CC BY
73
УДК 621.74:669.131.622
Г. Н. МИННЕХАНОВ О. А. ШУЙКИН Р. Г. МИННЕХАНОВ
ООО «Научно-производственная фирма «ЛиКОМ»
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ КАРБОНИТРИДА ТИТАНА И ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНОМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДОЭВТЕКТИЧЕСКИХ ЧУГУНОВ
Исследовано влияние модифицирования наночастицами карбонитрида титана на структуру и свойство доэвтектических чугунов. Доказано, что модифицирование наночастицами карбонитрида титана приводит к повышению прочностных свойств чугуна, легированного 1.5 % Г/на 10-15 %. прирост стрелы прогиба на базе 300 мм до 8-10 мм и ударной вязкости на образцах без надреза в 1,6—2 раза.
Ключевые слова: эвтектические чугуны, модифицирование, наночастицы, карбонитрид титана.
Износостойкость и пластичность отливок из чугунов повышают легированием молибденом, никелем, титаном, ванадием и технологическими мероприятиями, позволяющими улучшить макро- и микроструктуру отливок. Например, перевод литья деталей дро-беметных барабанов в оболочковые формы обеспечивает увеличение износостойкости отливок по сравнению с литьем в сырые песчано-глинистые формы в 1,5-2 раза. Кажущиеся перспективы улучшения служебных свойств при литье в кокиль не дает желаемого эффекта вследствие? снижения их трещи* нестойкости и усиления анизотропии свойств по сечению отливок. При этом износостойкость отливок в разных зонах может отличаться на 20-50 % [ 1).
Наиболее перспективным направлением улучшения служебных и механических свойств отливок из белых чугунов является легирование ванадием в пределах от 2 до 12 %, что приводит к формированию к структуре отливок эвтектические колонии из аусте* ннта и карбида ванадия, имеющие форму близкую к шару. В сечениях колоний карбиды ванадия выглядят как мелкие изолированные включения вытянутой или округленной формы на аустенитном поле. Такая морфология эвтектики позволяет достичь высокой пластичности отливок, снижению или же к полному устранению анизотропии свойств по сечению отливок. При оптимальных режимах плавки, заливки и легирования относительное удлинение этих сплавов составляет 8- 12%. Однако дефицитность и дороговизна ванадия, усложнение.процесса плавки и заливки в результате высокой активности ванадия не дает возможности широкого применения данных сплавов в промышленности |2).
Более дешевым легирующим элементом с аналогичным действием для белых износостойких чугунов является титан, образующий в сталях и сплавах карбиды изоморфные с карбидами ванадия. Препятствием к прнмененнютитановых износостойких чугунов
являются также трудности выплавки и разливки вы-сокоуглеродистых сплавов с титаном из-за взаимодействия расплава с газами атмосферы и огнеупорными материалами футеровки |1). Однако имеется ряд работ [3.4]. где рассматривали возможность модифицирования и микролегирования высокохромн-стых чугунов титаном и цирконием с целью оптимизации микроструктуры отливок. Известно, что за счет модифицирования дисперсными, ультрадиснер-сными порошками тугоплавких соединений достигается оптимизация макро и микроструктуры отливок из высокохромистых чугунов |5|.
В связи с этим в данной работе изучали влияние легирования титаном и модифицирования наночас-тицами карбонитрида титана на структуру и свойства доэвтектических чугунов.
Чугун, содержащий 2,2 % углерода. 0,4 % кремния и 0,7 % марганца, плавили в индукционной печи с нейтральной футеровкой. В качестве исходной шихты использовали сталь 20, которую в зависимости от требуемого состава легировали углеродом, титаном.
В качестве модификатора использовали комплексы, содержащие наночастицы карбонитрида титана. Модифицирующие брикеты предварительно подвергали твердофазной активации при соответствующих режимах (6,7). После расплавления металл перегревали до температуры модифицирования, раскисляли и вводили модифицирующие брикеты из расчета введения в расплав 0,02 % от веса расплава наночастиц карбонитрида титана. Металл разливали и металлические и оболочковые формы из стержневой смеси. В предварительных исследованиях для сравнительного анализа влияния модифицирования на структуру и свойства доэвтектических чугунов, легированных титаном, отливали образцы без модифицирующих комплексов.
Качество отливок оценивали по дендритной структуре, форме и распределению первичных и вто-
Температура нормализации:
—Е>ез ТО 850 С
—*—950 С —•—1050 С
0.50%
1.50%
Рис. 1. Влияние легирования тнтлком н термообработки на твердость ННС доэвтектнческого чугуна, отлитого п оболочковую форму
0.50% 1% 1.50% 2%
% Т1
Температура нормализации:
Рис. 2. Влияние легнроплния тнтлном и термообработки на твердость НРС доэвтектнческого чугуна, отлитого в кокиль
Рис. 3. Влияние легирования титаном и модифицирование нлночастицами карбонитрида титана на твердость ННС доэвтектнческого чугуна, отлитого в оболочковую форму
0.50%
1% 1.50%
%Т!
Температура нормализации:
—♦—Без Т О. 850 С
—*—950 С -*-1050 С
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ истине 1 <ТП. 3009 МАШИНОСТГО1ИМ1 И МАШИ1
1МОС1ККМИ1 И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ М С ГНИ К ММ €77). 2009
*
Рис. 4. Влияниелегирования титаном и модифицирование наночастнцами карбони трнда титана на твердость ННС доэвтектнческого чугуна, отлитого п кокиль
Температура нормализации: —♦—Без Т О -«-650 С
950 С 1050 С
30
0.50%
1.50%
4400
2 4200 * 4000
♦ без УДП. запитый в оболочковую форму 1 * модифицированный, заитый в кокиль —Модифицированный. залитый в оболочковую форму ■1 без УДП. эагытый о кокиль
Рис. 5. Влияние легирования и модифицирования наночастицами ТК^ на микротвердость матрицы доэвтектнческого чугуна
ричных карбидов и твердости ИКС и микротвердос-ти матрицы. Кроме того, учитывали влияние термообработки на вышеперечисленные характеристики.
Анализ полученных данных показал (рис. I), что при литье в сухие формы из стержневой смеси ввод титана в чугун приводит к снижениютвердости отливок. Так при легировании титаном в количестве 0,5 % твердость отливок составляет Н1*С 39, а повышение содержания титанадо 2,0 % сннжаеттвердость до НИС 35. Структура чугуна легированного титаном состоит из перлита, ледебурита, цементита и мелких включении карбида титана. При легировании титаном часть углерода матрицы расходуется на формирование карбида титана. В отливке формируется композиционная структура, состоящая из твердых карбидов и относительно мягкой матрицы. Свойства композита зависят как от морфологии и топографии избыточных карбидов, так и параметров матрицы. Во время термообработки при температурах выше 850С происходит выделение вторичных карбидов. За счет выделения большого количества мелких вторичных карбидов общая твердость отливки, по мере уве-
личения содержания титана, незначительно возрастает. Микротвердость матрицы сплава увеличивается с 3100 МПа до 4100 МПа.
При литье в кокиль (рис. 2) сохраняются те же закономерности. Только отливки формированные в металлических формах имеют более высокую твердость, чем образцы отлитые в оболочковые формы. Увеличение скорости охлаждения отливок с 3 - 10 С0/ миндо50-800С/мин приводит к измельчению карбидов с 16 - 20 мкм до 6 - 8 мкм, что увеличивает износостойкость отливок на 25 - 30 %. Уменьшение размера карбидов сопровождается увеличением их общего количества в единице объема, что обеспечивает рост микротвердости матрицы сплава с 3650 МПа до 4500 МПа.
Сравнительный анализ образцов показал увеличение количества карбидов в образцах отлитых кокиль в 5-8 раз.
Анализ микроструктуры отливок выявил, что карбиды в отливках, формированных в кокиль, ориентированы в направлении теплоотвода. В структуре отливок присутствуют карбиды титана и цементит.
Причем основное количество карбидов титана расположены в осях дендритов. При термообработке происходит растворение цементита и укрупнение карбидов титана, что обеспечивает снижение твердости НЯС.
Модифицирование наночастицами карбоннтри-да титана изменяет характер влияния легирования титаном на структуру и твердость отливок (рис. 3, 4). Известно, чтоультрадисперсные порошки карбоннт-рида титана являются эффективными центрами кристаллизации для карбидов титана (6). Введение в чу-гуны, легированные титаном модифицирующих брикетов с наночастнцами карбоннтрида титана провоцирует формирование в расплаве на частицах кар-бонитрида титана карбидов титана, оказывающих модифицирующее действие на карбиды и матрицу сплана при кристаллизации отливок. Известно, что даже модифицирование титаном и цирконием высо-кохромнстого чугуна устраняет зону столбчатых кристаллов, измельчает макрозерна в структуре отливок. При вводе наночастиц карбоннтрида титана эффект модифицирования усиливается многократно. В структуре отливок формируются карбиды титана размером меньше 2-6 мкм. Анализ дендритного строения отливок показал, что расстояние между вторичными осями дендритов сокращается в 1,5—2 раза.
При термообработке отливок на наночастицах карбоннтрида титана происходит интенсивное выделение вторичных карбидов размером меньше 2 мкм. которые оказывают упрочняющее действие на матрицу сплава (рис. 5). Наряду с выделением вторичных карбидов происходит укрупнение первичных монокарбидов титана. В результате термообработки в структуре отливок количество карбидов увеличивается в 1,8-2 раза, что обеспечивает рост твердости отливок НЯС на 8-10 единиц. Установлено, что скорость охлаждения отливок тоже вносит свой вклад на формирование микроструктуры чугуна, легированного титаном и модифицированного карбо-нитридом титана. Если при невысоких скоростях охлаждения отливок температура термообработки не оказывает существенного влияния на разницу твердости отливок, то для отливок формированных в металлических формах наибольшие значения твердости характерны для сплавов термообработанных при температуре 1050 °С. При этом прирост твердости составляет в среднем 5-6 единиц.
Сравнительный анализ шлифов в продольном и поперечном направлении показал снижение анизотропии структуры отливок. Измерение твердости и микротвердости матрицы в разных зонах выявил разброс значений в пределах ошибки измерения.
Из полученных данных видно, что комплексное влияние на формирование макро- и микрострукту-
ры отливок из чугунов за счет модифицирования на-ночастицамн карбоннтрида титана и легирования титаном обеспечивает формирование структуры с мелкими первичными и вторичными карбидами благоприятной формы, позволяющими увеличить пластичность, снизить анизотропию свойств в толстостенных отливках и существенно повысить износостойкость.
Исследование механических свойств показало, что модифицирование наночастицами карбонитрн-да титана приводит к повышению прочностных свойств чугуна, легированного 1,5% 77 на 10- 15 %, прирост стрелы прогиба на базе 300 мм до 8 - 10 мм и ударной вязкости на образцах без надреза в 1,6-2 раза.
Библиографический список
1. Ціліші И.И Белые износостойкие чугуны. - М. : Металлургия. 1983. - 170 с.
2. Тихонович В.И. Литые износостойкие материалы. -Киев : ИПЛ АН УССР, 1978. - 78 с.
3. Norman Т.Е. — Modern Castings, 1959. v.35. N0 4. P. 242-256.
4. Конторов Б.М. Кумин И М. Износостойкие белые чугуны, легированные бором и титаном // Литейное производство, I960. - № 4. - С, 15-19.
5. Миннеханов Г.Н.. Сабуров В.П.. Гуркин И.А. Влияние модифицировании и условий охлаждения на износостойкость высокохромистых чугунов // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. - Омск, 1989. - С. 73-76.
6. Миннеханов Г.Н., Сабуров В.П.. Авдюхин С П, Влияние режимов твердофазной активации модифицирующих комплексов, содержащих ультрадисперсные порошки тугоплавких соединений, на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. - Омск. 1989. - С. 67-72.
7. Сабуров В.П.. Черепанов А Н., Жуков М.Ф. и др. Плазмохимнческий синтез ультрадисперсних порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. — Новосибирск : Сиб. изд. филиала РАН. 1995. - 344 С.
МИННЕХАНОВ Гизар Нигьматьянович, заместитель директора ООО «НПФ «ЛиКОМ».
ШУЙКИН Олег Александрович, инжнер кафедры «Машины и технология литейного производства». МИННЕХАНОВ Руслан Гизаропич, студентОмГТУ, группа Л-514.
Длт.1 поступления стдтьи в редакцию: 16.03.2009 г.
© Мнннехлнов Г.Н.. Шумкин О.А., Миннеханов Р.Г.
НАУЧНЫЙ МСТНМК I# 1 ап. гоо» машиносіросни* и м,
