиях карбиды поверхностной зоны теряют стабильность и распадаются [2]. Вместо распавшихся карбидов

растет шаровидный графит, и, так как его рост происходит на готовых группировках атомов углерода, количество глобулей у поверхности максимальное, практически все имеют правильную форму.

В переходной зоне соотношение выделившегося благодаря кристаллизации и отведенного в форму тепла меньше, чем у поверхности. Кроме того, спектроскопические исследования шлифов показали неоднородность распределения элементов по сечению отливки (рис. 2).

На графиках показаны усредненные значения содержания элементов на определенной площади (1 мм2) поверхности шлифа. Приведенные данные свидетельствуют, что при затвердевании происходит выраженное перераспределение основных элементов, входящих в ВЧШГ.

В поверхностном слое, затвердевающем объемно за короткое время (около 15 с) низкое содержание кремния и марганца. Тогда как в переходной зоне их содержания достигают максимумов, при которых система становится метастабильной (Ре-Ре3С). В центральной зоне отливки количество основных элементов соответствует запланированному при плавке.

Большое количество марганца стабилизирует карбиды переходной зоны даже при малых скоростях охлаждения. На рис. 1, б видно, что они частично остались в структуре даже после окончательного затвердевания отливки.

Преставление о зонном характере графитиза-ции ВЧШГ позволяет лучше понять механизм образования шаровидного графита и получить доказательство ведущей роли переохлаждения в процессе сфероидизации графита.

Очевидно, что возникновение подобных зон в отливке, особенно ответственного назначения, -явление нежелательное. При этом аналогичные исследования отливок диаметром 20 мм показали, что графит распределен равномерно по всему

3.4

3.2 3

г?

>* 2,8 5

1 2,6 а

2.4

2.2 2

0,56

0,41 0,4

'0,*ЗЗГ'"/; 2,77 2,68 ~

2,24

0,7

0,6

0,5

5?

0.4 |

х

2

0,3 а га £

0,2

0,1

0

Поверхность отливки -> Центр отливки

Поверхность отливки ~> Центр отливки

Рис. 2. Распределение основных элементов ВЧШГ по сечению отливки

102

Вестник ЮУрГУ, № 10, 2006

Зайцев А.А., Швецов В.И., Кулаков Б.А._______________

Явление зонной графитизации в отливках ________________из высокопрочного чугуна

сечению, зон не наблюдается. Следовательно, качественный металл можно получить только при условии обеспечения постоянного переохлаждения на протяжении всего затвердевания. Известным технологическим приемом, позволяющим это сделать, является установка холодильников.

Любопытная картина наблюдается в опытной отливке вблизи места установки термопары, которая выступила в роли холодильника (рис. 3).

Рис. 3. Структура ВЧШГ вблизи термопары (х200, шлиф не травлен)

Графит имеет шаровидную форму, однако, с клиновидными включениями металла матрицы. В начальный момент термопара сыграла роль холодильника, создав благоприятные условия для выделения графита шаровидной формы, размеры которого аналогичны графиту в поверхностной

зоне (20-25 мкм). После прогрева термопары переохлаждение исчезло, и графит продолжил свой рост в виде звездообразных глобулей. Это означает, что в случае использования холодильников, они должны обладать достаточной массивностью для поддержания переохлаждения в течение всей кристаллизации.

Подобное распределение графита и появление звездообразных глобулей в переходной зоне и рядом с термопарой позволяет сделать вывод о ведущей роли переохлаждения в процессе формирования шаровидной формы графита в высокопрочном чугуне. Мерами для получения правильной формы графита и предотвращения образования переходной зоны являются: использование холодильников в массивных узлах отливок, заливку сплава в металлическую форму, либо использование форм с дифференцированной теплопроводностью, а также снижение (в допустимых пределах) содержания карбидообразующих элементов.

Литература

1. Физико-химические основы формирования шаровидного графита как база разработки технологий производства отливок из высокопрочного чугуна / Ю.Н. Таран, А. В. Черновол, Г.Д. Хуснут-динов, В. В. Курепина // Сб. науч. тр. АН УССР. Ин-т пробл. литья. - Киев, 1990. - С. 11-27.

2. Горушкина Л. П. Структура и свойства магниевого чугуна. - Харьков: Вища школа. Изд-во приХарък. ун-те, 1980. -160 с.

3. Эллиот Р. Управление эвтектическим затвердеванием /Пер. с англ.; под ред. Л.С. Швинд-лермана-М.: Металлургия, 1987. -352 с.