CC BY
58
Раздел 2 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО И СИНТЕЗ НОВЫХ СПЛАВОВ
УДК 669.18
В.А.Коровин, Р.Н. Палавин, И.О. Леушин, И.В. Гейко
ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е. Алексеева»
КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА РАСПЛАВА ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА
Широкое применение во многих отраслях промышленности находят детали из износостойких белых чугунов, работающие в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Представляя собой естественный композиционный материал, белый чугун выгодно отличается от других групп промышленных износостойких сплавов, так как позволяет в широких пределах регулировать свойства изделий путем воздействия на процессы структурообразования при кристаллизации. Высокая износостойкость чугунов данного класса определяется во многом наличием в их структуре большого количества (до 30% и более) твердых карбидов хрома. В некоторых случаях количество карбидов рекомендуют доводить до 90% .
Производство высокохромистых (содержание хрома около 30%) износостойких чугунов сопряжено со значительными трудностями ввиду высокой склонности чугунов данного класса к возникновению остаточных напряжений и появлению трещин, вследствие высоких модуля упругости, линейной усадки и низкой теплопроводности [1]. Поэтому все более широкое применение находят низколегированные хромистые чугуны с содержанием ^ до 5% и наличием легирующих элементов (Л, V, N0 до 2%, которые в ряде случаев выступают заменителями высокохромистых чугунов. Существенной проблемой при получении низколегированных хро-
© Коровин В.А., Палавин Р.Н., Леушин И.О., Гейко И.В., 2010
мистых чугунов является наличие в структуре литого чугуна (особенно заэвтектического) грубой ледебуритной эвтектики, которая ухудшает ударостойкость материала [2]. Массивные первичные карбиды в процессе эксплуатации могут выкрашиваться, снижая износостойкость деталей трущихся пар. Кроме того, наличие ледебуритной эвтектики приводит к снижению пластических свойств, в результате чего напряжения, возникающие в материале отливки, практически не релаксируются, что приводит к возникновению трещин и разрушению отливки при изготовлении детали и в процессе эксплуатации.
Особенно актуальна проблема крупных первичных карбидов при получении массивных, толстостенных отливок из белых износостойких чугунов. Массивные отливки кристаллизуются медленно, что приводит к значительному росту карбидов. В работе [3] приводятся данные о значительном снижении прочностных показателей отливок с толщиной стенки 70-150 мм при заливке в песчано-глинистые формы. Для плиты толщиной 100 мм прочность снижается в 3 раза, а износостойкость в 1,5 раза по сравнению с показателями тех же отливок, но залитых в кокиль. Авторы связывают это с резким увеличением размеров карбидов в результате низкой скорости затвердевания сплава.
Также необходимо отметить важность распределения карбидов в металлической основе чугунов. Неравномерное распределение приводит к образованию местных трещин и разрывов.
Таким образом, для повышения механических и эксплутаци-онных свойств чугунов данного класса необходимо решить проблему измельчения и равномерного распределения первичных карбидов (см. рисунок).
ШШ
группа 1 группа 2 группа 3 группа 4
Варианты обработки
■ НРОо
Влияние вариантов обработки на твердость общую и металлической основы износостойкого чугуна (литое состояние)
О благотворном влиянии дисперсных включений карбидной фазы в износостойких чугунах упоминается во многих работах [3, 4]. Приводятся и различные способы диспергирования ледебуритной эвтектики. Так, в работе [5] говорится об измельчении карбидных включений за счет ускорения кристаллизации чугуна путем заливки в кокиль, применения холодильников. Несмотря на то, что при этом происходит некоторое уменьшение размеров первичных карбидов, необходимо отметить и существенный недостаток этого способа, а именно повышение уровня литейных напряжений в отливке. Учитывая низкие литейные свойства белых износостойких чугунов (низкая теплопроводность, высокие линейная усадка и модуль упругости), высокая скорость охлаждения, в объеме отливки или локальных участках, может привести к возникновению трещин. Поэтому применение данного способа является спорным. Авторы работы [6] предлагают использовать вибрирование залитой формы в процессе кристаллизации отливки. Способ требует применение специального оборудования, что не всегда экономически оправданно.
Одним из наиболее простых и экономичных способов измельчения карбидных включений является обработка расплава чугуна небольшими добавками активных элементов. Применение для этих целей совместных добавок азота и титана приводит к измельчению зерна материала, появлению дисперсных карбидов и карбонитридов, что положительно отражается на прочности и твердости чугуна. Обработка высокохромистого сплава (С=4,0%; Сг=21,0%) Т в количестве 0,7% способствует измельчению структурных составляющих, что приводит к повышению прочности и износостойкости [4]. В работах [6,7] показано, что добавки Мо повышают износостойкость чугунов, в том числе и в результате измельчения карбидов Ме7С3, которые в высокохромистых чугунах без Мо бывают крупными. Микролегирование высокохромистых чугунов (Сг = 26-30%) V, Nb, Та раздельно или в комплексных добавках в количестве по 0,1% каждого элемента привело к получению мелкодисперсной структуры с равномерным распределением составляющих компонентов [8]. О положительной роли V при производстве мелющих тел из белого чугуна указывается в работе [9]. Ввод 0,1-0,25% V размельчает структуру ледебурита и повышает износостойкость и ударопрочность отливок. Дополнительное легирование ванадием низкохромистого чугуна позволяет получить в его структуре эвтектическую составляющую на базе карбидов Ме7С3, так как ванадий растворяется в карбидах и значительно снижает скорость их растворения в процессе перитектико-эвтектической реакции. Такие карбиды обладают аномально высокой пластичностью при комнатной Т, они могут деформироваться и фрагменти-
роваться под действием нагрузки без трещинообразования. Наблюдаемый эффект позволяет значительно увеличить прочностные характеристики чугуна [10].
С целью изучения влияния комплексной обработки активными элементами на структуру, твердость и механические свойства низколегированного износостойкого чугуна проводился ряд опытных плавок.
Состав легирующих компонентов чугуна подбирали исходя из необходимости получения в литом состоянии структуры сорбита, троостита и включений карбидной фазы (30-40%). Чугун содержит 2-4% Сг, 1-2% Ы1.
В качестве элементов, активно воздействующих на структуру и свойства чугунов, были выбраны V и Мд. Ванадий вводился в печь за 5-10 мин перед выдачей расплава в ковш в виде феррованадия марки ФВд-50 (ГОСТ 27130-94). Мд вводился внутрифор-менно в виде железо-кремний-магниевого сплава, содержащего ~ 40% Si, ~ 5% Мд, остальное Fe.
Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи с кислой футеровкой при Т= 1550 - 1550°С. Для исследования микроструктуры и твердости заливали образцы, представляющие собой бруски сечением 12 * 12 мм и прибыльной части. Заливаемые образцы были разделены на 4 группы:
1 группа - исходный чугун;
2 группа - исходный чугун + 0,3% V;
3 группа - исходный чугун + 0,3% V + 0,085% Мд;
4 группа - исходный чугун + 0,3% V + 0,12% Мд; Температура заливки - 1400-1450°С.
В образцах содержание ванадия находилось в пределах 0,260,28%.
После охлаждения, выбивки, очистки и отрезки прибылей образцы поступали на исследование.
В таблице приведены значения твердости.
Номер группы Содержание в стали, % Твердость НРС
Si V Mgрасч. общая металлическая основа
1 1,15 - - 48-50 45-48
2 1,14 0,28 - 48-50 45-48
3 1,41 0,28 0,085 42-44 45-48
4 1,90 0,26 0,12 41-43 45-48
Примечание. Значения микротвердости определялись по Виккерсу HRVo,2, далее переводились в единицы HRC.
Ввод V не оказал влияния на твердость чугуна. Общая твердость, а также твердость металлической основы находится на одном уровне (см. рисунок).
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Ввод V в количестве 0,3% приводит к измельчению структурных составляющих износостойкого чугуна в литом состоянии, но не оказывает влияния на твердость.
2. Комплексная обработка расплава Mg (в виде железо-кремний-магниевого сплава) и V оказывает влияние на структуру и твердость износостойкого чугуна. Структура становится дисперснее, твердость снижается за счет выделения значительного количества графита шаровидной формы.
3. Избыток магния (более 0,085%) приводит к появлению в структуре чугуна неметаллических включений в виде плен.
Список литературы
1. Сомин В.З., Андреев А.Д., Куликов В.И. Производство отливок из сложнолегированного чугуна с высокими параметрами специальных свойств // Литейное производство. 2002. №11. С.16-25.
2. Сильман Г.И. Износостойкие белые чугуны// Библиотечка литейщика. 2002. №5 (11). С. 14-17.
3. Изготовление абразивостойких деталей из белых износостойких чугунов / НИИИНФОРМТЯЖМАШ. М., 1972. 42 с.
4. Пономаренко В.П., Пасечник С.Ю., Стойко В.П. Влияние легирующих элементов на прочность, износостойкость высоко хромистых сплавов // Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей и чугунов: материалы семинара. М., 1987. С. 101-105.
5. Отливки из износостойких чугунов / ЦНИИТЭСТРОЙМАШ. М., 1982. 47 с.
6. Rickard I. Some experiments concerning the as-cost grain size in 30 percent chromium cast irons // BCIRA. 1960, March. Vol.8. №2. P. 200-216.
7. Simone P.S., Margerie J.C. Caracteristiques mecanique et resistance al'usure des fonts blanche // Founderie. 1973. 28. №319. P. 15-27
8. Самоличенко Б.М., Карпенко М.И. // Информ. листок БЕЛНИИНТИ. 1974. №248. С.3.
9. Жуков А.А., Зволинская В.В. Отливки из железоуглеродистых сплавов, легированных ванадием: обзор / НИИмаш. М., 1979. 48 с.
10. Снаговский Л.М., Васильев Э.Я., Сапунов Ю.Н. Улучшение комплекса свойств хромистых чугунов/ // Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей и чугунов: материалы семинара. М., 1987. С.98-101.
УДК 621.747.58
Е.А. Чернышов, А.А. Евлампиев, А.В. Королёв, Д.В. Калашников, О.В. Моисеева, О.Б. Гусева
ГОУ ВПО «Нижегородский государственный
технический университет им.Р.Е.Алексеева»
ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»
ПРИМЕРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ НА ОТЛИВКАХ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВОВ И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
В процессе заливки и при охлаждении сплава материал формы претерпевает наибольшие тепловые нагрузки. Песчаная форма при нагреве до максимальных температур на границе раздела резко изменяет состояние и свойства. Влажная песчано-глинистая форма высыхает на некоторую глубину, образуется сухая корочка, которая при дальнейшем прогреве спекается и выполняет роль буфера, воспринимает и смягчает тепловой удар, динамические и статические нагрузки. В процессе этих изменений на границе с металлом снижается теплопроводность материала формы, интенсивность теплообмена между отливкой и формой уменьшается. После образования сухой корочки на поверхности формы из-за снижения теплопроводности смеси процессы теплообмена, между отливкой и формой, скорость затвердевания сплава замедляются, и идет рост кристаллов и выравнивание температур в объеме отливки. Эта стадия затвердевания сплава и образования двухфазной зоны наиболее ответственна за формирование структуры и качества металла. В процессе затвердевания отливки
© Чернышов Е.А., Евлампиев А.А., Королёв А.В., Калашников Д.В., Моисеева О.В., Гусева О.Б., 2010
