Підвищення фізико-механічних властивостей графітизованих сталей

При підвищенні вмісту кремнію до 2, 5% критична тріщиностійкість Kfc істотно знижувалася, особливо при легуванні 1, 5% Cu і 0, 25% Al. По показниках Kfc=30... 40  висококремністі сталі знаходилися на рівні звичайних високоміцних чавунів і наближалися до сірих чавунів високих марок. Мікрофрактографічний аналіз показав, що такі сталі руйнувалися значною мірою за механізмом транс- і міжкристалітного відколу.

При обробленні експериментальних даних за допомогою регресійного аналізу було отримано рівняння, які відображають залежність параметра форми графіту г та механічних властивостей графітизованих сталей від вмісту кремнію, міді та алюмінію:

Аналіз отриманих рівнянь показав, що найвищими показниками конструктивної міцності володіли сталі з низьким вмістом кремнію. У зв'язку з цим проводили графічну оптимізацію по вмісту міді й алюмінію при вихідному вмісті кремнію на нижньому рівні поля варіювання (1, 0%). Для цього будували графік двомірних перетинів поверхонь відгуку по двуфакторному поліному, в який попередньо було введено найбільш бажане числове значення досліджуваних параметрів: в, К1С, Кfc (рис. 3). Побудовані криві в координатах Al – Cu утворюють область, яка відповідає діапазонам оптимального вмісту міді (0, 9... 1, 4%) та алюмінію (0, 20... 0, 25%).

Таким чином, відповідно до результатів проведеної оптимізації, графітизована сталь складу: 1, 55... 1, 65% С; 0, 20... 0, 25% Mn; 0, 95... 1, 10% Sі; 0, 9... 1, 4% Cu; 0, 20... 0, 25% Al, що відлита у піщано-глинясті форми, у відпаленому стані буде мати границю міцності в=500... 550 МПа, коефіцієнт інтенсивності напружень К1С=55... 60  та критичний коефіцієнт циклічної в'язкості руйнування Кfc=70... 80 .

Відомо, що для деталей, які працюють в умовах теплового впливу (кокілі, виливниці, прокатні валки, гільзи циліндрів двигунів внутрішнього згоряння і т. п.) важливою характеристикою є теплопровідність. Її підвищення забезпечує збільшення швидкості відводу тепла із зони контакту матеріалу з високотемпературним середовищем, що, у свою чергу, призводить до зниження термічних напружень і інтенсивності термоерозійних процесів. Аналіз теплопровідності дослідних сталей показав наявність практично лінійної залежності між цим показником і параметром форми графітових включень  (рис. 4).

Четвертий розділ присвячений вивченню можливості підвищення якості графітизованих сталей внаслідок легування та термічного оброблення. Як легуючі елементи були обрані марганець та хром як найдешевші й доступніші елементи, що впливають на процеси графітизації і підвищують показники міцності; нікель та молібден – як елементи, що впливають на будову перлітної фази й забезпечують підвищення міцності, пластичності та в'язкості руйнування сталей; а також мідь, яка може впливати на форму та розміри графітових включень, забезпечувати твердорозчинне й дисперсійне зміцнення металевої основи та підвищувати теплопровідність й термостійкість чавунів. 

У 120-кілограмовій індукційній печі були виплавлені сплави з базовим хімічним складом: 1, 38…1, 42% С; 0, 9…1, 1% Si; 0, 20…0, 25% Al; 0, 2…0, 3% Mn; 0, 029…0, 031% P; 0, 032…0, 037% S (варіант 1 – вихідний), додатково леговані 0, 3% Cr (варіант 2) ; 0, 3% Cr та 1, 2% Nі (варіант 3) ; 0, 3% Cr, 1, 8% Mn, 1, 2% Nі (варіант 4) ; 0, 3% Cr, 1, 8% Mn, 1, 2% Nі та 0, 3% Mo (варіант 5) ; 0, 6% Cr, 1, 8% Mn, 1, 2% Nі та 0, 3% Mo (варіант 6).

Після графітизуючого відпалювання, одну партію експериментальних зливків піддавали нормалізуванню від 850°С з наступним відпусканням (500°С, 1 год), а іншу – трисхідчастому сфероідизуючому відпалюванню за режимом: нагрівання 850°С, витримка 30 хв, охолодження з піччю 600°С, нагрівання 720°С, витримка 1 год, охолодження з піччю 600°С, нагрівання 720°С, витримка 1 год, охолодження з піччю.

Нормалізування сталей призвело до усунення крупнозернистої структури, отриманої при литті, і підвищенню дисперсності перліту. При цьому зі збільшенням вмісту легуючих елементів твердість монотонно зростала від НВ250 до НВ380, границя міцності в від 556 до 1122 МПа і границя плинності 0, 2 від 505 до 808 МПа, а відносне видовження  знижувалося від 4 до 1, 6%. Отримані результати можна пояснити твердорозчинним зміцненням металевої матриці легуючими елементами. Статична тріщиностійкість К1С змінювалася в діапазоні 19, 3... 31, 1  та мала максимальне значення при легуванні 0, 3% Cr і 1, 2% Nі. Отримані дані про вплив легування на К1С підтверджувалися і результатами фрактографічного аналізу, який показав, що в сталях варіантів 1 та 2 руйнування відбувалося по змішаному механізму транскристалітного відколу і ямкового відриву. В сталі 3-го варіанта переважав механізм ямкового відриву.

В сталях варіантів 5 та 6 підвищений вміст Mn та Cr призвів до значного окрихчення металевої матриці і зниженню рівня тріщиностійкості. Про це свідчила наявність на поверхні зламів