УДК 621.74
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА БЕЛЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ
© Колокольцев Валерий Михайлович, д-р техн. наук, проф.; Вдовин Константин Николаевич, д-р техн. наук, проф., e-mail: vdovin@magtu.ru; Синицкий Евгений Валерьевич, канд. техн. наук, e-mail: e-v-s@mail.ru; Волков Сергей Юрьевич
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Россия, г. Магнитогорск Статья поступила 25.02.2014 г.
Рассмотрено влияние легирования и условий охлаждения на микроструктуру и свойства белых комплексно-легированных чугунов, предназначенных для работы в условиях воздействия абразивных сред. Проведено исследование чугунов, легированных Сг, ЫЬ, В, Мп, И. Изменение химического состава сплавов и условий кристаллизации оказывает существенное влияние на микроструктуру экспериментальных сплавов. Изменение содержания легирующих элементов и скорости охлаждения вызывает изменение типа и морфологии карбидной фазы, межчастичного расстояния между карбидами, количества и размера дендритов аустенита. Регулируя скорость охлаждения и содержание легирующих элементов в чугуне, можно управлять его структурой, а через нее и свойствами чугуна.
Ключевые слова: литье; сплавы; литейные формы; теплофизические характеристики.
Аля литья сплавов со специальными свойствами - износостойких, теплостойких, кор-розионностойких - тепловые процессы играют главенствующую роль. Это объясняется тем, что для сплавов этих типов необходимо учитывать широкие возможности управления макро- и микроструктурой, а как следствие, механическими, специальными и служебными свойствами. В условиях литейного производства одним из факторов повышения эффективности и получения конкурентоспособной продукции является оптимизация состава сплавов. Этого можно достичь, используя методы разработки (синтеза) сплавов новых составов с заданными свойствами. Традиционно для разработки состава сплавов применяют несколько методик. Наиболее широко используются методики, основанные на анализе диаграмм состояния металлических систем, постановке и проведении активных и пассивных экспериментов, а также статистической обработке их результатов. Одной из областей, где применяются указанные методики, является разработка комплексно-легированных чугунов для работы в условиях абразивного износа и агрессивных сред [1].
Основные требования, предъявляемые к таким сплавам, - соответствие состава, макро- и микроструктуры сплавов, их механических, служебных и специальных свойств условиям работы. Состав, макро- и микроструктура, механические, служебные и специальные свойства сплава вза-
имосвязаны, а на их формирование влияет комплекс факторов. К таким факторам относятся условия охлаждения. Процессы теплопереноса описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с рядом дополнительных слагаемых и граничными условиями [2, 3]. Большинство классических задач рассматривает фазовые превращения с участием твердой фазы «твердое тело - жидкость». В современной интерпретации эти системы представляют собой класс математических моделей, описывающих тепловые, диффузионные или термодиффузионные процессы, сопровождающиеся фазовыми превращениями среды и поглощением или выделением скрытой теплоты [2, 3]. Решение классических тепловых задач не позволяет полностью учитывать процессы, протекающие в системе «расплав - затвердевший сплав - литейная форма». При аналитическом решении тепловых задач, связанных с кристаллизацией литейных сплавов, необходимо учитывать сложные процессы, протекающие в литейной форме. К ним можно отнести, например, явление испарения - конденсации влаги формовочной смеси, оказывающее значительное влияние на тепловые процессы [4, 5]. В практике разработки сплавов для литейного производства варьирование условий охлаждения обеспечивают заливкой сплавов в песчано-глинистые (сырые и сухие) ПГФ-формы, а также в кокиль. Для оценки скорости охлаждения применяют обобщенный критерий - теплоаккумулирующую
Таблица 1. Состав экспериментальных сплавов
Сплав Содержание, мас. %*
C & ^ B
1 2,2 20 0,3 0,01
2 2,6 20 0,3 0,03
3 2,2 25 0,3 0,03
4 2,6 25 0,3 0,01
5 2,2 20 0,6 0,03
6 2,6 20 0,6 0,01
7 2,2 25 0,6 0,01
8 2,6 25 0,6 0,03
* Уровень содержания Б1, Мп, Т принят постоянным.
способность формы Ьф. Коэффициенты теплоак-кумуляции литейных форм имеют широкий интервал варьирования, так, например, для сырой песчано-глинистой формы Ьф « 20 Дж/(м2с1/2К), а для чугунного кокиля Ьф « 200 Дж/(м2с1/2К). Такой широкий диапазон варьирования позволяет полностью охватить условия кристаллизации и формирования макро- и микроструктуры литейных сплавов при различных условиях охлаждения. Можно отметить, что при формировании микроструктуры сплавов определяющими являются число центров кристаллизации п и скорость роста кристаллов с, которые зависят от степени переохлаждения сплава ВТ. При разработке новых сплавов механические, специальные и служебные свойства которых определяются формирующейся микроструктурой, необходимо иметь четкое представление о тепловых, диффузионных процессах и температурных полях в системе «расплав - твердый сплав - литейная форма».
Для оценки влияния условий охлаждения и химического состава провели исследования комплексно-легированных белых износостойких чугунов следующего состава, мас. %: С 2,22,6; Сг 20-25; ЫЬ 0,3-0,6; В 0,01-0,03; 0,4-0,6; Мп 0,4-0,6; Т 0,2 (табл. 1).
Ввод в чугун углерода и хрома в заданных пределах обеспечивает образование карбидов типа Ме7С3, которые наиболее существенно повышают износостойкость. Дальнейшее увеличение содержания хрома и углерода снижает износостойкость сплава, так как в чугуне появляются крупные хрупкие заэвтектические карбиды. Кроме того, снижаются прочностные свойства чугуна, повышается его твердость, что затрудняет его обрабатываемость [6, 7].
Обладая большим, чем хром, сродством к углероду, титан при кристаллизации расплава образует многочисленные включения карбидов,
которые, являясь центрами кристаллизации, измельчают структурные составляющие чугуна. Образование специальных карбидов титана приводит к увеличению концентрации хрома в твердом растворе. Это способствует повышению износостойкости сплава. Повышение износостойкости происходит вследствие выделения устойчивых карбидов титана, размеры которых меньше размеров карбидов хрома, и они находятся, в основном, в виде изолированных включений [8].
Присутствие бора в чугуне повышает его про-каливаемость, измельчает зерно, повышает свойства. Совместное легирование титаном и бором позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации чугуна [8].
Ниобий вводится для повышения износостойкости. Карбиды ниобия мелкодисперсные, с твердостью 3480 НУ. Ниобий в присутствии титана может образовывать комплексные карбиды, которые имеют более округлую форму, нежели карбиды титана. Карбиды ниобия также способны оказывать инокулирующее влияние на процесс кристаллизации и инвертирующее влияние на строение эвтектик.
Испытания сплавов на износостойкость проводили по ГОСТ 23.208-79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы». Коэффициент относительной износостойкости вычисляли по формуле
к _ Д"*3риАТи
где Лти и Атэ - средняя потеря массы образцов из исследуемого и эталонного материалов, г; ри и рэ - средняя плотность исследуемого и эталонного материалов, г/см3 ; Ыи и N - число оборотов ролика при испытаниях исследуемого и эталонного материалов.
Таблица 2. Свойства экспериментальных сплавов
Номер состава сплава Твердость ИЯС, ед. К и' ед.
Тип формы
ПГФ Кокиль ПГФ Кокиль
1 47 54 3,9 4,9
2 54 56 6,1 5,3
3 52 58 8,4 4,9
4 57 61 6,9 5,4
5 49 56 5,2 3,8
6 50 56 7,0 4,1
7 53 62 8,1 9,0
8 56 63 11,4 7,9
Рис. 1. Микроструктура чугунов (х500): состава 2,2% С, 20% Сг,
при литье в кокиль (а), в ПГФ (б); состава 2,6% С, 25% Сг, 0,3% ЫЬ,
в кокиль (в), в ПГФ (г)
0,3% ЫЬ, 0,01% В -0,01% В - при литье
Рис. 2. Карбиды ниобия и титана в структуре чугуна (2,2% С, 20% Сг, 0,3% ЫЬ, 0,01% В, 0,2% И), залитого в песчано-глинистую форму, х500
В качестве эталонного образца использовали сталь 45. Взвешивание проводили с погрешностью не более 0,0001 г. Свойства экспериментальных сплавов приведены в табл. 2.
Изменение химического состава сплавов и условий кристаллизации оказывает превалирующее влияние на микроструктуру экспериментальных сплавов (рис. 1). Металлическая основа исследуемых чугунов представлена аустенитом и мартенситом. Количество той или иной структурной составляющей зависит от содержания легирующих элементов и скорости охлаждения сплавов. В исследуемых сплавах присутствуют карбиды хрома типа (Бе,Сг)7С3, которые в сочетании с аустенитом и продуктами его распада образуют при кристаллизации двойную эвтектику
А+(Бе,Сг)7С3. Кроме карбидов хрома в структуре сплавов образуются карбиды титана (НС) и ниобия (ЫЬС), в ряде случаев образуется карбид смешанного типа (ЫЬ, И) С. Карбиды ниобия имеют меньшие размеры и более округлую форму (рис. 2).
На количество аустенита в структуре влияет содержание легирующих элементов. Максимальное количество аусте-нита (до 71%) наблюдается для сплавов с 2,2% углерода, 20% хрома, 0,3% ниобия. При повышении содержания углерода и хрома доля аустенита снижается до 52% при литье в ПГФ и до 42% - в кокиль (см. рис. 1). При этом меняется разветвленность дендритов аустенита, при ускоренном охлаждении (заливка в кокиль) диаметр ветвей и расстояние между соседними ветвями уменьшаются.
Прослеживается связь влияния скорости охлаждения на количество и размер карбидов. При увеличении скорости затвердевания происходит измельчение карбидов титана и ниобия. Снижение скорости затвердевания (заливка в ПГФ) приводит к повышению объемной доли этих карбидов. Четкого влияния скорости охлаждения на количество карбидов хрома не прослеживается, но размер карбидов с увеличением скорости охлаждения уменьшается. При этом они в основном располагаются в эвтектике. Со снижением скорости охлаждения появляются крупные первичные карбиды хром
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.