CC BY
55
/ТГГТГгГ^ г ГТГТГТГ/ТТГГГГТ /1П1
-3 (67), 2012 I IUI
The results of researches of macro - and microstructure, the structure, formed at primary crystallization of abrasion-resistant irons, and peculiarities of their change in process of thermal processing are given.
А. И. ГАРОСТ, БГТу
УДК 621.74
МЕХАНИЗМ СТРУКТУР00БРАЗ0ВАНИЯ
в экономнолегированных износостойких ЧУГУНАХ
Введение
Во многих областях техники необходимы материалы, обладающие высокой износостойкостью. Этим требованиям отвечают сплавы системы железо-углерод-хром с повышенным содержанием хрома и углерода (белые чугуны) [1, 2]. Область применения их охватывает горнорудную и нефтеперерабатывающую промышленность, энергетику, металлургию, строительно-дорожную и автотракторную технику.
Технологические трудности при изготовлении деталей сложной конфигурации и условия эксплуатации стимулируют проведение исследований, направленных на оптимизацию структуры и свойств сплавов. Следует отметить, что преобладающее влияние на структуру сплавов данного типа оказывают условия первичной кристаллизации, определяемые химическим составом, а термическая обработка оказывается дополнительным фактором.
Хром является главным легирующим элементом группы белых износостойких чугунов. Его содержание в них достигает 35%. Он может входить в состав орторомбического карбида железа ^е, Сг)3С или образует карбиды хрома триго-нальный (Сг, Fe)7Cз и кубический (Сг, Fe)2зC6 . Из них наибольшую твердость имеет тригональ-ный карбид: НУ 1370-2440, а кубический карбид (Сг, Fe)23C6, несмотря на большую концентрацию хрома, - несколько меньшую твердость: НУ 1225-2280 [3, 4].
Испытания белых чугунов на абразивный износ показали преимущества износостойких чугу-нов со специальными карбидами хрома перед чу-гунами с карбидами цементного типа.
Повышение содержания хрома вызывает существенный рост износостойкости лишь после того, как карбиды М3С начинают заменяться карбидами
М7Сз. Замещение атомов железа хромом в карбиде цементного типа не приводит к росту износостойкости чугуна при содержании хрома до 7%. При содержании его в чугуне более 8%, кроме карбидов цементного типа ^е, Сг)3С, образуются карбиды (Сг, Fe)7Cз, количество которых растет с увеличением концентрации хрома. Увеличение содержания хрома свыше 12% приводит к полной замене карбидов М3С карбидами М7С3. Этому содержанию соответствует максимальная износостойкость чугуна [2, 5].
Не последнюю роль в повышении износостойкости играет разница в морфологии структуры чугунов с карбидами М3С и М7С3. Сплошной карбидный каркас чугунов с карбидами ле-дебуритного типа хуже противостоит изнашиванию, чем разветвленная аустенито-карбидная эвтектика с диспергированной карбидной фазой типа М7С3
Исследованиями также установлено резкое улучшение обрабатываемости белых чугунов при содержании хрома выше 10%.
Белые чугуны с карбидами типа М3С образуют непрерывный каркас карбидов в отличие от чугу-нов, содержащих более 10% Сг, у которых структура состоит из изолированных тригональных карбидов М7С3 в аустенито-хромокарбидной эвтектике.
При содержании хрома более 24% в структуре белых чугунов появляются крупные заэвтектиче-ские карбиды и повышается твердость металлической основы. Это, тем не менее, несколько снижает износостойкость сплава и приводит к ухудшению обрабатываемости.
Таким образом, для получения высокой износостойкости белых чугунов оптимальным является 13-20% хрома, а по прочностным свойствам наибольшими показателями обладают сплавы эвтектического состава, содержащие 15-18% хрома.
Ш/ГГи^г ПТЛТШтггг_
I 3 (67), 2012-
Одним из главных факторов, определяющих износостойкость и другие свойства белых чугу-нов, является количество карбидной фазы. В распространенных марках износостойких чугунов количество их обычно составляет 20-30% и может доходить до 40-50% или уменьшаться до 10-15%.
Количество карбидов пропорционально содержанию углерода и хрома, но влияние углерода в 20 раз сильнее, т. е. практически углерод является регулятором количества карбидов, так как металлические атомы в карбидах имеют высокую взаимозаменяемость.
В работах [6, 7] утверждается, что твердость многих материалов определяет их износостойкость независимо от структурного состояния. Испытания белых чугунов не подтверждают этого. При изменении содержания углерода от 1,5 до 4,0% износостойкость их возрастает в 3 раза, а HRC - всего на 6%. Таким образом, износостойкость белых чугунов определяется не твердостью, а количеством, размерами и формой структурных составляющих и их микротвердостью [8, 9]. Основные структурные составляющие белых чугунов - это карбиды и металлическая основа.
Проводили исследования по разработке эко-номнолегированных составов белых износостойких чугунов взамен высокохромистого с никелем (типа ИЧХ28Н2).
Эксплуатационная стойкость литых изделий начинает формироваться на стадии получения жидкого металла и поэтому для улучшения его свойств необходимы как совершенствование технологии плавки и плавильного оборудования, так и разработка оптимальных составов и технологии термической обработки литейных сплавов.
Анализ исследуемых сплавов показывает, что оптимальные с точки зрения получения высоких эксплуатационных свойств белые чугуны [10] должны иметь концентрацию хрома в пределах 18,022,0%, углерода - 2,8-3,3, кремния - 0,4-0,7, марганца - 0,3-0,6, меди - 0,2-0,6, никеля - 0,2-0,6, ванадия - не более 0,4, меди - до 0,5, титана - до 0,2, алюминия - до 0,15%.
В работе поставлена задача детального изучения макро- и микросостава, структуры, образующихся при первичной кристаллизации, и особенности изменения в процессе термической обработки.
Влияние микросостава на технологические и служебные свойства сплавов
Современная металлургия, литейное производство и металловедение располагают возможностью
оказывать высокоэффективное воздействие на формирование структуры чугуна, стали и различных сплавов.
Отличительной особенностью этих процессов является мощное влияние чрезвычайно малых добавок в большинстве своем недефицитных и широко распространенных в природе элементов и их соединений. Влияние малых добавок реализуется как посредством их рафинирующего воздействия, так и путем воздействия на состав и строение жидкой и твердой фаз, состав и морфологию неметаллических включений, интерметаллидов, боридов, нитридов, условия кристаллизации, размер первичных и вторичных зерен, состояние их границ.
Новые технологические процессы обработки жидких металлов по-разному влияют на микросостав сплавов и в связи с этим на характеристики материала.
При этом под микросоставом сплава (чугуна, стали) понимается не только содержание в нем основных элементов, но и ряда других элементов -примесей, случайно или преднамеренно введенных в расплав в процессе его раскисления, модифицирования или микролегирования, а также состав и морфология образованных ими химических ассоциаций (неметаллических включений и других «вторичных» фаз).
Именно микросостав сплава определяет степень его чистоты, часто существенно влияя на характер кристаллизации, форму графита в чугуне и неметаллических включений в стали, состав и строение границ зерен и приграничных зон, вид излома, прокаливаемость, обрабатываемость резанием, способность к горячей пластической деформации, свариваемость, коррозионную стойкость, склонность к хрупкому разрушению, т. е. на целую гамму технологических и служебных свойств.
Таким образом, принципиальное отличие микросостава от макросостава состоит в том, что микросостав определяется и зависит не от марки сплава, а от особенностей его производства, условий выплавки, раскисления, модифицирования и микролегирования.
Для изучения микросостава потребовалось проведение исследований методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе JSM-5610LV (фирма IEOL, Япония) с системой электронно-зон-дового энергодисперсионного рентгеновского анализа. Структуру сплавов фиксировали с использованием детектора вторичных электронов.
При исследовании чугуна на сканирующем электронном микроскопе методом электронно-зон-
дового EDX анализа на детекторе IED 2201 определяли состав (см. таблицу) и морфологию образующихся химических ассоциаций (неметаллических включений и других «вторичных» фаз).
Структура, макро- и микросостав чугуна при первичной кристаллизации
Исследования макро-и микросостава и структуры как литого чугуна, так и на всех стадиях и режимах термической обработки проводили на образцах следующего состава: С - 3,06 мас.%; Мп -0,43; Si - 1,07; Сг - 19,89; Си - 0,20; № - 0,27; Мо - 0,30; А1 - 0,10, Б - 0,08; В - 0,13 мас.%.
В литом состоянии (см. таблицу, образец 1) белый чугун (HRC 53 - 57) имеет аустенитную матрицу (поз. 4, рис. 1, д) с содержанием хрома на 4% более низким, чем его среднее содержание в сплаве, и высокой концентрацией (1,17%) рас-
/
-3 (67), 2012/ Ши
творенного никеля (см. таблицу). Удлиненные иглы карбидов (поз.1 рис. 1, д) цементного типа ^е, Сг)3С содержат 53,60% хрома, 38,12% железа и 6,89% углерода.
По границам таких карбидов присутствуют участки (поз. 2, рис. 1, д), близкие по составу к ау-стенитной матрице, с повышенным содержанием растворенной меди (2,49%) и незначительной концентрацией никеля.
Удлиненные иглы карбидов (поз. 1, рис. 1, д) имеют окаймовку (поз. 3, рис. 1, д) из а-твердого раствора хрома (23,90%) и других металлических элементов ф, V, Мп, №, Си, Мо, в сумме 4,89%) в железе (71,20%). Близкие по составу, но с повышенной концентрацией 2,34% Си (вместо 0,79%), расположенные по полю аустенитной матрицы, обособленные мелкозернистые (размерами менее 0,3 мкм) включения (поз. 6, рис. 1, д) содержат сульфиды титана (053 % S, 1,85 % Т).
Рис. 1. Структура износостойкого чугуна в литом состоянии: а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - х500; б - х100; г - х1000; д - *2000; е - х5000
Химический состав неметаллических включений опытных плавок аустенитного белого чугуна
Номер образца Позиция включения Содержание элементов, мас.°о
С А1 Р и V Сг Мп Ре № Си Мо N
1 1 (рис. 1, д) 6,89 - 0,14 - 0,04 0,02 1,03 53,60 - 38,12 0,17 - -
2 (рис. 1, д) 1,64 - - - 0,41 0,27 0,29 12,84 1,82 80,06 0,16 2,49 -
3 (рис. 1, д) - - 0,33 - - - 0,16 23,90 2,01 71,20 0,92 0,79 0,68
4 (рис. 1,д) 2,16 0,31 0.66 - - 0,02 0,43 14,08 2,33 78,62 1,17 0,22 -
5 (рис. 1, д) 1 (рис. 1, е) 2,73 0,60 0,04 0,21 0,04 12,90 1,81 78,23 1,39 1,59 0,46
6 (рис. 1,д) - 0,09 0,05 0,17 0,53 1,85 0,79 18,60 1,75 72,71 1,14 2,34 -
2 (рис. 1, е) 4,74 - 0,12 0,29 - - 0,52 27,93 2,06 64,35 - - -
2 1 (рис. 2, г) 1 (рис. 2, д) 3.74 0,03 0,30 1,68 57,40 36,79 0,06
2 (рис. 2, г) 2 (рис. 2, д) 0,15 0,83 0,03 0,23 0,13 11,93 1,87 83,50 0,78 0,55
3 (рис. 2, г) 3 (рис. 2, д) 1,84 2,83 0,55 0,11 5,23 4,10 0,25 5,51 12,53 45,42 0,80 1.81 1,25 17,77
4 (рис. 2, д) 1 (рис. 2, е) 1,81 0,08 0,17 0,14 0,23 32,51 1,30 61,56 1,10 0,53 0,57
2 (рис. 2, е) 0,33 - 0,41 - 0,02 1,21 53,40 0,37 38,05 - 0,59 - -
3 1 (рис. 3, д) 1 (рис. 3, е) 6,95 0,30 0,76 53,69 37,42 0,33 0,48 0,07
2 (рис. 3, д) 2 (рис. 3, е) 7,90 0,02 0,38 0,36 0,14 35,18 1,16 50,42 0,77 0,11 3,57
3 (рис. 3, д) 4 (рис. 3, е) 3,42 0,27 0,93 0,19 0,31 14,79 0,69 79,39
3 (рис. 3, е) 14,61 3,93 0,67 0,38 0,35 3,25 - 11,56 2,44 53,54 - 0,90 1,08 7,29
5 (рис. 3, е) 10,94 0,10 0,34 - - 0,02 0,31 24,03 1,66 61,37 0.90 0,31 - -
6 (рис. 3, е) 9.83 0,26 0,92 0,09 - - 0,03 14,71 1,35 71,77 0,26 0,39 0.41 -
4 1 (рис. 4, д) 1 (рис. 4, е) 0,84 0,33 0,08 0,17 12,36 2,37 81,69 1,85 0.31
2 (рис. 4, д) 2 (рис. 4, е) 9,57 0,14 0,20 1,44 52,36 0,50 35,47 0,33
3 (рис. 4, д) 16,08 0,07 0,82 0,09 - 0,16 - 11,09 1,95 66,63 0,53 1,77 0,52 0,28
3 (рис. 4, е) 5,30 0,13 1,21 0,05 - - 0,34 12,02 2,04 76,63 1,08 0,17 0,47 0,45
4 (рис. 4, е) 6,22 - 0.20 0,32 - - 0,84 52,57 0,09 39,67 0.07 0,03 - -
5 1 (рис. 5, д) 1 (рис. 5, е) 12,57 0,16 0,89 0,33 0,12 0,27 15,76 1.39 63,08 0,79 3,96 0,68
2 (рис. 5, д) 2 (рис. 5, е) 8,34 0,47 0,23 0,11 1,42 48,93 0,28 40,21
3 (рис. 5, д) 3 (рис. 5, е) 1,50 15,04 0,06 40,0 3,13 8.66 0,88 18,35 0,15 1,56 10,06
4 (рис. 5, е) 9,26 0,22 0,81 0,46 - 0,33 - 9,48 2,52 70,59 0,50 2,14 0,40 3,30
5 (рис. 5, е) 1,58 0,51 0,56 0,16 0,31 0,23 - 11,40 1,78 76,60 1,07 4,44 - 1,38
6 (рис. 5, е) 6,11 0,43 0,65 0,03 0,36 - 0,08 10,69 1,98 69,39 0,63 5,46 0,26 3,94
6 1 (рис. 6, д) 7,12 0,06 - - - 0,02 0,81 46,84 - 40,17 0,44 0,56 - 3,98
2 (рис. 6, д) 1,80 0,24 1,54 0,07 0,24 - - 9,90 3,19 79,15 0,50 2,67 0,68 -
1 (рис. 6, е) 7,17 0,16 0,26 - 0,21 0,06 0,62 39,43 0,03 50,65 0,55 0,87 - -
2 (рис. 6, е) 7,20 0.06 0,27 - 0,23 0,19 0,27 31,61 1,57 56,91 0,83 0,87 - -
3 (рис. 6, е) 6,97 - 1,28 0,01 0,23 0,16 0,02 14,65 1,42 72,95 1,42 0,90 - -
7 1 (рис. 7, д) 5,39 0,07 0,22 - - 0,36 0,76 48,71 - 42,00 1,59 - 0,90 -
2 (рис. 7, д) 0,59 - 1,91 - - 0,19 0,11 16,19 2,19 72,49 2,33 3,99 - -
3 (рис. 7, д) 1 (рис. 7, е) 0,50 0.24 0,31 0,04 26,82 2,16 13,61 1,26 44,48 0,61 0,09 9,88
2 (рис. 7, е) 5,47 0,16 1,67 0,23 0,06 0,05 0,35 9,84 1,39 74,78 0,36 4,77 - 0,86
3 (рис. 7, е) 8,90 0,29 1,84 - 0,04 - - 10,03 2,12 72,46 0,77 3,54 - -
4 (рис. 7, е) 2,92 0,13 1,27 - - 0,10 0,03 13,25 1,69 75,87 0,63 2,74 1,37 -
8 1 (рис. 8, д) 20,34 0,33 0,15 - - - 0,54 45,86 0,07 31,84 0,65 0,22 - -
2 (рис. 8, д) 6,79 - 1,50 - - 0,05 - 8,86 2,61 71,94 0,37 4,47 0,22 3.18
3 (рис. 8, д) 21,59 - 0,23 - - - 0,34 42,91 0,71 25,14 - 4,09 0,02 4,96
1 (рис. 8, е) 0,05 0,33 1,25 - - - - 12,53 2,90 79,83 1,20 0,10 1,82 -
2 (рис. 8, е) 6,69 - 0,94 0,13 - 0,13 - 10,51 0,69 74,81 0,55 4,93 0,63 -
3 (рис. 8, е) 9,85 - 1,16 - - - 0,30 9,75 2,17 71,65 1,07 3,97 - 0,08
- >
• >
г?»
- -» 3
Ш/^ГТ^Г Г^Штггг_
I 3 (67), 2012-
По границам аустенитной матрицы (поз. 4, рис. 1, д) встречаются небольшие по площади участки (поз. 5, рис. 1, д и поз. 1, рис. 1, е) перлита.
Отмечается присутствие мелких (размерами менее 0,8 мкм) карбидов (Сг, Fe)23C6 (поз. 2, рис. 1, е) с наличием в составе фосфора (0,29%).
Необходимо отметить, что наличие в структуре основы даже небольшого количества мягких продуктов распада аустенита резко снижает износостойкость белых чугунов. Именно этим определяется необходимость наличия в определенных концентрациях легирующих элементов в белых чугунах.
Структура, макро- и микросостав износостойкого чугуна в отожженном состоянии
Отжиг принципиально изменяет макро- и микросостав включений (см. таблицу, образец 2) бе-
лых чугунов (рис. 2). В отожженном от 1080°С состоянии (HRC 30 - 37) матрица (поз. 2, рис. 2, г и поз. 2, рис. 2, д) представляет собой а-твердый раствор хрома (11,93%) и других металлических элементов (А1, Si, У, Мп, №, Си, в сумме 4,54%) в железе (83,50%). В литом состоянии подобные участки присутствовали только в виде окаймов-ки (поз. 3, рис. 1, д) по границам удлиненных игл карбидов (поз. 1, рис. 1, д) цементного типа ^е, Сг)3С. В отличие от литого в отожженном от 1080 °С состоянии в подобных включениях наблюдается пониженное содержание хрома (11,93% вместо 23,90%) и отсутствует в составе молибден.
Карбидные (поз. 1, рис. 2, г и поз. 1 рис. 2, д) включения, предпочтительно С^С, имеют более компактную форму, ближе к округлым с высоким содержанием хрома (57,40%). В виде пластинок в карбидах (поз. 1, рис. 2, г и поз. 1, рис. 2, д)
Рис. 2. Структура износостойкого чугуна в отожженном состоянии (отжиг 1080 °С): а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - х500; б - х100; г - х1000; д - *2000; е - х5000
присутствуют участки (поз. 4, рис. 2, д и поз. 1, рис. 2, е), близкие по составу к аустенитной матрице литого чугуна. Прилегающие к таким пластинкам выделения кубического карбида (Сг, Fe)23C6 (поз. 2, рис. 2, е) содержат дополнительно Си, А1 и Р.
Образуются при отжиге комплексные нитридо-сульфидные выделения (поз. 3, рис. 2, г и поз. 3, рис. 2, д) из-за высокой диффузионной активности растворенных в чугуне элементов (в первую очередь азота). В составе нитридов содержатся наиболее активные к нитридообразованию элементы: Т^ V, Мо, А1, Сг.
В отожженном от 850 °С (ЖС 41-42) состоянии (см. таблицу, образец 3) матрица (рис. 3) перлитная (поз. 3, рис. 3, д и поз. 4, рис. 3, е) с высоким содержанием хрома (14,79%). Карбиды (поз. 5, рис. 3, е и поз. 6, рис. 3, е) в феррито-
/
-3 (67), 2012 / ШЧМШ
карбидной смеси близки к тригональным карбидам ^е, Сг)7С3 .
Карбиды компактной формы (поз. 1, рис. 3, д и поз. 1, рис. 3, е) цементного типа ^е, Сг)зС содержат 53,69% хрома, 37,42% железа и 6,95% углерода.
Образуются при отжиге удлиненные иглы карбонитридов (поз. 2, рис. 3, д и поз. 2, рис. 3, е) из-за высокой диффузионной активности растворенных в чугуне элементов (в первую очередь азота). В составе нитридов содержатся наиболее активные к нитридообразованию элементы: Т^ V, Мо, А1, Сг.
Дифференцируются также комплексные нитри-докарбидные выделения (поз. 3, рис. 3, е) размерами не более 2 мкм. В составе нитридов содержатся наиболее активные к нитридообразованию элементы: ТС, Мо, А1, Сг.
Рис. 3. Структура износостойкого чугуна в отожженном состоянии (отжиг 850 °С): а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии а, в - х500; б - *100; г - х1000; д - *2000; е - х5000
Ш/лггтт^ г: ГСШГ^ТИТТЕ
/ 3 (67), 2012-
Рис. 4. Структура износостойкого чугуна после отжига при 850 °С и закалка от 980 °С (воздух): а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - *500; б - х100; г - *1000; д - х2000;
е - х5000
Структура, макро-и микросостав износостойкого чугуна в закаленном состоянии
После закалки (см. таблицу, образец 4) от 980°С (воздух) отожженного при 850°С (рис. 4) чугуна (HRC 54 - 57,5) основа (поз. 1, рис. 4, д и поз. 1, рис. 4, е) представляет собой безуглеродистый твердый раствор хрома (12,36%) и других металлических элементов ТС, V, Мп, №, Си, в сумме 5,62%) в железе (81,69%).
Карбиды имеют компактную форму с высоким содержанием хрома (52,36%), близки к тригональ-ным карбидам (Сг, Fe)7Cз (поз. 2, рис. 4, д и поз. 2, рис. 4, е).
Образуются при закалке небольшие по площади комплексные карбидные выделения, близкие по составу к ^е, Сг)3С2 размерами до 2 мкм (поз. 3, рис. 4, д) с незначительной нитридной составляющей. В составе таких включений содержатся наи-
более активные к нитридо- и карбидообразованию элементы: ТС, Мо, А1, Сг.
Мелкие (размером не более 0,1 мкм) включения (поз. 3, рис. 4, е) кубического карбида (Сг, Fe)23C6 с небольшой долей нитридной (вана-диевоалюминиевой) составляющей, выполняющие роль упрочнителей основы (поз. 1, рис. 4, д и поз. 1, рис. 4, е), равномерно распределены в ее объеме.
В объеме тригональных карбидов (Сг, Fe)7Cз (поз. 2, рис. 4, д и поз. 2, рис. 4, е) присутствуют (поз. 4, рис. 4, е) включения кубического карбида (Сг, Fe)23C6 размерами до 2 мкм.
После закалки (см. таблицу, образец 5) от 980 °С (масло) отожженного при 940 °С (рис. 5) чугуна (HRC 51,5 - 52) основа представляет собой (поз. 5, рис. 5, е) аустенит, причем площадь таких включений не превышает 20%. С матрицей контактируют карбидные включения, близкие по составу
/
-3 (67), 2012/ 1119
д е
Рис. 5. Структура износостойкого чугуна после отжига при 940 °С и закалка от 980 °С (масло): а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - *500; б - х100; г - *1000; д - х2000;
е - х5000
к ^е, Сг)3С2 (поз. 1, рис. 5, д и поз. 1, рис. 5, е), содержащие 15,76% хрома и 3,96% растворенной меди.
Присутствуют компактные включения (поз. 2, рис. 5, д и поз. 2, рис. 5, е) тригональных карбидов (Сг, Fe)7C3, содержащих 48,93% хрома, 40,21% железа и 8,34% углерода.
К участкам аустенитной основы (поз. 5, рис. 5, е) и карбидным выделениям, близким к ^е, Сг^С2 (поз. 1, рис. 5, д и поз. 1, рис. 5, е) прилегают (поз. 4, рис. 5, е) или образуют отдельные включения (поз. 6, рис. 5, е) карбонитриды с различной концентрацией растворенной меди.
Присутствуют в закаленном чугуне в качестве упрочняющей фазы преимущественно титаноалю-миниевые (включающие относительно невысокую концентрацию ванадия - 3,13%) нитридные выделения (поз. 3, рис. 5, д и поз. 3, рис. 5, е) темного цвета.
Структура, макро-и микросостав износостойкого чугуна в отпущенном состоянии
Отжиг при 850°С, закалка и отпуск при 200°С чугуна (см. таблицу, образец 6) приводят к изменению фазового состава (рис. 6). Чугун (HRC 58,5 -61) имеет аустенитную основу (поз. 2, рис 6, д) с содержанием хрома на 8% более низким, чем его среднее содержание в сплаве, и высокой концентрацией (2,67%) растворенной меди. Основа содержит отличающиеся по содержанию хрома вторичные дисперсные выделения карбидов: преимущественно орторомбического карбида ^е, Сг)3С (поз. 1, рис. 6, е, поз. 2, рис. 6, е, поз. 3, рис. 6, е) с концентрацией хрома в пределах 14,65% (поз. 3, рис. 6, е) - 39,43% (поз. 1, рис. 6, е).
Образуются удлиненные и компактные карбо-нитридные выделения (поз.1 рис. 6, д). В составе нитридов содержатся 0,81 % ванадия.
Ш/ /; ггттгп г: п^штптп
3 (67), 2012
Рис. 6. Структура износостойкого чугуна после отжига при 850 °С, закалки и отпуска при 200 °С: а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - х500; б - х100; г - х1000;
д - х2000; е - х5000
Отжиг при 940 °С, закалка и отпуск при 200 °С чугуна (см. таблицу, образец 7) приводят к изменению фазового состава (рис. 7).
В отпущенном состоянии чугун (HRC 54,5 -62) имеет аустенитную основу (поз. 2, рис 7, д) с высокой концентрацией растворенных меди и никеля (№ - 2,33%, Си - 3,99%). Основа содержит вторичные дисперсные выделения: тригональных карбидов (Сг, Fe)7C3 (поз. 3, рис. 7, е) и карбони-
тридов, близких к М23С6 (поз. 3, рис. 7, е) с содержанием 0,86% азота.
В аустенитной основе присутствуют (поз. 3, рис. 7, д и поз. 1, рис. 7, е) в качестве упрочняющей фазы участки нитридов (преимущественно титана и хрома) размером до 2 мкм.
Образуются удлиненные и компактные выделения (поз. 1, рис. 7, д) кубического карбида (Сг, Fe)23C6, на границах которых с металлической
Рис. 7. Структура износостойкого чугуна после отжига при 940 °С, закалки и отпуска при 200 °С: а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - х500; б - х100; г - х1000;
д - х2000; е - х5000
основой образуются небольшие по площади участки (поз. 4, рис. 7, е) перлита.
Отпуск при 200 °С предварительно закаленного (подвергнутого отжигу при 1080 °С) (рис. 8) чугуна (см. таблицу, образец 8) приводит к изменению фазового состава.
В отпущенном состоянии (HRC 59,5 - 62) присутствуют крупные выделения (поз. 1, рис. 8, д) карбида ^е, Сг)3С2 с высокой концентрацией хрома (45,86), в объеме которых находятся небольших
размеров компактные (поз. 3, рис. 8, д) карбони-тридные включения.
С включениями карбида ^е, Сг)3С2 (поз. 1, рис. 8, д) соседствуют карбонитридные участки (поз. 2, рис. 8, д), близкие по составу к тригональ-ным карбидам (Сг, Fe)7C3 с 3,18%^, в составе которых растворено 4,47% Си.
В объеме карбонитридных участков (поз. 2, рис. 8, д) дифференцируются светлые выделения кубических карбидов (Сг, Fe)23C6 (поз. 2, рис. 8, е)
Ш/ лггттг^ гг пкшотггта
3 (67), 2012
Рис. 8. Структура износостойкого чугуна после отжига при 1080 °С, закалки и отпуска при 200 °С: а - металлографические исследования; б-е - исследования методом сканирующей электронной микроскопии. а, в - х500; б - х100; г - х1000;
д - х2000; е - х5000
и темные выделения тригональных карбидов (Сг, Fe)7C3 (поз. 3, рис. 8, е) с незначительным присутствием в составе включений нитридов ванадия.
В карбонитридных участках (поз. 2, рис. 8, д) присутствуют вытянутые включения (поз. 1, рис. 8, е), представляющие собой твердый раствор хрома (12,53%) и других металлических элементов (А1, Si, Мп, N1, Си, Мо, в сумме 7,60%) в железе (79,83%).
Заключение
В результате исследований разработаны составы износостойких чугунов [11-13], прошедшие успешные промышленные испытания.
Отличием разработанных чугунов является оптимальное содержание легирующих элементов, позволяющее получить необходимую структуру чугуна, обеспечивающую его высокую прочность, ударную вязкость и износостойкость.
ггтг^гг^штггг /цо
-3 (67), 2012 I HU
Литература
1. К о с т е ц к и й, Б. И. Износостойкость металлов / Б. И. Костецкий. М.: Машиностроение, 1980.
2. Ц и п и н, Н. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / Н. И. Ципин. М.: Металлургия, 1983.
3. Долговечность оборудования огнеупорного производства / В. С. Попов, Н. Н. Брыков, Н. С. Дмитриченко, П. Г. Приступа. М.: Металлургия, 1978.
4. С а м с о н о в, Г. В. Тугоплавкие соединения / Г. В. Самсонов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1976.
5. К р у т и л и н, А. Н. Первичные карбиды в хромистых сталях / А. Н. Крутилин, Н. И. Бестужев, А. Н. Бестужев // Литье и металлургия. 2006. № 1. С. 41-44.
6. Т к а ч е в, В. Н. Исследование механизма абразивного изнашивания металлов и сплавов / В. Н. Ткачев // Индукционная наплавка износостойких сплавов: Сб. ст. / под общ. ред. В. Н. Ткачева; науч.-исслед. ин-т технологии машиностроения. Ростов н/Д, 1963. С. 57-103.
7. Х р у щ е в, М. М. Исследование изнашивания металлов / М. М. Хрущев, М. А. Бабичев. М.: Изд-во АН СССР, 1980.
8. Влияние структуры на износостойкость белых чугунов / М. Е. Гарбер [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 1968. № 11. С. 48-52.
9. Г а р б е р, М. Е. Основы подбора составов и структуры износостойких отливок из белого чугуна / М. Е. Гарбер, И. И. Цыпин // Литейное производство. 1970. № 2. С. 2-6.
10. Г а р о с т, А. И. Оптимизация составов и технологии выплавки износостойких чугунов / А. И. Гарост // Литье и металлургия. 2004. № 2. С. 25-32.
11. А. с. 1721113 СССР: МКИ С 22 С 37/06. Чугун / Гарост А. И., Дурандин В. Ф., Урбанек Ж. М. / Бел. технол. ин-т. № 4823180/02; заявл. 07.05.90; опубл. 23.03.92, Бюл. № 11.
12. Гарост, А. И. Железоуглеродистые сплавы: структурообразование и свойства / А. И. Гарост. Минск: Беларуская навука, 2010.
13. Отливки из чугуна 300Х20ДНФ фасонные без механической обработки: ТУ РБ 0575 0906. 040-95.
