Особенности легирования белых износостойких чугунов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

_/хггггг: г^7га-тгг:г /97
-2 (75), 20ia/ Uf
ПРОИЗВОДСТВО
УДК. 669. 15 Поступила 5. 03. 2014
В. В. НЕТРЕБКО, Запорожский национальный технический университет
ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ
белых износостойких ЧУГУНОВ
При помощи метода математического планирования эксперимента установлены регрессионные зависимости твердости чугуна и структурных составляющих от химического состава чугуна в системе C-Fe-Cr-Mn-Ni.
Regression dependences of hardness of cast iron of structural components on chemical composition of cast iron in C-Fe-Cr-Mn-Ni system are established by means of method of mathematical planning of experiment.
Многие детали оборудования горнодобывающей и металлургической промышленности (насосы, запорная арматура, трубопроводы и другие механизмы) работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания и гидроабразивного изнашивания. Большая доля этих деталей изготавливается из белых чугунов типа С^е-Сг-Мп-№ в различных их сочетаниях. Повышение долговечности оборудования, связанное с оптимизацией химического состава сплавов, является актуальной задачей, имеющей практическую ценность
Хром — это основной легирующий элемент износостойких чугунов. Его содержание в металлической основе определяют износостойкие и корро-зионностойкие свойства этих сплавов [1−3]. В первую очередь, хром взаимодействует с углеродом, образуя различные карбиды. Количество и тип карбида определяют износостойкие свойства чу-гунов В зависимости от содержания хрома и углерода в белых чугунах образуются карбиды (Сг, Fe)3С, (Сг, Fe)7С3 и (Сг, Fe)23С6. Хром, связанный в карбиды, не участвует в легировании металлической основы и не влияет на ее антикоррозионные свойства. По данным А. Герека и Л. Байка [4], 1% углерода может связать 6−16% хрома. В работе К. П. Бунина [5] отмечалось, что в легированных белых чугунах природа и закономерности роста карбида могут значительно изменяться в присутствии легирующих примесей При образовании или выделении карбидов в твердом растворе образуются зоны, обедненные хромом, что приводит к снижению коррозионной стойкости
В системе Fe-Cг хром образует непрерывный ряд твердых растворов с а-железом, при этом максимальная растворимость хрома в у-железе составляет
около 12% [6]. Введение в низкоуглеродистую сталь более 12% Сг делает ее коррозионностойкой в атмосфере и некоторых промышленных средах [7]. Для обеспечения коррозионной стойкости сплавов с ау-стенитной металлической основой необходимо введение легирующих элементов (Мп, М), расширяющих область существования у-железа и соответственно повышающих растворимость в нем хрома
Марганец, обладая большим сродством к углероду, замещает железо в цементите и карбидах хрома, при этом образуются карбиды хрома, легированные железом и марганцем [8−10]. В системе Fe-Mn марганец образует непрерывный ряд твердых растворов с у-железом [6]. Особенностью этого процесса является то, что марганец усиливает обеднение хромом металлической основы в зонах, прилегающих к карбидам, что приводит к снижению коррозионной стойкости
Анализ марок чугунов по ГОСТ 7769–82 [11], применяемых для изготовления деталей, работающих в коррозионных средах, показывает, что содержание марганца в них находится в пределах 0,3−0,8%. Сплавы, содержащие марганец до 2,0% и более, применяются для деталей, эксплуатируемых в нейтральных и слабоагрессивных средах Повышение износостойкости при легировании белых чугунов марганцем связано с тем, что марганец является аустенитообразующим элементом и повышает прокаливаемость.
Никель повышает вязкость разрушения и является незаменимым компонентом материалов, работающих в условиях ударных нагрузок. В системе Fe-Ni он образует непрерывный ряд твердых растворов с у-железом [6,12,13]. В системе №-С образуется эндотермическое соединение М3С [13].
оо//тггтггг ггкгщ/лтггп
и и / 2 (75), 201а-
Содержание никеля ограничивают в связи с его высокой стоимостью, однако он оказывает большое влияние на износостойкие и коррозионно-стойкие свойства белых чугунов. Никель как ау-стенитообразующий элемент увеличивает растворимость углерода (карбидов хрома) в аустените, что приводит к увеличению содержания хрома в твердом растворе и повышает коррозионную стойкость сплава
Углерод является регулятором количества карбидов. Для износостойких чугунов его содержание находится в пределах 2,4−3,6%, что обеспечивает 25−40% карбидов в структуре. Для коррозионно-стойких чугунов содержание углерода понижается до 0,5−1,6%. Чугуны для деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде, должны обладать одновременно как износостойкими, так и коррозионно-стойкими свойствами Содержание углерода в этих чугунах находится в пределах 2,2−3,0% [11].
При комплексном легировании свойства карбидов зависят от их типа и химического состава По данным [13], карбиды могут растворять разные, в том числе некарбидообразующие металлы и растворяться друг в друге по принципу замещения.
На основе литературных данных невозможно объективно оценить влияние легирующих элементов на твердость чугуна и его структурных составляющих в системе типа С^е-Сг-Мп-№.
Цель работы заключалась в получении регрессионных зависимостей макротвердости чугуна и микротвердости структурных составляющих (карбидов и основы) от химического состава чугуна в системе типа С^е-Сг-Мп-№.
Материал и методики исследований
Использовали метод активного планирования эксперимента для построения математической модели (табл 1)
Т, а б л и ц, а 1. Матрица планирования дробного факторного эксперимента 24−1
Чугун выплавляли в индукционной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой. Температура жидкого чугуна при заливке в сухие формы соста-
вила 1410−1440 °С. Чугуны исследовали в литом состоянии без термической обработки Для выявления структурных составляющих применяли тра-витель Марбле. После травления а-фаза имела черный цвет, а у-фаза — светлый. Анализ структуры, а также степень травимости металлической основы выполняли на оптических микроскопах МИМ-8 и Sigeta ММ-700 при увеличении 100−400. Химический состав металлической основы определяли в локальных точках на определенных расстояниях от карбидов и внутри эвтектических колоний с использованием микрорентгеноспектраль-ного анализа на микроскопе РЕМ 106И.
Анализ полученных результатов. При кристаллизации сплава образовывались литые карбиды и кристаллы аустенита. В процессе остывания образцов в литейных формах в аустените снижалась растворимость углерода и происходило образование карбидов в твердом растворе, а также замещение атомов железа, входящих в карбиды, на атомы хрома и марганца, имеющих большее химическое сродство к углероду, чем железо.
Диффузионные процессы были затруднены из-за большого количества легирующих элементов и быстро снижающейся температуры, поэтому концентрация легирующих элементов значительно изменялась в областях, примыкающих к карбидам. Зоны измененного химического состава травились быстрее и наблюдались в виде черной оторочки в областях, примыкающих к карбидам и внутри карбидных колоний (рис. 1, а). Структура исследуемых чугунов состояла из легированной металлической основы и карбидов Металлическая основа в зависимости от количества Мп, N1, Сг изменялась от ферритной (в том числе мартенситной) до аустенитной
В зависимости от содержания углерода, хрома и марганца в чугунах наблюдались карбидые, Сг, Мп)3С, (Сг, Fe, Мп)3С, (Сг, Fe, Мп)7С3 и (Сг, Fe, Мп)23С6 (рис. 1, б, в, г). При содержании никеля в чугуне свыше 0,5% образовывались карбидые, Сг, Мп) зС, легированные никелем. При содержании углерода 1,09−2,45% наблюдались эвтектоид-ные (рис. 1, а) и эвтектические карбиды (рис. 1, д), при более высоких содержаниях углерода — в основном эвтектические колонии карбидов и заэвтекти-ческие карбиды (рис. 1, е).
Эти процессы вызывали перераспределение химических элементов между карбидами и металлической основой, что приводило к значительной химической неоднородности металлической основы Разница в содержании хрома в металлической основе (на расстоянии 15−20 мкм от карбидов) и околокарбидных зонах (на расстоянии 1,5−2,5 мкм) составляла около 2,5−4,0%. Отношение минималь-
Уровень варьирования факторов Фактор
С, % Сг, % Мп, % N1, %
Основной 0 2,5 18,5 3,0 1,6
Интервал, А 1,0 5,0 1,7 1,0
Звездное плечо 1,414А 1,41 7,07 2,4 1,41
Верхние +1 3,5 23,5 4,7 2,6
+1,414 3,91 25,57 5,4 3,01
Нижние -1 1,5 13,5 1,3 0,6
-1,414 1,09 11,42 0,6 0,19
/-г: гг: гг: ктштп / оо
-2 (75), 201а/ 11″
Уравнения (1)-(3) являются математически вероятностными в соответствии с критериями Стью-дента, Фишера и Кохрена.
Рис. 1. Структуры чугунов: а — черная оторочка возле карбидов- б — карбиды типа (Сг, Fe, Мп)3С- в — карбиды типа (Сг, Fe, Мп)7С3- г — карбиды типа (Сг, Fe, Мп)23С6- д — эвтектические карбиды- е — заэвтектические карбиды- ж — ферритная металлическая основа- з — аустенитная металлическая основа. х400
ного содержания хрома в металлической основе к общему содержанию хрома в сплаве изменялось от 0,37 до 0,6.
В результате проведенного эксперимента и математической обработки результатов получены регрессионные зависимости макротвердости чугуна, микротвердости карбидов и металлической основы от содержания С, Сг, Мп, №:
ЖС = 9,961С + 2,755Мп + 0,416Сг + 2,134Ni -1,299С2 — 0,316Мп2 — 0,606 Ni2 + 0,485СМп + (1) 0,113ССг — 0,092МпСг + 10,676,
ИУ50осн = 49,68Сг — 6,139С2 — 0,897Сг2 + 9,29СМп + 6,261CNi — 1,729МпСг + (2) 4,232MnNi — 113,959,
ИУ50кар = 97,35С -1 5,11С2 + 107,57Ni2 + 11,71СМп + 7,04ССг — 78,51CNi + 1,15МпСг — (3) 9,28MnNi + 583,1.
Рис. 2. Зависимость твердости НЯС от содержания С, Сг, N1, Мп в чугуне: а — 3,5% Мп, 1,5%№- б — 18,5% Сг, 1,5%№- в -18,5% Сг, 3,5%Мп
ДО/*Е
г: къшжпъ
2 (75), 2014-
Рис. 3. Зависимость микротвердости металлической основы Рис. 4. Зависимость микротвердости карбидной фазы HV50Kaр ИУ50осн от содержания С, Сг, №, Мп в чугуне: а — 3,5% Мп, от содержания С, Сг, №, Мп в чугуне: а — 3,5% Мп, 1,5%№- 2,5%Ni- б — 18,5% Сг, 2,5%№- в — 18,5% Сг, 3,5%Мп б — 18,5% Сг, 1,5%№- в — 18,5% Сг, 3,5%Мп
Графическое отображение этих функции показано на рис. 2−4.
Физический смысл приведенных выше регрессионных уравнений состоит в том, что твердость чугуна и структурных составляющих зависят от взаимного влияния легирующих элементов.
Увеличение содержания хрома и углерода в чу-гунах повышает его макротвердость и микротвердость фаз. При содержании хрома около 23% происходит максимальное упрочнение твердого раствора (рис. 3, а). Это можно объяснить исчерпанием возможности упрочнения твердого раствора в данных условиях
Влияние марганца и никеля на свойства чугуна и структурных фаз проявляется во взаимосвязи с содержанием углерода
При содержании в чугуне 1,0% углерода увеличение содержания марганца до 3% способствовало увеличению макротвердости чугуна за счет увеличения микротвердости карбидов, при этом микротвердость основы снижалась за счет образования аустенитной составляющей Влияние никеля проявлялось в упрочнении твердого раствора основы и карбидов, а также в увеличении аусте-нитной составляющей Увеличение аустенитной составляющей вызвало снижение количества кар-
гуаьс-г: кгткштггп //и
-2 (75), 20 М /
бидов за счет их растворения в твердом растворе Упрочнение фаз при снижении количества карбидов не сказалось на макротвердости чугуна при увеличении содержания никеля
При содержании в чугуне 4% углерода увеличение содержания марганца вызывало повышение макротвердости чугуна и микротвердости фаз При увеличении Мп свыше 4% макротвердость не увеличивалась, что можно объяснить растворением карбидной фазы в увеличивающейся доле ау-стенитной составляющей
При 4,0% углерода в чугуне характер влияния никеля на макротвердость чугуна и структурных фаз практически не изменился
Выводы
1. Результаты исследований показали, что характер влияния легирующих элементов зависит от содержания других компонентов в чугуне
2 Полученные уравнения регрессий позволяют прогнозировать уровень макротвердости чугуна, микротвердости карбидов и металлической основы от химического состава чугуна в системе типа С^е-Сг-Мп-№, а также оптимизировать составы чугунов применительно к различным условиям эксплуатации
Литература
1. Г, а р б е р М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов. М.: Машиностроение, 1972.
2. Ц ы п и н И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. М.: Металлургия, 1983.
3 .К, а п у с т и н М .А., Ш е с т, а к о в И .А. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров // Нж матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. 1999. № 2. С. 32−33.
4 .Г е р е к А., Б, а й к, а Л. Легированный чугун — конструкционный материал. М.: Металлургия, 1978.
5 .Б у н и н К. П., М, а л и н о ч к, а Я. Н, Т, а р, а н Ю. Н Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969.
6. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: справ. изд. О. Кубашевски / Пер. с анг. М.: Металлургия, 1985.
7 .Г у д р е м о н Э. Специальные стали. Т 1. М.: Металлургия, 1966.
8 .В о л ч о к И. П., Н е т р е б к о В .В. Влияние марганца на процессы структурообразования износостойких высокохромистых чугунов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. 2012. Вып. 64. С. 301−304.
9 .B e l i k o v S., V o l c h o k I., N e t r e b k o V. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron // Archives of Metallurgy and Materials. 2013. Vol. 58. N 3. P 895−897.
10. Ч е й л я х, А .П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии. Харьков: ННЦ ХФТИ,
2003
11 ГОСТ 7769–82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами Марки
12 .Г у л я е в, А .П. Металловедение. М.: Металлургия, 1978.
13. Металловедение и термическая обработка стали: справ. под ред. М. Л. Бернштейна. Т 1. М.: Металлургиздат, 1961.
14 .Г и р ш о в и ч Н Г Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М. — Л.: Машиностроение, 1966.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой