CC BY
5MEXANIKA
УДК: 669.1
РЕЗУЛЬТАТЫ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА БЕЛЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ
Жумаев Ахмаджон Абдувохидович Навоийский государственный горный и технологический университет. PhD доцент,
ahmadjon [email protected]
Аннотация. В данной статье представлено детальное исследование белых износостойких чугунов с акцентом на сравнительный анализ их химического состава и получаемой микроструктуры. Исследование включает в себя углубленное металлографическое исследование, позволяющее выяснить связь между легирующими элементами и микроструктурными характеристиками чугунов. Результаты этого исследования дают критическое представление о развитии микроструктуры и фазовом распределении в этих материалах, способствуя пониманию их износостойкости и механических свойств.
Аннотация. Ushbu maqolada yeyilishga bardoshli oq cho'yanlarni batafsil o'rganishnatijalarini taqdim etadi, ularning kimyoviy tarkibi va mikrostrukturalarni qiyosiy tahliliga urg'u berilgan. Tadqiqotda yeyilishga bardoshli oq cho'yanlarning mikrostrukturaviy xossalari o'rtasidagi munosabatni aniqlashtirish uchun chuqur metallografik tadqiqotni o'z ichiga oladi. Ushbu tadqiqot natijalari qotishmalarda mikrostrukturalar va fazalarning shakllanish taqsimoti haqida tadqiqot natijalarini beradi, bu ularning yeyilishga qarshiligi va mexanik xossalarini tushunishga yordam beradi.
Abstract. This article presents a detailed study of white wear-resistant cast irons, focusing on the comparative analysis of their chemical compositions and resulting microstructures. The investigation involves an in-depth metallographic examination, elucidating the correlation between the alloying elements and the microstructural characteristics of the cast irons. The results of this study provide critical insights into the microstructural development and phase distribution in these materials, contributing to the understanding of their wear resistance and mechanical properties.
Ключевые слова: карбидная фаза, абразивное изнашивание, высокохромистый чугун, химический состав, микроструктура, износостойкость, твердость, кристаллизация.
Калит сузлар: karbid faza, abraziv yeyilish, yuqori xromli oq cho'yan, kimyoviy tarkib, mikrostruktura, yeyilishga bardoshliligi, qattiqlik, kristallanish.
Key words: carbide phase, abrasive wear, high chromium cast iron, chemical composition, microstructure, wear resistance, hardness, crystallization.
Чугуны представляют собой уникальный класс материалов, свойства которых постоянно развиваются. Такая динамичная природа возникает в результате постоянного обновления их химического состава, изменений их микроструктурных характеристик и последующих изменений в их эксплуатационных характеристиках [1-4]. Этот динамический аспект особенно актуален для износостойкого белого чугуна, объем производства которого неуклонно растет, сопровождаясь расширением спектра применения. В результате ключевой задачей, особенно в таких отраслях, как горнодобывающая и металлургия, является повышение экономической эффективности компонентов, изготовленных из белого чугуна. Это предполагает не только улучшение их функциональных характеристик, но и улучшение механических свойств для удовлетворения все более строгих эксплуатационных требований [5-8].
Выбор материалов для изготовления литых деталей, используемых в различных
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 4-son, 2024
MEXANIKA
отраслях промышленности, остается актуальной и нерешенной проблемой. Сюда входят такие компоненты, как шнековые классификаторы, колеса, крышки и корпуса для насосов для расфасовки, песка и шлака, рабочие колеса для флотационных машин и другое оборудование, используемое на перерабатывающих предприятиях. Кроме того, выбор материалов имеет решающее значение для деталей шаровых мельниц, лопаток для дробеструйных машин и аналогичного оборудования. Постоянная задача заключается в выявлении и оптимизации материалов, которые могут противостоять жестким эксплуатационным условиям и критериям производительности, специфичным для этих разнообразных применений [9-12].
В настоящее время литейный цех Навоийского машиностроительного завода занимается выпуском свыше 120 тонн отливок из высокохромистого белого чугуна в месяц [13]. Столь значительный объем производства отражает способность завода удовлетворить высокий спрос на эти специализированные отливки, которые имеют решающее значение для различных промышленных применений, требующих повышенной износостойкости и долговечности.
Методы исследований и использованные материалы. Для исследования образцы размерами 25х20х20 мм были отлиты из белых износостойких чугунов марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ в индукционной печи ИЧТ-2,5 (производство Россия). Кроме того, третий образец был получен путем разрезания компонентов из «подложки нижнего пандуса» C7316R.
Химический состав проб анализировали эмиссионным спектральным методом на спектрометре Spectro-Lab - M (производство Германия). Этот метод обеспечивает точное определение элементарных компонентов, присутствующих в образцах, предоставляя подробные данные о составе, необходимые для оценки свойств и характеристик их материалов.
Микроструктурную подготовку проводили на шлифовально-полировальной машине NERIS (производство Латвия). Подготовка заключалась в последовательном шлифовании наждачной бумагой с зернистостью от 180 до 1500 мкм. Затем поверхность была отполирована методом микрошлифовки с использованием пасты Diamond WC. Этот тщательный процесс обеспечивает высококачественную обработку поверхности, необходимую для точного металлографического анализа и оценки микроструктурных характеристик материала.
Для выяснения микроструктурных характеристик образцы подвергали травлению раствором реагента, состоящим из 15 мл азотной кислоты, 15 мл соляной кислоты и 15 мл глицерина. Процедура травления проводилась в течение 10 минут при температуре реагента 60-65 °С. Такая химическая обработка способствует усилению структурных особенностей, делая их более отчетливыми и заметными при микроскопическом исследовании.
Результаты исследования и их анализ. В качестве исследуемого материала были выбраны износостойкие белые чугуны 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ и ASTM A532 II Class, химический состав которых приведен в таблице 1.
Мар^ Элементы, %
C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti Cu
280Х29НЛ 2,92 0,51 0,57 0,067 0,032 28,86 1,54 0,057 - 0,2
300Х32Н2М2ТЛ 2,67 1,13 0,57 0,043 0,018 31,58 1,93 0,37 0,3 0,07
ASTM A532 II Class 2,87 0,32 1,38 0,031 0,012 28,31 0,54 0,49 V = 0,06, W = 0,035
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 4-son, 2024
MEXANIKA
Основным фактором, способствующим исключительной износостойкости высокохромистых белых чугунов, является наличие в их микроструктуре легированных карбидов железа и карбидообразующих элементов. Эти карбиды играют решающую роль в повышении долговечности материала в условиях абразивного износа. По мере увеличения концентрации этих легирующих элементов соответственно увеличивается объемная доля карбидов в чугуне, что значительно улучшает его износостойкость и общие эксплуатационные характеристики. Конкретный тип карбидов, образующихся в белом чугуне с высоким содержанием хрома, определяется соотношением содержания хрома и углерода в сплаве. Это соотношение влияет на процесс карбид образования, определяя природу и распределение карбидных фаз, присутствующих в микроструктуре [14-17].
Белые чугуны с высоким содержанием хрома достигают максимальной износостойкости, когда содержание углерода точно соответствует эвтектическому составу. При этом оптимальном уровне углерода соотношение хрома и углерода имеет решающее значение для формирования карбидов типа (Cr, Fe)7C3, которые известны своей превосходной твердостью и износостойкостью. Такое соотношение также предотвращает образование карбидов типа (Cr, Fe)3C, которые в противном случае могли бы поставить под угрозу износостойкие свойства материала. Суммарную объемную долю карбидов (К_общ.) в оцениваемых образцах определяли следующим образом: К1 = 34,61 %, К2 = 37,56 % и КЗ = 40,86 %. Эти измерения отражают долю микроструктуры, состоящей из карбидов, которая напрямую коррелирует со способностью материала противостоять абразивным условиям и его общими механическими характеристиками [1820].
Увеличение размеров карбидных включений в чугуне отрицательно влияет на его износостойкость. Степень этого воздействия зависит от конкретных условий износа и природы используемых абразивных материалов. Более крупные карбидные включения могут привести к снижению износостойкости из-за их роли в изменении распределения напряжений внутри материала.
В условиях абразивного износа более крупные карбиды могут стать концентраторами напряжений, что приводит к локализованному усилению напряжений, что может способствовать зарождению и распространению трещин. На это явление влияет то, как абразив взаимодействует как с карбидными включениями, так и с металлической матрицей. Напряжения, вызванные абразивным действием, по-разному распределяются между карбидными фазами и окружающей металлической матрицей, при этом более крупные карбиды потенциально усугубляют концентрацию напряжений и ослабляют общую структурную целостность материала. Следовательно, износостойкость чугуна снижается, поскольку нарушается баланс напряжений между карбидами и матрицей, что приводит к ускоренному износу и снижению долговечности [21 -22].
В белом чугуне с высоким содержанием хрома наличие крупных карбидных включений может существенно повлиять на износостойкость, особенно при внедрении в более мягкую металлическую матрицу. В условиях абразивного износа эти более крупные карбиды склонны к растрескиванию и сколам из-за напряжений, создаваемых абразивными частицами, и деформаций матрицы. Величина напряжений, локализованных в этих включениях, может привести к их преждевременному выходу из строя, снижая общую износостойкость материала.
Для изучения микроструктуры образцов применён электронный микроскоп SEM EVO Carl Zeiss MA 10.
Напротив, более мелкие карбидные включения ведут себя иначе. Они способны лучше распределять приложенные напряжения по металлической матрице, тем самым снижая риск катастрофического отказа. Эти более мелкие карбиды передают часть
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 4-son, 2024
MEXANIKA
напряжения на окружающий металл, что помогает поддерживать структурную целостность и предотвращать чрезмерный износ.
Рис.1. Микроструктура износостойких белых чугунов, x2000, а) 280Х29НЛ, б) 300Х32Н2М2ТЛ, в) ASTM A 532 II Class
Рис.2. Микроструктура износостойких белых чугунов, x5000, а) 280Х29НЛ, б) 300Х32Н2М2ТЛ, в) ASTM A 532 II Class
Подходящий размер твердого сплава зависит от условий эксплуатации. В относительно «мягких» средах износа, характеризующихся более низкими скоростями абразива, твердостью и остротой частиц, можно использовать более крупные карбиды, не оказывая существенного влияния на износостойкость. Однако в более жестких условиях — когда абразивные частицы острее, тверже и массивнее — допустимый размер карбидных включений необходимо уменьшать. Это делается для того, чтобы материал мог выдерживать повышенные нагрузки и стирание, не подвергаясь чрезмерному износу или структурным повреждениям.
В частности, в образцах чугуна марки 280Х29НЛ наблюдается повышенное содержание серы. Наличие сульфидов железа, образующихся из-за высокого содержания серы, приводит к охрупчиванию сплава. Это охрупчивание приводит к механизмам изнашивания, которые включают скалывание карбидных фаз с поверхности материала. Влияние размера, распределения и ориентации карбидов внутри чугунной матрицы становится особенно выраженным в условиях ударно-абразивного изнашивания. В таких средах прочность границы между карбидами и матрицей, а также их способность поглощать и перераспределять энергию удара абразивных частиц играют решающую роль
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 4^П, 2024
MEXANIKA
в определении износостойкости материала. Кроме того, было обнаружено, что на износостойкость высокохромистого чугуна влияет не только его твердость, но и пространственная ориентация карбидов типа (Cr,Fe)7C3 относительно поверхности изнашивания. Ориентация этих карбидов влияет на их способность эффективно противостоять абразивным силам и способствует общей долговечности чугуна. Правильное выравнивание и распределение этих карбидных фаз необходимы для оптимизации износостойкости материала в сложных условиях эксплуатации.
Выводы.
Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Износостойкость белого чугуна с высоким содержанием хрома оптимизируется, когда соотношение хрома и углерода способствует образованию карбидов типа (Cr, Fe)7C3, повышая твердость и износ. сопротивление, ингибируя при этом карбиды типа (Cr, Fe)3C.
2. Более крупные включения карбида снижают износостойкость за счет концентрации напряжений, что приводит к увеличению распространения трещин, особенно в более мягких матрицах. Меньшие карбиды лучше распределяют напряжения, повышая долговечность материала.
3. Допустимый размер карбидных включений зависит от условий износа. Карбиды большего размера подходят для менее суровых условий эксплуатации, тогда как карбиды меньшего размера необходимы для более абразивных и сложных условий.
4. Высокое содержание серы, наблюдаемое в марке 280Х29НЛ, приводит к охрупчиванию и выкрашиванию карбидов. Кроме того, ориентация карбидов типа (Cr, Fe)7C3 относительно поверхности изнашивания существенно влияет на износостойкость и эксплуатационные характеристики материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М.: Машиностроение, 2010. — 280 с.
2. Барановский К.Э., Мансуров Ю.Н., Жумаев А.А., Дувалов П.Ю. Повышение ресурса работы деталей из износостойких хромистых чугунов // Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. - Минск: БНТУ, 2019. -Вып. 40. - С. 78-83.
3. А. А. Жумаев, Ю. Н. Мансуров, Дж. Дж. Маматкулов, К. С. Абдуллаев. Фазовые превращения в сплавах железа с углеродом, легированных редкоземельными и переходными металлами. // Черные металлы, № 11 (1067). 2020. - С.22 - 29.
4. А. А. Жумаев, Ю. Н. Мансуров, Дж. Дж. Маматкулов, Г. Д. Улугов. Оптимизация состава и структуры износостойких белых чугунов, используемых в горнодобывающей промышленности. // Черные металлы, № 12 (1068). 2020. - С.4 - 10.
5. Kopycinski, D., Piasny, S. Influence of tungsten and titanium on the structure of chromium cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2012, No 12(1), - Р 57-60.
6. U. Pranav, M. Agustina, F. Mücklich. A Comparative Study on the Influence of Chromium on the Phase Fraction and Elemental Distribution in As-Cast High Chromium Cast Irons: Simulation vs. Experimentation. // Metals. 2020, No 12, - P 4-17.
7. Ponomareva A. V., Ruban A. V., Mukhamedov B. O., Abrikosov I. A. Eff ect of multicomponent alloying with Ni, Mn and Mo on phase stability of bcc Fe-Cr alloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 150. - P. 117-129.
8. Mukhamedov B. O., Ponomareva A. V., Abrikosov I. A. Spinodal decomposition in
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 4-son, 2024
MEXANIKA
ternary Fe-Cr-Co-system // Journal Alloys Compd. 2017. Vol. 695. P. 250-256.
9. Ali K., Ghosh P. S., Arya A. A DFT study of structural, elastic and lattice dynamical properties of Fe2Zr and FeZr2 intermetallics // Journal Alloys Compd. 2017. Vol. 723. - P. 611619.
10. Konar B., Kim J., Jung I. Critical Systematic Evaluation and Thermodynamic Optimization of the Fe-RE System: RE = La, Ce, Pr, Nd // Journal Phase Equilibria and Diffusion. 2016. Vol. 37, Iss. 4. - P. 438-458.
11. Kolokoltsev V. M., Petrochenko E. V., Molochkova O. S. Influence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heat-and wear-resistant white cast iron // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. - P. 11-15.
12. А. А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю. Н. Мансуров, Х.И. Ахмедов. Результаты исследования структуры отливок из белых износостойких чугунов. // Черные металлы, № 2 (1082). 2022. - С.4 - 10.
13. Abrikosov I. A., Ponomareva A. V., Steneteg P., Barannikova S. A., Alling B. Recent progress in simulations of the paramagnetic state of magnetic materials // Current Opinion Solid State Materials Science. 2016. Vol. 20. - P. 85-106.
14. Ahmad J. K. Melting of a new carbon -free waxed sponge iron in Electric Arc Furnace (EAF) for steelmaking // International Journal of Materials Science and Applications. 2015. Vol. 4. No. 1-2. - Р. 1-6
15. Shamelkhanova N. A., Uskenbayeva A. M., Volochko A. T., Korolyov S. P. The Study of the Role of Fullerene Black Additive During the Modification of Ductile Cast Iron // Materials Science Forum. Switzerland. 2017. Vol. 891. - P. 235-241.
16. Кудря А. В., Соколовская Э. А., Ахмедова Т. Ш., Пережогин В. Ю. Информативность морфологии структур твердых сплавов для прогноза качества наплавок // Цветные металлы. 2017. № 12. - С. 78-83.
17. А.А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю.Н. Мансуров. Анализ микроструктуры износостойких хромистого чугунов после термической обработки // Литье и Металлургия. -Минск, 2021. -№ 1. -С. 142-148.
18. А. А. Жумаев, Ю. Н. Мансуров, Куликов В.Ю. , Х.И. Ахмедов. Легирование чугунов марок 280Х29НЛ и 330Х17Л с целью повышения их качества. // Черные металлы, № 2 (1094). 2023. - С.4 - 9.
19. Н.И. Урбанович, К.Э. Барановский, В.Г. Дашкевич, А.А. Жумаев. Исследование влияния технологических параметров термодиффузионного цинкования в системе Znотх-A12O3 на свойства и микроструктуру покрытия. // Литье и Металлургия. -Минск, 2024. -№ 1. -С. 78-82.
20. А. А. Жумаев. Результаты сравнительных исследований износостойкого белого чугунов. // Механика и технология. -Namangan, 2024. -№ 3. -C. 75-83.
21. А. А. Жумаев. Повышение механических и эксплуатационных свойств износостойких белых чугунов. // Механика и технология. -Namangan, 2023. -№ 1. -C. 5965.
22. А. А. Жумаев. Ейилишга бардошли ок чуянларни механик хоссалари ва структурасини яхшилаш усулларини тадкик килиш. // Механика и технология. -Namangan, 2023. -№ 4. -C. 23-29.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 4-son, 2024
