Сагалакова М.М., кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и технология литейного производства», Хакасский технический институт – Филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», г. Абакан

Сарлин М.К. – профессор, кандидат технических наук, заведующий кафедрой кафедры «Машины и технология литейного производства», Хакасский технический институт Филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», г. Абакан

Цыганок Н.С. - старший преподаватель кафедры «Машины и технология литейного производства», Хакасский технический институт – Филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», г. Абакан

ДОМЕННЫЙ ЧУГУН БЕЗ ВЫДЕЛЕНИЙ ГРАФИТА - НОВЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Развитие современного материаловедения предусматривает постоянный поиск новых материалов с более высокими свойствами по сравнению с имеющимися. Чаще всего это достигается дорогостоящим комплексным легированием практически всеми элементами таблицы Д.И. Менделеева. Особенно важное место занимают сплавы с низким коэффициентом линейного расширения. В качестве таких материалов широко используются дорогие железо-никелевые сплавы, так называемые инвары, которые для снижения КЛР подвергают сложной технологической обработке. Появились инвары, содержащие 20-25% палладия и платины, которые из-за высокой стоимости имеют ограниченное применение. Поэтому важным является изыскание материалов, с низкой себестоимостью, но имеющих низкий коэффициент линейного расширения в литом состоянии.

Одним из таких материалов может быть доменный чугун. Современные разработки [1] позволяют получить доменный чугун без выделений графита. Однако его свойства и, прежде всего, линейное расширение в зависимости от различных технологических факторов остается совершенно неизученными.

Для изучения коэффициента линейного расширения использовали передельный доменный чугун производства ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» следующего химического состава, масс. %: С - 4,15; Si – 0,90; Mn – 0,30; S – 0,02; P – 0,10. Для изучения коэффициента линейного расширения доменного передельного чугуна после предварительной обработки расплава были изготовлены дилатометрические образцы. Коэффициента линейного расширения определялся на дифференциальном оптическом дилатометре системы Шевенар.

В практике получения чугунных отливок для придания чугуну нужных свойств часто используется обработка расплава различными веществами. Помимо воздействия на химический состав расплава, его свойства можно изменять с помощью других факторов. Одним из наиболее простых по осуществлению и эффективности может быть изменение температуры расплава и времени пребывания при этой температуре.

В последнее время пристальное внимание уделяется термоциклической обработке чугунов. За счет интенсификации процессов диффузии, фазовых и структурных превращений она позволяет сократить длительность термической обработки, улучшить весь комплекс механических и эксплуатационных свойств.

Переход расплава из жидкого в твердое состояние всегда сопровождается резким уменьшением содержания водорода, то есть дегазацией. Выбор режимов термоциклической обработки проводился исходя из известных знаний и возможных вариантов дегазации жидкого и твердого. Например, используя знание о скачкообразном уменьшении растворимости водорода при кристаллизации [2], применили прием многократного пребывания в районе температур кристаллизации и плавления.

Для изучения влияния термоциклирования на линейное расширение и микроструктуру чугуна проводилось два варианта обработки расплава. Первый заключался в нагреве до 1300°С, выдержка в течение 15 минут и охлаждении до получения твердой корки. Второй – в нагреве до 1550°С, выдержке в течение 15 минут и охлаждения до температуры 1350°С. Оба процесса повторялись многократно. Расплавление исходного чугуна и термоциклирование проводили в индукционной печи емкостью 60 кг, который заливался в алюминиевый кокиль. Влияние различных режимов термоциклирования на изменение коэффициента линейного расширения представлены на рисунках 1, 2.

Проведенная обработка расплава полностью удаляет выделения свободного графита из структуры чугуна. Металлографический анализ дилатометрических образцов позволил установить, что термоциклическая обработка приводит к образованию ледебурита.

Рис. 1. Влияние низкотемпературной циклической обработки (1300°«тв.ж. состояние) на линейное расширение доменного чугуна

1 – без обработки; 2 – 5 циклов; 3 – 6 циклов; 4 – 8 циклов

Рис. 2. Влияние высокотемпературной циклической обработки (1350°«1550°С) на линейное расширение доменного чугуна

1 – без обработки; 2 – 5 циклов; 3 – 6 циклов; 4 – 8 циклов

Главным определяющим фактором, обеспечивающим снижение коэффициента линейного расширения инваров является температура отжига совместно с пластической деформацией. Например, дифференциальный коэффициент линейного расширения суперинвара уменьшается следующими обработками: 1) отжиг 950°С охлаждение с печью; 2) холодная деформация 60%, отпуск 350°С; 3) закалка от 950°С, отпуск 350°С; 4) закалка от 950°С; 5) холодная деформация 60%.

В связи с этим, изучалось влияние термической обработки на линейное расширение и микроструктуру доменного чугуна после предварительной обработки расплава. Наиболее эффективной оказалось проведение химико-термической обработки (цементации в среде бондюжского карбюризатора) с последующей закалкой.

Проведение цементации в среде бондюжского карбюризатора приводит к повышению значений коэффициента линейного расширения в области низких и высоких температур испытания. Однако последующая закалка позволяет получить довольно низкие значения коэффициента линейного расширения: 3,1×10^-6, град^-1 при температуре 150°С и 1,8×10^-6, град^-1 при температуре 400° (см. рис.3.)

Рис. 3. Влияние цементации и закалки на линейное расширение

термоциклированного доменного чугуна по режиму (1350°С«1550°C)

1 – без нагрева; 2 – цементация 900°С, 3ч;

3 – цементация 900°С, 3ч + 1000°С, 10¢, горячее масло;

Сравнивая коэффициент линейного расширения доменного чугуна без выделений графита с коэффициентами линейного расширения инваров
(табл. 1) в различных температурных интервалах видно, что коэффициент линейного расширения после предварительной обработки принимает довольно низкие значения, что позволит в будущем заменить дорогостоящие высоколегированные сплавы, там, годе вес детали не является определяющим. Прежде всего это лазерная, микроволновая, вакуумная техника, приборостроение и многое другое.

Таблица 1

Сравнение линейного расширения сплавов на основе Fe-Ni и

доменного термоциклированного чугуна без выделений графита

Сплав	Химический состав*^1, %			Средний КЛР×10^6, град^-1 в интервале температур, °С			Примечание
	Ni	co	прочие	20-300	20-400	20-500
1	2	3	4	5	6	7	8
38НКД	37,5-38,5	4,5-5,5	Cu - 4,5-5,5	7,0-8,0	7,0-80	8,0-90	Спаи со стеклом С72-1, С74-4
47НД	46-48	-	Cu - 4,5-5,5	9,2-10,2	9,2-10,2	9,8-10,8	Спаи со стеклом С87-1, С89-2, С90-1
47НХР	46-48	-	Cr - 4,5-6,0	8,5-9,5	9,2-10,2	9,8-10,8	Спаи со стеклом С87-1, С89-2, С90-1
47НХ*^2	46-47,5	-	Cr - 0,7-1,0	-	8,0-9,0	-	Спаи со стеклом С76-4, С82-1
34НК	33,5-34,5	11,6-12,5	-	5,2-6,1	5,1-6,0	9,0-7,0	Спаи с керамикой 22ХС
52Н	51-53	-	-	9,6-10,6	9,6-10,6	9,8-10,8	Герметизированные реле
58Н*^3	57,3-59,5	-	-	10,8-11,5			Штриховые мары, линейки прецизионных станков

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8
18ХТФ	-	-	Сr - 17-19 Ti - 0,4-0,8 V - 0,25-0,45	-	-	11,0-11,4	Спаи со стеклом С89-2, С90-1
Передельный П1 без выделений графита	fe-4,0-4,5%C			8,89	9,03	10,16
то же + 200°C, 1ч, в мочевине	fe-4,0-4,5%C			8,11	9,48	10,52

Примечание: *¹ Сплавы содержат минимальное количество примесей (С £ 0,05%, Si £ 0,3%, Mn £ 0,4%, S и P £ 0,02%, остальное Fe). *² Данные в интервале температур 20-450°С. *³ Данные в интервале температур 20-400°С

Таким образом, можно отметить перспективность доменного чугуна без выделений графита в качестве нового прецизионного материала.