CC BY
118
УДК 669.15-196:621.746.62 Петроченко Е.В., Молочкова О.С.
АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ С ОСОБЕННОСТЯМИ СТРОЕНИЯ СПЛАВОВ, ОКИСЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ И СВОЙСТВАМИ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ
В горно-обогатительном производстве существует много оборудования, детали которого работают в условиях повышенных температур и под воздействием ударно-абразивного и абразивного износа (колосники грохотов, спекательных тележек, броневые плиты, тушильные вагоны и т.д.). Такие детали должны обладать повышенным комплексом механических и специальных свойств, таких как жаростойкость, износостойкость и др.
Современная техника противокоррозионной защиты располагает рядом эффективных способов для увеличения стойкости металлов и сроков их эксплуатации. Применительно к условиям газовой коррозии одним из наиболее часто используемых способов является жаростойкое легирование.
Хромистые комплексно-легированные чугуны обладают высокой жароизносостойкостью и повышенными механическими свойствами при высоких температурах, которые обеспечиваются особенностями структуры этих чугунов и могут успешно применяться в промышленности в виде жароизносостойкого, жаропрочного литья для изготовления многих видов изделий. В настоящее время в литературе недостаточно проработаны вопросы взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств, износостойкости, жаростойкости и влияния скорости охлаждения при затвердевании на структуру и свойства комплекс-но-легированных чугунов. Отсутствие таких данных не позволяет достаточно обоснованно разрабатывать составы чугунов, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах.
Выбор базового легирующего комплекса был сделан на основе анализа имеющихся литературных данных о белых высокохромистых жароизносостойких чугунах и проведенных ранее исследованиях.
Окалиностойкость чугунов находится почти в прямой зависимости от содержания в них хрома. На уменьшение окисления отливок влияние хрома сказывается уже при относительно небольших (0,5-1,5%) добавках. Хром повышает сопротивляемость окислению металлической массы чугуна за счет повышения температуры образования вюститной фазы в оксидном слое. При легировании хромом жаростойкость резко повышается, что связано с образованием на поверхности чугуна прочной и тугоплавкой пленки оксида хрома Сг203 или оксидов шпинельного типа [1].
Углерод в белых жароизносостойких чугунах находится в связанном виде в карбидах легирующих элементов и в твердом растворе. Он является главным регулятором количества карбидов. Содержание углерода в жароизносостойких чугунах изменяется в широких пределах - от 1,7 до 3,6%. Увеличение содержания углерода до 3,6% способствует росту износостойкости чугуна до определенного момента. При более высоком содержании углерода в структуре чугуна появляются крупные заэвтектические карбиды,
которые в процессе износа растрескиваются и выкрашиваются, тем самым снижая износостойкость [2, 3].
Никель обладает более высокой жаростойкостью, чем железо в окислительных средах. Никель в количестве 0,4-2,0% способствует получению стабильной однофазной аустенитной структуры металлической основы, повышает жаростойкость и жаропрочность чугуна, улучшает качество чугунной отливки. Увеличение содержания никеля более 2,0% усиливает гра-фитизацию чугуна, нейтрализует стабилизирующее влияние хрома. При содержании никеля менее 0,4% снижается устойчивость аустенитной структуры и жаростойкость чугуна. Значительное повышение ока-линостойкости может быть достигнуто при комплексном легировании хромом и никелем.
Марганец в количестве 3,5-5,0% обеспечивает получение стабильной аустенитной структуры металлической основы, повышает жаростойкость, жаропрочность чугуна. Увеличение содержания марганца более 5,0% приводит к объединению металлической основы чугунов углеродом и хромом, что снижает жаро- и абразивостойкость. При содержании марганца менее 3,5% снижается устойчивость аустенита и жаростойкость чугуна [4].
Титан в количестве 0,27-0,6% способствует измельчению первичной структуры, устраняет столбчатое строение отливок, что позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок, стабилизирует структуру. При содержании титана менее 0,27% стабилизирующее влияние будет незначительное, так как невелико количество карбидов Т1С. При содержании титана свыше 0,4% в чугуне образуются пленочные включения оксидов титана больших размеров, которые располагаются по границам аусте-нитных зерен, что снижает износостойкость чугуна.
Исследовали сплавы системы Бе-С-Сг-Мп-№-Т1. Сплавы заливали в три типа форм: сухую, сырую ПГФ и кокиль. Было установлено, что все сплавы являются доэвтектическими, фазовый состав чугунов представляет собой у-твердый раствор, комплексные карбиды типа (Бе, Сг, Мп)7С3 и карбиды ТЮ. После завершения кристаллизации во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита, карбидов титана и аустенито-хромистокарбидной эвтектики [5].
При увеличении содержания углерода и хрома растет дисперсность и объемная доля аустенитохро-мистокарбидной эвтектики, снижается количество и размеры дендритов первичного аустенита.
Было исследовано изменение твердости (НЯС), микротвердости металлической основы (НУосн) и эвтектики (НУэвт), износостойкости и окалиностойкости в зависимости от скорости охлаждения (заливка в сухую, сырую песчано-глинистые формы и чугунный кокиль) и химического состава (данные представлены в таблице).
Свойства исследуемых сплавов в зависимости от скорости охлаждения
Номер Сухая форма Сырая форма Кокиль
соста- нрс, Кн. Иув. НУссн. НУэвт. НГС. К„. Иув. НУссн. НУэвт. НГС. Ки. Иув. НУосн. НУэвт.
ва ед. ед. мм МПа МПа ед. ед. мм МПа МПа ед. ед. мм МПа МПа
1 42 3.8 0.035 4710 8811 42 4.7 0.038 4881 9960 45 5.3 0.018 6230 7988
2 46 5.2 0.025 4603 8750 46 6.2 0.039 4572 9300 47 8.1 0.039 6512 8139
3 43 4.5 0.036 4328 8686 42 4.8 0.02 3581 9278 47 4.9 0.035 5900 7865
4 47 3.8 0.035 4942 8501 44 4.8 0.043 5065 9073 50 6.5 0.024 4300 7586
5 44 3.5 0.02 4873 8559 42 5.5 0.014 3811 7831 47 9.2 0.021 6123 7750
6 48 4.3 0.035 5512 8505 51 4.7 0.019 4047 10600 53 9 0.039 6533 8828
7 45 3.6 0.02 5664 11433 44 5.1 0.013 4175 8418 47 6.9 0.028 6013 5965
8 47 3.4 0.021 5543 10200 49 5.3 0.014 4213 10145 52 8.4 0.029 6225 6923
9 46 3.6 0.028 5625 8634 46 5.6 0.032 4125 9500 51 8.9 0.047 4597 12675
Наибольшее влияние на твердость и износостойкость сплавов оказывает углерод и хром, остальные элементы влияют незначительно. Это можно объяснить тем, что именно хром и углерод являются главными регуляторами изменений структуры матрицы и количе -ства упрочняющей фазы. С увеличением содержания хрома и углерода износостойкость увеличивается.
При заливке в кокиль происходит повышение микротвердости металлической матрицы и эвтектики, твердости и износостойкости чугунов за счет измене -ния объема карбидной фазы. Максимальной износостойкостью обладают чугуны, залитые в кокиль, так как карбиды измельчаются, более равномерно распределяются в матрице и при абразивном изнашивании прочно удерживаются ею. С увеличением скоро -сти охлаждения снижается количество и размеры дендритов первичного аустенита, растет дисперсность и объемная доля карбидов типа (Бе, Сг, Мп)7С3, что приводит к увеличению износостойкости.
Падение окалиностойкости с увеличением скорости охлаждения связано с тем, что растет доля карбидов в структуре, а следовательно, происходит обеднение твердого раствора хромом.
После испытания на окалиностойкость анализ макроструктуры образцов показал, что на чугунах присутствует три вида оксидных пленок: плотная сплошная оксидная пленка, рыхлая с трещинами и разрывами и разрушившаяся пленка, которая не препятствовала дальнейшему окислению металла. Электронные микрофотографии окисленной поверхности представлены на рис. 1.
Определили распределение элементов по глубине оксидных слоев. При содержании в чугуне 15% хрома в оксидном слое его около 15%. На поверхности та-
ких чугунов формируется неплотная рыхлая оксидная пленка, что приводит к увеличению глубины проник -новения коррозии и снижению окалиностойкости. При содержании хрома в сплаве более 19% в оксидной пленке его концентрация более 30%. В результате на поверхности образуется плотная сплошная оксидная пленка. Глубина проникновения коррозии снижается, увеличивается окалиностойкость.
В чугунах обнаружен эффект наследования соста-ва оксидной пленки в зависимости от распределения хрома в поверхностном слое сплавов до окисления (рис. 2). Структура оксидной пленки определяется структурой сплава: участок 1 соответствует эвтектике; 2 - металлической основе; 3 - карбиду ТЮ. Частицы карбидов хрома препятствуют росту пленки, там, где есть карбиды хрома, пленка тоньше.
Рис. 2. Микроструктура исследуемых чугунов
Таким образом, окалиностойкость зависит не только от химического состава сплава, но и от особенностей его структуры. Поэтому, увеличивая плотность хромистой эвтектики при сохранении достаточной легированности хромом металлической матрицы, можно повысить окалиностойкость белых чугунов.
Дальнейшего повышения свойств нового состава чугунов добивались за счет дополнительного его легирования ниобием и алюминием в количе -стве до 3% каждого порознь и совместно.
Ниобий, в исследуемых сплавах, предназначен для образования как собственных, так и комплексных карбидов. Ниобий обеспечивает повышение микротвердости металлической основы и карбидов типа М7Сз, улучшает морфологию карбидной фазы и существенно увеличивает
а б в
х2000
Рис. 1. Электронные микрофотографии образцов: а - плотная сплошная оксидная пленка; б - рыхлая с трещинами и разрывами; в - разрушившаяся пленка
твердость сплава. Повышаются износо- и жаростойкость, твердость чугуна. Это связано с увеличением объемной доли карбидов ниобия, а также увеличением микротвердости структурных составляющих. Происходит резкое уменьшение среднего размера карбидов хрома, и они приобретают компактные формы, что обеспечивает хорошее сцепление карбидов с металлической основой.
Результаты исследований показали, что наибольшие ростоустойчивость и окалиностойкость наблюдаются при 1,0—1,5% №. Это объясняется стабилизирующим воздействием ниобия на структурные составляющие чугуна, а также обогащением металлической основы хромом.
Отрицательное влияние на окалиностойкость при А1 до 2% объясняется тем, что происходит повышение концентраций вакансий в окалине вследствие частичного замещения двухвалентных атомов железа и никеля трехвалентными атомами алюминия. Повышение числа вакансий влечет за собой ускорение диффузии кислорода к поверхности металла. Кроме того, падение окалиностойкости, с увеличением содержания А1, связано с переходом металлической матрицы от однофазной - аустенитной в смесь двух растворов (а-фаза + у-фаза). Существенное повышение окалиностойкости наблюдается при введении в сплав 2,5-3,0% А1. Это связано с образованием шпинели Бе0(Сг203, Л120з), а также с увеличением количества легированного феррита и приближением металлической основы к однородной при А1>2,5% [6].
Таким образом, одновременному повышению всех специальных свойств данные элементы не способствуют. Поэтому легирование тем или иным элементом определятся тем, какое специальное свойство превалирует при эксплуатации отливок из данных чугунов.
Было решено исследовать совместное влияния алюминия и ниобия на структуру и свойства КЛБ. Содержание алюминия и ниобия менялось от 1 до 3% каждого, было отлито 9 составов в три типа литейных форм. Были исследованы зависимости твердости (НЯС), окалиностойкости (Иув) и коэффициента относительной износостойкости (Ки) от параметров карбидной фазы: микротвердости эвтектики (НУэвт); объемной доли карбидов титана и ниобия (Уунетр); объемной доли карбидов хрома (Уутр); длины карбидов (Ьк); размера карбидов (Ак) и расстояния между карбидами (А1к).
Методом множественного и парного регрессионного анализа получены адекватные уравнения регрессии:
Ки = 1,2088+1,4879НУэвт-1,6187Уунетр -0,03Уу1р-0,3449Ьк + 0,1240АК +0,0794А1к-0,0952НУ2эвт+0,2421 Уу2нетр-
- 0,0009 Уу2тр+0,0438 Ь2к-0,0112 А2к-0,0009А12к, ед.
(Брасч=7,4, Ртабл=3,81); (1)
НЯС = 39,8123+0,9250НУэвт+1,8056Уунетр +0,7391Уутр-0,3653Ьк -0,4023АК -0,1375А1к -0,0490НУ2эвт -
- 0,1754Уу2нетр -0,0305Уу2тр -0,0172Ь2К +0,0440А2К +0,0014А12к, ед.
(Брасч=4,68, Бтабл=3,81); (2)
Иув = -0,0398+0,0057НУэвт+0,0025Уунетр +0,0054Уутр+0,0002Ьк +0,0083АК -0,0012А1к -0,0005НУ2эвт +
+0,0005Уу2нетр -0,0002Уу2тр -0,0000077Ь2к -0,0004А2к +0,000022А12к, г/м2ч
(Брасч=4,10, Бтабл=3,81)/ (3)
Используя полученные математические зависимости (1) - (3) и нейросетевую программу «Модель», были определенны численные значения коэффициентов и ряды влияния параметров микроструктуры на свойства чугунов.
По силе влияния на твердость, окалиностойкость и износостойкость характеристики микроструктуры можно расположить в следующие ряды, в порядке уменьшения:
Ьув : НУЭВТ ^ Ак ^ УУтр ^ У^нетр ^ ^1к ^ Ьк
0,278 0,205 0,204 0,183 0,08 0,051
Ки : Д1К ^ НУэвт ^ ^нетр ^ А< ^ уУтр ^ Ьк
0,295 0,222 0,204 0,145 0,09 0,045
НЯС: А1к ^ уунеТр ^ Нуэвт ^ Уутр ^ А< ^ Ьк
0,283 0,259 0,192 0,162 0,097 0,006
На основе рассмотренных весовых коэффициентов и уравнений регрессии было установлено, что наиболее сильно и положительно на свойства влияют такие характеристики микроструктуры, как микротвердость эвтек-
тики (ИУэвт), размер карбидов (Ак), расстояние между карбидами (Л1к), объемная доля карбидов титана и ниобия (Уунетр); объемная доля карбидов хрома (Уутр).
Оптимизация параметров микроструктуры была проведена с помощью средств статистического анализа данных Microsoft Excel (пакеты анализа), предназначенных для решения сложных статистических задач.
На основе полученных результатов был получен новый состав чугуна, литейный износостойкий чугун может успешно применяться для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа при высоких температурах, например колосников грохотов и спекательных тележек, броней желоба агломерата, облицовочных плит тушильных вагонов и т.д.
Список литературы
1. Александров H.H., Клочнев Н И. Технология получения и свойства жаростойких чугунов. М.: Машиностроение. 1964. 170с.
2. Влияние содержания углерода и хрома на свойства высокохромистого чугуна / В.М. Садовский, О.С. Комаров, С.Н. Герцик и др. // Литейное производство. 1998. №5. С. 12-13.
3. Колокольцев В.М. Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент: дис. ... д-ра. техн. наук. Магнитогорск, 1995. 427 с.
4. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. М.: Металлургия, 1983. 256 с.
5. Колокольцев В.М., Гольцов A.C., Синицкий Е.В. Влияние первичной литой структуры жароизносостойких железоуглеродистых сплавов на их коррозионную стойкость // ВестникМГТУ им. Г.И. Носова. 2011. № 2. С. 18-23.
6. Миронов O.A. Разработка новых жароизносостойких чугунов для отливок, работающих в условиях повышенных температур, износа и агрессивных газовых сред: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2007. 156 с.
Bibliography
1. Aleksandrov N.N., Klochnev N.I.Technology of reception and property heat resisting irons. M.: Mechanical engineering. 1964. 170 p.
2. Influence of the maintenance of carbon and chrome on properties high chromical iron / V.M.Sadovsky, O.S.Komarov, S.N.Gertsik, etc.//Foundry manufacture, 1998, №5. pp. l2-13.
3. Kolokoltsev V.M. Teoretic and technological bases of working out of foundry wearproof alloys of system iron-carbon-element: Dis. Drs. tech. sciences. Magnitogorsk, 1995. - 427 p.
4. Cipin I.I.white wearproof irons. M.: Metallurgy, 1983.-256 p.
5. Kolokoltsev V. M., Goltsov A. S., Sinitsky E.V. Influence of the primary
cast structure of heat-wear-resistant iron alloys on their corrosion resistance // Vestnik MSTU named after G. I. Nosov. 2011. № 2. P. 18-23.
6. Mironov O. A. Working out new heat- and wear resistant irons for castings,
working in the conditions of the raised temperatures, deterioration and aggressive gas environments: Dis. Cand.tech. sciences. Magnitogorsk, 2007. 156 p.
