автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Управление процессами формирования структуры фосфористых низколегированных чугунов для отливок гильз автомобильных дизельных двигателей

Од

На правах рукописи

СЫРОКВАШЕВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ФОСФОРИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ ДЛЯ ОТЛИВОК ГИЛЬЗ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05. 16. 04. " Литейное производство "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии литейных процессов Московского - государственного института стали и сплавов (технологическом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук БАУМАН Б. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук БАТЫШЕВ А. И. кандидат технических наук КЛЕЦКИН Я. Г.

Ведущее предприятие: " АО ЛИТАФОРМ "

Защита состоится " & " ¿С^С-'^С 1998 г. на заседании

диссертационного сове+а К-053. 08. 01. в Московском государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4., аУД- -

С диссертацией можно ознакомиться 8 библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан " 1998 г.

Справки по телефону: 237 - 84 - 45

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук,

профессор И. Ф. Курунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Технический прогресс в области машиностроения предъявляет повышенные требования к служебным свойствам тяжелонагруженных деталей, ярким представителем которых является гильза автомобильного дизельного двигателя. Ресурс гильзы в значительной степени определяется следующими триботехническими свойствами: износостойкостью, прочностью, циклической прочностью, твердостью, низким коэффициентом термического расширения, герметичностью. В значительной степени, с учетом низкой себестоимости годной отливки и стабильности технологического процесса, этим требованиям отвечают низколегированные фосфористые чугуны.

Чаще всего гильзы изготавливают из закаливаемых серых чугунов с обычным содержанием фосфора и из незакаливаемых чугунов с повышенным содержанием фосфора различной степени легирования. Гильзы из закаливаемых сплавов с обычным содержанием фосфора преимущественно производятся в России. В зарубежных странах, в основном, применяется фосфористый чугун.

Гильзы из закаленного чугуна имеют неплохие эксплуатационные свойства, однако имеют ряд недостатков, связанных с их термической обработкой в результате которой в гильзе возникают внутренние напряжения, коробления, снижающие раз. мерную точность отливок и повышающие их уровень брака.

Гильзы из серого фосфористого средне - и низколегированного чугуна предназначены для двигателей нового поколения, удовлетворяющих международным стандартам. Отливки Гильз из чугуна такого типа не требуют дополнительной термической обработки, что позволяет избежать брака, связанного с короблением отливки, снизить производственные затраты на энергоресурсы и уменьшить цикл их.изготов-ления. Они практически не имеют внутренних напряжений, а это, в свою смередь, повышает точность размеров отливки и готовой детали. Увеличение размерной точности гильзы также позволяет снизить ее износ. Однако; в нашей стране технология получения гильз из фосфористых низколегированных чугунов еще изучена недостаточно.

Известно, что триботехнические свойства чугуна определяются его химическим составом и структурой. По составу чугуны для гильз отечественного и зарубежного производства мало отличаются друг от друга, поэтому различие эксплуатаиион-

ных свойств в значительной мере предопределено структурой отливок. С целью выяснения оптимальной структуры фосфористого чугуна для отливок автомобильных дизельных двигателей были изучены структуры гильз зарубежного (США, Япония) и отечественного производства. Американская и" японская гильзы имеют мелкодисперсный перлит (0,3 - 0,5 мкм), мелкое эвтектическое зерно (менее 500 мкм), замкнутую сетку тройной мелкозернистой фосфидной эвтектики, пластинчатый равномерно распределенный графит средних размеров (45 - 90 мкм) в количестве 8 - 11%. В гильзе отечественного производства наблюдался свободный феррит, более крупное эвтектическое зерно (около 700 мкм), разорванная сетка фосфидной эвтектики, неблагоприятный междендритный пластинчатый трафит. Твердость гильз американского и японского производства составляла, соответственно, 237НВ и 230НВ, а отечественного - 225НВ.

На основании изучения структуры гильз для дизельных двигателей можно сделать вывод, что оптимальная структура гильз должна состоять из равномерно распределенного пластинчатого графита средних размеров (45 - 90 мкм) в количестве 8 - 11%, замкнутой сетки тройной мелкозернистой фосфидной эвтектики, мелкого перлита, дисперсностью (0,3 - 0,5 мкм), мелкого.эвтектического зерна, размером менее 500 мкм. Наличие феррита и междендритного графита в структуре недопустимо.

Приведенные требования к структуре и ее параметрам могут быть достигнуты процессами легирования и модифицирования чугуна.

В настоящее время известен ряд составов серых фосфористых чугунов различной степенью легирования. Однако, выбор комплекса легирующих элементов часто бывает несовершенен и основан на разрозненных эмпирических заключениях. Недостаточное легирование может способствовать повышенному износу гильзы из-за присутствия в структуре свободного феррита (фазы с низкой твердостью) или недостаточного легирования структурных составляющих. Избыточное легирование, может привести к появлению в структуре по границам эвтектических зерен недопустимой цементитной сетки, что ухудшит износостойкость отливок.

Цель работы. Развитие теоретических представлений о влиянии легирующих элементов Си, Сг, Мо на параметры кристаллизации, особенности формирования литой структуры, микротвердость структурных, составляющих и твердость отливок гильз из фосфористых чугунов. Совершенствование комплекса легирующих элементов, обеспечивающего необходимые параметры структуры. Совершенствование тех-

нологии графитизирующего модифицирования фосфористых чугунов при получении отливок гильз автомобильных дизельных двигателей. Уточнение механизма графитизирующего модифицирования.

Научная новизна работы. Установлены закономерности изменения параметров кристаллизации, структуры, микротвердости структурных составляющих и твердости фосфористых чугунов в зависимости от содержания легирующих элементов (Сг, N1, Си, Мо) и условий охлаждения отливок, в том числе оценено влияние этих факторов на кристаллизацию и структурные характеристики фосфидной эвтектики.

Установлено распределение Си, Сг, Мо в фосфидной эвтектике и других структурных составляющих фосфористого чугуна.

Выявлен и исследован модифицирующий эффект фосфора в низколегированных фосфористых чугунах.

Экспериментально показано образование зародышей первичного графита, выделившихся в результате графитизирующего модифицирования фосфористого чугуна. Предложен механизм образования зародышей графита при графитизируго-щем модифицировании и факторы, определяющие продолжительность модифицирующего эффекта.

Практическая значимость. На основании полученных данных и регрессионных уравнений разработана практическая технология процессов легирования и условий . охлаждения отливок.

Разработаны технологические основы применения фосфористых модификаторов при изготовлении отливок гильз автомобильных дизельных двигателей. Модифицирование чугуна фосфором позволяет существенно улучшить структуру и качество фосфористого чугуна, а так же сэкономить расход кремнийсодержащих лигатур.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 2 статьи.

Апробация работы. Материалы исследований доложены на II Всероссийском съезде литейщиков (г. Владимир) Результаты работы приняты к внедрению "АО Ли-таформ".

Объем работы. Диссертация состоит из введения, к глав, выводов, библиографического списка из/наименований. Работа изложена на/Йстр. машинописного текста и иллюстрирована/^У рисунками и/^таблицами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Были проведены три серии экспериментов. В первой серии' исследовали влияние легирующих доба[ ж на параметры кристаллизации чугуна. Вторая серия опытов была посвящена изучению структуры низколегированных фосфористых чугу-нов и особенностям влияния легирующих элементов на морфологию, количество, размеры включений графита и фосфидной эвтектики, а так же на микротвердость структурных составляющих и твердость чугуна. В этой же серии исследовали распределение легирующих элементов в структурных составляющих фосфористого чугуна. Третья серия была посвящена решению вопросов частичной или полной замены кремнийсодержащих модификаторов, негативно влияющих на строение металлической основы чугуна, провоцируя появление в структуре мягкого феррита и огрубление перлита,' кроме того, в этой серии экспериментов исследовали зародышеоб-разования включений графита при графитизирующем модифицировании чугуна.

Для проведения исследований по изучению влияния Си, N1", Сг, Мо на кристаллизацию и структуру серого фосфористого чугуна, в индукционной печи ИСТ -0,06 с кислой футеровкой был выплавлен базовый чугун следующего химсостава: 2,6 - 2,8 %С; 2,0 - 2,1 0,5 - 0,7 %Мп; 0,50 - 0,55 %Р; 2 0,04 %5; < 0,1 %Сг. Для легирования чугуна базового состава использовали медь и никель, марок М? и Н4, а также лигатуры хрома и молибдена ФХ650 и ФМобО. Содержания легирующих элементов изменяли в пределах: от 0 до 3,81%Си, от 0 до 1,20%№, от 0 до 1,07 %Сг, от 0 до 1,02 %Мо. Введение в расплав легирующих осуществлялось в печи ТВВ - 4 при температуре 1400 °С в инертной атмосфере гелия.

Исследование параметров кристаллизации и особенностей фазовых превращений легированных фосфористых чугунов осуществляли методом дифференциального термического анализа (ДТА) с использованием конструкции измерительной ячейки ДТА, разработанной ранее на кафедре ТЛП МИСиС, в инертной атмо--сфере гелия и при постоянной скорости охлаждения равной 10 °С / мин. Установка ДТА позволяла охлаждать образцы с регулируемой скоростью в пределах 5-120 °С. Температуру исследуемого образца измеряли прямой термопарой ВР 5 / 20. Разность температур между исследуемым образцом и эталоном измеряли с помощью батареи из десяти последовательно включенных термопар ВР 5 I 20. Градуировку

ячейки осуществляли по реперным точкам (температурам плавления чистых металлов меди и никеля).

Графитизирующее модифицирование фосфористых чугунов (2,в - 3,3%С; 1,3 - 1,5%Si; 0,5 - 0,7 %Мп; < 0,1%Р; й 0,04%S; 0,3 - 0,5%Сг; 0,3 - 0,4%Си; 0,3 -0,4%Ni) осуществляли в печах ТВВ - 4 и ИСТ - 0,06 при температуре 1400 "С, с помощью лигатур: феррофосфор, с содержанием фосфора 14 -15% (ФФ 14) и ферросилиций, с содержанием кремния 74 - 76% (ФС.75). В печи ТВВ - 4 эти лигатуры вводили на дно тигля, а в печи ИСТ - 0,06 их вводили в струю расплава.

С целью уточнения механизма графитизирующего модифицирования, получение зародышей первичного графита с помощью лигатур ФФ14 и ФС75 осуществляли методом закалки модифицированного чугуна в воду из жидкого состояния при температуре модифицирования 1400 °С, после выдержки модифицированного расплава в течение 1 минуты (для растворения гранул лигатур).

Металлографические исследования структуры чугунов проводили, на оптических микроскопах МИМ - 7 и Neophot - 23 при увеличениях от х 50 до х 500. Структуру чугуна оценивали по ГОСТ 3443 - 87 и методом случайных линейных секущих. Металлическую основу выявляли травлением образцов 3%спиртовым раствором азотной кислоты, а эвтектическое зерно травлением реактивом Стеда.

Распределение пеплрующих элементов в структурных составляющих исследовали методом рентгеноструктурного анализа на установке " Сатеса ".

Математическую обработку результатов экспериментов осуществляли с использованием пакета прикладных программ " STATGRAPHICS ", который позволяет проводить линейный, множественный регрессионный анализ и представить его результаты графически.

Содержание Сг, Mo, Ni, Си, Mn, Si в чугуне[ контролировали с помощью спектрометра ИСП - 30, концентрацию фосфора определяли химическим путем, а содержание С и S определяли методом сжигания на установке " Leco".

Измерения микротвердости проводили с помощью микротвердомера ПМТ- 3, в соответствии со стандартной методикой испытания (ГОСТ 9450 - 76) при нагрузке 0,196 Н. Твердость чугунов измеряли прибором ТШ - 2М по методу Бринелй с помощью закаленного шарика диаметром 5 мм, при нагрузке 7857 Н, в соответствии с ГОСТ 9012 - 59.

1. ВЛИЯНИЕ Си, Ni, Cr, Mo НА ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, ЭВТЕКТОИДНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ, СТРУКТУРУ, МИКРОТВЕРДОСТЬ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ И ТВЕРДОСТЬ ФОСФОРИСТЫХ ЧУГУНОВ

Затвердевание фосфористых чугунов (с углеродным эквивалентом равным 3,5- 4,0%) начинается с выделения первичного'аустенита, при температуре около 1250 "С. В районе 1115 °С происходит выделение графитной эвтектики, после чего период интенсивной кристаллизации сплава заканчивается. В районе 950 "С фиксируется выделение фосфидной эвтектики.

Влияние легирующих элементов в исследованных пределах на температуру ликвидус незначительно, что объясняется небольшими отклонениями углерода в пределах заданного химсостава. Вместе с тем, заметные изменения наблюдаются-при выделении аусггенитно - графитной и фосфидной эвтектик. Си и Ni воздействуют на параметры зитектического превращения примерно одинаково (рис. 1,2).

До 1,2%Ni и 3,81%Си незначительно повышают температуру начала эвтектической -кристаллизации и расширяют ее температурный интервал. Это объясняется тем, что никель и медь снижают растворимость углерода в железе, повышая его активность, что способствует более раннему выделению графита из жидкости и, соответственно, графитизации чугуна, которая проявляется в увеличении количества и размеров графитовых включений (рис. 3), Воздействие Сг и Мо носит противоположный характер: снижается температура начала выделения графита, незначительно сужается температурный интервал эвтектического превращения (рис. 1,2).

Воздействие Си, Ni, Cr, Mo на температуру начала эвтектического превращения

о

—5—Cr

Mo

—о—Си ...»—Ni

о

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Содержание в чугуне Cr,Но, Си, Ni, V. икс

Рис. 1

3,5

4

Влияние Си, №. Сг, Мо на температурный интервал интенсивной кристаллизации эвтектики

Рис. 2

Понижение температуры и сужение термического интервала эвтектического превращения вызвано ликвацией Сг и Мо в жидкую фазу, что приводит к более позднему выделению графита. В результате уменьшения температуры начала й сужения интервала эвтектического превращения при введении хрома и молибдена наблюдается снижение размеров и количества графитовых включений (рис. 3).

Влияние Сг, Мо, Си на среднее количество графитовых включений

11 -г

2-1-,-,-1-,-,----.-—1

О 0,5 1. 1,5 2 2$' 3 3Л5 • 4 Содержит Сг,№, Си, Моя чу|уие. Чиже

Рис. 3

Добавки Си, Сг в исследованных диапазонах концентраций, практически на сказываются на параметрах кристаллизации фосфидной эвгтектикй (рис. 4, 5), в то же время, при введении Мо наблюдается значительное снижение температуры начала

кристаллизации фосфидной эвтектики и расширения температурного интервала ее выделения. Это может быть вызвано сильной ликвацией молибдена в фосфидную эвтектику, приводящее к появлению, наряду с тройной, четверной эвтектики (Ре-С-Р-Мо).

Воздействие Си, К», Сг, Мо на температуру начала кристаллизации фосфидной эвтектики

Содержание Сг, М, Си, Ма а чугуне, % масс

РиС. 4

Воздействие легирующих элементов на термический интервал кристаллизации фосфидной эвтектики

Рис. 5

Добазки Си и N1 мало сказываются на размерах фосфидной эвтектики, в то же время, Сг и Мо, за счет их сильной ликвации в фосфидную эвтектику, существенно увеличивают размеры ее включений (рис б). В структуре исследованных образцов наблюдались выделения тройных фосфидных эвтектик: мелкозернистой, игольчатой и с цемектитаой пластиной (ФЭЗ, ФЭ4, ФЭ5) и четверной (Ре - С - Р - Мо):

Воздействие Си, N1, Сг, Мо на среднюю плоицадь фосфидной эвтектики

Рис. 6

Известно, что с повышением твердости чугуна снижается его износ. Поэтому, для подтверждения предположений о воздействии легирующих элементовна структуру и ресурс гильзы возникла необходимость в изучении влияния легирующих элементов на микротвердость и твердость чугуна. Исследования микротвердости фосфидной эвтектики в чугунах, легированных Сг, N1, Си, Мо показало, что эффективней, по сравнению с остальными элементами микротвердость повышают добавки Сг, так как он способствует появлению фосфидной эвтектики типа ФЭ5 (рис. 7).

Влияние Сг, N1, Си, Мо на микротвердость фосфидной эвтектики

Содержание Си, Ш, Сг. Мо, Ч икс

Рис. 7

До 0,5 - 0,6% Мо так же, как и,хром, повышает микротвердость фосфидной эвтектики, однако при более высоких его содержаниях, в результате появления четверной эвтектики Ре - С Р.- Мо ее микротвердость резко уменьшается (рис. 7).

Си и N1 не влияют на ликротвердость фосфидной эвтектики.

Наиболее благоприятными, с точки зрения износостойкости, являются выделения фосфидной эвтектики типа ФЭЗ, ФЭ4, распределенной в виде тонкой сетки (ФЭрЗ). Менее благоприятны включения эвтектики типа ФЭ5 (образуемой при содержании Сг2:0,6 - 0,7%), грубой эвтектики Ре - С - Р - Мо (появляющейся при содержании Мог 1,00%) и крупных отдельных включениях фосфидной эвтектики, т. к. они плохо удерживаются металлической основой и выкрашиваются в процессе эксплуатации гильзы.

Результаты исследований особенностей эвтектоидного превращения пред-ставлены на рис. 8, 9. Все легирующие элементы расширяют температурный интервал эвтектоидного превращения, что приводит к лерлитизации чугуна, и понижают (за исключением Сг) температуру начала эвтектоидного превращения, что объясняется торможением эвтектоидного распада.

Влияние Си, Сг, Мо на температуру начала эвтектоидного превращения

Содержим Сг, М, Си, Мо в чугуне, *

Рис. В

Увеличивая растворимость углерода в железе или понижая температуру эвтектоидного превращения, все легирующие элементы диспергируют перлит (рис. 10).

Воздействие легирующих элементов на термический интервал эвтектоидного превращения

Содержание Сг, Ш, Си, Мо в чугуне, % м*ес

Рис. 9

При этом наиболее эффективно воздействуют малые добавки меди, однако, свыше 0,8 - 1,0%Си ее эффективность значительно снижается. N1 и особенно Сг эффективно, в исследованных интервалах концентраций перлитизируют и диспергируют металлическую основу (рис.11).

В фосфористых чугунах эффективность перлитизирования и диспергирования молибденом проявляется только при его содержании свыше 0,5 - 0,6%, что, в свою очередь, может быть объяснено обеднением металлической основы этим элементом в результате его сильной ликвации в фосфидную эвтектику (рис. 11).

Влияние легирующих элементов на среднюю дисперсность перлита

Содержание Сг, Ж, Си, Мо в чугуне, % тсс

Рис. 10

Содержат« Сг, 10, Си, Мо в чугуне, % мыс

Рис. 11

Результаты экспериментов показали, что морфология соответствующих структурных составляющих фосфористого чугуна коррелируется с температурными данными ДОТА соответствующих превращений, что, вероятно, позволит в дальнейшем контролировать методом дифференциального термического анализа морфологию структуры чугуна.

Результаты исследования влияния Сг, Си, N1', Мо на микротвердость перлита (рис. 12) показали, что при малых содержаниях медь эффективно (до 1%) повышает микротвердостъ перлита. При более высоких ее концентрациях этот параметр понижается.

Влияние Си, N1, Мо, Сг на микротвердость перлита

Рис. 12

№ и, особенно, Сг равномерно повышают микротвердость перлита на всем исследованном интервале концентраций. Мо до 0,5 - 0,6% практически не изменяет микротвердости перлита, однако при более высоких концентрациях эффективность воздействия этого элемента резко усиливается.

Эффективность влияния Сг, N1, Си, Мо на микротвердость перлита коррелиру-ется с воздействием этих элементов на увеличение дисперсности и количества перлита в чугуне.

Известно, что с ростом твердости чугуна снижается износ чугуна. Следовательно, с целью оценки воздействия легирующих элементов на износостойкость были проведены исследования по влиянию Сг, N1, Си, Мо на твердость чугуна.

Исследования влияния Си, Сг, Мо на твердость фосфористого чугуна (рис. 13) показали, что наиболее эффективно повышается твердость чугуна при легировании его хромом. Мо, при содержаниях сзыше 0,5% увеличивает твердость слабее хрома, но сильней, чем Си и N1

Влияние Сг, N1, Си, Мо на твердость фосфористого чугуна.

Содержания Си, (а, Мо, Сг, * касс

Рис. 13

Такое эффективное воздействие хрома и молибдена на твердость фосфористого чугуна объясняется снижением количества и размеров фафита, повышением микротвердости перлита и фосфидной эвтектики в результате легирования чугуна этими элементами.

Си и № незначительно, по сравнению с Сг и Мо, повышают твердость фосфористого чугуна. Такое воздействие Си и N1 на твердость чугуна объясняется увеличением количества и размеров графита, повышением микротвердости Гшрлита и отсутствием влияния этих зле энтов на параметры фосфидной эвтектики.

Для подтверждения сделанных предположений о воздействии Сг, Си, Мо на кристаллизацию, параметры структуры, микротвердость структурных составляющих и твердость фосфористого чугуна были проведены исследования с целью выявления распределения легирующих элементов в структуре сплава.

Результаты исследований показали, что хром и, особенно, молибден ликви-руют в фосфидную эвте^ггику, соответственно на 58% и 71 %, а медь и никель, наоборот, на 100% ликвируют в металлическую основу.

Следует отмстить, что хром в фосфидной эвтектике, где его среднее содержание составляет 2,6%, в основном, обогащает цементит, и менее значительно фосфиды, причем, в цементитной пластине фосфидной эвтектики (типа ФЭ5) концентрация Сг доходит до 8,5 - 9,0%. В металлической основе содержание Сг варьируется от 1,0% (в центре эвтектического зерна) до 1,8 % (в периферийной области эвтектических колоний).

Средняя концентрация молибдена в фосфидной эвтектике составляет 9 -10%. Молибден эффективно обогащает включения фосфидов, где его содержание доходит до 11 - 12 % и менее значительно включения цементита (до 5 - 6%). Подобно хрому, молибден обогащает периферийные области эвтектического зерна, где его концентрация доходит до 0,7%. В центральных зонах эвтектических колоний среднее содержание Мо составляет 0,2 - 0,4%.

Медь и никель ликвируют в металлическую основу, обогащая центральные зоны эвтектического зерна, где их содержание составляет 1,2%, а в периферийных зонах концентрация Си и № составляет, соответственно 0,5% и 0,7%. Остаточное со-■ держание этих элементов в фосфидной эвтектики не превышает их концентраций в ' периферийных зонах эвтектических колоний.

На основании полученных результатов можно заключить, что содержание Сг в чугуне должно быть не выше 0,6 - 0,7% так как более высокие его концентрации приводят к образованию неблагоприятной формы фосфидной эвтектики ФЭ5. Содержание Мо в чугуне, с точки зрения его воздействия на структуру, должно изменяться в пределах 0,5 - 0.9%, так как при меньших концентрациях Мо неэффективно влияет

на металлическую основу, а при больших содержаниях образует грубую четверную эвтектику. Си эффективно вводить в чугун до 0,8 - 1,0 %, так как сверх указанной концентрации этот элемент менее существенно влияет на параметры металлической матрицы.

Обработка экспериментальных данных с помощью персонального компьютера методом наименьших квадратов позволила получить ряд регрессионных формул, описывающих влияние Си, N1, Сг, Мо, в пределах исследованных концентраций на параметры структуры фосфористого чугуна для условий кристаллизации, близких к равновесным. Так как в реальном производстве затвердевание отливок осуществляется в неравновесных условиях, то для получения более точных формул, с учетом влияния скорости охлаждения на затвердевание фосфористого чугуна был проведен ряд дополнительных экспериментов по изучению влияния скорости охлаждения чугуна на его параметры кристаллизации и морфологию структуры.

Результаты экспериментов показали, что повышение скорости охлаждения фосфористого чугуна понижает в большей или меньшей степени температуры начала и конца всех превращений, а также расширяет их термические интервалы. С ростом скорости охлаждения уменьшается количество и длина графитовых включений, уменьшается диаметр ячеек сетки фосфидной эвтектики, увеличивается количество перлита, металлическая основа становится дисперсией.

Обобщив полученные регрессионные зависимости влияний различных факторов на структуру фосфористого чугуна, были получены уравнения, (часть из которых представлена формулами (1-6)), позволяющие по содержанию Сг, М, Мо, Си в сплаве и скорости охлаждения чугуна рассчитать, относительно параметров структуры эталона (нелегированного чугуна базового, состава), аналогичные параметры структуры легированного чугуна, охлажденного с требуемой скоростью, что позволяет в условиях действующего производства осуществлять корректировку состава сплава.

ПГд=ПГДбаз+33,5[%Си]+29,3[%№] - 51,2[%Сг] - 40,3[%Мо] - 2,33(УЛ/6а]) (1)

ПГ=Г!Гб8,+4,5[%Си]+3,7[%№] - 2,2[%Сг] - 1,1 [%Мо] - 0,08(\Р*/6и) (2)

ФЭд = ФЭДбаэ - 11,9[Си] - 3,7[№]+19,8[Сг] - 28,8[Мо] - 4,62(УЛ/баз) (3)

ФЭп=ФЭп6аз +126,9[Си]+0,0[№]+678,7[Сг]+959,1[Мо] -60,49(У-Убм) (4)

П = Пбяз - 2,5[Си]2 +14,6[Си]+6,5[№]+53,0[Сг]+3,6[Мо]г+3,7[Мо]+0,27(\/-\/б«) (5)

Пд = ПДбаз+0,08[Си]2 -0,38[Си1 -0,16[№1 -0,22[Сг] -0,18[Мо]2+0,07[Мо1-0,01(\/Л/б„) (6)

где: ПГдба>, ПГби - средние длина (мкм) и количество (%) графитовых включений в базовом чугуне;

ПГд, ПГ - средние длина (мкм) и количество (%) графитовых включений в исследуемом чугуне;

ФЭп, ФЭПбм - средняя площадь включений фосфидной эвтектики в исследуемом и в базовом чугуне, мкмг;

ФЭд, ФЭдбм - средний диаметр ячейки сетки фосфидной эвтектики в исследуемом и базовом чугуне, мкм;

П, Пбаэ - среднее количество перлита в исследуемом и базовом чугунах, %;

Пд, Пдбаа - средняя дисперсность перлита в исследуемом и базовом чугунах,

мкм;

V, - скорость охлаждения исследуемого и базового фосфористого чугуна,

°С/мин.

[%Си], [%№], [%Сг], [%Мо] - содержание в легированном чугуне меди, никеля, хрома и молибдена в исследованном интервале концентраций, % масс.

Оптимальная структура фосфористого чугуна для отливок гильз должна удовлетворять следующим параметрам: наличие пластинчатого, равномерно распределенного графита (в количестве до 8 -11% и длиной 45- 90 мкм); стопроцентная перлитная матрица с дисперсностью перлита 0,3 - 0,5 мкм; наличие сетки фосфидной эвтектики (без цементитных пластин); диаметр эвтектического зерна не должен превышать 500 мкм. По полученным формулам был вычислен комплекс легирующих элементов, оптимизированный по необходимым параметрам структуры, что позволить достигнуть необходимого уровня механических свойств. Оптимальным является следующий комплекс легирующих элементов: 0,3 - 0,4%Сг; 0,3 - 0,4%Си; 0,3 - 0,4%№. Результаты расчета по формулам (1 - 6) были подтверждены экспериментально.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ФОСФОРИСТЫХ ЧУГУНОВ ДЛЯ ГИЛЬЗ

Одним из важных процессов, определяющих требуемую морфологию структуры чугуна, является графитизирующее модифицирование. При вводе модификатора

в расплав резко снижается глубина отбела, увеличивается количество и длина графитовых включений в структуре чугуна, возрастает его прочность, главным образом, за счет измельчения эвтектического зерна и подавления тенденции к междендритной ориентации графита. Наиболее часто графитизирующее модифицирование проводят с помощью кремнийсодержащих лигатур. Недостатком этого метода, применительно к фосфористым чугунам для гильз, является появление в структуре мягкого феррита. Вместе с тем известно, что причиной модифицирующего воздействия кремния на чугун является возникновение локальных зон, обогащенных Эг В этой связи возникло предположение о частичной или полной замене кремнийсодержащих модификаторов на фосфоросодержащие.

Для того чтобы узнать обладает ли фосфор графитизирующим эффектом, был проведен ряд плавок. Эквивалентное количество Р (0,3; 0,5; 0,7%), в виде лигатуры ФФ 14, вводилось в чугун в виде шихтовой добаски и в качестве графитизирующего модификатора.

Результаты экспериментов показали, что фосфор, введенный в расплав в виде модификатора, с ростом его содержания, эффективнее способствовал графити-

зации фосфористого чугуна: существенней, увеличивал количество и длину графитовых включений (рис. 14), способствовал более равномерному распределению графита, по сравнению с эквивалентным количеством фосфора, введенным в шихту.

Влияние фосфора, на среднее количество графитовых включений (ПГ), в зависимости от способа его введения.

3-1 В модифицированный

о

ПГ, %

О

о

0,3

0,1

0,7

количество введенного фосфора, % масс.

Рис. 14

Под влиянием модифицирования чугуна фосфором меняется соотношение между различными типами фосфидной эвтектики. Модифицирование снижает количество неблагоприятной эвтектики типа ФЭ5 в состав которой входят цементитные пластины, выкрашивающиеся в процессе работы гильзы. Фосфидная эвтектика типа ФЭ5 заменяется включениями типа ФЭЗ, ФЭ4 (рис. 15).

Влияние фосфора ча долю фосфидной эвтектики с цементитной пластиной типа ФЭ5 модифицированного и немодифицированного чугуна.

количество введенного фосфора, % масс.

Рис. 15

Площадь и распределение включений фосфидной эвтектики зависит от количества -Введенного в чугун Р и не зависит от метода введения этого элемента в сплав. С ростом содержания фосфора площадь включений фосфидной эвтектики увеличивается, а их распределение стремится к замкнутой сетке (Ф.ЭрЗ).

С ростом содержания фосфора от О до 0,7% в чугуне в металлической матрице увеличивается количество перлита и его дисперсность. Структура металлической основы не зависит от методики введения Р в чугун (рис. 16).

В модифицированном фосфором чугуне, с ростом содержания Р эффективней измельчается эвтектическое зерно, по сравнению с аналогичным количеством фосфора, введенного в шихту (рис. 17). Известно, что Р, с повышением его концентрации, измельчает эвтектическое зерно чугуна.. В модифицированном феррофосфором чугуне его способность измельчать эвтектическое зерно может усиливаться за счет дополнительного образования зародышей графита, что способствует образованию большего количества зерен, и, следовательно, к их измельчению.

*

С

с;

а. »

с о ш I-

и *>

X

X

с;

г

о о

£ Ч о о. О

100 90 80 ^ 70 60 60

Влияние фосфора на количество (П) и дисперсность (Пд) перлита

от'

40

« фосфор введен в шихту ° чугун, модифицированный фосфором

— п

--Пд

I ' I --0,4

0,6 0,5

а

-0,3

0,2

а »

а о

0,1 ОД 0,3 0,4 ОД 0,6 количество введенного фосфора, % масс.

Рис. 16

0,7

Воздействие введенного количества .фосфора на размер эвтектического зерна б*,

• фосфор »»ли» шихту

■ модифицнром*мм4 фосфором чугун

1300

1000

>00

&ЖТ, МК » «00

400

зоо

0

0 0,3 0,1 О,Г

количество введенного фосфора, Ч масс.

Рис. 17

Известно, что воздействие графитизирующих модификаторов на морфологию структуры чугуна ограничено во времени. Следовательно, для успешного применения феррофосфора в качестве модификатора в производстве отливок гмльз из фос-

фористого чугуна необходимо знать время живучести его модифицирующего эффекта. Для оценки влияния времени выдержки модифицированного фосфором расплава на структуру чугуна был проведен ряд плавок.

Результаты экспериментов показали, что с увеличением времени выдержки модифицированного 0,7% Р расплава от 1 до 20 минут, в чугуне постепенно исчезал модифицирующий эффект. Это выражалось, в уменьшении количества, длины графитовых включений и укрупнении эвтектического зерна (рис. 18). Распределение графита стремилось от равномерно распределенного к междендритному. Причем, снижение модифицирующего эффекта осуществляется пропорционально закону квадратного корня от времени выдержки, что характерно для диффузионного выравнивания однородности сплава.

Влияние выдержки модифицированного чугуна на длину его структуру 80

О 0,6 1 1,6 2 2,6 3 3,5 4 время выдержки модифицированного чугуна -У7, мин 1/2 Рис. 18'

Как показано на рис. 18 продолжительность модифицирующего эффекта сохраняется достаточно долго, однако максимальная эффективность модифицирования наблюдается в течение первых 10 минут.

Известно, что при модифицировании чугуна кремнием, в первый момент времени наблюдается резкое снижение его твердости и повышение прочности, но с увеличением продолжительности выдержки модифицированного расплава твердость

чугуна возрастает и одновременно понижается его прочность. Измерения твердости модифицированного фосфором чугуна показали аналогичную картину. Как показано на рис. 19, в первый момент времени твердость модифицированного феррофосфо-ром чугуна понижается (и, вероятно, повышается его прочность), а затем, с увеличением продолжительности модифицированного расплава твердость снова повышается. Воздействие продолжительности выдержки модифицированного фосфором чугуна на его твердость коррелируется с влиянием времени выдержки модифицированного Р расплава на параметры его графитовых включений и размер эвтектического зерна.

Воздействие времени выдержки модифицированного фосфором расплава на твердость чугуна

Время вьдоржш ^Г,мм

Рис. 19

Для оценки применения модифицирующего эффекта фосфоросодержащих лигатур в производстве отливок гильз из фосфористого чугуна и возможной замены в технологическом процессе кремнийсодержащих модификаторов был проведен ряд плавок низколегированного чугуна для сравнения эффективности влияния модифицирования расплава феррофосфором (ФФ14) и ферросилицием (ФС75) на структуру чугуна.

Результаты экспериментов показали, что оба модификатора, с ростом их содержания в расплаве, увеличивают количество и длину (рис. 20) графитовых включений, способствуя появлению равномерно распределенного графита. Однако, ФС75 несколько сильнее способствовал графитизации чугуна, чем ФФ14. Обработка дан-

ных показала, что модифицирование чугуна 1% Р в виде лигатуры ФФ14 эквивалентно модифицированию расплава 0,8 - О.Э Уоа в виде ФС75.

Влияние модифицирования в) и Р на среднюю длину графита (ПГд)

ПГд,

нштсгвв ввфдоного ЗД Р, Чмасс.

Рис. 20

Кремний способствовал появлению включений феррита, снижая количество и дисперсность перлита в металлической матрице. Безусловно, положительными моментами использования фосфора являются следующие обстоятельства: повышение дисперсности и количества перлита, более сильное (в сравнении с БО измельчение эвтектического зерна (рис. 21- 23), что способствует повышению износостойкости и прочностных свойств деталей из фосфористых чугунов.

Влияние введенных в чугун модификаторов в) и Р на дисперсность перлита

м*

м

т ад«

ад

М5

« м

количество введенного Р или Я, Чикс,

Рис. 21

ад

Влияние введенных в чугун модификаторов и Р на количество перлита

количество введенное в чугун Р или 81, Чмясс.

Рис. 22

Влияние модифицирования чугуна и Р на размер эвтектического зерна

количество введенного Р или , % масс.

Рис. 23

Сравнение воздействия модифицирования чугуна ФС75 и ФФ14 показало, что с увеличением количества введенного Б! твердость чугуна понижается (рис. 24), это объясняется увеличением размеров и количества графитовых включений в образце. Модифицирование чугуна фосфором, наоборот, повышает твердость чугуна, что объясняется увеличением в образце количества фосфидной эвтектики. Некоторое

снижение твердости, при введении 0,2%в1 или 0,2%Р, в сравнении с немодифициро-ванным чугуном происходит в результате исчезновения цементитной сетки по границам эвтектических колоний.

Влияние модифицирования чугуна и Р на твердость

Количество введенного Р, Бц Ч масс

Рис. 24

Таким образом, сравнение воздействия модифицирования чугуна кремний - и фосфоросодержащими лигатурами на твердость чугуна подтверждает, данные исследований структуры модифицированных Э| и Р чугунов и выводы о том, что для повышения ресурса работы отливок гильз из низколегированного фосфористого чугуна расплав выгоднее модифицировать феррофосфором, а не ферросилицием.

По литературным данным известно множество различных теорий, связанных с механизмом графитизирующего модифицирования. Согласно одной из них модифицирующий эффект наблюдается в результате образования локальных зон с высокой активностью углерода (и высоким углеродным эквивалентом), обогащенных модификатором, что способствует образованию зародышей графита, а продолжительность модифицирующего эффекта определяется временем растворения локальных зон.

Металлографические исследования образцов чугуна, модифицированного и Р при температуре 1400 °С, выдержанные при этой температуре в течение 1 минуты (для расплавления фанул ФС75 и ФФ14), показали на шлифах включения графита, окруженные цементитом и мартенситом.

Очевидно, в результате растворения модификатора в чугуне, резко повышается углеродный эквивалент на границе расплав - модификатор (до 5,1 % и более). В

результате состав сплава на границе расплав - модификатор соответствует зазвтек-тическому. Сплав на границе расплав - модификатор попадает в двухфазную область (графит + жидкость), что приводит к образованию зародышей первичного графита. Таким образом, подтверждено мнение о том, что эффект графитизирующего модифицирования появляется в результате образования в расплаве химической неоднородности и, как следствие, появления зародышей графита.

Продолжительность модифицирующего эффекта, предположительно, определяется не только временем существования локальных зон с высокой активностью углерода, как считалось ранее, но и другими факторами: временем растворения и всплытия образовавшихся при модифицировании включений первичного графита.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен сравнительный анализ структуры и свойств лучших зарубежных и отечественных образцов гильз из фосфористого чугуна для автомобильных дизельных двигателей. Сформулированы параметры оптимальной структуры, которая состоит из равномерно распределенного графита, мелкодисперсного перлита, фосфидной эвтектики типа ФЭЗ, ФЭ4, распределенной в виде замкнутой сетки и мелкого эвтектического зерна. Присутствие свободного феррита, цементита и междендритного графита крайне нежелательно.

2. Исследовано раздельное и совместное влияние основных легирующих элементов Си, N1, Мо, Сг, а также скорости охлаждения на параметры кристаллизации и эвтектоидного превращения фосфористых чугунов. Наиболее существенно присутствие небольших добавок легирующих элементов (до 1%) сказывается на протекании эвтектических и эвтектоидного превращения. Си, N1 повышают температуру эвтектического превращения и расширяют ее температурный интервал, Сг и Мо на кристаллизацию эвтектики воздействуют противоположным образом. Молибден понижает температуру кристаллизации фосфидной эвтектики и расширяет интервал ее выделения. Сг сильно повышает, а остальные элементы понижают температуру эвтектоидного превращения, кроме того, все исследованные элементы расширяют интервал этого превращения.

3. Механизм воздействия легирующих элементов Си, №, Сг, Мо на структуру, микротвердость структурных составляющих и твердость фосфористых чугу-нов определяется особенностями их ликвации, растворимостью в феррите, цементите, фосфидной эвтектике. Показано, что центральные области эвтектических зерен обогащены Си и а их границы Сг и Мо, которые заметно ликвируют в фосфидную эвтектику, существенно определяя особенности ее морфологического строения. Требуемая структура гильз из фосфористых чугунов может быть обеспечена только при комплексном легировании. Содержание элементов должно находиться в следующих пределах : 0,3 - 0,4 %Сг, 0,3 - 0,4 %Си; 0,3 - 0,4 %№.

4. Получены регрессионные зависимости, позволяющие прогнозировать воздействие легирующих элементов и скорости охлаждения на количество, длину графита, количество и дисперсность перлита, площадь включений и диаметр ячеек сетки фосфидной эвтектики, а также на параметры кристаллизации фосфористого чугуна.

5. Экспериментально уточнен механизм графитизирующего модифицирования. Показано, что продолжительность модифицирующего эффекта, при введении кремния и фосфора, определяется временем нахождения выделившихся графитовых включений в расплаве, а не длительностью растворения частиц модификаторов.

6. Установлено, что введение широко используемылв отечественной практике кремнийсодержащих модификаторов, при производстве отливок из фосфористых чугунов вызывает в структуре огрубление перлита.и появление свободного феррита, понижающего твердость и износостойкость автомобильных гильз. Избежать этого позволяет применение фосфористых лигатур.

7. Применение феррофосфора ФФ14 в качестве модификатора существенней увеличивает количество, длину, долю равномерно распределенного графита в чугуне, измельчает эвтектическое зерно, снижает количество включений неблагоприятной фосфидной эвтектики типа ФЭ5 и междендритного графита, по сравнению с аналогичным количеством фосфора, введенного в шихту. Способ ввода фосфора не оказывает заметного влияния на характер перлитизации.

8. Установлено, что продолжительность модифицирующего эффекта чугуна, модифицированного фосфором, сохраняется до 20 минут, как и у известных модификаторов. Максимальная эффективность воздействия феррофосфо ра наблюдается в течение первых 10 минут с момента ввода. С увеличением времени выдержки, в модифицированном чугуне уменьшается длина, количество графитовых включений, укрупняется эвтектическое зерно, повышается твердость образцов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сыроквашев А. В., Бауман Б. В., Воробьев А. П. Влияние легирующих элементов на структуру и характер кристаллизации фосфористых чугунов для гильз дизельных двигателей. II Литейное производство, 1997, №5, с. 24.

2. Сыроквашев А. В., Бауман Б. В., Воробьев А. П. Модифицирование серых фосфористых чугунов для отливок гильз автомобильных дизельных двигателей. II Изв. вуз. Черная металлургия, 1997, № 9, с. 76 - 77,

Подписано в печать Объем п. л.

Заказ № Цена "С" Тиражу

Московский государственный- институт стали и сплавов (технологический университет),

Ленинский проспект, 4 Типография МИСиС, Орджоникидзе, 8/9