CC BY
203
УДК 669.136.9:621.785.5
Д-р техн. наук Б. П. Середа 1, С. Н. Ткаченко 2 1 Государственная инженерная академия; 2 ОАО «Запорожский сталепрокатный завод», г. Запорожье
СИЛИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНА И СТАЛИ В УСЛОВИЯХ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА
Для обеспечения необходимых поверхностных свойств деталей из чугунов и сталей, применялось силицирование в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В качестве исследования эксперименты проводили на образцах чугунов марки АСЧ-1 (ГОСТ 1585-85), СЧ-20, СЧ-25 (ГОСТ 805-95), ВЧ 45-5, ВЧ 38-17, ВЧ 42-12 (ДСТУ 3925-99) и образцах стали марки ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78). В результате работы была исследована микроструктура, определена микротвердость и толщина поверхностного слоя.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, упрочнение, микроструктура, поверхностный слой, микротвердость.
поверхностное
Введение
Благодаря высоким технологическим и физическим (тепловые свойства, электрические и магнитные характеристики) свойствам чугунов и стали, используемых в качестве материала для изготовления деталей машин и аппаратов химической промышленности, конструкционного материала, гильз для двигателей кораблей, прокатных валков листовых станов, подшипников скольжения, втулок, поршневых колец, колес, шаров для мельниц, применяется силицирование чу-гунов и сталей методом теплового самовоспламенения, заключающегося в совмещении химических транспортных реакций с процессом теплового самовоспламенения порошковых смесей.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой высокоинтенсивное экзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе, способные к самопроизвольному распространению в виде волны горения [1]. Нанесение защитных покрытий на рабочую поверхность материала методом СВС осуществляется как в режиме горения, так и в режиме теплового самовоспламенения.
Химизм процесса может быть представлен следующим выражением:
ЪаХ + ЕЬу = г + 0,
где 0 - тепловой эффект;
X - Ті, гг, Щ V, №>, Та, Мо, W и др.;
У - В, С, N Бі, Бе, Б, А1 и др.;
г - бориды, карбиды, нитриды, силициды и др.
Элементы X представляют собой порошки металлов, У - используются в порошкообразном, жидком или газообразном состояниях, продукт г является тугоплавким и при температуре горения находится обычно
в твердом состоянии. Элементы X (металлы) играют роль горючего, элементы У (неметаллы) - роль окислителя. Химическое взаимодействие элементов протекает в конденсированной фазе даже в случае, если один из реагентов газ. В большинстве сочетаний взаимодействие X с У происходит с выделением большого количества тепла, что и предопределяет возможность горения. Таким образом, СВС представляет собой сильноэкзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе, протекающее в режиме горения.
СВС является одним из самых высокотемпературных процессов горения (/ = 2500 - 4000 °С).
В данной работе силицированию в условиях СВС подвергались отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугуна с целью повышения их коррозионной стойкости.
Природа фаз, возникающих на поверхности чугунных изделий, и кинетика их развития определяются в основном методом силицирования и химическим составом металлической основы. Форма графитных включений существенного влияния на фазовый состав и кинетику формирования диффузионного слоя не оказывает [2, 4, 5].
Методика проведения исследования
Для насыщения использованы расплавы на основе моносиликата натрия:
(2/3 №2БЮ3 + 1/3 №С1) + 20 %;
(2/3 №2БЮ3 + 1/3 Б1С) + 25 % №С1.
Из приведенных данных видно, что рост глубины силицированного слоя удовлетворительно подчиняется общим закономерностям формирования однофазных диффузионных слоев. Некоторые отклонения
© Б. П. Середа, С. Н. Ткаченко, 2010
84
от экспоненциального и параболического законов роста диффузионного слоя могут быть связаны с изменением содержания углерода в металлической основе при изменении условий насыщения.
Эксперименты проводили на образцах чугунов марки АСЧ-1 (ГОСТ 1585-85), СЧ-20, СЧ-25 (ГОСТ 805-95), ВЧ 45-5, ВЧ 38-17, ВЧ 42-12 (ДСТУ 3925-99) и образцах стали марки ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78).
Микроструктура упрочненного слоя исследовалась на световом микроскопе «№орЬо1-2». Микротвердость
измеряли на приборе «ПМТ-3» при нагрузке на инден-тор 1Н.
Содержание кремния в слоях чугунов составляет 11-13 %, при таком содержании кремния получаются малопористые диффузионные силицированные слои, стойкие в агрессивных средах [3].
Химический состав исследуемых марок чугуна и стали приведен в табл. 1 и табл. 2.
Время изотермической выдержки составило 4 ч.
Результаты измерения микротвердости поверхностных слоев чугуна и стали по сравнению с исходными материалами приведены на рис. 1 и рис. 2.
Таблица 1 - Химический состав исследуемых чугунов
Марка чугуна Содержание элементов, в % (массовая доля)
С Бі Мп Р Б Сг
АСЧ-1 3,2-3,6 1,3-2,0 0,6-1,2 0,15-0,3 <0,12 0,2-0,4
СЧ-20 3,3-3,5 1,8-2,4 0,7-0,9 <0,25 <0,15 -
СЧ-25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 <0,2 <0,15 -
ВЧ 45-5 2,7-3,7 1,6-2,7 0,5-0,6 <0,10 0,10 -
ВЧ 38-17 2,7-3,7 1,6-2,7 0,5-0,6 <0,10 0,10 -
ВЧ 42-12 2,8-3,8 1,4-2,5 0,5-0,6 <0,10 0,10 -
Таблица 2 - Химический состав исследуемой стали
Страна, организация Нормативный документ Марка стали С Бі Мп Сг Р | Б | № | Си | Мо не более
СНГ1 ГОСТ 801-78 ШХ15 0,95- 1,05 0,17- 0,37 0,20- 0,40 1,30- 1,65 0,027 0,020 0,30 0,2 5 -
СНГ ГОСТ 801-78 ШХ15СГ 0,95- 1,05 0,40- 0,65 0,90- 1,20 1,30- 1,65 0,027 0,020 0,30 0,2 5 -
СНГ ГОСТ 801-78 ШХ20СГ 0,90- 1,00 0,55- 0,85 1,40- 1,70 1,40- 1,70 0,027 0,20 0,30 0,2 5 -
Примечание: 1 — Россия, Белоруссия, Казахстан и др.
Толщина силицированных слоев на чугунах
X
3
X
X
Ш
2 Е
И 1 *
° і га о і 5
3
ц о
Марки чугунов
Рис. 1. Толщина силицированных слоев на чугунах 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2010
.0
н
о
о
Ct
р
ф
в
н
о р к
Микротвердость стали и слоев
марки чугунов
Рис. 4. Микротвердость стали и силицированного слоя
Рис. 5. Микроструктура силицированной стали ШЧ15 x 500 и x 1250
Рис. 6. Микроструктура силицированной стали ШЧ15СГ, х200
Рис. 7. Микроструктура силицированной стали ШЧ20СГ, х 100 и х 500
Рис. 8. Фотографии силицированной стали ШХ15СГ, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У во вторичных
электронах, х 500 и х 2000
Рис. 9. Фотографии силицированной стали ШХ15СГ, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У в отраженных
электронах, х500 и х1000
1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2010 87
д е
Рис. 10. Микроструктура силицированных покрытий на чугунах, х 200:
а - АСЧ-1; б - СЧ-20; в - СЧ-25; г - ВЧ 45-5; д - ВЧ 38-17; е - ВЧ 42-12, х 50
Рис. 11. Фотографии силицированного чугуна марки ВЧ 45-5, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У, соответственно во вторичных и в отраженных электронах, х 500
Рис. 12. Фотографии силицированного чугуна марки ВЧ 38-17, полученные на растровом микроскопе РЭМ 106 У, соответственно во вторичных и в отраженных электронах, х 200
Рис. 13. Распределение элементов в весовых процентах Рис. 14. Распределение элементов в шихте
на силицированной детали из чугуна марки ВЧ 45-5
Выводы
В результате исследования поверхностных слоев 3
чугуна и стали, полученных методом СВС, установлена оптимальная глубина поверхностного слоя и время изотермической выдержки процесса, определена мик- 4.
ротвердость поверхностного слоя.
Перечень ссылок 5
1. Sereda B. P. The Modeling of Products Pressing in SHS-
Systems / B. P. Sereda, A. A. Zherebtsov, Y. A. Belokon. -Pittsburg, Pe, USA, David L. Lawrence Convantional 6
Centre. ACerS, IOM3, ASM International. Material Science
and Technology 2008. Cinference & Exibition.
2. Sereda B.P. The Reception of Borized Coatings of Eutectic 7
Type on Steel in SHS-conditions / B.P. Sereda. - Pittsburg,
Pe, USA, David L. Lawrence Convantional Centre. ACerS,
IOM3, ASM International. Material Science and Technology 2008. Cinference & Exibition.
Середа Б. П. Металознавство та термічна обробка чорних та кольорових металів : підручник / Б. П. Середа. -Запоріжжя : Вид-во ЗДІА, 2008. - 302 с.
Мержанов А. Г. Процессы горения и синтеза материалов / А. Г. Мержанов. - Черноголовка : ИСМАН, 1998. -512 с.
Середа Б. П. Теория строения жидкого, кристаллического и аморфного состояния вещества / Б. П.Середа. -Запорожье, 2003. - 179 с.
Середа Б. П. Поверхневе зміцнення матеріалів : монографія / Б. П.Середа, Н. Є.Калініна, І. В Кругляк. - Запоріжжя : Вид-во ЗДІА, 2004. - 230 с.
Удовицкий В. И. Антифрикционное пористое силици-рование углеродистых сталей / В. И. Удовицкий М. : Машиностроение, 1977. - 191 с.
Одержано 29.04.2010
B. P. Sereda, S .N. Tkachenko
CAST-IRON AND STEEL SILICONIZING IN THE CONDITIONS OF SELF-SPREADING HIGH TEMPERATURE SYNTHESIS
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2010
В9
Для забезпечення необхідних поверхневих властивостей деталей із чавунів та сталей, застосовувалось сіліціювання в умовах саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу Як дослідження експерименти проводили на зразках чавунів марки АСЧ-1 (ГОСТ1585-85), СЧ-20, СЧ-25 (ГОСТ 805-95), ВЧ45-5, ВЧ38-17, ВЧ 42-12 (ДСТУ 3925-99) та зразках сталі марки ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78). У результаті роботи була досліджена мікроструктура, визначена мікротвердість та товщина поверхневого шару.
Ключові слова: саморозповсюджуваний високотемпературний синтез, дифузія, поверхневе зміцнення, мікроструктура, поверхневий шар, мікротвердість.
For the cast iron and steel details surface’s properties purpose ensuring, the siliconizing in condition of selfspreading high-temperature synthesis was applied. The experiment was conducted with cast irons samples АСЧ-1 (ГОСТ1585-85), СЧ-20, СЧ-25 (ГОСТ 805-95), ВЧ 45-5, ВЧ38-17, ВЧ 42-12 (ДСТУ 3925-99) and steel samples ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78). As a result the microhardness and surface layer thickness was defined and microstructure was researched.
Key words: self-spreading high temperature synthesis, diffusion, superficial work-hardening, microstructure, superficial layer, microhardness.
УДК 669.046.46
Д-р техн. наук Э. И. Цивирко, Д. С. Григорьев Национальный технический университет, г. Запорожье
НЕКОТОРЫЕ ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ УГЛЕРОДОТЕРМИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ СМЕСИ ОКАЛИНЫ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ С ДОБАВКАМИ ШЕЕЛИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА
Предложена схема фазовых и структурных превращений при углеродотермическом восстановлении смеси окалины быстрорежущих сталей с добавками шеелитового концентрата. Целевой продукт металлизации представляет собой карбидизированный интерметаллоид со слабоспеченной структурой.
Ключевые слова: шеелитовый концентрат, окалина, спекание.
Введение
Высокие темпы роста специальных сталей могут быть обеспечены лишь при условии одновременного производства соответствующим им легирующих материалов и улучшения их качества, причем для радикального изменения структуры в пользу специальных сталей наращивание объема легирующих материалов должно осуществляться опережающими темпами [1, 2].
Определяющая роль в этом принадлежит стратегии ресурсосбережения, которая предполагает отказ от однократного использования вовлекаемых в оборот ресурсов. В этом направлении приоритет принадлежит одному из материало-энергоемких производств -металлургии тугоплавких и редких металлов и лигатур на их основе. Практический опыт формирования безотходных технологий свидетельствует о высокой их эффективности [3-7].
Целью настоящей работы была разработка технологических параметров получения нового комплексного легирующего материала на основе техногенных отходов производства быстрорежущих сталей с регулированием содержания редких элементов в пределах
вольфрам, восстановление, гетерогенная система,
требований производства специальных сталей. Задача данных исследований заключалась в установлении механизма фазовых и структурных превращений при восстановлении смеси окалины быстрорежущих сталей с добавлением шеелитового концентрата для разработки и создания условий, предотвращающих угар легирующих элементов.
Методика исследований
Для изучения фазовых превращений при восстановлении металлооксидных образцов шихтовых ингредиентов выполнена изотермическая обработка при температурах 1273, 1373 и 1473 К на универсальной термогравиметрической установке проточного типа с усовершенствованной массоизмерительной системой [8]. В экспериментах использованы компоненты шихты фракций - 0,45-10-3 м.
Фазовый состав исследования образцов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-УМ1 в изучении кобальтового и медного катода с железным фильтром по описанной методике [9]. Режим сканирования 30 кВ, 10мА.
