Підвищення фізико-механічних властивостей графітизованих сталей

Розглянуто методи підвищення конструктивної міцності графітизованих залізовуглецевих сплавів. Відзначається, що конструктивна міцність є характеристикою матеріалу, що інтегрує в собі критерії матеріалоємності (в, 0, 2), надійності (, К1С, КС) і довговічності (витривалість при циклічних знакозмінних навантаженнях, зносостійкість, термостійкість і т. д.). Показано, що основними факторами, які впливають на конструктивну міцність графітизованих сплавів є кількість, розподіл і форма графітових включень, а також стан металевої матриці. Таким чином, найперспективнішими шляхами підвищення конструктивної міцності графітизованих сталей є зменшення розмірів і глобуляризація графітових включень, а також зміцнення металевої матриці шляхом легування та термічного оброблення.

В другому розділі обґрунтований вибір напрямку дослідження і викладені основні методи лабораторних і промислових випробувань.

Дослідні плавлення проводили у лабораторних умовах в індукційних печах ИСТ-60 та ИСТ-120 з основною футерівкою тигля. Як шихтові матеріали використовували чушкові ливарні чавуни (ГОСТ 4832-80), сталевий брухт (ГОСТ 2787-86), кремній КР-1 (ГОСТ 19658-81), алюміній АД1 (ГОСТ 4784-97), електротехнічну мідь, електролітичний нікель, молібден ММ-2 (ТУ 48-19-73-78), хром металевий Х97 (ГОСТ 5905-79), феромарганець ФМн75 (ГОСТ 4756-70). Застосування методу фракційного розливання дозволило виключити дію сторонніх факторів, пов'язаних зі зміною хімічного складу, температури розливання, умов кристалізації і т. п., та одержати достовірніші результати.

Контроль вмісту вуглецю здійснювався хімічним методом згідно з ГОСТ 2604. 1-77 із застосуванням автоматичного аналізатора типу АН-7529. Контроль вмісту інших елементів виконувався на іскровому спектрометрі «SPECTROLAB» виробництва Німеччини, що дозволяв визначати хімічний склад сплаву по основних елементах з точністю ±0, 0001 мас. %.

Термічне оброблення зразків здійснювали в електричних печах опору з автоматичним регулюванням температури.

Металографічний аналіз робили на мікроскопах МИМ-7, МИМ-8 та EPYTІ 2 (Карл Цейс, Йена, ФРН) при збільшеннях 100... 500. Форму і розміри включень графіту визначали на нетравлених шліфах. При цьому для характеристики форми включень графіту застосовували параметр форми г, який визначали за результатами металографічних досліджень як середнє відношення максимальних розмірів включень графіту до мінімальних.

Розподіл надлишкової мідної фази в сталях, що містили мідь, досліджували на багатоцільовому растровому електронному мікроскопі дослідницького класу фірми JEOL (Японія) JSM-6360LA у режимі кольорового мапування при прискорювальному потенціалі 25 кВ.

Мікрорельєфи зламів зразків досліджувалися на растровому електронному мікроскопі «JSMT 300» фірми JEOL (Японія) при прискорювальному потенціалі 20... 25 кВ і діаметрі електронного зонду 100 нм.

Механічні випробування проводили відповідно до ГОСТ 1497-84 на розривній машині УРМ-5 з максимальним зусиллям 50 кН на зразках з робочим діаметром 5 мм і довжиною 25 мм.

Вимірювання твердості проводили за методом Брінелля (ГОСТ 9012-59).

Критичні коефіцієнти інтенсивності напружень К1С визначали відповідно до ГОСТ 25. 506-85 на плоских прямокутних зразках з крайовою тріщиною за схемою триточкового згину на машині для статичних випробувань РМТ-10 з максимальним зусиллям 100 кН при швидкості переміщення елемента, що навантажував (ножа), 810-5 м/с.

Визначення малоциклової втоми проводили відповідно до ГОСТ 2860-65 на установці ИП-2М конструкції ФМІ ім. Г. В. Карпенка НАН України повторно-змінним чистим згином плоских зразків товщиною 2 мм жорстким навантаженням з частотою 50 циклів/хв, по симетричному циклу.

Критерії циклічної тріщиностійкості визначали на дискових зразках з крайовою тріщиною (базовий розмір W = 64 мм, товщина t = 6... 8 мм) при частоті циклічного навантаження 10... 15 Гц і коефіцієнті асиметрії R = 0, 05 у середовищі лабораторного повітря. Довжину втомної тріщини вимірювали катетометром КМ-6 з 25-кратним збільшенням.

Будували залежності швидкості росту втомної тріщини = da/dN від розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень К. Характеристиками циклічної тріщиностійкості сплавів було обрано величини:   у низько-,   у високо- і   у середньоамплітудній ділянках кінетичної діаграми втомного руйнування, а також величину n показник у рівнянні Періса.

Теплопровідність експериментальних сплавів  вимірювали на приладі ИТЭМ-1М.

Експериментальні дані, отримані з використанням плану-матриці для повного факторного експерименту 23, оброблялися за допомогою методів регресійного аналізу. Результати оброблення представлялися у вигляді рівнянь регресій та графіків.

Третій розділ присвячений оптимізації складу графітизованої сталі. Згідно з літературними даними, основними елементами, що входять до складу графітизованих сталей, є вуглець (0, 14... 1, 65%), кремній (0, 75... 2, 50%), марганець (0, 2... 0, 5%) і, в окремих випадках, мідь та титан. Згідно з літературним аналізом вплив легування на властивості графітизованих сталей вивчено недостатньо. У зв'язку з цим аналізували вплив кремнію, алюмінію і міді на структуру, механічні й службові властивості та теплопровідність графітизованих сталей складу: 1, 55... 1, 65% С; 0, 18... 0, 22% Mn; 0, 03... 0, 07% Cr; 0, 025... 0, 030% S та 0, 032... 0, 04% P. З цією метою в роботі був реалізований повний факторний експеримент 23, що