К.т.н.Cагалакова М.М., к.т.н, Сарлин М.К., Цыганок
Н.С.
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
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×106,
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 + |
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.