автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Выявление и использование особых структурных эффектов в чугунах стабильной системы Fe-C-Si

На правах рукописи

Харитоненко Сергей Александрович

Выявление и использование особых структурных эффектов в чугунах стабильной системы Ге-С-81

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тула-2005

Работа выполнена в Брянской инженерно-технологической академии на кафедре «Технологии конструкционных материалов и ремонта машин»

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Сильман Григорий Ильич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Давыдов Сергей Васильевич

кандидат технических наук, профессор Цвеленьев Борис Васильевич

Ведущее предприятие: ООО НПК "Изотерм"

Защита состоится « и » декабря 2005 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д212.271.03 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г.Тула, пр-т Ленина, 92, ТГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « и » ноября 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Л/7 я .с/ * /> ГРлУ____ И.В.Тихонова

Zoob- 4 inim

-70-2 js) Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Стабильная система Fe-C-Si характеризуется тем, что в области сравнительно низких температур (ниже 750-720 °С) основными термодинами'. ски устойчивыми фазами в ней являются феррит и графит Стабильную ферритно-графитную структуру имеют некоторые виды чугунов, называемые фер-ритными По форме графитных включений чугуны подразделяют на серые с пластинчатым графитом, высокопрочные с шаровидным или вермикулярным графитом и ковкие с хлопьевидным графитом (углеродом отжига).

Сочетанием наиболее высоких значений пластичности и ударной вязкости обладают ферритные высокопрочные чугуны с шаровидным графитом, однако эти чугуны не всегда обладают достаточно высокими прочностными свойствами

Задача, связанная с повышением механических свойств и надежности высокопрочных чугунов, является очень важной для промышленности России Так, например, в перечень приоритетных направлений развития науки и техники в 1'Ф включена тема "Исследование и разработка технологий получения чугунов с шаровидным графитом высокой прочности для транспортировки и захоронения отходов ядерных технологий в крупногабаритных контейнерах" с достижением следующих свойств чугуна а„>600 МПа, К1С в интервале температур от -50 до +350 °С в 1,5 раза выше, чем у известных чугунов.

Как показали результаты многих исследований, можно в значительных пределах регулировать прочностные свойства феррита, например, путем его легирования, в том числе (и прежде всего) кремнием

Легирование a-железа кремнием может сущесп венно влиять на его структуру вплоть до reTepoi енизации a-фазы Это явление обнаружено в сплавах системы Fe-Si.

Безусловно, явление гетерогенизации a-фазы должно переходить и в систему Fe-C-Si В эпизодических исследованиях высокопрочных ферритных чугунов, проведенных ранее, имеются ссылки на возможность таких структурных изменений, но до сих пор эти изменения не получили достаточного теоретического и экспериментального обоснования и не отражены в известных диаграммах состояния Fe-C-Si

Поскольку структура и свойства чугунов определяются прежде всего содержанием кремния, необходимо более тщательное исследование влияния кремния с выявлением и обоснованием особых структурных эффектов, обеспечивающих существенное повышение свойств чугунов Необходима также разработка технологических процессов получения таких чугунов и изделий из них.

Цель работы. Выявление особых структурных эффектов в сплавах стабильной системы Fe-C-Si и их использование при разработке ферритньгх высокопрочных чугунов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Автор защищает:

- рассчитанную и построенную часть новой диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-Si (изотермические и политермические разрезы, проекции, перечень и схему моно- и нонвариантных равновесий);

- результаты анализа диаграммы с выявлением новых фазовых областей, моно- и нонвариантных равновесий, новых структурных составляющих, фазовых и структурных превращений;

- методику приготовления шлифов ю фгрритн^ту кремнистых чугунов с их

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1

I библиотека I

комбинированным травлением с целью выявления структурного эффекта спино-дального расслоения феррита;

- разработанные составы чугунов, способы их выплавки, модифицирования и термической обработки отливок из них;

- выявленные экспериментально зависимости влияния кремния и термической обработки на механические и триботехнические свойства чугунов.

Общая методология исследований. Методология проведения работы базируется на сочетании теоретических и экспериментальных методов исследований. Основные результаты получены на основе термодинамических расчетов и анализа разрезов и проекций построенной части диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-Si Эти данные использованы при планировании экспериментальных исследований, проводимых с целью проверки результатов теоретического анализа. определения особенностей структуры и свойств чугунов, окончательной кор- > ректировки их химического состава и разработки способов их получения и режимов термической обработки отливок из них

Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов структурного анализа, а также соответствием расчетных данных результатам опытно-промышленных испытаний

Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования сплавов с заранее заданными свойствами- установлено наличие в сплавах Fe-C-Si особых структурных эффектов (гетерогенизация a-фазы, новые виды фазовых и структурных равновесий и превращений), некоторые из которых ранее были выявлены в сплавах Fe-Si, но не учитывались при оценке процессов структурообразования в сплавах Fe-C-Si;

- впервые построена наиболее важная часть диаграммы Fc-C-Si (до 20 % Si ат ) с учетом новых фазовых областей и равновесий, причем не в виде отдельных фрагментов (разрезов или проекций), а с достаточно полным ее представлением, включая общую схему моно- и нонвариантных равновесий,

- установлено влияние легирования (кремнием и комплексом Si+Sn), комплексного модифицирования (Si+Mg+Ca+Ba+P3M) и термической обработки на структуру и свойства ферритных чугунов с шаровидным графитом;

- разработаны составы новых чугунов, у которых повышенные механические и триботехнические свойства обеспечены путем использования выявленных структурных эффектов; составы этих чугунов, а также способ их получения заявлены в качестве изобретений

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- разработаны состав чугуна и технологические процессы его получения и изготовления из него деталей, предназначенных для работы в тяжелых условиях при больших статических и динамических нагрузках, в том числе и при низких температурах;

- разработан состав антифрикционного чугуна, обеспечивающий высокую работоспособность узлов трения с низким коэффициентом трения и малым износом сопряженных деталей,

- новые сплавы и технологические процессы использованы на Брянском заводе "Термотрон" при изготовлении и испытании опытных партий деталей, к

которым предъявлялись высокие требования по ударопрочноеги и ударной вязкости

Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные диссертацию, состой! в формулировании научной проблемы, связанной с разрабо сой специальных чугу нов и постановке задач исс ¡едования, в непосредственном участии на всех этапах проведения теоретических и экспериментальных исследований, в анализе и использовании полученных результатов

Апробация рабо!ы. Мгнериалы диссертации были доложены и обсужде-* ны на peí иональных научно-технических конференциях "Вклад ученых и специа-

листов в национальную экономику" (Брянск. 2002 2003, 2004 2005)

> Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, 1 работа принята

к опубликованию, 2 разработки заявлены в качестве изобретений

Структура и объем диссертации. Диссертация сосюит из введения, четырех глав общих выводов списка испотьзованной литературы из 122 наименований и приложений; она содержит 161 страницу текста. 60 рисунков. 33 таблицы и 28 страниц приложений

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной гечы диссертации, изложены научная новизна и практическая значимость выполненной работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе рассмотрены современный вид диаграмм Fe-Si и Fe-C-Si. выявлены несоответствия между этими диаграммами и необходимость доработки и уточнения диаграммы Fe-C-Si. проведен анализ литературных данных по вопросам, связанным с влиянием различных факторов на оруктуру. механические и триботех-нические свойства высокопрочных ч\гунов с шаровидным графитом (ВЧШГ). Рассмотрены вопросы получения шаровидною графита в чугунах. влияния термической обработки, применения ВЧШГ; приведены механические свойства ВЧШГ с различной структурой матрицы Особое внимание уделено ферришым ВЧШГ

Наиболее полно результаты исследований r этой области были представлены в работах Г И. Сильмана. А А Жукова. Я Н Малиночки. JJ В Перегудова, Д А Ка-бинова

Изучение состояния вопроса показало, что в настоящее время вопросы струк-турообразования в сплавах стабильной системы Fe-O-Si изучены недостаточно, многие области диаграммы являются спорными Процессы, происходящие при формировании структуры чугунов. содержащих 3-5% Si, не объясняются диаграммой состояния

Свойсша ВЧШГ завися! от структуры металлической матрицы наибольшей прочностью обладают перлитные и бейнитные ЧШГ. наибольшими пластичностью и ударной вязкостью - ферритные чугуны Однако для некоторых особо нагруженных деталей требуется сочетание всего комплекса высоких механических свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости), обеспечивающих их высокую надежность в эксплуатации.

Исходя из результатов анализа состояния вопроса, сформулированы цель работы, приведенная во введении, и основные задачи исследования, включающие.

- теоретическое и жспериментальное исследование новых структурных эффектов в системе Не-С-Ьи.

- построение достаточно полной диаграммы стабильного равновесия Рс-С-51 с учетом новых структурных эффектов,

- оценку возможности получения чугунов с требуемыми свойствами,

- разработку рациональных составов чугунов и способов их получения (включая процессы выплавки, модифицирования и термической обработки);

- исследование структуры, механических и эксплуатационных свойств чугунов

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с расчетом. построением и анализом диаграммы стабильного равновесия сплавов Fc-C-Si и выявлением особых структурных эффектов в сплавах ттой системы Термодинамический анализ и расчеты проведены по методике Г.И Сильмана В качестве исходных данных использованы современные и наиболее надежные варианты диаграмм состояния Fe-C и Fe-Si, а также данные по межфазному распределению кремиия Расчетная схема приведена на рисунке 1

Ns,

Рисунок 1 - Конодный тре-уюльник ABD - область трехфазного равновесия а+у+ср (схема)

На схеме использованы следующие обозначения, а, 7 и ф- растворы (твердые или жидкие); I, II и III - области двухфазных равновесий, конодный треугольник АГЮ - область трехфазного равновесия, ,

^ску-ау и ^иг-г) ~ содеРжания углерода в соответствующих фазах в ус-

ловиях двухфазных равновесий в исходной двойной системе Ре-С, ноль в верхнем индексе характеризует отношение данного параметра к двойной системе Ре-С. Основные уравнения для расчета приведены ниже.

"Ncu))

Ри ~~

(А'*

-1) N<:+(Nrtllí-K

К

~ N. '

(1)

(2) (3)

(5)

(6)

(7)

Здесь приняты те же обозначения, что и на расчетной схеме, причем верхние знаки в виде одного штриха означают левую границу двухфазной области (малоуглеродистую фазу), обозначения с двумя штрихами относятся к правой границе области (высокоуглеродистой фазе) Отсутствие в верхних индексах цифры "О" при обозначении содержаний углерода в фазах показывает возможность испо 1ьзования в расчетах не только значений, относящихся к исходной системе Fe-C, но и значений характеризующих тройную систему Fe-C-Si

Дополнительные обозначения в расчетных уравнениях' /?/ и ри - коэффициенты влияния кремния на термодинамическую активность углерода в соответствующих двухфазных областях диаграммы. М( содержание )гле-рода в рассматриваемом двухфазном сплаве (или в фазе, когда сплав имеет однофазное строение): NSl и NSl - содержания кремния в мало- и высокоуглеродистой фазах

соответственно; коэффициент межфазного распределения кремния: а, и a¡

термодинамические активности углерода в рассматриваемых двухфазных областях тройной системы Fe-C-S¡ и исходной двойной системы Fe-C соответавенно; 6'¡и

Ь(- - параметры взаимодеисгвия соответс1Вующих компонентов в рассматриваемой фазе. Ns¡ и Л/( -содержания кремния и углерода в фазе, соответствующей рассматриваемой вершине конодною треугольника. Величина Ní рассчитывалась по уравнениям типа (7). Все концентрационные характеристики ( Ns¡ и N( ). использованные в расчетах, приняты в атомных долях. На графиках, разрезах и проекциях диаграмм они переведены в атомные проценты.

При построении всех разрезов диаграммы использованы основные правила геометрической термодинамики сплавов Использованы также температурные и концентрационные зависимости коэффициентов межфазного распределения элементов Проведены расчеты и построения изотермических разрезов диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-S¡ для интервала практически важных содержаний кремния (до 20 % ат) В диссертации приведены рассчитанные изотермические разрезы при температурах 1450, 1400, 1350. 1250. 1200, 1160, 1150, 1100, 835 и 550°С. Указанный набор температур обусловлен выявленным в процессе расчетов наличием комплекса нонвариантных равновесий в системе: эвтектически-перитектических а + L «-► у + L, (при - 1400°С). а + L, «-► а2 + у (при ~ 1200°С), I, +

L] у + Г (при ~ 1160°С) и у + L|<-> а2 + Г (при - П50°С); эвтектоидно-перитектоилных а2 + у а + Г (при - 835°С) и а2 + Г *-* а + а, (при ~ 550°С). Приведены также изотермические разрезы при нескольких переходных температурах (1450, 1350, 1250 и 1100°С).

Установлено, что при температуре около 1150°С происходит кристаллизация расплава с образованием не только у-фазы, но и одной из a-фаз. В данном исследовании впервые учтены не только выявленные в последние голы возможности расслоения a-фазы, но и неполная смешиваемость расплавов при определенных содержаниях кремния.

В областях твердофазного состояния (при температурах 1100°С и ниже) при обычно используемых содержаниях кремния с понижением температуры осуществляется переход от аустенитно-фафитной структуры к структурам с a-фазами При содержаниях кремния до 7-7,5 % ат этот переход происходит по обычной схеме через эвтектоидное превращение у —► а +Г\ причем температура области эвтектоидного равновесия повышается с увеличением содержания кремния в системе. Однако при более высоких содержаниях кремния реализуются другие схемы - с образованием фазы а2 и последующим ее расслоением на фазы а и а,.

По изотермическим разрезам диафаммы построены политермические разрезы при разных содержаниях кремния и углерода (в качестве примера приведен разрез на рисунке 2) В диссертации приведены наиболее важные из них, сопоставимые с известными из литературных источников разрезами диаграммы, позволяющие проводить анализ структурообразования и выявление особых структурных эффектов в наиболее широко используемых сплавах- при содержаниях кремния 5, 7. 10 и 15% ат. (или 2,5-3. 3.6-4.3, 5,3-6.3 и 8,1-9,8% мае соответственно) и при содержаниях углерода 5 и 15%ат (или 1,1-1.2 и 3.6-4.1% мае соответственно).

На основе построенных разрезов диафаммы объяснены особенности процессов структурообразования в легированных кремнием сталях и чугунах.

В низкоуглеродистых сталях с содержанием кремния до 2-2,5% мае структура формируется в основном по обычной известной схеме, хотя в процессе кристаллизации при высоких температурах возможен переход от расплава L| к расплаву L с соответствующим изменением характера ликвации кремния Однако этот переход осуществляется в очень узкой области температур и не оказывает существенною влияния на характер кристаллизующихся фаз. При переходе к высокоуглеродистым сталям и чугунам в кристаллизующемся расплаве увеличивается доля фазы L|. что определяет наличие прямой ликвации кремния в дендритах первичного аустенига. Однако в процессе эвтектической кристаллизации доэвтекгических чугунов, протекающей при небольших переохлаждениях и постоянной температуре, на первичные ден-дриты аустенита накладываются участки эвтектического аустенита без заметного явления ликвации. Если кристаллизация чугуна происходит в условиях значительного переохлаждения (т.е. при ускоренном охлаждении), то проявляется эффект рекалесценции, приводящий к изменению характера ликвации кремния в эвтектическом ау-стените. В результате в кристаллах аустенита проявляется смешанная ликвация кремния - прямая ликвация в участках первичного аустенита и обратная ликвация в наслаивающихся участках эвтектического аустенита.

В чугунах и сталях с повышенным содержанием кремния (3-3,5% мае.) возможно проявление необычного для чугунов и сталей структурного эффекта, заключающегося в расслоении феррита (a-фазы) на обычный феррит (обычную a-фазу) и кремнистый феррит (силикоферрит) или фазу a¡. Этот эффект усиливается при увеличении содержания кремния в сплаве, а при содержании 7-7,5%Si мае. в структуре

сплавов из а-фаз может оставаться только один силикоферрит. Характерно также, чю в таких высококремнистых сплавах в процессе их кристаллизации образуется фаза а2 которая в процессе охлаждения претерпевает эвтектоидный распад при температурах 550-540°С с переходом в смесь фаз а и а, (рисунок 2)

Рисунок 2 - Один из построенных политермических разрезов диаграммы стабильного равновесия Ре-С-8|

О 2 5 5 7 5 10 12 5

Содержание кремния, % ат.

В чугунах. содержащих около 3,5%Si мае, возможно формирование необычных структур Это содержание кремния близко к "граничному" между сплавами с обычным структурообразованием и сплавами с эвтектоидно-перитектоидным превращением при 835Т В первом случае в ускоренно охлажденных ставах получается структура с преобладанием перлита Во втором случае образуются а-фазы, инициирующие образование ферритных, а не перлитных структур В отливках из таких сплавов возможно протекание ликвационных процессов с образованием зон с содержанием кремния, ниже и выше граничной концентрации, что отражается и на конечной структуре сплавов в виде резкого перехода от перлитных участков к участкам с ферритной структурой Этот эффект подтвержден экспериментально (рисунок 3).

В работе осуществлен переход ог фрагментарного к общему представлению исследованной части диаграммы, которое включает перечень всех моно- и нонвари-антных равновесий, схему моно- и нонвариантных равновесий с определением связи этой системы с исходными системами Fc-C и Fe-Si (рисунок 4). проекции областей

диаграммы на две вертикальные плоскости (при переменных содержаниях углерода и кремния соответственно) и на горизонтальную плоскость диаграммы Приведены также схемы формирования в системе Рс-С-8| некоторых трехфазных областей из пересекающихся двухфазных областей, а также обратный переход из тройной системы в исходные двойные системы трехфазных областей путем их разделения на двухфазные области.

ЛЯ

»л

Рисунок 3 - Наличие двух структурных зон (перлитной и ферритной) в сером чугуне огливки, потученной способом лтья по выплавляемым моделям

'*? „

í* eÚJ*.

Рисунок 4 -

Схема моно- и нонвариантных равновесий в стабильной системе Fe-C-S¡ (до 20% Si ат )

Построены и приведены проекции областей расслоения расплава Эти области имеют куполообразный вид с вершиной при высоких температурах, зависящих от содержа "ия углерода в сплавах Между трехфазными областями находится двухфазная область расслоения расплава (без избыточных фаз) При температурах выше 1510-1600°С расплав становится однофазным Гакой характер расплава объясняет особенности влияния термовременной обработки и высокотемпературного модифицирования расплава на струю урообразование в графит изирующихся чугунах

Результаты проведенных исследований использованы при разработке сплавов с особыми свойствами и способов получения изделий из таких сплавов, например, способа получения двухслойных композиционных отливок с наружным твердым и износостойким слоем и внутренней частью, обеспечивающей повышенную пластичность и ударную вязкость всей конструкции Особенно сильно проявляются преимущества такой конструкции при использовании высокопрочного чу!уна с шаровидным графитом

Значительное влияние на структуру и свойства сплавов Ре-С-8[ оказывает олово. Оно способе!вует (етерогенизации феррита Особенно сильное влияние оказывает олово при модифицирующей обработке жидкого сплава. I акой сплав в процессе кристаллизации и охлаждения не гомогенизируется и в его структуре остаются микрозоны, резко обогащенные оловом. В этих микрозонач обычный феррит заменяется фазой а, при сохранении обычной ферритной структуры в остальных объемах сплава Микрозоны с фазой а, отличаются повышенной микротвердостью (НУ 400450), что практически не сказывается на средней твердое!и сплава, но резко повышает его износостойкость и ухудшает обрабатываемость резанием лезвийным инструментом Это свидетельствует о высокой износостойкости чугуна, но при разработке состава такого износостойкого чугуна и способ«) получения из нею изделий необходимо решить проблему его обрабатываемости резанием

В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований При получении чугунов использованы два метода плавки индукционной элсктроплавки в кислых тиглях емкостью от 50 до 200 кг и яаграночной плавки Данные по химическому составу и способу получения некоторых исследуемых чугунов представлены в таблице 1

Таблица 1 - Исследованные чугуны и способы их получения

Способ № Содержание элементов, % мае Способ моди-

плавки чугуна С Мп Ст Р фицирования

Ваграноч- 1 1 3,24 2,78 0.47 0,06 0.13 Без силикоба-

ный 1 2 3.28 3,20 0,50 0,03 0.11 рия

1 3 3.15 3,66 0,55 0,03 0.14

1 4 3.18 4,07 0,56 0,04 0.10

Элекгро- 2 1 3.62 2,81 0,33 0,03 0.04 Без силикоба-

печной 2.2 3,44 3,15 0,31 0,03 0,05 рия

23 3,40 3,60 0,29 0,02 0.03

24 3,43 4.18 0,37 0,02 0,04

Электро- 3.1 3,55 2.90 0,32 0,03 0.04 С силикобари-

печной 3 2 3,48 3,42 0.36 0,03 0,03 ем

3 3 3,61 3,89 0,30 0,02 0.04

При выпуске чугуна ваграночной плавки температура чугуна на желобе составляла 1360-1380°С, при электроплавке 1400-1420°С, а при использовании печей «разливочных ковшей малой емкости (50-60 кг) - 1430-1450°С

Мочифицирование жидкого чугуна проводили в обычных конических разливочных или раздаточных ковшах емкостью от 50 до 200 кг с отношением высоты к Диаметру 1,5-2. В качестве модификатора использовали комплексные лигатуры типа ЖКМК. содержащие 7-10 % Mg. 3-6 % Са. 1,5-3 % РЗМ. 45-55 % Si, оегалыюс - железо и примеси В случае необходимости повышения прочностных свойств чугуна дополнительно к этой лигатуре добавляли небольшое количество лигатуры типа •

ЖКМК-М Флюсом при модифицировании служил плавиковый шпат С целью увеличения "живучести" эффекта модифицирования, измельчения структуры чугуна и повышения механических свойств феррита, особенно пластичности (относительного ,

удлинения) и ударной вязкости, проведены исследования влияния дополнительного использования силикобария в составе модифицирующей смеси

Модифицирование проводили методом "сандвич-процесса" Лигатуру и плавиковый шмат пригружали в ковше прогретой до 500-600°С чугунной решеткой, специально отливаемой по размерам донной части ковша.

Исследования влияния термической обработки были проведены с использованием одностадийною ни iko 1смиерату рчого отжша Целью Э!их исследований была Разработка рациональною режима такого отжига, обеспечивающею полную ферри-тизацию структуры при минимальной длительности и наиболее подходящей температуре выдержки Также определяли рациональные условия охлаждения отливок после выдержки при отжше. так как режим охлаждения оказывает значительное влияние на пластичность и ударную вязкость чу i у на

Контрочь чу]уна в отливках проводили с использованием химического анализа чугуна до и после модифицирования. металло!рафическо1 о анализа с изучением формы и распределения графитных включений и особенностей структуры металлической матрицы, определения твердости КВ. механических испытаний на растяжение и Ударный изгиб с определением предела прочности а„, относительного удлинения 5 и Ударной вязкости КС на гладких (ненадрезанных) образцах

Лия проведения указанных видов анализов и изготовления образцов для испытаний отливались пробы для отбора стружки на химический анализ, клиновые "Робы на отбел и определение качества модифицирования, клиповая проба для вырезки образцов на механические испытания

Распределение кремния между аустенитом и ферритом изучали с помощью лазерного микроспектрального анализа на установке ' LMA-1 по интенсивности линии 4128 Л в сравнении с фоном Локальность анализа составила 10-15 мкм Образ-иы- содержащие 0.52% С, 5.2% Si, 0.12% Мп, 0,07% S и 0,05% Р. предварительно oi-жигали и закаливали, фиксируя распределение кремния между фазами сплава при температуре отжига В качестве эталона использовали ферритный гомогенизированный чугун с известным содержанием кремния.

Металлографический анализ проводился на оптических микроскопах МИМ-8М и «Неофот-2» при различных увеличениях (от 100 до 1500 раз). Для выявления особенностей структурною состояния ферришои матрицы чугуна проводили специальную обработку шлифа с использованием комбинированного травления, заключающеюся в сочетании предварительного химического травления с последующим тепловым травлением и окончательным легким полированием. Металлографический анализ таких шлифов проводился при больших увеличениях (1350-1500 раз). Особенно четко i етерогенизированная структура феррита наблюдалась на образцах с Дос га точным содержанием кремния после их термической обработки, обеспечи-

ваюшей нерестаривание феррита и двойникование включений силикоферрита.

Триботехнические испытания чугунов и других сплавов проводили в условиях сухого трения металл по металлу на модернизированной машине МИ-1М и уста-нов« СМЦ-2 В процессе испытаний определяли износ образцов и контртела, коэффициенты трения в различных условиях.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований химического состава, структуры, механических и триботехнических свойств полученных чугунов, представлены результаты экспериментального исследования проявлений в кремнистых чу[ унах особых структурных эффектов.

Показано, что сочетание рационального химического состава, электропечного способа плавки и комплексного модифицирования позволяет получать высокопрочный чугун с шаровидным графитом, имеющий в литом состоянии структуру без признаков отбела и с преобладанием фсрритной матрицы Эффективным средством улучшения структуры такого чугуна является использование в составе модифицирующей смеси небольших добавок силикобария С'иликобарий способствует измельчению микроструктуры и увеличению степени ферритизации чугуна.

При модифицировании как ваграночных, так и электропечных чу1унов необходимо учитывать содержание в них серы. При повышенном содержании серы возможно недомодифицирование. а при низком ее содержании - перемодифицирование чугуна В обоих случаях в структуре чугуна появляются графитные включения переходных форм, и даже пластинчатый графит.

Механические свойства некоторых исследованных чу!унов (см. (аблицу 1) в литом и отожженном состояниях приведены в таблице 2.

Из приведенных данных и результатов дополнительных исследований видно, что при ваграночной плавке чугуна трудно обеспечить высокий уровень пластичности и ударной вязкости Только при пониженном содержании кремния (менее 2.7 %) можно обеспечить достаточную пластичность, но ударная вязкость чаще всего остается недостаточной

Таблица 2 - Механические свойства некоторых исследованных чугунов

№ чугуна Свойства в состоянии

литом отожженном

ов. МПа 6.% КС, Дж/см2 Твердость НВ ов-МПа 5.% КС, ^ Дж/см" Твердость НВ

1.1 1.2 1.3 1.4 508 496 527 539 4 5 5 2 42 50 57 54 217 201 197 197 428 430 442 456 8 8 6 5 73 66 60 54 156 159 167 174

2.1 2.2 2.3 2.4 517 518 545 557 10 14 12 8 76 80 86 78 183 170 179 179 460 458 472 480 22 20 16 10 123 112 99 80 149 156 163 170

3.1 3.2 3.3 516 520 544 16 18 12 98 96 89 170 167 170 476 483 490 22 22 17 146 122 98 149 159 167

В литом состоянии сочетание высоких свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) можно обеспечить при электроплавке чугунов и комплексном модифицировании с использованием силикобария. Наилучшее сочетание свойств обеспечивается при содержании кремния 3,3-3,5 %.

При содержании в чугуне более 5 % 51 в его структуре резко увеличивается количество силикоферрига (фазы Я|), механические свойства ухудшаются (снижаются прочность, пластичность и ударная вязкость). При ~ 6 % 81 чугун имеет сильно ге-терогенизированную ферришую структуру и следующие свойства: твердость 300-320 НВ. о„~300-350 МПа, КС менее 10 Дж/см2

Разработанный режим одностадийного ферритизирующего отжига при 720750 °С обеспечивает получение в отливках с толщиной стенки 20-30 мм чисто фер-ритной структуры. При этом у чу1уна электроплавки, модифицированного с добавкой силикобария, относительное удлинение может повышаться до 20-25 %. а ударная вязкость КС - до 110-120 Дж/см2 при снижении твердости до 150-160 НВ. Предел прочное!и при таком отжиге сохраняется на достаточно высоком уровне (о„=430-450 МПа) Охлаждение после отжига следует вести ускоренно па воздухе для тонкостенных отливок, в воле для отливок с толщиной стенки более 20 мм.

В чугунах с повышенным содержанием кремния проявляются некоторые аномалии свойств, обусловленные особыми структурными эффектами. Результаты механических испьианий на растяжение приведены на рисунке 5 в виде зависимостей, характеризующих влияние кремния на предел прочности ов (рисунок 5.а) и относительное удлинение 6 (рисунок 5.6). Зависимости свидетепьствуют о наличии на кривой двух максимумов предела прочное 1 и чугуна в литом состоянии -600 МПа при перлитной структуре и -560 МПа при чисто ферритной структуре Пластичность чугуна (относи 1етьное удлинение) резко возрастает при переходе от перлитной структуры к феррп'.чой. достигая максимума при содержании кремния в чугуне -3.2% При дальнейшем повышении содержания кремния в чугуне (от 3.2 до 4.2%) прочностные свойп ва чугуна повышаются, а пластичность заметно снижается. С увеличением содержания кремния сверх 4.2% происходит значительное снижение и прочности, и пластичности.

Дтя ч\ гуна с ферритной структурой (в отожженном состоянии) зависимости упрощаются с увеличением содержания кремния пласшчность чугуна снижается (особенно резко в интервале 3 5-5%Ч0. а на кривой вменения прочности чугуна наблюдается только один максимум

О патичии структурных изменений свидетельствует и график влияния кремния на износостойкость чугуна (рисунок 6). Сопоставляя графики на рисунках 5.а и 6, видим, чю между временным сопротивлением разрыву чугуна и его износостойкостью наблюдается хорошая корреляция для литого состояния обе зависимости имеют два максимума (перлитный и ферритный) при одних и тех же содержаниях кремния Дтя износостойкости чу1уна в отожженном состоянии характерна зависимость с одним максимумом (как и дтя временного сопротивления разрыву)

Причиной установленных аномалий является спинодальное расслоение феррита на обычный феррит (а-фазу) и силикоферрит (фазу я,) (рисунок 7). Максимумам прочности и износостойкости ферритного чугуна с шаровидным графитом соответ-С1вует содержание кремния 4,2 % и расслоение феррита с количеством силикоферри-та около 25 %.

С использованием выявленных структурных эффектов путем дополнительных экспериментальных исследований разработаны специальные ферритные чугуны с высокими механическими свойствами и способ их получения Разработка заявлена в качестве изобретения и включает составы чугунов. способ их выплавки и модифи-

цирования, способ термической обработки отливок из них Химическим состав чугуна обеспечивает возможность частичной гетерогенизации феррита. Особенность герм "ческой обработки состоит в сочетании гомогенизирующего огжига, феррити-зируюь ей обработки и искусственного старения феррита

Рисунок 5 - Влияние содержания кремния на предел прочности при растяжении (а) и относительное удлинение (б) чугуна с шаровидным графитом. 1 - в литом состоянии, 2 - после ферритизирующего отжига

I §

I §

5- 'а

* I £ §

3 в *

3

1.6

1.2

0.8

0.4

!

1 /!

.. л Л

Рисунок 6 -

литом состоянии, 2

Содержание кремния, %

Влияние содержания кремния на износостойкость чугуна. - после ферритизирующего отжига

Рисунок 7 - Микроструктуры чугуна с расслаивающимся ферри-¡ом, лвойнос травление, х1350

Разработан и заявтен в качестве изобретения антифрикционный ферригный ч\ I > н. особенностью структуры которого является высокая степень гетсрогенизации феррита ja счст спинодального pate юения и частично! о пересиривания С этой це-1ыо в составе чугуна увеличено сочсржание кремния и юпотнитечыю введено небольшое количество олова Для уменьшения ферритной хрупкости чугуна он легирован молибденом Разработанный чугун отличается низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая при этом малый износ сопряженной детали

В приложениях приведены заявки на изобретения, протоколы производственных испытаний и акт промышленною использования разработанного ферритного чугуна с повышенными механическими свойствами

1 Система стабильного равновесия Fe-C-Si является для чугунов и сталей одной из наиболее важных Однако, некоторые области диаграммы были установлены приближенно, имеется всею несколько изотермических разрезов. отсутствуют политермические разрезы в координатах t. °С - % Si На диаграмме не учтены фазовые равновесия и структурные эффекты, выявленные в последние юлы, в частности, расслоение расплава и a-фазы Особое значение эти эффекты имеют для высокопрочных ч\г>новс повышенным содержанием кремния

2 В работе использовапа методика термодинамическою расчета и построения изотермических разрезов диаграмм состояния тройных систем. Проведены расчеты и построения 10 изотермических разрезов диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-Si. Впервые при построении разрезов учтены новые данные, связанные со спинолальным расслоением u-фазы и несмешиваемостью yi леродистого и кремнистого расплавов железа По изотермическим разрезам диаграммы построены политермические разрезы при разных содержаниях кремния и углерода.

3 В работе осуществлен переход от фрагментарного к общему представлению исследованной части диаграммы (до 20 % Si ат), которое включает перечень всех моно- и понвариантпых равновесий, схему этих равновесий с определением связи между системой Fe-C-Si и исходными системами Fe-C и Fe-Si. проекции областей диаграммы на две вертикальные плоскости и на горизонтальную плоскость диаграммы Построены и приведены проекции областей расслоения расплава

Основные результаты и выводы

4 Значительное влияние на структуру и свойства сплавов Ре-С-Й1 оказывает олово, способствуя гетерогенизации феррита Особенно эффективно действие небольших добавок при обработке жидкого чугуна В структуре такого чугуна остаются микрозоны, резко обогащенные оловом и имеющие повышенную твердость В этих \ чкрозонах обычный феррит заменяется фазой аь что приводит к повышению износост йкости чугуна, но ухудшает его обрабатываемость резанием лезвийным инструментом.

5 Для проведения металлографического анализа чу1унов с гетерогенизиро-ванным ферритом разработан и использован способ комбинированного травления микрошлифов, включающий предварительное травление ниталем, тепловое травление при 350-360° С и заключительную операцию легкого полирования Микроструктура гетерогенизированного феррита на таких шлифах хорошо выявляется при больших увеличениях оптического микроскопа (1300-1500 раз), особенно после пе-рестаривания феррита и двойникования включений силикоферрита.

6 При ваграночной плавке чугуна трудно обеспечить высокий уровень пластичности и ударной вязкости В литом состоянии сочетание высоких свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) можно обеспечить при электроплавке чу-гунов и комплексном модифицировании с использованием силикобария Наилучшее сочетание свойств обеспечивается при содержании кремния в чугуне 3,3-3,5 %.

Разработанный режим ферритизирующего отжша позволяет получать в отливках с толщиной стенки 20-30 мм чисто феррит ную структуру, обеспечивая высокую пластичность (5=20-25%) и ударную вязкость (КС=110-120 Дж/см2) чугуна при его достаточно высокой прочности (а„=430-450 МПа)

7 В кремнистых чугунах с шаровидным графитом проявляются некоторые аномалии свойств при ферритной структуре появляются максимумы прочности и износостойкости, при содержании около 3,5 % Б) резко меняется интенсивность влияния кремния, в частности, темп повышения прочности и износостойкости фер-ритною чугуна и снижения его пластичности

Причиной этих аномалий является спинодальное расслоение (гетерогениза-ция) феррита Максимумам прочности и износостойкости ферритного ЧШГ соответствует содержание кремния -4,2 % и расслоение феррита с количеством силикоферрита около 25 %

8 С использованием выявленных структурных эффектов разработаны и заявлены в качестве изобретений'

- специальные ферритные чугуны с высокими механическими свойствами и способ их получения;

- антифрикционный ферритный чугун

Первая разработка включает составы чугунов, способ их выплавки и модифицирования, способ термической обработки отливок из них. Особенность термической обработки состоит в сочетании гомогенизирующего отжига, ферритизирующей обработки и искусственного старения феррита

Во второй разработке определен химический состав чугуна, обеспечивающий высокую степень гетерогенизации ферритной структуры Такой чугун отличается низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая малый износ сопряженной детали.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1 Сильман Г И , Тарасов А А , Харитонснко С А. Оценка предельных условий работоспособности новых антифрикционных чугунов // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику. - Сборник материалов научно-технической конференции - Брянск Изд-во БГИТА, 2002,-С 115-117

2 Сильман Г И , Малахов А С , Харитоненко С А Получение ферритного ЧШГ с повышенными механическими свойствами // Материаловедение и производство: Межвузов сб науч тр. Вып 3 / Под ред Г.И. Сильмана.- Брянск: Изд-во БГИТА, 2003.-С 173-181.

3 Сильман Г. И , Малахов А С, Харитоненко С А Термическая обработка отливок на ферритный ЧШГ // Материаловедение и производство' Межвузов сб науч тр Вып 3 / Под ред Г И. Сильмана - Брянск: Изд-во БГИТА, 2003 - С 182189

4 Сильман Г И , Харитоиенко С А Особые структурные эффекты в сплавах Ре-С-Я1 // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику - Сборник материалов научно-технической конференции Т 1 - Брянск- Изд-во БГИТА, 2004 - С 23-28

5 Сильман Г И , Харитоненко С А Исследование влияние олова в сплавах системы Ре-С-81 // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику -Сборник материалов научно-технической конференции Т 1. - Брянск- Изд-во БГИТА, 2004 - С.12-15

6 Сильман Г И , Камынин В В , Харитоиенко С А Расчет, построение и анализ изотермических разрезов стабильной диаграммы Ре-С-в! // Вестник БГИТА Вып 1/Под ред Г И Сильмана - Брянск Изд-во БГИТА, 2005-С 16-28

7. Сильман Г. И , Камынин В В , Харитоненко С А Построение и анализ политермических разрезов диаграммы стабильного равновесия Ре-С-Я1 // Вестник БГИТА Вып 1 / Под ред Г И Сильмана - Брянск- Изд-во БГИТА, 2005 -С 2938.

8 Сильман Г И , Камынин В В , Харитоненко С А Особые эффекты в структу-рообразовании графит изированных кремнистых чугунов // Вестник БГИТА Вып 1 / Под ред Г И Сильмана - Брянск- Изд-во БГИТА. 2005 -С 90-95

9 Сильман Г И , Камынин В В , Харитоненко С. А Влияние кремния на структуру и свойства высокопрочного чугуна г шаровидным графитом // Металловедение и термическая обработка металлов, 2005-В печати

10 Сильман Г И . Камынин В В , Харитоненко С А Антифрикционный чугун Положительное решение по заявке на изобретение № 2004118167/02 от 15 06 04

11. Сильман Г И , Камынин В.В , Харитоненко С. А Чугун, способ его получения и способ термической обработки отливок из него Положительное решение по заявке на изобретение № 2004122439/02 от 19 07.04.

»2398 1

РНБ Русский фонд

2006-4 23312

I

Подписано к печати Формат 60x84 1/16

Печатных листов 1 Тираж 100 экз. Заказ_

Тульский государственный университет 300600, г.Тула, пр-т Ленина, 92

Введение

1 Состояние вопроса

1.1 Диаграмма состояния сплавов Fe - С - Si (стабильная система)

1.2 Особенности структуры и свойств высокопрочных чугунов с шаровидным графитом

1.3 Влияние химического состава на структуру и свойства чугунов с шаровидным графитом

1.4 Термическая обработка ВЧШГ

1.5 Получение ферритных высокопрочных чугунов

1.6 Способы получения шаровидного графита в чугунах

1.7 Применение высокопрочных чугунов

1.8 Краткие выводы и задачи исследования

2 Расчет, построение и анализ диаграммы стабильного равновесия в сплавах Fe-C-Si

2.1 Межфазное распределение и ликвация кремния. Исходные данные для расчетов

2.2 Методика и пример расчета изотермических разрезов диаграммы

2.3 Построение и анализ изотермических разрезов диаграммы

2.4 Построение и анализ политермических разрезов диаграммы

2.5 Построение проекций диаграммы и разработка общей схемы моно- и нонвариантных равновесий в системе

2.6 Выявление особых структурных эффектов и разработка сплавов с проявлением этих эффектов

2.7 Исследование некоторых особенностей влияния олова в сплавах системы Fe-C-Si-Sn

Актуальность проблемы. Стабильная система Fe-C-Si характеризуется с тем, что в области сравнительно низких температур (ниже 750-720° С) основными термодинамически устойчивыми фазами в ней являются феррит и графит. Стабильную ферритно-графитную структуру имеют некоторые виды чугунов, называемые ферритными. По форме графитных включений чугуны подразделяют на серые с пластинчатым графитом, высокопрочные с шаровидным или вермикулярным графитом и ковкие с хлопьевидным графитом (углеродом отжига).

Сочетанием наиболее высоких механических свойств и многих эксплуатационных характеристик обладают высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧШГ). Для этих чугунов характерны не только высокая прочность, но и значительные пластичность и вязкость, которые особенно проявляются у т ферритных чугунов. Однако ферритные чугуны не всегда обладают достаточно высокими прочностными свойствами.

Задача, связанная с повышением механических свойств и надежности высокопрочных чугунов, является очень важной для промышленности России. Так, например, в перечень приоритетных направлений развития науки и техники в РФ включена тема "Исследование и разработка технологий получения чугунов с шаровидным графитом высокой прочности для транспортировки и захоронения отходов ядерных технологий в крупногабаритных контейнерах" с достижением следующих свойств чугуна: с„>600 МПа, Кю в интервале температур от -50 до +350° С в 1,5 раза выше, чем у известных чугунов [84].

Как показали результаты многих исследований [10, 11, 22, 57], можно в значительных пределах регулировать прочностные свойства феррита, например, путем его легирования, в том числе (и прежде всего) кремнием.

Легирование а-железа кремнием может существенно влиять на его структуру вплоть до гетерогенизации а-фазы. Это явление обнаружено в сплавах системы Fe-Si [118, 121]. Безусловно, явление гетерогенизации а-фазы должно переходить и в систему Fe-C-Si. В эпизодических исследованиях высокопрочных ферритных чугунов, проведенных ранее [56, 58], имеются ссылки на возможность таких структурных изменений, но до сих пор эти изменения не получили достаточного теоретического и экспериментального обоснования и не отражены в известных диаграммах состояния Fe-C-Si.

Поскольку структура и свойства чугунов определяются прежде всего содержанием кремния, необходимо более тщательное исследование влияния кремния с выявлением и обоснованием особых структурных эффектов, обеспечивающих существенное повышение свойств чугунов. Необходима также разработка технологических процессов получения таких чугунов и изделий из них.

Цель работы. Выявление особых структурных эффектов в сплавах стабильной системы Fe-C-Si и их использование при разработке ферритных высокопрочных чугунов с высокими механическими и эксплуатационными свойстве вами.

Автор защищает:

- рассчитанную и построенную часть новой диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-Si (изотермические и политермические разрезы, проекции, перечень и схему моно- и нонвариантных равновесий);

- результаты анализа диаграммы с выявлением новых фазовых областей, моно- и нонвариантных равновесий, новых структурных составляющих, фазовых и структурных превращений;

- методику приготовления шлифов из ферритных кремнистых чугунов с их комбинированным травлением с целью выявления структурного эффекта спинодального расслоения феррита;

- разработанные составы чугунов, способы их выплавки, модифицирования и термической обработки отливок из них;

- выявленные экспериментально зависимости влияния кремния и термической обработки на механические и триботехнические свойства чугунов.

Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования сплавов с заранее заданными свойствами:

- подтверждено наличие в сплавах Fe-C-Si особых структурных эффектов (расслоение расплава, гетерогенизация а-фазы, новые виды фазовых и структурных равновесий и превращений), некоторые из которых ранее были выявлены в сплавах Fe-Si, но не учитывались при оценке процессов струк-турообразования в сплавах Fe-C-Si;

- впервые построена наиболее важная часть диаграммы Fe-C-Si (до 20 % Si ат.) с учетом новых фазовых областей и равновесий, причем не в виде отдельных фрагментов (разрезов или проекций), а с достаточно полным ее представлением, включая общую схему моно- и нонвариантных равновесий;

- установлено влияние легирования (кремнием и комплексом Si+Sn), * комплексного модифицирования (Si+Mg+Ca+Ba+P3M) и термической обработки на структуру и свойства ферритных чугунов с шаровидным графитом;

- разработаны составы новых чугунов, у которых повышенные механические и триботехнические свойства обеспечены путем использования выявленных структурных эффектов; составы этих чугунов, а также способ их получения заявлены в качестве изобретений.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- разработаны состав чугуна и технологические процессы его получения и изготовления из него деталей, предназначенных для работы в тяжелых условиях при больших статических и динамических нагрузках, в том числе и при низких температурах;

- разработан состав антифрикционного чугуна, обеспечивающий высокую работоспособность узлов трения с низким коэффициентом трения и малым износом сопряженных деталей;

- новые сплавы и технологические процессы использованы на Брянском заводе "Термотрон" при изготовлении и испытании опытных партий деталей, к которым предъявлялись высокие требования по ударопрочное™ и ударной вязкости.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях "Вклад ученых и специалистов в национальную экономику" (Брянск, 2002, 2003, 2004, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, 1 работа принята к опубликованию, 2 разработки заявлены в качестве изобретений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 122 наименований и приложений; она содержит 161 страницу текста, 60 рисунков, 33 таблицы и 28 страниц приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Система стабильного равновесия Fe-C-Si является для чугунов и сталей одной из наиболее важных. Однако, некоторые области диаграммы были установлены приближенно, имеется всего несколько изотермических разрезов, отсутствуют политермические разрезы в координатах t, °С - % Si. На диаграмме не учтены фазовые равновесия и структурные эффекты, выявленные в последние годы, в частности, расслоение расплава и а-фазы. Особое значение эти эффекты имеют для высокопрочных чугунов с повышенным содержанием кремния.

2. В работе использована методика термодинамического расчета и построения изотермических разрезов диаграмм состояния тройных систем. Проведены расчеты и построения 10 изотермических разрезов диаграммы стабильного равновесия сплавов Fe-C-Si. Впервые при построении разрезов учтены новые данные, связанные со спинодальным расслоением а-фазы и неполной смешиваемостью углеродистого и кремнистого расплавов железа. По изотермическим разрезам диаграммы построены политермические разрезы при разных содержаниях кремния и углерода.

3. В работе осуществлен переход от фрагментарного к общему представлению исследованной части диаграммы (до 20 % Si ат.), которое включает перечень всех моно- и нонвариантных равновесий, схему этих равновесий с определением связи между системой Fe-C-Si и исходными системами Fe-C и Fe-Si, проекции областей диаграммы на две вертикальные плоскости и на горизонтальную плоскость диаграммы. Построены и приведены проекции областей расслоения расплава.

4. Значительное влияние на структуру и свойства сплавов Fe-C-Si оказывает олово, способствуя гетерогенизации феррита. Особенно эффективно действие небольших добавок при обработке жидкого чугуна. В структуре такого чугуна остаются микрозоны, резко обогащенные оловом и имеющие повышенную твердость. В этих микрозонах обычный феррит заменяется фазой аь что приводит к повышению износостойкости чугуна, но ухудшает его обрабатываемость резанием лезвийным инструментом.

5. Разработан и использован способ металлографического анализа чугунов с гетерогенизированным ферритом, включающий предварительное травление микрошлифов ниталем, тепловое травление при 350-360° С и заключительную операцию легкого полирования. Микроструктура гетерогенизированного феррита на таких шлифах хорошо выявляется при больших увеличениях оптического микроскопа (1300-1500 раз), особенно после перестаривания феррита и двойникова-ния включений силикоферрита.

6. При ваграночной плавке чугуна трудно обеспечить высокий уровень пластичности и ударной вязкости. В литом состоянии сочетание высоких свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) можно обеспечить при электроплавке чугунов и комплексном модифицировании с использованием силикобария. Наилучшее сочетание свойств обеспечивается при содержании кремния в чугуне 3,3-3,5 %.

Разработанный режим ферритизирующего отжига позволяет получать в отливках с толщиной стенки 20-30 мм чисто ферритную структуру, обеспечивая высокую пластичность (5=20-25 %) и ударную вязкость (КС=110-120 Дж/см ) чугуна при его достаточно высокой прочности (ов=430-450 МПа).

7. В кремнистых чугунах с шаровидным графитом проявляются некоторые аномалии свойств: при ферритной структуре появляются максимумы прочности и износостойкости, при содержании около 3,5 % Si резко меняется интенсивность влияния кремния, в частности, темп повышения прочности и износостойкости ферритного чугуна и снижения его пластичности.

Причиной этих аномалий является спинодальное расслоение (гетерогени-зация) феррита. Максимумам прочности и износостойкости ферритного ЧШГ соответствует содержание кремния ~ 4,2 % и расслоение феррита с количеством силикоферрита около 25 %.

8. С использованием выявленных структурных эффектов разработаны и заявлены в качестве изобретений:

- специальные ферритные чугуны с высокими механическими свойствами и способ их получения;

- антифрикционный ферритный чугун.

Первая разработка включает составы чугунов, способ их выплавки и модифицирования, способ термической обработки отливок из них. Особенность термической обработки состоит в сочетании гомогенизирующего отжига, ферритизи-рующей обработки и искусственного старения феррита.

Во второй разработке определен химический состав чугуна, обеспечивающий высокую степень гетерогенизации ферритной структуры. Такой чугун отличается низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая малый износ сопряженной детали.

1. Авт. св. СССР № 1752819, юг. С 22 С 37/10.

2. Баландин Г.Ф., Канунников Н.К. Структурная номограмма чугуна// Литейное производство. 1978. №8. С. 6-7.

3. Барабаш В.Ф., Писарев Ю.М., Горушкина Л.П. В кн.: Вестник Харьковского политехнического института, Харьков: Виша школа, 1973, №80, вып.5.- С. 38-42.

4. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления. Справочник/ Пер. с нем. Н.И. Туркиной и Е.Я. Капуткина. М.: Металлургия, 1988 - 400с.

5. Богомолова Н.А. Практическая металлография. М.: Высшая школа, 1978. -С.8-9, 12-17.

6. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969.-415 с.

7. Бунин К.П., Таран Ю.Н. Строение чугуна. М.: Металлургия, 1972. - 160с.

8. Ващенко К.И., Софрони Л. Магниевый чугун. Москва-Киев, Машгиз, 1960.487 с.

9. Влияние кремния на характер изменения механических свойств ЧШГ / Г.И. Сильман, Л.В. Перегудов, Д.А. Кабинов, П.Г. Максимов // Технология машиностроения. Вып. 33.- Тула: Изд-во ТПИ, 1973.- С.94-97.

10. Влияние химического состава и структуры на механические свойства синтетического ЧШГ при отрицательных температурах / Б.С.Мильман, Н.И. Клочнев, Е.С Пестов, и др. // Литейное производство. 1971. № 11. С. 13-15.

11. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. Т.2. М.: Физ-машгиз, 1962.-982с.

12. Воронова Н.А., Могильцев О.А., Штейн Г.Н. Качество доменного чугуна и пути его повышения. Киев, УкрНИИНТИ, 1972. 51 с.

13. Вязкость чугуна с шаровидным графитом. Toughness properties of nobular iron. Bradley Walter L. "J. Metals", 1985, 37, № 1, 74-76 (англ.)

14. Герметизированные ковшы для обработки чугуна магнием. М., ЦНИИТмаш, 1958. 37 с. Авт.: Б.С Мильман, Н.И. Клочнев, В.Т. Лисицин, М. А. Полозков.

15. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.; Л. Машиностроение, 1966. - 564 с.

16. Горев К.В. и др. Весщ АН БССР, сер. ф1з-тэхн. навук, № 1, 1971, 21.

17. Грейнер Е.С. и др. Сплавы железа с кремнием. Киев, ОНТИ Украины, 1936.

18. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. Изд./ Банных О.А., Будберг П.Б. и др. М.: Металлургия, 1986.-440 с.

19. Жуков А.А. Геометрическая термодинамика сплавов железа. Изд. 2-е, перераб. М.: Металлургия, 1979. - 232 с.

20. Жуков А.А. Конодная номограмма для расчета состава, структуры и прочностных свойств перлитных чугунов // Литейное производство. 1959. № 1. С. 36-41.

21. Жуков А.А. Основы расчета состава, структуры и прочности серого чугуна // Вопросы теории литейных процессов.- М.:Машгиз, 1960. — С. 163-253.

22. Кабинов Д.А., Сильман Г.И., Жуков А.А. Номограмма для расчета химического состава, структуры и предела прочности чугуна с шаровидным графитом, модифицированного лигатурой ЖКМК-6// Вестник машиностроения. 1978. № 11. С. 69-72.

23. Коган Л.Б. Структурные номограммы для синтетического чугуна// Литейное производство. 1972. № 11. С. 13-14.

24. Комплексные модификаторы для получения легированного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / А.А. Жуков, Г.И. Сильман, Л.В. Перегудов и др. // Литейное пр-во.- 1973.- № 6.- С. 17-19.

25. Конструирование литых деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом: Методические рекомендации. М.: ВНИИНМаш, 1981. - 28 с.

26. Кривошеев А.Е., Маринченко Б.В., Фетисов Н.М. Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в отливках // Литейное производство. 1972. № 5. С. 34-45.

27. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972.-400 с.

28. Криштал Ю.А. Физика металлов и металловедение, 1965, т. 19, вып. 1. -С.111-116.

29. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Справ, изд. \ Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. - 184 с.

30. Кунявский М.Н., Демидова Т.Г. Научные основы и прогрессивная технология термической обработки чугуна / Вопросы литейного производства и термической обработки чугуна. — М.: Машгиз, 1956. — С. 58-81.

31. Кунявский М.Н. Исследование фазовых превращений и структурных изменений в высокопрочных чугунах // Металловедение и современные методы термической обработки чугуна. — М.: Машгиз, 1955. С. 58-77.

32. Левченко Ю.Н., Еремин А.П. Графитизирующее модифицирование высокопрочного чугуна // Литейное производство. 1987. № 6. С. 15-16.

33. Малиночка Я.Н., Ковальчук Г.З. ДАН УССР, №1,1961.- С.25-29.

34. Малиночка Я.Н. Литейное производство, № 10, 1957, 19.

35. Модифицирование чугуна в форме.- "Литейное производство", 1975, № 1, с.32. Авт.: Л.В. Перегудов, Г.С. Сосновская, Н.С. Мартынец, А.П. Киреев, Ю.А. Не-нахов.

36. Модифицирование чугуна комплексными модификаторами с РЗМ и иттрием.-"Литейное производство", 1075, № 7, с.З-5.Авт.: Н.Н. Александров, Б.С. Миль-ман, Л.В. Ильичева, С.Д. Моисеев, В.Д. Косынкин, В.В. Супруненко.

37. Патент РФ № 2098508, кл. С 22 С 37/10.

38. Получение высокопрочного чугуна модифицированием комплексными лигатурами. РТМ 27-00-328-75 // Министерство машиностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов СССР. М., 1976. - 44 с.

39. Получение ЧШГ, обладающих повышенной прочностью и пластичностью / Г.И. Сильман, А.А. Жуков, Ю.А. Ненахов и др. // Прогрессивная технология литых заготовок.- Тула: Изд-во ТПИ, 1972.- С. 114-119.

40. Применение отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в тракторном сельскохозяйственном машиностроении. Методические рекомендации. М.: Из-во ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш. 1980. - 61 с.

41. Продукция черной металлургии. Каталог. Комплексные сплавы для легирования, раскисления и модифицирования. М., 1973. 37 с.

42. Сильман Г.И. Влияние гетерогенизации твердых растворов на антифрикционные свойства легированных сталей и чугунов // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику. Т.1.- Брянск: Изд-во БГИТА, 1999.- С. 31-32.

43. Сильман Г.И. Влияние температуры на положение областей трехфазного равновесия в тройных системах // Известия АН СССР. Металлы, 1975. № 6. — С.205-208.

44. Сильман Г.И., Жуков А.А., Болховитина Н.А К вопросу о гетерогенизации в легированных Fe-C-Si-сплавах // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1980.- № 11.-С.24-28.

45. Сильман Г.И., Жуков А.А., Кабинов Д.А. Об износостойкости высокопрочных чугунов с повышенным содержанием кремния // Литейное пр-во.- 1979.- № 10.-С. 26-27.

46. Сильман Г.И., Жуков А.А. О гетерогенизации феррита в кремнистых чугунах.// Металловедение и термическая обработка металлов, 1978, № 7. С. 28-31.

47. Сильман Г.И., Жуков А.А., Эпштейн Л.З. Производство высокопрочного синтетического чугуна // Получение чугуна в электропечах. — Киев: Изд-во ИПЛ АН УССР, 1972. С. 20-24.

48. Сильман Г.И., Жуков А.А., Эпштейн Л.З. Термодинамический анализ влияния ванадия на структурообразование в чугуне // Термодинамика, физическая кинетика структурообразования и свойства чугуна и стали. Вып. 4. М.: Металлургия, 1971.-С. 77-82.

49. Сильман Г.И. Комплексный модификатор // Патент СССР № 1745127. БИ, 1992, 24.

50. Сильман Г.И. Межфазное распределение кремния в чугунах // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику. Т.1.- Брянск: Изд-во БГИТА, 2002.-С. 125-128.

51. Сильман Г.И. О расслоении расплава в системе Fe-C-Si // Материаловедение ипроизводство: Межвузов, сб. науч. тр. Вып. 2 / Под ред. Г.И. Сильмана. — Брянск: Изд-во БГИТА, 2001. С. 69-76.

52. Сильман Г.И., Перегудов JI.B.,. Барк В.М Структура и свойства ЧШГ, обработанных различными модификаторами // Технология машинострое-ния.-Тула: Изд-во ТПИ, 1971.- С. 96-103.

53. Сильман Г.И. Предельные диаграммы состояния и их интерпретация // Материаловедение и производство: Межвузов, сб. науч. тр. Вып. 2 / Под ред. Г.И. Сильмана. Брянск: Изд-во БГИТА, 2001. - С. 7-16.

54. Сильман Г.И., Сигин А.Р., Альбинский В.И. Применение ЧШГ для дизельных коленвалов // Прогрессивная технология литых заготовок.-Тула: Изд-во ТПИ, 1972.- С.126-131.

55. Сильман Г.И. Синтез легированных Fe-C-сплавов с композиционным упрочнением на основе геометрической термодинамики // Докт. дис. М., 1987.-483 с.

56. Сильман Г.И., Тарасов А.А. Изготовление и применение поршневых колец из высокопрочного чугуна // Вклад ученых и специалистов в национальнуюэкономику. Т.2.- Брянск: Изд-во БГИТА, 2000.- С. 8-9.

57. Сильман Г.И., Тейх В.А. К вопросу о ликвации кремния в железоуглеродистых1. ЦТ,сплавах // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1975.- № 11.- С. 151-156.

58. Сильман Г.И. Термодинамика и термокинетика структурообразования в чугу-нах и сталях. Брянск: Изд-во Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА), 2004.- 328 с.

59. Сильман Г.И., Харитоненко С.А. Исследование влияния олова в сплавах системы Fe-C-Si // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику. Т.1.-Брянск: Изд-во БГИТА, 2004.- С. 12-15.

60. Сильман Г.И. Чугуны. Рекомендации по выбору вида и марки чугуна для литых деталей машин и оборудования: Учебное пособие. 2-е изд. - Брянск: Изд. БГИТА, 1999. - 55 с.

61. Снижение металлоемкости и увеличение срока службы сталеразливочных из-fc, ложниц из модифицированного чугуна / Э.В. Захарченко, В.Н. Семененко,

62. А.П. Билько, В.Н. Савчук // Повышение надежности и долговечности литых деталей. Киев: Изд-во Института проблем литья АН УССР. 1987. - С. 14-23.

63. Справочник по изготовлению отливок из высокопрочного чугуна // Под ред. А.А. Горшкова. М.: Киев. Машгиз. 1961. - 300 с.

64. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н.Г. Гиршовича. 3-е изд. JL: Машиностроение, 1978.-758 с.

65. Технология получения чугуна с шаровидным графитом. М.: НИИМАШ. -1974.-74 с.

66. Федюкин В.К. Повышение конструктивной прочности высокопрочного чугуна методами специальных термообработок. Канд. Дисс. Ленинград, 1972.

67. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка сталей и чугунов. Ленинград: Изд-во ЛГУ, 1977.- 144 с.

68. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т.1. — М.: Металлургиз-дат, 1962.

69. Холодостойкий чугун с шаровидным графитом / Леков А.Т., Иванчева Ц.Р., Илиев З.М., Дафинова Р.И. // Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в отливках. Киев: Изд-во ИПЛ АН УССР, 1990. - С. 97-102.

70. Чугун: Справ, изд. / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. М.: Металлургия, 1991.-576 с.

71. Шебатинов М.П., Абраменко Ю.А., Бех Н.И. Высокопрочный чугун в автомобилестроении- М.Машиностроение, 1988. 216 с.

72. Шевчук Л.А. Структура и свойства чугуна. Минск: Наука и техника, 1978. -216 с.

73. Экспресс-информация. Технология и организация литейного производства. М.: ВИНИТИ, 1981, №23, Реф. 103.

74. Экспресс-информация. Технология и организация литейного производства. М.: ВИНИТИ, 1981, №27, Реф. 126.

75. Экспресс-информация. Технология и организация литейного производства. М.:

76. ВИНИТИ, 1982, № 2, Реф. 9.

77. Alexander В.Н., Rhines F.N. journ. Metals, 1950, v. 188. P. 10

78. Bralower P.M., Ductile Iron Cast Cleared for Nuclear Fuel Storage // Modern Casting. 1987. V.77, No 12. P. 21-23.

79. Carlberg Т., Fredriksson H.- Preprints of Proceedings of the Sheffield International Conference on Solidification and Casting. Sheffield Univ., 1977, v.l.

80. Doong J.-L., Chen C.-S. Fracture toughness of bainitic nodular cast iron // Fatigue and fracture eng. Mater. And Struct., 1989. V. 12, № 2, P. 155-165.

81. Dumitrescu T. 57 Congress International de Fonderie, Brighton, 1970.

82. Forrest R.D. The challenge and opportunity presented to the SG iron industry by the development of austempering ductile iron // Brit. Foundryman. 1988. V. 81, No. 4. P 168, 170-172, 174, 176-181.

83. Goerens P., Dobbelstein W. Metallurgie, №5, 1908. S. 561r 102. Hilliard J.E., Owen W.S.J. Iron and Steel Institute, 172, 1952, 168.

84. Impact characteristics of and Fractografy of Spheroidal Graphite Cast Iron and Graphite Steel with "Hard Eye Structure" / K. Okabayashi, M. Kawamoto, A. Ikegana, M. Tsujikawa // Trans, of Japan Foundrymen's Soc. 1982. V. 1. P. 37-41.

85. Iron Casting Handbook. 3-rd Edition, Edited by C.F. Walton. Cleveland: Iron Casting Society USA, 1981. 832 p.

86. Iwabushi Y., Narita H., Ichnomiya Y. Mechanical Properties of Heavy Spheroidal Graphite Iron Castings / Imono. 1987. V. 59. No 3. P. 153-158.

87. Jass H., Hanemann H. Giesserei, 25, 1938, 293.

88. Komatsu S., Shiota Т., Nakamura K. Influence of Phosphorus Content on Fracture Toughness and its Transition Behavior of Ferrific Spheroidal Graphite Cast Iron / Imono. 1987. V. 59, No 9. P. 554-559.

89. Komatsu S., Shiota Т., Nakamura K. Influence of Silicon Content on the Fracture Toughness of Ferritic Spheroidal Graphite Cast Iron // Trans, of Japan Foundry-men's Soc. 1986. V. 5. P. 14-18.

90. Koster W., Godecke T.Z. Metallkunde, 59, 1968, 602.

91. Krir A., Poboril B.J. Iron and Steel Institute, 122, 1930, 191, 1932, 323.

92. Martens A. Z. VDJ 22, 1978. S. 11

93. Me Canlay 1.1. Production of nobulargraphite iron castings by the inmold-process.-"Foundry trade journal", 1971, April 15, p. 327-335.

94. Patterson H., Hulsenbeck C., Madi H., Gieserei-Forschung, 20, № 2, 1968, 49.

95. Piaskowski J., Jankowski A. Zeliwo sferoidalne. Warszawa, "Naukowo-Techniezne", 1974. 433 s.

96. Rohrig K. Zwischentufenvergutetes Gusseisen mit Kugelgraphit // Giesserei -Rundschau. 1983. No 4. S. 19-35.

97. Sato B. Techn. Reports Sendai, 9, 1929-1930, 465.

98. Scheil E. Stahl und Eisen, 50, 1930, 1312, 1725.

99. Schurmann E., Hensgen. Untersuchungen uber die Schmelzgleichgewichte im System Eisen-Silicium// Archiv Eisenhuttenwesen, 1980. V.51. - № 1. - S. 1-4.

100. Schurmann E., Hirsch J. Giesserei, 53, № 12, 1966, 348; Giesserei, Techn. Wiss. Beiheft; 18, № 1, 1966, 1.

101. Smith R. P. Journal. Amer. Chem. Coc., 1948, v.70, № 8

102. Warlimont H. Z. Metallkunde, 1967, Bd.59, Hf.8 - S. 595.

103. Wolfensberger S., Uggowitzer P., Speidel M.O. Die Bruchzahigkeit von Guseisen. Teil 11: Guseisen mit Kugelgraphit//Gissereiforschung. 1987. Bd. 39, No 2. S. 17-24.