CC BY
32
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
04 I 1 (90), 2018
ПРОИЗВОДСТВО
■
УДК 669.15
Поступила 22.12.2017
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЧУГУНА НА СОДЕРЖАНИЕ ^ В ОСНОВЕ ПОСЛЕ НОРМАЛИЗАЦИИ ОТ 1050 °С
В. В. НЕТРЕБКО, И. П. ВОЛЧОК, Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина, ул. Жуковского, 64. E-mail: [email protected]
Определены зависимости влияния химического состава чугуна в системе Fe-C-Cr-Mn-Ni на содержание хрома в металлическом основании (Cr^050) и карбидах (Cr¿ар5°) после нормализации от 1050 °С с выдержкой в течение 4,5 ч. В процессе термической обработки отливок происходило перераспределение элементов между фазами чугуна. Максимальная концентрация хрома в основе после нормализации составила 19,7% при 1,09% С, 3,1% Mn, 25,57% Cr и 0,19% Ni, а минимальная 2,4% при 3,91% С, 0,6% Mn, 11,43% Cr и 0,19% Ni. Максимальное количество хрома в карбидах 78,4% наблюдали в чугуне, содержащем 1,09% С, 5,4% Mn, 3,01% Ni и 25,57% Cr, а минимальное 43,5% при 3,59% С, 5,4% Mn, 3,01% Ni и 11,43% Cr. Полученные зависимости позволяют прогнозировать содержание хрома в металлической основе и могут использоваться при разработке новых составов износостойких чугунов, а также при выборе режимов термической обработки.
Ключевые слова. Чугун, нормализация, хром, распределение, металлическая основа, карбиды.
INFLUENCE OF THE CAST IRON'S CHEMICAL COMPOSITION ON THE CONTENT OF CR IN THE BASE AFTER NORMALIZATION FROM 1050 °C
V. V. NETREBKO, I. P. VOLCHOK, Zaporizhzhia National Technical University, Zaporizhzhia, Ukraine,
64, Zhukovsky str. E-mail: [email protected]
The dependences of the influence of the chemical composition of cast iron in the Fe-Cr-Mn-Ni system on the chromium content in the metal base (Cr™50) and carbides (CrC0r50) after normalization from 1050 °C with aging for 4.5 hours were established. During the heat treatment of the castings, a redistribution of the elements between the phases of the cast iron occurred. The maximum chromium concentration in the base after normalization was 19.7% at 1.09% C, 3.1%Mn, 25.5% Cr and 0.19% Ni, and the minimum 2.4% at 3.91% C, 0.6% Mn, 11.43% Cr and 0.19% Ni. The maximum amount of chromium in carbides 78.4% was observed in cast iron containing 1.09% C, 5.4%Mn, 3.01% Ni and 25.57% Cr, and the minimum 43.5% at 3.59% C, 5.4%Mn, 3.01% N and11.43% Cr. The obtained dependencies allow predicting the chromium content in the metallic base and can be used during the elaboration of new compositions for wear-resistant cast iron, as well as at choice of heat treatment regimes.
Keywords. Cast iron, normalization, chromium, distribution, metallic base, carbides.
Совершенствование производственных процессов предъявляет повышенные требования к материалам, применяемым для изделий, эксплуатируемых в условиях интенсивного абразивного и гидроабразивного изнашивания. Высокохромистые чугуны, содержащие марганец и никель, являются перспективными материалами для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде [1-4]. Это природные композиционные материалы, состоящие из твердой карбидной фазы, закрепленной в вязкой металлической основе. Металлическая основа обладает свойствами сталей соответствующего состава. По мнению авторов [5], свойства чугунов подразделяются на структурно- и неструктурно-чувствительные. Механические свойства чугунов и абразивная стойкость в нейтральной среде зависят от типа, количества, размеров и морфологии карбидной фазы и структуры металлической основы. Коррозионная и абразивно-коррозионная стойкость являются неструктурно-чувствительными и зависят только от концентрации хрома в металлической основе. Анализ процессов коррозионного разрушения высокохромистых чугунов показал, что наиболее уязвимыми служат границы раздела фаз (карбид-основа).
Для обеспечения коррозионной стойкости изделий количество хрома в основе должно быть более 12% [6, 7]. Концентрация хрома в основе зависит от содержания в чугуне С, Cr, Mn и Ni, количества
_А кгге г: Г^ГШ?ГГКГ] /о с
-1 (90), 2018 I и и
и типа образующихся карбидов, растворимости углерода в основе и других факторов. Углерод является регулятором количества карбидов. Растворенный в металлической основе углерод не участвует в процессе карбидообразования. Поэтому Мп и №, как элементы, изменяющие растворимость углерода в металлической основе, влияют на процессы карбидообразования, формирования структуры и концентрацию хрома в металлической основе. Формирование карбидной фазы значительно влияет на остаточное содержание хрома в основе. Так, 1% С связывает от 6 до 16% хрома [2].
Для уменьшения химической неоднородности металлической основы высокохромистых чугунов ГОСТ 7769-82 рекомендует проведение гомогенизирующий выдержки в течение 4-6 ч при 1050 °С с охлаждением на воздухе. Термическая обработка хромоникелевых сталей вызывает появление межкри-сталлитной коррозии (МКК) в этих материалах [6, 7]. Основной причиной МКК является выделение карбидов на границах зерен, приводящее к снижению концентрации хрома в зонах возле карбидов. В процессе кристаллизации и охлаждения отливок из высокохромистых чугунов образуются неравновесные фазы, состав которых изменяется в процессе последующей термической обработки [8]. Рост содержания хрома в карбидах происходит за счет снижения его концентрации в зонах возле карбидов. Уменьшение концентрации хрома в этих зонах менее 12% активизирует коррозионные процессы и снижает эксплуатационную стойкость изделий. Гомогенизация металлической основы высокохромистого чугуна затруднена из-за сильного легирования твердого раствора. Переменная растворимость углерода в зависимости от температуры не позволяет получить стабильные структуры при гомогенизирующей выдержке. Снижение растворимости марганца в карбидах при понижении температуры [9] вызывает его перераспределение между карбидами и основой. Процесс перераспределения элементов протекает путем замещения в карбидах атомов железа и марганца атомами хрома, что вызывает понижение концентрации хрома на границе раздела фаз (карбид-основа) [8].
Управление процессами формирования структуры и перераспределения элементов позволяет получать заданную концентрацию хрома в основе, обеспечивающую необходимые свойства чугунов. Имеющиеся литературные данные не позволяют объективно оценить влияние легирующих элементов на содержание хрома на границе раздела фаз после гомогенизирующего отжига чугунов, легированных Сг, Мп и №.
Цель работы - анализ влияния химического состава высокохромистых чугунов на концентрацию хрома в основе на границе раздела фаз и карбидах после нормализации от 1050 °С.
Материал и методики исследований. Чугуны состава 1,09-3,91% С, 11,43-25,57% Сг, 0,6-5,4% Мп, 0,19-3,01% № и 0,8-1,2% Si выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Температура заливки жидкого чугуна - 1390-1410 °С. В качестве эталона для сравнения результатов использовали чугун 300Х28Н2.
Анализ структуры выполняли на оптических микроскопах МИМ8 и Sigeta ММ700. Химический состав фаз и металлической основы определяли в локальных точках методами микрорентгеноспектраль-ного анализа на микроскопе РЕМ 106И в литом состоянии и после нормализации от 1050 °С с выдержкой в течение 4,5 ч. Замеры химического состава карбидов и металлической основы проводили в соответствии с известной методикой [8].
Для построения математической модели содержания хрома в фазах чугуна использовали метод активного планирования эксперимента с матрицей планирования дробного факторного эксперимента 2 4-1.
Анализ полученных результатов. После нормализации от 1050 °С с выдержкой в течение 4,5 ч структура чугунов была ферритной, ферритоаустенитной и аустенитной в зависимости от его состава. Протекание полиморфных а«у-превращений и изменение растворимости углерода повлияло на структуру чугуна и состав фаз. Содержание хрома в карбидах увеличилось, а в металлической основе уменьшилось. Снижение растворимости углерода в основе способствовало образованию высокохромистых карбидов и обеднению основы хромом, особенно в зонах возле карбидов.
В чугунах с ферритной основой, содержащих 1,1-1,5% С и 18-26% Сг, наблюдалось растравливание границ раздела фаз вследствие понижения концентрации хрома менее 12% (рис. 1, а). В чугунах с аусте-нитной основой (рис. 1, б) растравливание границ раздела фаз практически не происходило, в карбидной фазе наблюдали образование включений аустенита в результате трансформации карбидов ^е, Сг)7С3 в карбиды (Сг, Fe)7C3. В чугунах с ферритно-аустенитной основой (рис. 1, в) происходило выделение мелкодисперсных вторичных карбидов в объеме зерна, при этом в зонах возле первичных карбидов выделение вторичных карбидов не наблюдали, что объясняется повышением концентрации марганца и никеля в основе возле карбидов вследствие перераспределения элементов. В чугуне 300Х28Н2 после нормализации в матрице наблюдали выделения мелкодисперсных карбидов, что связано с переменной рас-
FOUNDRY PRODUCTION nND M€TnLLURGY
в г
Рис. 1. Структура чугунов в литом состоянии (а, в) и после нормализации (б, г): а - чугун с ферритной основой; б - чугун с аустенитной основой; в - чугун с ферритно-аустенитной основой; г - чугун 300Х28Н2 с ферритной основой
творимостью углерода в основе в процессе нормализации (рис. 1, г). Концентрация хрома на границе раздела фаз карбид-основа снизилась с 15,2% (исходное состояние) до 12,4%, а в карбидах повысилась с 62,7 до 67,8%.
Обработка результатов с применением методов математической статистики позволила получить уравнения регрессии концентрации хрома в металлической основе (С^050) и карбидах (Сг^50) от содержания в чугуне С, Сг, Мп и № после нормализации от 1050 °С:
Сго1050 = 2,079Мп + 0,985Сг - 0,335Мп2-0,121ССг + 0,733С№1 - 0,126Сг№1 - 4,83, (1)
Сг^50 = 103,8-40,346С + 1,636Мп + 1,506Сг + 6,116С2-0,81СМп -
0,176С№1 + 0,021МпСг + 0,024Сг№1 - 1,506(Сг/С). (2)
Данные уравнения являются математически вероятностными в соответствии с критериями Стьюден-та, Фишера и Кохрена. Составы чугунов, имеющие максимальные и минимальные значения функций концентрации хрома в основе (Сго050) и карбидах (Сг^Н50), приведены в таблице.
Минимальные и максимальные значения функций: Сг5050 и Сг™50
Функция Уровень Величина Химический состав, мас.%
С Мп Сг N1
Сго1050 тт 2,4 3,91 0,6 11,43 0,19
тах 19,73 1,09 3,1 25,57 0,19
Сг 1050 кар тт 43,53 3,59 5,4 11,43 3,01
тах 78,43 1,09 5,4 25,57 3,01
Минимальное содержание хрома в основе 2,4% наблюдали в зонах около карбидов в чугуне, содержащем 3,91% С, при минимальном количестве Сг, Мп и N1, при этом концентрация хрома в центре зерен составляла 6,5-7,5%. Низкая концентрация хрома в зонах около карбидов объясняется процессами трансформации карбидной фазы при нормализации. При соотношении Сг/С = 2,92 и минимальном содержании Мп и № в литом состоянии образуется большое количество карбидов цементитного типа сложного химического состава, которые в процессе нормализации трансформируются в карбиды (Сг, Fe, Мп)7С3, содержащие более 43,5% хрома (см. таблицу). Эта трансформация протекает в фазах нагрева, выдержки и охлаждения. Затрудненная диффузия хрома в основе при охлаждении препятствует выравниванию его концентрации во всем объеме зерна.
Максимальная концентрация хрома в основе (19,73%) наблюдается в чугуне, содержащем 1,09% С, 3,1% Мп, 25,57% Сг и 0,19% N1, при этом соотношении Сг/С = 23,18. В этом чугуне в процессе первичной кристаллизации образуются карбиды (Сг, Fe, Мп)23С6, содержащие 67-72% Сг, которые в процессе нормализации незначительно изменяют свой состав (см. таблицу). Повышение концентрации хрома в карбидах до 78,43% при их малом количестве незначительно влияло на содержание хрома в основе.
Г ГП* 1Г ГСЕГШЕТПТ И 47
-1 (90), 2018 / и в
Рис. 2. Влияние Мп на концентрацию хрома в основе СгО050 от содержания в чугуне С, Сг и №
Содержание N1, мае. % Содержание N1, мае. % Содержание №, мае.
Рис. 3. Влияние № на концентрацию хрома в основе Сг^050 от содержания в чугуне С, Мп и Сг
Из таблицы видно противоречивое влияние марганца и никеля. Влияние марганца на содержание хрома в основе связано с его двояким влиянием. С одной стороны, марганец увеличивает растворимость углерода в основе и, тем самым, уменьшает количество карбидов и связанного в них хрома, а также повышает содержание хрома в основе. С другой стороны, марганец, обладая большим, чем железо сродством к углероду, входит в состав карбидов, образующихся при первичной кристаллизации, в которых в процессе нормализации он замещается хромом и, тем самым, содействует снижению концентрации хрома в основе, особенно в зонах возле карбидов. Влияние марганца и никеля на содержание хрома в основе зависит от количества других элементов (рис. 2, 3).
При содержании в чугуне 1,1% С увеличение количества марганца до 3,0% повышает растворимость углерода, уменьшает количество карбидов, что приводит к росту концентрации хрома в основе. Следует отметить, что растворимость марганца в карбидной фазе зависит от типа карбида. В цементите раство-
38 /
FOUNDRY PRODUCTION RND МСТШШ^У
1 (90), 2018-
Рис. 4. Зависимости содержания хрома в основе Сг^050 от количества С, Мп, Сг и № в чугуне
ряется до 30% Мп [9, 10], при этом коэффициент распределения составляет 4:1 [6]. В чугунах с низким содержанием углерода наблюдали карбиды Ме23С6 и Ме7С3, в которых растворимость марганца была значительно меньше, чем в цементите. Коэффициент распределения марганца изменяется от 0,2 до 1,2 по мере увеличения марганца в чугуне от 0,6 до 6%. [4] Рост содержания углерода в чугуне вызвал образование цементита и увеличил долю марганца, связанного в карбидах, что повлияло на растворимость углерода в основе и, как следствие, концентрация хрома в основе понизилась.
Увеличение содержания никеля не изменяло характер влияния марганца. В чугунах с 1,1% С увеличение количества никеля понижало концентрацию хрома в основе независимо от содержания хрома. В чугунах с 3,9% С увеличение количества никеля понижало концентрацию хрома в основе при 25,5% Сг и повышало при 11,5-18,5% Сг. В чугунах, содержащих 1,1% С, 25,5% Сг и 3,0%№, необходимая концентрация хрома в основе (более 12%) наблюдалась при 1,5-4,7% Мп, что связано с образованием аусте-нитной матрицы и увеличением доли растворенного в ней углерода.
Противоречивое влияние никеля связано с тем, что он, с одной стороны, снижает растворимость углерода в основе и, тем самым, способствует образованию карбидной фазы, что приводит к снижению концентрации хрома в твердом растворе, с другой стороны, никель повышает растворимость хрома в у-Ре и соответственно способствует увеличению его концентрации в основе.
После нормализации никель полностью отсутствовал в карбидной фазе. Его концентрация в основе зависела от количества карбидов. С увеличением количества карбидов (не содержащих никель) концен-
_а к гге к ктггу ггк г /qq
-1 (90), 2010 / UV
трация никеля в основе значительно возрастала, что способствовало повышению концентрации хрома в основе, состоящей из g-Fe. При 1,1% С увеличение количества никеля в чугуне снижало содержание хрома в основе, а при 3,9% С повышало, за исключением чугунов, содержащих 25,57% Сг, что связано с постепенным замещением карбидов Ме2зС6 на карбиды Ме7Сз при росте их количества. Увеличение в чугуне количества марганца не изменяло характер влияния никеля, а незначительно повышало уровень содержания хрома в основе. Рост содержания углерода в чугуне увеличивал количество карбидной фазы, тем самым, повышал концентрацию никеля в основе, что увеличило растворимость хрома в g-Fe.
Зависимости содержания хрома в основе Сго1050 от количества в чугуне С и Сг на разных уровнях марганца и никеля представлены на рис. 4.
Анализ полученных данных показывает, что для обеспечения высокой концентрации хрома в основе необходимо иметь около 3% Mn и максимально возможное содержание хрома при минимальном содержании углерода. Содержание никеля в чугуне должно определяться условиями разрушения изделий, при этом, повышая содержание никеля, необходимо увеличивать количество хрома для обеспечения его концентрации в основе не менее 12%.
Изменение содержания и соотношение марганца и никеля в чугуне позволяют воздействовать на уровень прочности и твердости металлической основы, что дает возможность оптимизировать свойства чугуна для изделий, эксплуатируемых в различных условиях.
В условиях абразивного изнашивания в коррозионной среде, кроме концентрации хрома в основе, превышающей 12%, не менее важно иметь прочную металлическую основу. Наличие мартенситной или мартенситно-аустенитной основы определяется содержанием в чугуне Mn и Ni. Зная требуемые концентрации в чугуне Mn и Ni, используя зависимость Сго050 (1), можно определить оптимальные количества углерода и хрома, обеспечивающие концентрацию хрома в основе не менее 12%.
Используя наши данные, можно рекомендовать чугун, содержащий 1,9-2,3% С, 2,5-3,5% Mn, 22,025,5% Сг, 1,3-1,6% Ni и 0,8-1,2% Si с концентрацией хрома в основе более 12% и твердостью 50-55 HRC после нормализации от 1050 °С, для изготовления литых деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания.
Полученные зависимости позволяют прогнозировать содержание хрома в металлической основе и могут использоваться при разработке новых составов износостойких чугунов, а также при выборе режимов термической обработки.
Выводы
1. Влияние марганца и никеля на содержание хрома в основе определяется их распределением между фазами, зависящим от содержания хрома и углерода в чугуне (типа карбидов).
2. Максимальную концентрацию хрома в основе 19,7% имеет чугун, содержащий 1,09% С, 3,1% Mn, 25,57% Сг и 0,19% Ni.
3. Для деталей, эксплуатируемых в условиях абразивного изнашивания в коррозионной среде, рекомендуется чугун, содержащий 1,9-2,3% С, 2,5-3,5% Mn, 22,0-25,5% Сг, 1,3-1,6% Ni и 0,8-1,2% Si с концентрацией хрома в основе 12-15% после нормализации от 1050 °С с выдержкой в течение 4,5 ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны - эволюция и перспективы / И. И. Цыпин // Литейное производство. 2000. № 9. С. 15-16.
2. Gierek A. Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrakcyjne / A. Gierek, L. Bajka. Katowice: Slask, 1976. 230 p.
3. Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. 212 с.
4. Волчок И. П. Особенности легирования марганцем износостойких высокохромистых чугунов / И. П. Волчок, В. В. Не-требко // Литье и металлургия. 2012. № 3. Спецвыпуск. С. 162-165.
5. Кириллов А. А., Белов В. Д., Рожкова Е. В., Дядькова А. Ю., Зуев И. Е. Структурно- и неструктурно-чувствительные свойства хромистых чугунов // Черные металлы. 2007. № 9. С. 7-13.
6. Гудремон Э. Специальные стали / Э. Гудремон. М.: Металлургия, 1966. Т. 1. 736 с.
7. Химушин Ф. Ф. Нержавеющие стали / Ф. Ф. Химушин. М.: Металлургия, 1967. 797 с.
8. Нетребко В. В. Особенности процессов образования карбидов и распределения Сг, Mn и Ni в белых чугунах / В. В. Не-требко // Литье и металлургия. 2015. № 3. С. 40-46.
9. Сильман Г. И. Диаграмма состояния сплавов системы Fe^-M^n и некоторые структурные эффекты в этой системе. Ч. 1. Межфазное распределение марганца / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. Вып. № 2. С. 11-15.
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
■•U I 1 (90), 2018-
REFERENCES
1. Tzypin I. I Belyye iznosostoykiye chuguny- evolyutsiya i perspektivy [Wear white cast irons - evolution and prospects]. Liteynoyeproizvodstvo = Foundry, 2000, no. 9, pp. 15-16.
2. Gierek A., Bajka L. Legirovannyj chugun - konstrukcionnyj material [Alloyed cast iron as a structural material]. Moscow, Me-tallurgiya Publ., 1978.
3. Cheiliakh A. P. Ekonomnolegirovannye metastabilnye splavy i uprochnyayushchie tekhnologii [Economically alloyed metastable alloys and reinforcement technologies]. Kharkov, NNTs KhFTI Publ., 2003. 212 p.
4. Volchok I P., Netrebko V. V. Osobennosti legirovaniya margantsem iznosostoykikh vysokokhromistykh chugunov [Peculiarities of alloying of high-chromium cast irons with manganese]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2012, no. 3. Special Issu, pp. 162-165.
5. Kirillov A. A., Belov V. D., Rozhkova Ye. V., Dyad'kova A. Yu., Zuev I E. Strukturno- i nestrukturno-chuvstvitelnye svoystva khromistykh chugunov [Structurally and non-structurally susceptible properties of chromium cast irons]. Chernye metally = Ferrous metals, 2007, no. 9, pp. 7-13.
6. Gudremon E. Spetsialnye stali [Special Steels]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1966, vol. 1, 736 p.
7. Khimushin F. F.,Nerzhaveiyshchye stali [Stainless Steels]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1967, 797 p.
8. Netrebko V. V. Osobennosti protsessov obrazovaniya karbidov i raspredeleniya Cr, Mn i Ni v belykh chugunakh [Peculiariries of processes of carbide formation and distribution of Cr, Mn and Ni in white cast irons]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2015, no. 3, pp. 40-46.
9. Silman G. I Diagramma sostoyaniya splavov sistemy Fe-C-Mn i nekotorye strukturne effekty v etoy sisteme. Chast 1. Mezhfaz-noe raspredelenie 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]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metal science and heat treatment of metals, 2005, no. 2, pp. 11-15.
