Влияние химического состава на механические свойства изотермически закаленного высокопрочного чугуна

К.В. Макаренко, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой, (4832) 56-14-01, makkon1@yandex.ru,

Е.А. Зенцова, инженер, kopilka.32@mail.ru, (Россия, Брянск, БГТУ)
Влияние химического состава на механические свойства изотермически закаленного

высокопрочного чугуна
В статье рассмотрено влияние легирующих элементов, таких как Ni и Cu, на прочностные и пластические свойства изотермически закаленного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Дополнительно изучено влияние режима термической обработки на особенности распределения структурных составляющих металлической матрицы в бейнитных чугунах.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, свойства, структура, состав, изотермическая закалка, бейнит.
В настоящее время бейнитный чугун с шаровидным графитом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, благодаря оптимальному сочетанию механических, эксплуатационных и технологических свойств.

Свойства бейнитного чугуна с шаровидным графитом определяются дисперсностью структурных составляющих, которая зависит от выбранного режима термической обработки и соответствующей степени легирования. Основным технологическим способом получения в изделиях из графитизированных чугунов бейнитных структур является изотермическая закалка, которая состоит из нагрева на аустенитизацию и последующей закалки в соляной ванне при температурах промежуточного превращения. Изменяя температурно-временные режимы соответствующих стадий термической обработки можно варьировать структуру и свойства чугунов. Важную роль в процессах бейнитного структурообразования играют легирующие элементы, которые изменяя устойчивость аустенита, оказывают влияния на прокаливаемость чугуна и оптимизацию параметров режима изотермической закалки. Традиционно основными легирующими элементами в бейнитных чугунах считаются молибден и никель. Однако их использование для легирования чугунов, приводит к увеличению себестоимости материала.

В работе обобщены исследования по оценке влияния легирующих элементов, а именно никеля и меди, на механические свойства и структуру изотермически закаленного высокопрочного чугуна. Медь при легировании чугуна использовали, как альтернативу дорогостоящему молибдену.

В рамках исследования влияние легирующих элементов на механические свойства были проведено три экспериментальных плавки, химический состав которых представлен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав экспериментальных плавок

Результаты механических свойств экспериментальных образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты механических испытаний

Образец*	Механические свойства
	σв, МПа	δ, %	KCU, кДж/м2
А-1	1295,5	8,6	97,5
А-2	1290,9	7,1	150
А-3	1389,1	5,7	150

После проведения механических испытаний был проведен анализ полученных результатов. Как видно из таблицы 2 оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств было получено для образцов А-2. При относительно высоком показателе предела прочности 1290,5 МПа значение относительного удлинения составляет 7,1 %, а значение ударной вязкости равно 150 кДж/м².

Микроструктура чугуна после изотермической закалки (образец А-2) представлена на рисунке. Она соответствует бейнитно-ферритному высокопрочному чугуну с шаровидным графитом. При этом наблюдается зернограничное и околографитовое выделение бейнитных структур. Такое закономерное распределение бейнитных структур в матрице высокопрочного чугуна стало возможным получить за счет рационального управления процессом аустентитизации. При нагреве аустенит в чугунных изделиях возникает первоначально в местах, где интенсивно протекает диффузия углерода. Такими участками в исходном ферритном чугуне являются области около графитовых включений и границы зерен, являющиеся путями ускоренной диффузии. Насыщение ферритной матрицы углеродом приводит к трансформации исходной объемно-центрированной решетки в гранецентрированную, которая соответствует γ-фазе. Последующее бейнитное превращение реализуется только в тех местах металлической матрицы чугуна где после процесса аустенитизации образовалась γ-фаза.

Микроструктура высокопрочного чугуна после

изотермической закалки, экспериментальный образец А-2, ×500

(травление 4-% спиртовым раствором пикриновой кислоты)
Как известно формирование бейнитных структур включает несколько стадий: во-первых, распад аустенита на бейнитный (игольчатый) феррит и высокоуглеродистый аустенит (γ_вс) γ→α+γ_вс; во-вторых, превращение высокоуглеродистого аустенита в бейнит γ_вс→α+карбид. Выделение карбидов при распаде высокоуглеродистого аустенита является не желательным, так как приводит к образованию хрупкой высокоуглеродистой фазы по границам бейнитных включений, снижая прочностные и пластические свойства.

Для увеличения устойчивости двухфазной структуры (феррит + высокоуглеродистый аустенит) вводят легирующие элементы, которые образуя твердые растворы замещения, упрочняют аустенит, повышают твердость конечной -фазы и увеличивают бейнитную прокаливаемость чугуна, подавляя перлитное превращение. Часто, как ранее было отмечено, выбор легирующих элементов ограничивается медью, никелем, марганцем и молибденом. Молибден наиболее значительно увеличивает бейнитную прокаливаемость. Однако, Mo обладая склонностью к ликвации по границам эвтектических колоний и формированию устойчивых карбидов в этих областях, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Никель стабилизирует аустенит, повышает прокаливаемость, тормозит выделение карбидов, понижает температуру эвтектоидного превращения. Медь эффективно повышает прокаливаемость, препятствует выделению карбидов из аустенита, незначительно повышает устойчивость аустенита. Медь сегрегирует преимущественно вокруг графитовых включений, создавая барьер для диффузии углерода между графитом и аустенитом. Легирование медью иногда осуществляют для нейтрализации отрицательного влияния молибдена.

Согласно результатам многочисленных исследований легирование чугуна только медью либо только никелем не может обеспечить достаточную прокаливаемость изделиям, но совместное легирование этими элементами повышает прокаливаемость чугуна в области бейнитного превращения. Легированный медноникелевый бейнитных чугун с шаровидным графитом имеет однородную структуру, не содержит хрупких фаз по границам зерен и обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с чугуном, содержащим марганец или молибден.

При проведении исследования оптимальное сочетание механических свойств было получено для образцов содержащих 1,8 % Ni + 1 % Cu. С увеличение массовой доли этих легирующих элементов наблюдается рост прочностных с одновременным снижением пластических свойств. Это происходит в результате усиливающейся сегрегации указанных легирующих элементов по границам фаз и ферритных зерен.