автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства массивных отливок из бейнитного чугуна с шаровидным графитом

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Общая характеристика (химический состав, структура, механические свойства, способы получения бейнитной структуры).

1.2. Влияние режимов изотермической обработки на механические свойства и структурообразования БЧШГ.

1.3. Влияние легирующих элементов на структурообразование и свойства, бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

1.4. Износостойкость бейнитного чугуна.

1.5. Выводы и задачи исследования.

2. Методика исследований.

2.1 .Выплавка чугуна.

2.2. Термообработка в соляных ваннах.

2.3. Методикарентгеноспектрального анализа.

2.4. Методика дилатометрических исследований.

2.5. Методика исследований на Оже-спектрометре «Jamp-IOS».

2.6. Методика исследований усталостной прочности чугуна.

2.7. Методика исследований износостойкости бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

3. Исследование процесса структурообразования и свойств бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

3.1. Влияния химического состава и режимов термической обработки на механические свойства бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

3.2. Разработка математической модели влияния химического состава и режимов термической обработки на механические свойства и критический диаметр прокаливаемости бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

3.3. Влияние химического состава чугуна на температуру эвтектоидного превращения.

3.4. Влияние химического состава чугуна на температуру начала распада бейнита.

3.5. Выводы.

4. Исследование работоспособности бейнитного чугуна с шаровидным графитом.

4.1. Исследование усталостной прочности чугунов с бейнитной структурой.

4.1.1. Исследование усталостной прочности чугзша при различных режимах изотермической обработки.

4.1.2. Исследование усталостной прочности зубчатых колес.

4.1.3. Изучение особенностей поверхностей излома образцов методом Оже-спектроскопии.

4.2. Сравнительная износостойкость зубчатых пар, изготовленных из различных материалов.

4.3. Исследование износостойкости зубчатых пар, прошедших различную изотермическую обработку.

4.4. Выводы.

5. Промышленное опробывание результатов работы.

5.1. Разработка технологических рекомендаций для производства отливок из бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

5.2. Разработка технологического процесса получения ответственных отливок из бейнитного чугуна с шаровидным графитом в производственных условиях.

5.3 Технико-экономическая эффективность получения высокопрочного чугуна с бейнитной структурой в сравнении со стальной технологией.

Чугун - наиболее широко применяемый материал в промышленности. Это обусловлено удачным сочетанием в нем высоких технологических, механических, а в специальных областях применения и эксплуатационных свойств, т.е. в целом технико-экономических показателей.

Характерной особенностью железоуглеродистых сплавов (в т.ч. чугуна) является то, что при кристаллизации углерод может выделяться как в связном состоянии - в виде цементита РезС, так и в свободном состоянии - в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы определяют основные типы чугуна и их свойства. Формирование структуры и свойств чугуна в основном определяется химическим составом, скоростью кристаллизации и условиями охлаждения отливки в твердом состоянии.

В настоящее время из всех железоуглеродистых сплавов тенденцию к расширению объемов и применения сохраняет лишь высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидных включений. Эти чугуны даже в литом состоянии не уступают по прочности нелегированным сталям, даже после из термической обработки. При этом значения его механических свойств (временное сопротивление при растяжении, износостойкость и др.) непосредственно зависят от структуры металлической основы. Имеющиеся возможности улучшения качества высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (модифицирование, легирование, термообработка и др.) привели к росту объема производства и потребления отливок из данного материала в различных отраслях машиностроения.

Вопросам теории и практики литейного производства (в том числе совершенствования технологии и свойств) высококачественных чугунов всегда уделялось и продолжает уделяться большое внимание. Наибольший вклад внесли такие ученые как Н.Г.Гиршович, Б. С. Мильман, К.И.Ващенко, Н.И.Клочнев, Н.Н.Александров, Н.И.Бех, И.А.Дибров, Г.А.Косников и др.

В последнее десятилетие в нашей стране и за рубежом значительно расширилось производство и применение бейнитных чугунов с шаровидным графитом (БЧШГ), отличающихся от других марок чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) существенным ростом одновременно и прочности, и вязкости, и износостойкости, в мировой практике аустенитно-бейнитный чугун (ADI) широко используется в автомобильной и других отраслях машиностроения для изготовления зубчатых передач, тяжелонагруженных зубчатых колес, держателей пружин для грузовых автомобилей, железнодорожных сцепок, соединительных рам, тормозных колодок, коленчатых и других деталей ответственного назначения, успешно заменив углеродистые и низколегированные стали.

Особенно широкое применение чугун с бейнитной структурой получил при изготовлении зубчатых колес, которые ранее изготавливали, как правило, из низколегированных стальных отливок и поковок.

Как показали эксплуатационные испытания и технико-экономические расчеты шестерни из высокопрочного чугуна с бейнитной структурой намного выгоднее, чем шестерни из кованной стали, тем более что высокопрочный чугун с бейнитной структурой обладает повышенными противозадирными свойствами, как при сухом трении, так и при трении со смазкой.

AMO «ЗИЛ», АО «КАМАЗ» совместно с АО «НАМИ» и АО «НИИТАВТОПРОМ» успешно заменяют сталь на БЧШГ при изготовлении шестерен, главной передачи и заднего моста автомобилей [25].

Как известно, получение бейнитной структуры достигается или изотермической закалкой, или в литом состоянии за счет легирования чугуна никелем, молибденом, медью.

Бейнит является продуктом превращения аустенита и образуется при температурах от 250 до 500 °С при непрерывном охлаждении или изотермической обработке.

Как правило для аустенизации и затем для получения бейнита используют нагревательные и соляные ванны. Применение соляных ванн накладывает ограничения на размеры и массу термообрабатываемых отливок.

Имеются данные, позволяющие получать бейнит без использования соляных ванн. Однако применяют такое термическое оборудование пока в ограниченных масштабах, так как в связи с ограниченной прокаливаемостью необходима разработка режима термической обработки для каждого конкретного случая.

Для углеразмольных мельниц применяются крупномодульные венцы и шестерни. Зубчатые венцы для шаровых мельниц типа Ш-16 и менее изготавливают из нелегированного перлитного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ 45. Зубчатые венцы шаровых мельниц большей производительности, а также шестерен всех типов, делают из стальных отливок и поковок (сталь 35 ХМЛ). Однако в связи с высокой твердостью размалывающих абразивных частиц зубья шестерни и венца быстро изнашиваются, и эти детали приходится часто менять. В зарубежных источниках появились сообщения о применении для этих тяжелонагруженных зубчатых чугунов с бейнитной структурой, обладающих прочностными характеристиками более высокими чем у стали.

Для получения бейнитной структуры в массивных отливках необходимо введение в чугун легирующих элементов (молибден, никель, хром, медь).

Не смотря на обилие публикаций и в отечественной, и в зарубежной литературе отсутствуют какие-либо обобщающие данные по химическому составу, технологическим параметрам, обеспечивающих получение необходимых механических свойств, особенно с толщиной стенки более 100 мм.

Оптимизация состава чугуна и разработка режимов термообработки, обеспечивающих получение БЧШГ с требуемыми свойствами применительно к отливкам с различной толщиной стенки. Разработка и внедрение технологии обеспечивающей получение отливок из БЧПДГ с повышенными эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели в работе было проведено:

- исследование и разработка математической модели влияния химического состава на прокаливаемость и механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при различных режимах термообработки;

- выявление зависимости, связывающей пределы прочности при разрыве с относительным удлинением, твердостью и количеством остаточного аустенита;

- установление основных закономерностей и сравнительной оценки влияния на механические свойства и прокаливаемость чугуна легирующих элементов (марганца, меди, молибдена и никеля), а так же термовременных параметров при изотермической обработке (температуры и продолжительности аустенизации, температуры и продолжительности изотермического превращения) и различных закалочных средах (соляная ванна, воздух, масленая ванна); 9

- методом дилатометрических исследований изучено влияние химического состава чугуна на температуру аустенизации и температуру распада бейнитной структуры (т.е. определено влияние легирующих элементов на устойчивость бейнита) и разработаны математические модели;

- проведены сравнительные испытания на износостойкости зубчатых пар, изготовленных из различных материалов

-исследовано влияние различной изотермической обработки на усталостную изгибную прочность чугунов с шаровидным графитом и износостойкость зубчатых пар, изготовленных из этого чугуна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований изучены общие закономерности процесса образования бейнитной структуры в чугуне с шаровидной формой графита, разработана принципиальная технология изготовления фасонных отливок из бейнитного чугуна с шаровидным графитом и сделаны следующие основные выводы:

1. Разработан состав и технологический процесс изотермической обработки низколегированного чугуна с шаровидным графитом, обеспечивающие стабильное получение бейнитной структуры металлической основы чугуна с высокими параметрами специальных свойств и прочности.

2. Показано, что особенностью процессов аустенизации и изотермической закалки в массивных отливках из чугуна с шаровидным графитом является формирование двухфазного состояния - аустенитно-бейнитной структуры. При этом количество остаточного аустенита зависит от степени легирования чугуна и параметров изотермической обработки и находится в пределах 25-35 %.

3. С использованием методов математической статистики получены Зфавнения, отражающие влияние химического состава и основных параметров термообработки на формирование бейнитной структуры, прокаливаемость чугуна, его механические свойства.

4. Изучено влияние режимов изотермической обработки на физико-механические свойства высокопрочного чугуна. Показано, что получение высоких значений прочности и твердости достигается изотермической обработкой в интервале 250-350 °С (нижний бейнит), получение высокой пластичности достигается при изотермической обработке в интервале температур 375-450 °С (верхний бейнит).

5.Экспериментально доказано, что повышение температуры аустенизации с 800 до 950 °С приводит к росту прокаливаемости чугуна и повышению физической и химической однородности структуры чугуна. С ростом температуры аустенизации до указанных значений продолжительность изотермической выдержки сокращается с 4 до 1,5 часов.

6. Установлено, что раздельный ввод легирующих элементов (N1, Си, Мо) значительно уступает их комплексной присадке на повышение физико-механических свойств бейнитного высокопрочного чугуна, что связно с уменьшением неоднородности по характеру распределения основных легирующих элементов в структуре чугуна.

7. По результатам исследований разработана номограмма и математическая модель комплексного легирования, позволяющие определить необходимое содержание (Мп, Мо, N1) и соответствующие режимы изотермической обработки, обеспечивающие получение БЧШГ с заданной прочностью в отливках с различной толщиной стенки. Оптимальный состав БЧШГ - 0=3,2-3,4%; 81=2,0-2,3%; Мп=0,4-0,6%; N1=1,2-1,4%; Си=0,8-1,0%, Мо=0,3-0,4

8. Установлено, что при изотермической закалке комплексно-легированного чугуна бейнит образуется из пересыщенного углеродом аустенита, т.е. превращения у->а сопровождаемое образованием бейнита происходит по мартенситному типу. Что, как известно, является характерной особенностью этого превращения в Ре-С сплавах.

9. Сравнительные испытания стальной кованной и литой чугунной с бейнитной структурой металлической основы шестерен показали неоспоримые преимущества шестерен из БЧШГ. При разнице в твердости венца и шестерни не более 30% эксплуатационная стойкость шестерен и БЧШГ повышается в 2-3 раза.

150

10. Проведенные исследования легли в основу разработки технологических инструкций по производству отливок из бейнитного Ч5туна. Изготовленные на Коломенском заводе тяжелого станкостроения (КЗТС) чугунные (БЧШГ) шестерни успешно работают в шаровых мельницах 1ПБМ-50А, поставленных на Новочеркасскую ГРЭС.

11. Технико-экономический эффект от применения БЧШГ для отливок определяется сокращением в 1,5-2,0 раза цикла производства по сравнению с циклом изготовления стальных кованных заготовок, уменьшением расхода жидкого металла на 30-50%, повышением эксплуатационной стойкости на 50-60%) (расчетные), снижение массы самих деталей и, следовательно, энергозатрат на их вращение, а также возможностью за счет повышения свойств металла чугунных отливок (ав=900-1200 МПа при 5=4-10%)), снизить металлоемкость изделий при обеспечении прочностных и эксплуатационных характеристик.