Особенности легирования белых износостойких чугунов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

_/хггггг: г^7га;тгг:г /97

-2 (75), 20ia/ Uf

ПРОИЗВОДСТВО

УДК . 669. 15 Поступила 5.03.2014

В. В. НЕТРЕБКО, Запорожский национальный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ

белых износостойких ЧУГУНОВ

При помощи метода математического планирования эксперимента установлены регрессионные зависимости твердости чугуна и структурных составляющих от химического состава чугуна в системе C-Fe-Cr-Mn-Ni.

Regression dependences of hardness of cast iron of structural components on chemical composition of cast iron in C-Fe-Cr-Mn-Ni system are established by means of method of mathematical planning of experiment.

Многие детали оборудования горнодобывающей и металлургической промышленности (насосы, запорная арматура, трубопроводы и другие механизмы) работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания и гидроабразивного изнашивания . Большая доля этих деталей изготавливается из белых чугунов типа С^е-Сг-Мп-№ в различных их сочетаниях . Повышение долговечности оборудования, связанное с оптимизацией химического состава сплавов, является актуальной задачей, имеющей практическую ценность

Хром - это основной легирующий элемент износостойких чугунов . Его содержание в металлической основе определяют износостойкие и корро-зионностойкие свойства этих сплавов [1-3]. В первую очередь, хром взаимодействует с углеродом, образуя различные карбиды . Количество и тип карбида определяют износостойкие свойства чу-гунов В зависимости от содержания хрома и углерода в белых чугунах образуются карбиды (Сг, Fe)3С, (Сг, Fe)7С3 и (Сг, Fe)23С6 . Хром, связанный в карбиды, не участвует в легировании металлической основы и не влияет на ее антикоррозионные свойства . По данным А . Герека и Л . Байка [4], 1% углерода может связать 6-16% хрома . В работе К . П . Бунина [5] отмечалось, что в легированных белых чугунах природа и закономерности роста карбида могут значительно изменяться в присутствии легирующих примесей При образовании или выделении карбидов в твердом растворе образуются зоны, обедненные хромом, что приводит к снижению коррозионной стойкости

В системе Fe-Cг хром образует непрерывный ряд твердых растворов с а-железом, при этом максимальная растворимость хрома в у-железе составляет

около 12% [6] . Введение в низкоуглеродистую сталь более 12% Сг делает ее коррозионностойкой в атмосфере и некоторых промышленных средах [7] . Для обеспечения коррозионной стойкости сплавов с ау-стенитной металлической основой необходимо введение легирующих элементов (Мп, М), расширяющих область существования у-железа и соответственно повышающих растворимость в нем хрома

Марганец, обладая большим сродством к углероду, замещает железо в цементите и карбидах хрома, при этом образуются карбиды хрома, легированные железом и марганцем [8-10]. В системе Fe-Mn марганец образует непрерывный ряд твердых растворов с у-железом [6] . Особенностью этого процесса является то, что марганец усиливает обеднение хромом металлической основы в зонах, прилегающих к карбидам, что приводит к снижению коррозионной стойкости

Анализ марок чугунов по ГОСТ 7769-82 [11], применяемых для изготовления деталей, работающих в коррозионных средах, показывает, что содержание марганца в них находится в пределах 0,3-0,8% . Сплавы, содержащие марганец до 2,0% и более, применяются для деталей, эксплуатируемых в нейтральных и слабоагрессивных средах Повышение износостойкости при легировании белых чугунов марганцем связано с тем, что марганец является аустенитообразующим элементом и повышает прокаливаемость .

Никель повышает вязкость разрушения и является незаменимым компонентом материалов, работающих в условиях ударных нагрузок . В системе Fe-Ni он образует непрерывный ряд твердых растворов с у-железом [6,12,13]. В системе №-С образуется эндотермическое соединение М3С [13] .

оо//тггтггг ггкгщ/лтггп

и и / 2 (75), 201а-

Содержание никеля ограничивают в связи с его высокой стоимостью, однако он оказывает большое влияние на износостойкие и коррозионно-стойкие свойства белых чугунов . Никель как ау-стенитообразующий элемент увеличивает растворимость углерода (карбидов хрома) в аустените, что приводит к увеличению содержания хрома в твердом растворе и повышает коррозионную стойкость сплава

Углерод является регулятором количества карбидов . Для износостойких чугунов его содержание находится в пределах 2,4-3,6%, что обеспечивает 25-40% карбидов в структуре . Для коррозионно-стойких чугунов содержание углерода понижается до 0,5-1,6% . Чугуны для деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде, должны обладать одновременно как износостойкими, так и коррозионно-стойкими свойствами Содержание углерода в этих чугунах находится в пределах 2,2-3,0% [11] .

При комплексном легировании свойства карбидов зависят от их типа и химического состава По данным [13], карбиды могут растворять разные, в том числе некарбидообразующие металлы и растворяться друг в друге по принципу замещения .

На основе литературных данных невозможно объективно оценить влияние легирующих элементов на твердость чугуна и его структурных составляющих в системе типа С^е-Сг-Мп-№ .

Цель работы заключалась в получении регрессионных зависимостей макротвердости чугуна и микротвердости структурных составляющих (карбидов и основы) от химического состава чугуна в системе типа С^е-Сг-Мп-№ .

Материал и методики исследований

Использовали метод активного планирования эксперимента для построения математической модели (табл 1)

Т а б л и ц а 1. Матрица планирования дробного факторного эксперимента 24-1

Чугун выплавляли в индукционной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой . Температура жидкого чугуна при заливке в сухие формы соста-

вила 1410-1440 °С . Чугуны исследовали в литом состоянии без термической обработки Для выявления структурных составляющих применяли тра-витель Марбле . После травления а-фаза имела черный цвет, а у-фаза - светлый . Анализ структуры, а также степень травимости металлической основы выполняли на оптических микроскопах МИМ-8 и Sigeta ММ-700 при увеличении 100-400 . Химический состав металлической основы определяли в локальных точках на определенных расстояниях от карбидов и внутри эвтектических колоний с использованием микрорентгеноспектраль-ного анализа на микроскопе РЕМ 106И .

Анализ полученных результатов. При кристаллизации сплава образовывались литые карбиды и кристаллы аустенита. В процессе остывания образцов в литейных формах в аустените снижалась растворимость углерода и происходило образование карбидов в твердом растворе, а также замещение атомов железа, входящих в карбиды, на атомы хрома и марганца, имеющих большее химическое сродство к углероду, чем железо .

Диффузионные процессы были затруднены из-за большого количества легирующих элементов и быстро снижающейся температуры, поэтому концентрация легирующих элементов значительно изменялась в областях, примыкающих к карбидам . Зоны измененного химического состава травились быстрее и наблюдались в виде черной оторочки в областях, примыкающих к карбидам и внутри карбидных колоний (рис . 1, а) . Структура исследуемых чугунов состояла из легированной металлической основы и карбидов Металлическая основа в зависимости от количества Мп, N1, Сг изменялась от ферритной (в том числе мартенситной) до аустенитной

В зависимости от содержания углерода, хрома и марганца в чугунах наблюдались карбиды ^е, Сг, Мп)3С, (Сг, Fe, Мп)3С, (Сг, Fe, Мп)7С3 и (Сг, Fe, Мп)23С6 (рис . 1, б, в, г) . При содержании никеля в чугуне свыше 0,5% образовывались карбиды ^е, Сг, Мп)зС, легированные никелем . При содержании углерода 1,09-2,45% наблюдались эвтектоид-ные (рис . 1, а) и эвтектические карбиды (рис . 1, д), при более высоких содержаниях углерода - в основном эвтектические колонии карбидов и заэвтекти-ческие карбиды (рис . 1, е) .

Эти процессы вызывали перераспределение химических элементов между карбидами и металлической основой, что приводило к значительной химической неоднородности металлической основы Разница в содержании хрома в металлической основе (на расстоянии 15-20 мкм от карбидов) и околокарбидных зонах (на расстоянии 1,5-2,5 мкм) составляла около 2,5-4,0 % . Отношение минималь-

Уровень варьирования факторов Фактор

С, % Сг, % Мп, % N1, %

Основной 0 2,5 18,5 3,0 1,6

Интервал А 1,0 5,0 1,7 1,0

Звездное плечо 1,414А 1,41 7,07 2,4 1,41

Верхние +1 3,5 23,5 4,7 2,6

+1,414 3,91 25,57 5,4 3,01

Нижние -1 1,5 13,5 1,3 0,6

-1,414 1,09 11,42 0,6 0,19

/;г:гг:гг: ктштп / оо

-2 (75), 201а/ 11«

Уравнения (1)-(3) являются математически вероятностными в соответствии с критериями Стью-дента, Фишера и Кохрена .

Рис . 1 . Структуры чугунов: а - черная оторочка возле карбидов; б - карбиды типа (Сг, Fe, Мп)3С; в - карбиды типа (Сг, Fe, Мп)7С3; г - карбиды типа (Сг, Fe, Мп)23С6; д - эвтектические карбиды; е - заэвтектические карбиды; ж - ферритная металлическая основа; з - аустенитная металлическая основа . х400

ного содержания хрома в металлической основе к общему содержанию хрома в сплаве изменялось от 0,37 до 0,6 .

В результате проведенного эксперимента и математической обработки результатов получены регрессионные зависимости макротвердости чугуна, микротвердости карбидов и металлической основы от содержания С, Сг, Мп, №:

ЖС = 9,961С + 2,755Мп + 0,416Сг + 2,134Ni -1,299С2 - 0,316Мп2 - 0,606 Ni2 + 0,485СМп + (1) 0,113ССг - 0,092МпСг + 10,676,

ИУ50осн = 49,68Сг - 6,139С2 - 0,897Сг2 + 9,29СМп + 6,261CNi - 1,729МпСг + (2) 4,232MnNi - 113,959,

ИУ50кар = 97,35С -1 5,11С2 + 107,57Ni2 + 11,71СМп + 7,04ССг - 78,51CNi + 1,15МпСг - (3) 9,28MnNi + 583,1.

Рис . 2 . Зависимость твердости НЯС от содержания С, Сг, N1, Мп в чугуне: а - 3,5% Мп, 1,5%№; б - 18,5% Сг, 1,5%№; в -18,5% Сг, 3,5%Мп

ДО/*Е

г: къшжпъ

2 (75), 2014-

Рис . 3 . Зависимость микротвердости металлической основы Рис . 4 . Зависимость микротвердости карбидной фазы HV50Kaр ИУ50осн от содержания С, Сг, №, Мп в чугуне: а - 3,5% Мп, от содержания С, Сг, №, Мп в чугуне: а - 3,5% Мп, 1,5%№; 2,5%Ni; б - 18,5% Сг, 2,5%№; в - 18,5% Сг, 3,5%Мп б - 18,5% Сг, 1,5%№; в - 18,5% Сг, 3,5%Мп

Графическое отображение этих функции показано на рис . 2-4 .

Физический смысл приведенных выше регрессионных уравнений состоит в том, что твердость чугуна и структурных составляющих зависят от взаимного влияния легирующих элементов .

Увеличение содержания хрома и углерода в чу-гунах повышает его макротвердость и микротвердость фаз . При содержании хрома около 23% происходит максимальное упрочнение твердого раствора (рис . 3, а) . Это можно объяснить исчерпанием возможности упрочнения твердого раствора в данных условиях

Влияние марганца и никеля на свойства чугуна и структурных фаз проявляется во взаимосвязи с содержанием углерода

При содержании в чугуне 1,0 % углерода увеличение содержания марганца до 3% способствовало увеличению макротвердости чугуна за счет увеличения микротвердости карбидов, при этом микротвердость основы снижалась за счет образования аустенитной составляющей Влияние никеля проявлялось в упрочнении твердого раствора основы и карбидов, а также в увеличении аусте-нитной составляющей Увеличение аустенитной составляющей вызвало снижение количества кар-

гуаьс-г:кгткштггп //и

-2 (75), 20М /

бидов за счет их растворения в твердом растворе Упрочнение фаз при снижении количества карбидов не сказалось на макротвердости чугуна при увеличении содержания никеля

При содержании в чугуне 4% углерода увеличение содержания марганца вызывало повышение макротвердости чугуна и микротвердости фаз При увеличении Мп свыше 4% макротвердость не увеличивалась, что можно объяснить растворением карбидной фазы в увеличивающейся доле ау-стенитной составляющей

При 4,0% углерода в чугуне характер влияния никеля на макротвердость чугуна и структурных фаз практически не изменился

Выводы

1 . Результаты исследований показали, что характер влияния легирующих элементов зависит от содержания других компонентов в чугуне

2 Полученные уравнения регрессий позволяют прогнозировать уровень макротвердости чугуна, микротвердости карбидов и металлической основы от химического состава чугуна в системе типа С^е-Сг-Мп-№, а также оптимизировать составы чугунов применительно к различным условиям эксплуатации

Литература

1. Г а р б е р М. Е . Отливки из белых износостойких чугунов . М. : Машиностроение, 1972 .

2 . Ц ы п и н И. И . Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. М. : Металлургия, 1983 .

3 .К а п у с т и н М .А . , Ш е с т а к о в И .А . Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров // Нж матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. 1999 . № 2 . С . 32-33 .

4 .Г е р е к А . , Б а й к а Л. Легированный чугун - конструкционный материал. М. : Металлургия, 1978.

5 .Б у н и н К. П. , М а л и н о ч к а Я . Н , Т а р а н Ю . Н Основы металлографии чугуна. М. : Металлургия, 1969.

6 . Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: справ . изд. О . Кубашевски / Пер . с анг. М. : Металлургия, 1985 .

7 .Г у д р е м о н Э . Специальные стали . Т 1. М. : Металлургия, 1966 .

8 .В о л ч о к И . П . , Н е т р е б к о В .В . Влияние марганца на процессы структурообразования износостойких высокохромистых чугунов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб . науч . тр . 2012 . Вып . 64 . С . 301-304 .

9 .B e l i k o v S . , V o l c h o k I . , N e t r e b k o V. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron // Archives of Metallurgy and Materials . 2013 . Vol . 58 . N 3 . P 895-897.

10 . Ч е й л я х А .П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии. Харьков: ННЦ ХФТИ,

2003

11 ГОСТ 7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами Марки

12 .Г у л я е в А .П. Металловедение . М. : Металлургия, 1978 .

13 . Металловедение и термическая обработка стали: справ . под ред . М. Л. Бернштейна. Т 1. М. : Металлургиздат, 1961.

14 .Г и р ш о в и ч Н Г Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М. ; Л. : Машиностроение, 1966 .