CC BY
24
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
УДК 621.74
Никитенко О.А., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АЗОТИРОВАННОГО ФЕРРОВАНАДИЯ НА ПАРАМЕТРЫ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА
Аннотация. В представленной работе приведены результаты исследований микроструктуры высокомарганцевой стали, микролегированной азотированным феррованадием. Рассмотрено совместное влияние тепловых условий кристаллизации и охлаждения отливки, а также азотированного феррованадия на размер зерна аустенита, его анизотропию. Кроме того, рассмотрено влияние этих двух факторов на микротвёрдость аустенита.
Ключевые слова: высокомарганцевая сталь, азотированный феррованадий, аустенит, коэффициент анизотропии, термическая обработка.
Введение
Уровень эксплуатационных свойств литых изделий, работающих в условиях интенсивного изнашивания, определяется в первую очередь химическим составом сплава [1 - 4]. Именно он определяет параметры микроструктуры литых изделий, её способность сопротивляться изнашиванию, эволюцию микроструктуры в процессе термической обработки.
Однако параметры микроструктуры также определяются тепловыми условиями формирования отливки в литейной форме. Под тепловыми условиями понимается совокупность процессов теплообмена и теплопередачи в системе отливка-форма, которые, в свою очередь, определяют скорость охлаждения расплава при первичной и вторичной кристаллизациях [5 - 13].
Эти два фактора оказывают совместное влияние на качественные и количественные характеристики микроструктуры, например: легирующий карбидооб-разующий элемент в зависимости от условий охлаждения сплава может выделяться в составе самостоятельного или комплексного карбида, либо быть растворённым в аустените. Кроме того, скорость охлаждения расплава в процессе кристаллизации определяет соотношение скоростей зарождения центров кристаллизации и их укрупнение. На этот процесс также влияет химический состав сплава.
В условиях производства тепловые условия охлаждения отливки в литейной форме определяются габаритами и массой изделия, толщиной стенки формы и самого изделия, а также многими другими факторами.
Цель представленной работы: изучить совместное влияние азотированного феррованадия и тепловых условий формирования литого изделия на параметры микроструктуры, а также их изменения в процессе термической обработки.
Методика эксперимента
Экспериментальные сплавы для изучения струк-
туры и свойств выплавляли в индукционнои печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Исследования проводили на стандартных образцах с размерами 35^35x10 мм. Для реализации различных скоростей охлаждения сплав заливали в разные типы форм: сухую и сырую песчано-глинистую, кокиль. Регистрацию изменения температуры металла проводили с помощью заформованной вольфрам-рениевой термопары, запись результатов осуществляли на приборе LA-50USB с частотой 50 Гц на каждый канал.
Экспериментальные образцы перед проведением исследований закаливали в воде от температуры 1100 °С.
Химический состав образцов определяли на спектрометре SPECTROMAXX.
Определение размеров зерен и количественный анализ проводили на оптическом микроскопе Meiji с помощью программы Ticsomet Standart Pro по ГОСТ 5639-82. Для микроанализа из образца по стандартной методике были приготовлены микрошлифы путём запрессовки образцов в смолу «Transoptic» на автоматическом прессе Simplimet 1000 на линии про-боподготовки фирмы ВиесЫег. Для выявления микроструктуры поверхность шлифов подвергали травлению в 4 %-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте методом погружения полированной поверхности в ванну с реактивом.
Микротвердость определяли на твердомере Buchler Mikromet в соответствии с ГОСТ 9450-60 методом вдавливания алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями 136° при нагрузке 200 г и длительности нагружения 10 с. Твердость определяли на твердомере EmcoTest M4C 075 G3 в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Результаты исследований
В ходе проведения экспериментов была получена серия образцов, легированных азотированным феррованадием. Химический состав образцов представлен в таблице.
© Никитенко О. А., Феоктистов Н.А., Горленко Д. А., 2018
Химический состав экспериментальных образцов
Номер сплава Содержание химических элементов, %
С 81 Мп Р 8 V А1
1* 1,15 1,05 11,6 0,040 0,030 - 0,08
2 1,20 0,68 11,6 0,055 0,035 0,085 0,06
3 1,00 0,87 11,9 0,047 0,053 0,175 0,04
4 1,00 0,69 11,6 0,054 0,052 0,290 0,06
5 1,20 0,84 11,5 0,053 0,043 0,380 0,06
* Базовый нелегированный сплав.
Ранее было установлено, что максимальной износостойкостью обладает сплав, легированной азотированным феррованадием с остаточным содержанием ванадия в пределах 0,1 - 0,2 % и азота 0,023 - 0,062 % [3, 4, 14]. При дальнейшем увеличении концентрации ванадия абразивная износостойкость практически не меняется до содержания 0,4 %, а ударно-абразивная -снижается на 25,3 - 46,5 % в зависимости от тепловых условий, при которых была сформирована литая структура высокомарганцевой стали в процессе кристаллизации и охлаждения [15].
Скорость охлаждения расплава в литейной форме (тепловые условия формирования отливки) влияет на параметры литой микроструктуры стали Гадфильда, которая, в свою очередь, определяет её характеристики и уровень свойств после термической обработки [5 - 8, 14]. При одном и том же содержании ванадия и азота в сплаве (0,18 и 0,045 % соответственно) коэф-
фициент абразивной износостойкости изменяется от 1,48 до 1,69 ед., а ударно-абразивной - от 2,25 до 2,45 ед. Причём, чем выше скорость охлаждения расплава в литейной форме, тем выше коэффициент износостойкости. Это характерно для экспериментальных образцов не только в литом состоянии, но и после термической обработки.
Для изучения комплексного влияния азотированного феррованадия и тепловых условий формирования отливки на параметры микроструктуры провели металлографические исследования.
Влияние азотированного феррованадия на зерно аустенита оценивали с помощью двух показателей -размер зерна и коэффициент анизотропии.
Влияние ванадия на размер зерна аустенита и его коэффициент анизотропии с учётом скорости охлаждения отливки при кристаллизации представлено графически на рис. 1.
700 600 500 400 300 200 100 0
Я2 0.948
V. Я2 0.935
\\ > Я2 0.746 /
\\ ______
\ \ \ 1-1 А Уа
А А
0.1 0.2 0.3 Содержание ванадия, %
а
0.4
и и п о
орт
о з и н а
тн
е
и ц
и ф
ф
э
£
1.1
0.9
0.7
0.5
0.3
7/> 1 \
/// V Я2 = Я2 = 0.583 0.600 ♦
Я2 = 0.989
0.1 0.2 0.3 Содержание ванадия, %
б
0.4
Рис. 1. Зависимость размера и коэффициент анизотропии зерна аустенита от содержания ванадия в сплаве при скоростях охлаждения: ____- 4,5 °С/с;____- 8,9 °С/с;_- 25 °С/с
0
0
Добавка азотированного феррованадия в расплав стали марки 110Г13Л, обеспечивающая остаточную концентрацию ванадия 0,085 %, способствует снижению размера зерна на 24 - 78 % по сравнению с отливками из нелегированной высокомарганцевой стали. При увеличении скорости охлаждения расплава в литейной форме повышается степень уменьшения размера зерна аустенита в процентном отношении по
сравнению с базовым составом сплава. То есть для отливок, охладившихся со скоростью 4,5 °С/с, разница в размерах зерна аустенита базового сплава и стали, содержащей 0,085 % ванадия, составляет 61 %, для сплавов, скорость охлаждения которых в интервале кристаллизации была равна 8,9 °С/с, эта разница составляет 68 %, а для скорости охлаждения 25,0 °С/с - 85 % (рис. 2).
Рис. 2. Фотографии микроструктуры высокомарганцевой стали без ванадия (а) и легированной азотированным феррованадием с его остаточной концентрацией 0,085 % (скорость
охлаждения в интервале кристаллизации 4,5 °С/с)
Увеличение концентрации ванадия и азота свыше 0,085 и 0,023 % соответственно приводит к увеличению размера зерна аустенита в литой структуре, что закономерно приводит к его увеличению и в термооб-работанных отливках. Повышение концентрации ванадия до 0,38 % приводит к скачкообразному увеличению размера зерна аустенита на 55, 36 и 9 % для структур термообработанных отливок, кристаллизация которых в литом состоянии проходила со скоростями 4,5, 8,9 и 25,0 °С/с.
Легирование азотированным феррованадием оказывает влияние на коэффициент анизотропии зерна аустенита, характеризующий отношение длинны к ширине (рис. 1, б).
Для базового, не легированного сплава коэффициент анизотропии варьируется в пределах 0,36 - 0,61 в зависимости от скорости охлаждения расплава в литейной форме. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже значение коэффициента. Это обусловлено градиентом температур, возникающим на границе раздела металл-форма.
После добавки азотированного феррованадия в расплав высокомарганцевой стали происходит увеличение значения этого коэффициента анизотропии с 0,36 - 0,61 до 0,66 - 1,0. То есть зерно аустенита приобретает более округлую форму при введении азотированного ферросплава, обеспечивающего остаточную концентрацию ванадия на уровне 0,085 %, и сохраняет эти пропорции вплоть до увеличения концентрации ванадия в сплаве до 0,38 %. При концентрации ванадия 0,38 % всё же происходит незначительное
снижение исследуемого коэффициента.
В процессе кристаллизации и охлаждения высокомарганцевой стали в литейной форме легирующие элементы, входящие в её состав, могут распределяться между твёрдым раствором и вторичной фазой. При больших скоростях охлаждения расплава в температурном интервале выделения избыточных фаз легирующие элементы не успевают выделяться в виде вторичной фазы, оставаясь растворёнными в аустени-те. В результате меняется количество карбидов, образованных различными элементами, а также их соотношение. В процессе нагрева под закалку карбиды растворяются в аустените, а при погружении отливки в охлаждающую жидкость (воду) происходит их частичное выделение. В результате происходит общее снижение количества карбидной фазы (рис. 3)
Изменение степени легированности аустенита сказывается на его микротвёрдости (рис. 4).
Микротвёрдость аустенита непрерывно повышается по мере увеличения концентрации ванадия в химическом составе высокомарганцевой стали.
Влияние скорости охлаждения проявляется не только в литых отливках, но и в термически обработанных, так как характеристики микроструктуры высокомарганцевой стали после закалки определяются её исходным состоянием. В зависимости от скорости охлаждения сплава в температурном интервале выделения вторичных фаз микротвёрдость изменяется от 11 до 16 %.
%
в о
б р
ак
о в т с е
л £
Т
5.45
Скорсть охлаждения сплава в инетвале выделения вторичных фаз, °С/с
Рис. 3. Количество карбидов в высокомарганцевой стали в зависимости от скорости охлаждения расплава в форме и состояния отливки: Л - литое; ТО - после термической обработки
а 2500
а, т 2400
ти н е 2300
т с
сау 2200
ь т
с о д 2100
р ё
в т о 2000
рк
и 1900
▲
♦ * *
А __■ А . .1 '
- 1
^ / V Я Я2 = 0.722 = 0.594
II- Я2 = 0.629
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Содержание ванадия, % Рис. 4. Влияние ванадия и скорости охлаждения сплава на
микротвёрдость стали Гадфильда: ____- 1,0 °С/с;____- 1,8 °С/с;_- 5,45 °С/с
Выводы:
1. Микролегирование высокомарганцевой стали азотированным феррованадием оказывает положительное влияние на абразивную и ударно-абразивную износостойкость, обеспечивая максимальный уровень этих свойств при концентрации ванадия в пределах 0,1 - 0,2 % и азота 0,023 - 0,062 %.
2. Добавка азотированного феррованадия в высокомарганцевую сталь, обеспечивающая остаточную его концентрацию на уровне 0,1 - 0,2 %, способствует снижению размера зерна аустенита с 550 - 600 до 100 - 200 мкм по сравнению с базовым нелегированным сплавом. Повышение остаточной концентрации ванадия в сплаве свыше 0,3 % приводит к росту зерна ау-
стенита практически до первоначальных значений независимо от скорости охлаждения сплава.
3. Металлографическим путём установили, что в интервале остаточных концентраций ванадия 0,1 - 0,3 % коэффициент анизотропии зерна аустенита близок к 1. В случае превышения указанного интервала коэффициент анизотропии зерна аустенита незначительно снижается.
4. Микротвёрдость аустенита непрерывно увеличивается по мере увеличения содержания ванадия во всём интервале концентраций от 1984 - 2222 МП (не легированный сплав) до 2231 - 2473 (концентрация ванадия 0,38 %) независимо от скорости охлаждения отливки в литейной форме.
(Работа выполнена в рамках базовой части Государственного задания Минобрнауки России, согл. номер17.1.18.2412.01 от 09.01.2017, д.с. номер 1 от 25.01.2017публикац. номер 11.9305.2017/7.8).
Список литературы
1. Влияние легирования хромом на характеристики карбидной фазы литой высокомарганцевой стали / К.Н. Вдовин, Н.А.Феоктистов, Д.А. Горленко, А.А. Нефедьев, А.А. Ахметова // Технические науки в мире: от теории к практике: сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону, 2016. С. 51-58.
2. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Исследование закономерностей формирования, морфологии и химического состава избыточной фазы в литой высокомарганцовистой стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 7. С. 491-497.
3. Исследование влияния легирования и термической обработки на абразивную и ударно-абразивную износостойкость высокомарганцевой стали / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко, В.П. Чернов, И.Б. Хренов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 11. С. 904-909.
4. Изучение влияния легирования стали Гадфиль-да ванадием на её эксплуатационные свойства /
B.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, А.С. Савинов, Д.А. Дерябин, И.Б. Хренов // Сборник трудов по материалам III Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование и перспективные технологии в машиностроении, металлургии и их кадровое обеспечение» (Чебоксары, 20 - 21 апреля 2017 г.)/ под ред. д.т.н., проф. И.Е. Илларионова. Чебоксары: Чуваш. гос. ун-т, 2017. С. 145 - 150.
5. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Исследование влияния скорости охлаждения в интервале выделения избыточных фаз на литую микроструктуру стали Гадфильда // Металлургия: технологии, инновации, качество/ под общ. ред. Е.В. Протопопова. Новокузнецк, 2015. С. 125-129.
6. Вдовин, К.Н. Изучение влияния скорости охлаждения на механические и эксплуатационные свойства стали 110Г13Л / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко, И.Б. Хренов, Д.А. Дерябин // Литейщик России. 2015. № 12.
C. 23-24.
7. Вдовин, К.Н. Исследование влияния скорости охлаждения при кристаллизации на размер ау-стенитного зерна литой стали 110Г13Л / К.Н. Вдовин, Д.А. Горленко, О.А. Никитенко, Н.А. Феоктистов // Международный научно-
исследовательский журнал. 2015. № 10-2 (41). С. 28-31.
8. Вдовин К.Н., Горленко Д.А., Феоктистов Н.А. Влияние энергии дефекта упаковки на абразивную износостойкость отливок из стали Fe -12Mn - 1,2C, охлажденных с различными скоростями // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 9. С. 603-609.
9. Изучение качественных параметров литой структуры отливки «Зуб ковша экскаватора» / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко, И.Б. Хренов, Д.А. Дерябин // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство: материалы Двенадцатой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Старый Оскол, 2015. С. 60-65.
10. Исследование влияние комплексного легирования высокомарганцевой стали, азотированной Ti-Ca лигатуры, на показатели абразивной износостойкости / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко, И.Б. Хренов, Д.А. Дерябин // Теория и технология металлургического производства. 2016. № 2 (19). С. 58 - 64.
11. Исследование составов шлаков при выплавке стали Гадфильда / К.Н. Вдовин, О.Ю. Шешу-ков, Н.А. Феоктистов, А. А. Метелкин // Теория и технология металлургического производства. 2015. № 2 (17). С. 32 - 35.
12. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Хабибуллин Ш.М. Технологический процесс производства броней из стали марки 110Г13Л в условиях ООО «Ремонтно-механический завод» // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 1 (14). С. 51 - 52.
13. Обзор результатов исследований, направленных на улучшение свойств отливок из высокомарганцевой стали / Е.В. Синицкий, А.А. Не-федьев, А.А. Ахметова, М.В. Овчинникова, И.Б. Хренов, Д.А. Дерябин // Теория и технология металлургического производства. 2016. № 2 (19). С. 45 - 57.
14. Vdovin K.N., Feoktistov N.A., Gorlenko D.A. Influence of Heat Treatment on Wear Resistance of Alloyed Hadfield Steel and Phase Transformations in it // Materials Science Forum. Vol. 265, 2017, pp. 640-645.
15. Doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.265.640.
16. Исследование механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали, легированной азотированным феррохромом / В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, В.П. Чернов, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т. 14. № 3. С. 46 - 54.
Сведения об авторах
Никитенко Ольга Александровна. ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; инженер-исследователь научно-исследовательского сектора; канд. техн. наук.
Феоктистов Николай Александрович. ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; доцент кафедры технологии металлургии и литейных процессов; канд. техн. наук.
Горленко Дмитрий Александрович. ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; ст. преп. кафедры технологии металлургии и литейных процессов; канд. техн. наук.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
STUDY OF THE INFLUENCE OF NITRATED FERROVANADIUM ON THE PARAMETERS OF MICROSTRUCTURE CASTINGS OF HADFIELD STEEL
Nikitenko Olga Aleksandrovna - PhD (Eng.), engineer-researcher of research sector, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Feoktistov Nikolai Aleksandrovich - PhD (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Fna87@mail.ru
Gorlenko Dmitriy Aleksandrovich - PhD (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Abstract. In the given paper the results of studies of the microstructure of high-manganese steel micro-alloyed with nitrided ferrovanadium are presented. The cooperative influence of the crystallization thermal conditions and cooling of the casting, as well as nitrided ferrovanadium on the austenite grain size and its anisotropy is considered. In addition, the influence of these two factors on the micro hardness of austenite is established.
Keywords: high-manganese steel, nitrided ferrovanadium, austenite, anisotropy coefficient, heat treatment.
Ссылка на статью:
Изучение влияния азотированного феррованадия на параметры микроструктуры литых изделий из стали гадфильда / Никитенко О.А., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А.// Теория и технология металлургического производства. 2018. №1(24). С. 28-33.
Nikitenko О.А., Feoktistov N.A., Gorlenko D.A. Study of the influence of nitrated ferrovanadium on the parameters of microstructure castings of hadfield steel// TeoriaI tehnologia metallurgiheskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2018, vol. 24, no. 1, pp. 28-33.
