Влияние химического состава чугуна на межфазное распределение Mn Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО

УДК 669.15

В. В. НЕТРЕБКО1*, И. П. ВОЛЧОК2

1 Каф. «Оборудование и технология сварочного производства», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (050) 486 27 40, эл. почта [email protected], (ЖСГО 0000-0003-3283-0116

2Каф. «Композиционные и порошковые материалы и технологии», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (061) 764 13 51, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-1580-0556

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЧУГУНА НА МЕЖФАЗНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Мп

Цель. В научной работе предполагается рассмотреть получение зависимостей содержания марганца в металлической основе (Мп0) и коэффициента его межфазного распределения (КРМп) от химического состава чугуна в системе Ре-С-Сг-№-Мп. Методика. Исследовали чугуны, содержащие 1,09... 3,91 % С, 0,6...5,4 % Мп, 11,43.25,57 % Сг и 0,19.3,01 % №. Для построения математической модели распределения марганца использовали метод активного планирования эксперимента. Чугун выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Результаты. Марганец, являясь карбидообразующим элементом, распределялся между карбидами и металлической основой. При помощи методов математической статистики установлены регрессионные зависимости концентрации марганца в основе и коэффициента его межфазного распределения от содержания в чугуне С, Мп, Сг и №. Концентрация марганца в основе изменялась от 0,37 % при 1,09 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг и 3,01 % № до 5,79 % при 1,09 % С, 5,4 % Мп, 25,57 % Сг и 0,19 % Минимальное значение коэффициента межфазного распределения составило 0,16 в чугуне, содержащем 1,09 % С, 0,6 % Мп, 25,57 % Сг и 3,01 % №1 При значениях коэффициента КРМп меньше 1, марганец преимущественно концентрировался в металлической основе. Максимальное значение коэффициента КРМп, составило 2,48 при 3,91 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг и 0,19 % Характер распределения марганца определялся количеством карбидов и соотношением хрома и углерода, определяющим тип карбида. Состав карбидов формировался в результате конкурирования карбидообразующих элементов. Научная новизна. Получены регрессионные зависимости содержания марганца в основе и коэффициента его межфазного распределения от химического состава чугуна в системе Ре-С-Сг-№^Мп. Установлена зависимость распределения марганца от процессов формирования карбидов. Практическая значимость. Полученные зависимости позволяют прогнозировать содержание марганца в металлической основе и могут быть использованы при разработке новых составов износостойких чугунов.

Ключевые слова: чугун; марганец; распределение; карбид; металлическая основа

Введение

Марганец является одним из основных легирующих элементов в высокохромистых чугу-нах. Его содержание в металлической основе определяет ее структуру и свойства. В количестве до 1,0 % марганец вводится как техноло-

гическая добавка при производстве сплавов. Более высокие концентрации марганца обеспечивают получение спектра закалочных структур от мартенсита до аустенита. Марганец образует собственные карбиды и входит в состав карбидов железа и хрома, что снижает его концентрацию в металлической основе и ока© В. В. Нетребко, И. П. Волчок, 2016

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

зывает влияние на структуру и свойства чугуна [4, 12, 14].

Необходимость заданной концентрации марганца в металлической основе связана с его отрицательным влиянием на обрабатываемость чугуна [7] и положительным влиянием на износостойкость, особенно, при ударных нагрузках [11, 2].

Предельная растворимость марганца в а-фазе в системе Бе - Мп составляет около 3,5 % [5]. Марганец с у- железом образует ряд непрерывных твердых растворов. Таким образом, он преимущественно концентрируется в высокоуглеродистых фазах (аустените и карбидах). По данным [4], соотношение количества марганца в карбидах к его содержанию в сплаве составляет 4:1, при этом повышение содержания марганца в сплаве не оказывает влияния на это соотношение. При увеличении содержания углерода количество марганца в карбидах снижается, что объясняется различной степенью обеднения металлической основы. Равновесное отношение марганца в карбидах к его содержанию в основе устанавливается после довольно продолжительной выдержки при высоких температурах. Следует отметить, что карбид Мп3С стабилен при температурах свыше 900 °С. Карбиду Бе3С в системе Бе - С соответствует карбид Мп7С3 в системе Мп - С [8].

Межфазное распределение марганца в системе Бе - С - Мп в достаточной степени исследовано Г. И. Сильманом [8 - 10]. В работе [8] показано, что распределение марганца между карбидами и аустенитом, а также между аусте-нитом и ферритом зависит от его содержания и температуры. По мере увеличения содержания марганца в чугуне от 0,26 до 35,69 % коэффициент распределения марганца снижался с 2,5 до 1,18. Повышение температуры закалки до 1 100 °С понизило коэффициент распределения марганца до 1,01 при 35,69 % Мп. В работе так же отмечается, что при 1 140-1200 °С марганец стабилизирует карбид (Бе,Мп)7С3.

В работе [9] показано, что в условиях эвтек-тоидного равновесия в цементите растворяется до ~ 30 % Мп, а в карбиде Бе7С3 - до ~ 37,5 % Мп. Увеличение концентрации марганца свыше 25 % вызывает постепенное замещение легированного цементита вторичными карбидами Мп7С3. Образование эвтектоидной смеси из феррита и этих карбидов наблюдается при со-10.15 802^2016/90489

держании марганца свыше 3-5 %. Вследствие образования вторичных карбидов содержание марганца в эвтектоидном аустените снижается с 29,6 % при 1160 °С до 13,2 % при 570 °С.

По данным [10], в системе Бе - С - Мп для получения чугунов с высокой твердостью матрицы содержание марганца должно составлять 2-5 %.

Авторами [6] отмечается, что в системе Бе -С - Мп образуется карбид (Бе,Мп)3С, в котором марганец растворяется в больших количествах, при этом растворимость марганца уменьшается с понижением температуры. В этой системе, при содержании марганца более 20 %, образуется карбидная фаза (Мп,Бе)23С6, представляющая собой карбид марганца, в котором растворено железо.

Легирование чугунов хромом, обладающим более высоким сродством к углероду, чем марганец, оказывает влияние на процессы карби-дообразования и, как следствие, влияет на распределение марганца. Это связано с тем, что марганец и хром образуют изоморфные карбиды и возникает конкурирование этих элементов при формировании карбидной фазы.

Существенное влияние марганца на свойства высокохромистых чугунов проявляется в воздействии на процессы карбидообразова-ния, формирования структуры металлической основы и, соответственно, на распределение хрома. В процессе охлаждения отливок, содержание хрома в карбидах повышается, что связано с замещением атомов марганца в карбидах атомами хрома [13].

И. И. Цыпиным [12] показано, что в чугу-нах, содержащих более 10 % Сг, распределение марганца зависит от отношения Сг/С, которое определяет тип карбида. В чугуне с 12 % Сг и 6 % Мп при 3 % С концентрация марганца в основе составляет 3,5 %, а при 2 % С - повышается до 6,5 %. В чугунах, содержащих до 1 % Мп, его концентрация в цементите в 1,5 раза выше, чем в аустените. При отношении Сг/С = 7 коэффициент распределения марганца приближается к единице. Исходя из этого, можно сделать вывод, что коэффициент распределения марганца в хромистых чугунах зависит от типа образующегося карбида хрома.

В нашей работе [3] показано, что повышение содержания хрома в чугуне уменьшает количество марганца в карбидах и, соответствен© В. В. Нетребко, И. П. Волчок, 2016

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

но, снижает его коэффициент межфазного распределения. В этих работах показано, что в чу-гунах, содержащих 11-30 % Сг, при содержании марганца до 0,6 % он практически весь находился в металлической основе. При повышении содержания марганца до 4 % и более он равномерно распределялся между карбидами и основой. Термическая обработка хромистого чугуна снижала содержание марганца в карбидах. При этом, чем выше была температура термообработки, тем больше атомов марганца замещалось атомами хрома.

Таким образом, можно сделать вывод о том, межфазное распределения марганца в высокохромистых чугунах зависит от его количества, содержания углерода и хрома, а так же других элементов и факторов, оказывающих влияние на процессы карбидообразования.

Систематизированные данные о межфазном распределении Мп в многокомпонентной системе Бе - С - Сг -№i - Мп ограничены. Поэтому для прогнозирования структуры и свойств чу-гунов этой системы необходимо знать содержание марганца в металлической основе и особенности его межфазного распределения.

Цель

Цель работы заключалась в получении регрессионных зависимостей содержания марганца в основе и коэффициента его межфазного распределения от химического состава чугуна в системе Бе - С - Сг - №i - Мп.

Методика

Для построения математической модели распределения марганца в системе Бе - С - Мп - Сг - №i использовали метод активного планирования эксперимента (табл.1).

Чугун выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Содержание кремния составляло 0,8-1,2 %, серы до 0,02 %, фосфора до 0,03 %. Температура жидкого чугуна составляла 1 390-1 410 °С. Опытные чугуны исследовали в литом состоянии без термической обработки. Для выявления структурных составляющих применяли травитель Марбле. Анализ структуры производился по известным методикам [1].

Химический состав металлической основы и карбидов определяли в локальных точках на микроскопе РЕМ 106И.

Коэффициент распределения марганца (КРмп) определяли как отношение содержания марганца в карбидах (Мпк) к его содержанию в основе (Мпо).

Таблица 1

Матрица планирования дробного факторного эксперимента 2

Table 1

Matrix of fractional factorial experiment planning 24-1

Уровни варьирова- Факторы

ния факторов С, % Cr, % Mn, % Ni, %

Основной 0 2,5 18,5 3,0 1,6

Интервал А 1,0 5,0 1,7 1,0

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

Верхние +1 3,5 23,5 4,7 2,6

+1,41 4 3,91 25,57 5,4 3,01

Нижние -1 1,5 13,5 1,3 0,6

1,414 1,09 11,43 0,6 0,19

Результаты

При первичной кристаллизации чугунов образовывались карбиды железа и хрома, легированные марганцем. Тип карбида и его состав зависел от концентрации карбидообразующих элементов и их конкурирования при его формировании, а также от изменения растворимости марганца в карбидах, в процессе остывания отливок.

Увеличение содержания марганца в чугуне практически не оказывало влияние на тип образующихся карбидов, но привело к изменению металлической основы от ферритной до аусте-нитной.

В результате математической обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости содержания марганца в основе и коэффициента его межфазного распределения от содержания С, Мп, Сг и №i в чугуне:

Мпо= 0,72С +0,697Мп +0,145Сг -0,058СМп - 0,039ССг -0,022C№i +0,007МпСг -1,945;

КРмп= 6,711 -1,383С -0,383Мп -0,148Сг -

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

0,603Ni +0,28C2 +0,004Cr2 -0,03CCr +0,014MnCr +0,088MnNi +0,018CrNi -0,134(Cr/C).

Данные уравнения являются математически вероятностными в соответствии с критериями Стьюдента, Фишера и Кохрена. Минимальные и максимальные значения функций представлены в табл. 2.

Анализ табл. 2 показывает, что максимальное содержание марганца в основе обеспечивается при минимальном содержании углерода и никеля и максимальном содержании хрома и марганца. Минимальное содержание марганца в основе наблюдается при минимальных количествах C, Mn, Cr и максимальном количестве Ni.

Таблица 2

Минимальные и максимальные значения функций: Мпо и КРМп

Table 2

Minimum and maximum values of functions: Мпо and KPMn

£ CS Состав, масс. %

я <u и о ft >

© 5 m С Mn Cr Ni

Mn0 min 0,37 1,09 0,60 11,4 3 3,01

max 5,79 1,09 5,40 25,5 7 0,19

KPMn min 0,16 1,09 0,60 25,5 7 3,01

max 2,48 3,91 0,60 11,4 3 0,19

Минимальное содержание марганца в карбидах, соответствующее минимальному значению КРМп, наблюдается при минимальном содержании углерода и марганца в чугуне, а также максимальных значениях хрома и никеля. Наибольшее значение коэффициента КРМп установлено при минимальном содержании в чугуне Мп, Сг и N1, а также при максимальном содержании углерода.

Зависимости содержания марганца в основе от количества в чугуне С, Мп, Сг и N1 (рис. 1) носили линейный характер.

Повышение содержания Мп в чугуне повышало его концентрацию в основе, однако это повышение не имело пропорциональной зависимости.

При увеличении содержания хрома в чугуне концентрация марганца в основе повышалась, что связано с замещением атомов марганца атомами хрома в карбидах.

Повышение содержания углерода в чугуне увеличивало количество карбидов и, как следствие, снижало содержание Мп в основе, кроме чугунов, содержащих 11,5 % Сг и 0,6-2,0 % Мп. В этих чугунах при увеличении углерода, преимущественно формировались карбиды цемен-титного типа, обладающие меньшей растворимостью марганца по сравнению с карбидами Ме7С3 [7], что повышало содержание марганца в основе.

Повышение содержания N1 в чугуне уменьшало растворимость углерода в аустените, что способствовало увеличению количества карбидов и незначительно понижало содержание Мп в основе.

11,5%Сг, ÜJ% N1

-с—о

0--O-

ПЛНСг, J,0% N1

—0 а

о-—О

о -О--

и п,г.-л.Мп

£ <>

1 ' -о—_

25.5%Сг, 0,2% Ni

' а

3JÜ% IM

-D-0,6%M|1

Содержание С, масс. % (Содержанвс (', мисс. %

Рис. 1. Влияние С, Cr, Mn и Ni на содержание Mn в основе

Fig. 1. Influence of С, Cr, Mn and Ni on the Mn content in the base

Рис. 2 и 3 иллюстрируют влияние C и Cr на коэффициент межфазного распределения Mn в зависимости от химического состава чугунов.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

MUSI, llpSHCr

а.

S !,i 2 2

11 * Г I

и

u.i% M, li,5%Cr

карбидов возрастало, что вызывало снижение коэффициента КРМп. При 3,3 % С начиналось постепенное замещение карбидов Ме7С3 карбидами цементитного типа с растворимостью хрома до 20 %, что способствовало увеличению в них концентрации марганца и соответственно повышало коэффициент распределения КРМп.

2 S 4

' I |Г 11 - 'I 11 ) M II L(\ " ö

Рис. 2. Влияние С на межфазное распределение Мп в зависимости от химического состава чугуна

Fig. 2. Influence of С on the interphase distribution of Mn depending on the cast iron's chemical composition

Влияние углерода на распределение марганца объясняется изменением количества и типа образующихся карбидов. В чугунах, содержащих 11,5 % Сг и 1,1 % С, образовывались карбиды Ме7С3. При увеличении углерода происходило постепенное замещение этих карбидов карбидами цементитного типа, обладающих меньшей растворимостью хрома и марганца, что снижало коэффициент межфазного распределения марганца. При 2,7 % С снижение концентрации хрома в карбидах изменило термодинамическое равновесие элементов, образующих карбиды, что способствовало росту концентрации марганца в карбидах цементит-ного типа и повышало коэффициент его распределения, при дальнейшем увеличении углерода в чугуне.

В чугунах с 25,5 % Сг и 1,1 % С образовывались высокохромистые карбиды Ме23С6, содержащие 56-66 % Сг. Увеличение содержания углерода до 1,7 % приводило к повышению количества карбидов, при этом происходило постепенное замещение карбидов Ме23С6 карбидами Ме7С3, обладающими более высокой растворимостью марганца, что повышало коэффициент распределения марганца. При дальнейшем увеличении углерода количество

3.0% M, J.SÎ4C

Û .

■=--с

0,*%Мп - J.4' :>М|. -4ji*;.Mii

I« 1-1 1Ü 26

i I ....... СГ, M ЯСС- С ■

Рис. 3. Влияние Сг на межфазное распределение Mn в зависимости от химического состава чугуна

Fig. 3. Influence of Сг on the interphase distribution of Mn depending on the cast iron': chemical composition

Повышение содержания марганца от 0,6 до 5,4 % в чугунах, содержащих 11,5 % Сг и 0,2 % понижало коэффициент распределения марганца, что объясняется образованием аустенита и повышением растворимости марганца в металлической основе.

При увеличении в чугуне никеля до 3 % ау-стенит образовывался при 0,6 % Мп, что снижало коэффициент распределения марганца и изменяло характера его влияния. При повышении концентрации марганца в чугуне коэффициент распределения марганца возрастал. Повышение содержания в чугуне хрома до 25,5 %, увеличивало интенсивность роста коэффициента распределения марганца по мере повышения его концентрации.

В чугунах, содержащих 25,5 % Сг и 0,2 % коэффициент распределения марганца не зависел от его количества в чугуне. Увеличение

в чугуне никеля смещало этот эффект в область более низких концентраций хрома. Это связано с образованием различной металлической основы и соответственно с различной растворимостью в ней углерода.

Научная новизна и практическая значимость

Установлено, что основными факторами, определяющими величину коэффициента межфазного распределения марганца в комплексно легированных чугунах, является содержание в них марганца и хрома, количество и тип образующихся карбидов.

Полученные регрессионные зависимости позволяют прогнозировать содержание марганца в металлической основе и могут быть использованы при разработке новых составов износостойких чугунов.

Выводы

1. В Бе - С - Сг - N1 - Мп сплавах максимальное содержание марганца в основе имело место при минимальном содержании углерода и никеля и максимальном содержании хрома и марганца.

2. Максимальное значение коэффициента распределения марганца (преимущественное сосредоточение в карбидной фазе) достигалось при образовании карбидов цементитного типа в чугунах, содержащих максимальное количество углерода при минимальном содержании других легирующих элементов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Вакуленко, I. О. Структурний аналiз в ма-терiалознавствi / I. О. Вакуленко. Дшпро-петровськ : Маковецький, 2010. -124 с.

2. Влияние легирования на температуру превращения «перлит-аустенит» в комплексно-легированных белых чугунах / Т. В. Пастухова, В. Г. Ефременко, А. П. Чейлях [и др.] // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 1 (55). - С. 113-121. М: 10.15802/8ТР2015/38255.

3. Волчок, И. П. Влияние легирования и термической обработки на распределение элементов и свойства высокохромистых

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

чугунов / И. П. Волчок, В. В. Нетребко // Науч. вестн. Донбас. машиностроит. акад. : сб. науч. тр. - Краматорск, 2015. -№ 3(18Е). - С. 52-59.

4. Гудремон, Э. Специальные стали / Э. Гуд-ремон. - Москва : Металлургия, 1966. -Т. 1. - 736 с.

5. Кубашевски, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа : справочник : [пер. с англ.] / О. Кубашевски. -Москва : Металлургия, 1985. - 184 с.

6. Металловедение и термическая обработка стали : справочник / под ред. М. Л. Берн-штейна, А. Г. Рахштадта. - Москва : Ме-таллургиздат, 1961. - Т. 1. - 747 с.

7. Нетребко, В. В. Влияние химического состава высокохромистых чугунов на обрабатываемость резанием / В. В. Нетребко // Наука та прогрес транспорту. - 2016. -№ 1 (61). - С. 122-130. doi: 10.15802/stp2016/61015.

8. Сильман, Г. И. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-C-Mn и некоторые структурные эффекты в этой системе. Ч. 1. Межфазное распределение марганца / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 2.

- С. 11-15.

9. Сильман, Г. И. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-C-Mn и некоторые структурные эффекты в этой системе. Ч. 2. Расчет и построение изотермических разрезов диаграммы / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов.

- 2005. - № 4. - С. 3-9.

10. Сильман, Г. И. Сплавы системы Fe-C-Mn. Ч. 5. Особенности структурообразования в белых высокомарганцевых чугунах / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2006. - № 3 (609). - С. 3-8.

11. Чейлях, А. П. Экономнолегированные ме-тастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. - Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. - 212 с.

12. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугу-ны. Структура и свойства / И. И. Цыпин. -Москва : Металлургия, 1983. - 176 с.

13. Belikov, S. Manganese Influence on Chromium Distribution in High-Chromium Cast Iron / S. Belikov, I. Volchok, V. Netrebko //

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

Archives of Metallurgy and Materials. - 14. Gierek, A. Zeliwo stopowe jako tworzywo 2013. - Vol. 58. - Iss. 3. - Р. 895-897. doi: konstrukcyjne / A. Gierek, L. Bajka. - Ka-

10.2478/amm-2013-0095. towice : Slask, 1976. - 230 p.

В. В. НЕТРЕБКО1*, I. П. ВОЛЧОК2

1 Каф. «Обладнання та технологш зварювального виробництва», Запор1зький нацюнальний техтчний утверситет, вул. Жуковського, 64, Запор1жжя, Укра!на, 69063, тел. +38 (050) 486 27 40, ел. пошта о^аууп@икг.пе1, ОЯСГО 0000-0003-3283-0116

2Каф. «Комиозицшт 1 порошков1 матер1али та технологи», Запор1зький нацюнальний техтчний утверситет, вул. Жуковського, 64, Запор1жжя, Укра!на, 69063, тел. +38 (061) 769 83 51, ел. пошта 1ш[email protected], ОЯСГО 0000-0003-1580-0556

ВПЛИВ Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ ЧАВУНУ НА РОЗПОД1Л Мп ПОМ1Ж ФАЗАМИ

Мета. У науковш робот передбачаеться розглянути отримання залежностей вм1сту марганцю в металевш основ1 (Мпо) та коефщента його розподшу помгж фазами (КРМп) ввд х1м1чного складу чавуну в систем1 Бе-С-Сг-М-Мп. Методика. Досладжували чавуни, як1 мютили 1,09...3,91 % С, 0,6...5,4 % Мп, 11,43...25,57 % Сг та 0,19.3,01 % N1. Для побудови математично! модел1 розпод1лу марганцю застосували метод активного планування експерименту. Чавун плавили в шдукцшнш печ1 з лужною футеровкою емшстю 60 кг. Результати. Марганець як елемент, що утворюе карбщи, розпод1лявся пом1ж карбщами та металевою основою. Використовуючи методи математично! статистики, були встановлет регресшт залежносп концентра-ци марганцю в основ1 та коефщент його розпод1лу помгж фазами ввд вм1сту в чавут С, Мп, Сг та N1. Конце-нтращя марганцю в основ1 змшювалась ввд 0,37 % при 1,09 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг та 3,01 % N1 до 5,79 % при 1,09 % С, 5,4 % Мп, 25,57 % Сг та 0,19 % N1. Мшмальна величина коефщенту розподшу склала 0,16 в чавут, якш м1стив 1,09 % С, 0,6 % Мп, 25,57 % Сг и 3,01 % N1. Якщо величина коефщенту КРМп була ме-нше 1, то марганець переважно концентрувався в металевш основа Максимальна величина коефщенту КРМп склала 2,48 при 3,91 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг и 0,19 % N1. Розподш марганцю залежав ввд шлькосп карбщв та сшвввдношення хрому до вуглецю, що визначало тип карбвду. Склад карбщв формувався внаслвдок конкурування елеменлв, що утворювали карбвди. Наукова новизна. Отримант регресивт залежносп вмюту марганцю в металевш основ1 та коефщента його розпод1лу пом1ж фазами ввд х1м1чного складу чавуну в систем! Ре-С-Сг-№-Мп. Встановлена залежшсть розподшу марганцю ввд процеав формування карбщв. Практична значимiсть. Отримат залежносп дозволяють прогнозувати вмют марганцю в металевш основ1 та можуть бути використат при розробц зносостшких чавутв нового складу.

Ключовi слова: чавун; марганець; розподш; карбвд; металева основа

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

V. V. NETREBKO1*, I. P. VOLCHOK2

1 Dep. «Equipment and Technology of Welding Production», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (050) 486 27 40, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-3283-0116 2Dep. «Composite and Powder Materials and Technologies», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 83 51, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556

INFLUENCE OF THE CAST IRON'S CHEMICAL COMPOSITION ON THE INTERPHASE DISTRIBUTION OF Mn

Purpose. This paper focuses on obtaining the dependencies of the manganese content in the metallic base (Mn^ and its interphase distribution coefficient (KPMn) on the cast iron's chemical composition in the system Fe - C - Cr - Ni - Mn. Methodology. The cast irons containing 1.09.3.91 % C, 0.6.5.4 % Mn, 11.43.25.57 % Cr and 0.19.3.01 % Ni have been studied. The active experiment design techniques were applied to build a mathematical model of manganese distribution. Cast iron was smelted in the induction furnace with the capacity of 60 kg, with basic lining. Findings. Manganese, being a carbide-forming element, distributed between carbides and the metallic base. With the use of the mathematical statistics methods, regression dependencies of the manganese concentration in the base and its interphase distribution coefficient on the C, Mn, Cr and Ni content in the cast iron were established. The manganese concentration in the base varied from 0.37 % at 1.09 % C, 0.6 % Mn, 11.43 % Cr and 3.01 % Ni to 5.79 % at 1.09 % C, 5.4 % Mn, 25.57 % Cr and 0.19 % Ni. The minimum value of the interphase distribution coefficient was 0.16 in the cast iron containing 1.09 % C, 0.6 % Mn, 25.57 % Cr and 3.01 % Ni. When the KPMn coefficient values were lower than 1, manganese concentrated predominantly in the metallic base. The maximum value of the KPMn coefficient was 2.48 at 3.91 % C, 0.6 % Mn, 11.43 % Cr and 0.19 % Ni. The manganese distribution pattern was determined by the carbides' quantity and chromium and carbon ratio that determined the carbide type. The carbides' composition was formed as a result of carbide-forming elements contention. Originality. Regression dependencies of the manganese content in the base and its interphase distribution coefficient on the cast iron's chemical composition in the system Fe - C - Cr - Ni - Mn have been obtained. The dependency of the manganese distribution on the carbide forming processes has been established. Practical value. The obtained dependencies allow predicting the manganese content in the metallic base and may be used during the elaboration of the new wear resistant cast irons compositions.

Keywords: cast iron; manganese; distribution; carbide; metallic base

REFERENCES

1. Vakulenko I.O. Strukturnyi analiz v materialoznavstvi [Structural analysis in the material science]. Dnipropet-rovsk, Makovetskyi Publ., 2010. 124 p.

2. Pastukhova T.V., Efremenko V.G., Cheiliakh A.P., Shimizu K., Chabak Yu.G. Vliyanie legirovaniya na tem-peraturu prevrashcheniya «perlit-austenit» v kompleksno-legirovannykh belykh chugunakh [Effect of alloying on temperature of transformation «pearlite-austenite» in complex-alloyed white cast irons]. Nauka taprohres transportu - Science and Transport Progress, 2015, no. 1 (55), pp. 113-121. doi: 10.15802/stp2015/38255.

3. Volchok I.P., Netrebko V.V. Vliyaniye legirovaniya i termicheskoy obrabotki na raspredeleniye elementov i svoystva vysokokhromistykh chugunov [Influence of alloying and heat treatment on the elements' distribution and properties of high-chromium cast irons]. Sbornik nauchnykh trudov: «Nauchnyy Vestnik Donbasmkoy mashinostroitelnoy akademii» [Proc. «Bulletin of Donbas Machine-Building Academy»], 2015, no. 3 (18E), pp. 52-59.

4. Gudremon E. Spetsialnyye stali. T. 1 [Special steels. Vol. 1]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1966. 736 p.

5. Kubashevski O. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh sistem na osnove zheleza: spravochnik [State diagrams of iron-based binary systems. Reference book]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985. 184 p.

6. Bernshteyna M.L., Rakhshtadta A.G. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka stali: spravochnik. T. 1. [Metal science and heat treatment of steel. Reference book. Vol. 1]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1961. 747 p.

7. Netrebko V.V. Vliyaniye khimicheskogo sostava vysokokhromistykh chugunov na obrabatyvayemost rezani-yem [The Influence of chemical composition of high-chromium cast irons on the machinability]. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2016, no. 1 (61), pp. 122-130. doi: 10.15802/stp2016/61015.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 6 (66)

8. Silman G.I. Diagramma sostoyaniya splavov sistemy Fe-C-Mn i nekotoryye strukturnyye effekty v etoy sisteme. Chast 1. Mezhfaznoye raspredeleniye margantsa [State diagram of the alloys of the Fe-C-M system and some structural effects in this system. Part 1. Interphase distribution of manganese]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2005, no. 2, pp. 11-15.

9. Silman G.I. Diagramma sostoyaniya splavov sistemy Fe-C-Mn i nekotoryye strukturnyye effekty v etoy sisteme. Chast 2. Raschet i postroyeniye izotermicheskikh razrezov diagrammy [State diagram of the alloys of the Fe-C-M system and some structural effects in this system. Part 2. Calculation and plotting of the isothermal sections of the diagram]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2005, no. 4, pp. 3-9.

10. Silman G.I. Splavy sistemy Fe-C-Mn. Chast 5. Osobennosti strukturoobrazovaniya v belykh vysokomargant-sevykh chugunakh [Alloys of the Fe-C-Mn system. Part 5. Peculiarities of the structure formation in white high-manganese cast irons]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2006, no. 3 (609), pp. 3-8.

11. Cheylyakh A.P. Ekonomnolegirovannyye metastabilnyye splavy i uprochnyayushchiye tekhnologii [Economically alloyed metastable alloys and reinforcement technologies]. Kharkov, NNTS KHFTI Publ., 2003. 212 p.

12. Tsypin I.I. Belyye iznosostoykiye chuguny. Struktura i svoystva [White wear resistant cast irons. Structure and properties]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1983. 176 p.

13. Belikov S., Volchok I., Netrebko V. Manganese Influence on Chromium Distribution in High-Chromium Cast Iron. Archives of Metallurgy and Materials, 2013, vol. 58, issue 3, pp. 895-897. doi: 10.2478/amm-2013-0095.

14. Gierek A., Bajka L. Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne. Katowice, Slask Publ., 1976. 230 p.

Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. В. В. Наумиком (Украина); д.т.н., проф.

И. А. Вакуленко (Украина)

Поступила в редколлегию: 07.09.2016

Принята к печати: 07.12.2016