CC BY
53
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
4. Intercritical normalization - a way of hardening of welded structures / S.V. Egorova, A.V. Jur-chishin, A.I. Krendeleva [and others] // Automatic Welding. - 1992. - № 4. - P. 24-28. (Rus.)
5. Petrunenko A.A. Heat treatment of low alloy steels for obtaining austenitic-ferritic-bainitic structure / A.A. Petrunenko // Physic of metall and metallurgiya. - 1991. - № 5. - P. 93-98. (Rus.)
6. Jiang Haitao. Influence of isothermal bainitis processing on the mechanical properties and microstructure characterization of TRIP-steel / Haitao Jiang, Hubin Wu, Di Tang, Qiang Lui // J.Univ. Sci. and Technol. Beijing. - 2008. - № 5. - P. 574-579.
7. Liu Jie. Research and development of a new type of TRIP-steels under UNISPAR/ Jie Liu, Lin Li, Liu Rendong // Shanghai Metals. - 2009. - № 1. - P. 22-25.
8. Malinov L.S. Improving the properties of steel and ductile iron in them obtaining multiphase structures including bainite and metastable austenite /L.S. Malinov // Metal and casting of Ukraine. - 2004. - № 7. - P. 8-10. (Rus.)
9. Dyachenko S.S. Features structures incomplete recrystallization of their influence on the properties of steel / S.S. Dyachenko, O.P. Fomenko // Metals and heat treatment of metals. - 1970. -№ 1. - P. 9-11. (Rus.)
10. Polyakova A.M. Intercritical hardening of structural steel / A.M. Polyakova, V.D. Sadowski // Metals and heat treatment of metals. - 1970. - № 4. - P. 5-8. (Rus.)
Рецензент: А.И. Троцан
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 20.05.2013
УДК 621.771.294.64:621.785.55
© Ефременко В.Г.1, Чабак Ю.Г.2, Гаврилова В.Г.3,
Ефременко Б.В.4
ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ ВЫСОКОХРОМИСТОГО ЧУГУНА ПРИ НАГРЕВЕ ПОД ЗАКАЛКУ
Установлено, что при окислительном нагреве под закалку (1000-1150 оС) в поверхностных слоях высокохромистого чугуна происходит растворение вторичных и эвтектических карбидов, уменьшение содержания углерода и увеличение концентрации хрома. Исследована кинетика процессов, определены кинетические параметры, рассчитаны энергия активации и коэффициент диффузии углерода. Ключевые слова: чугун, окислительный нагрев, карбиды, растворение, углерод, хром, диффузия, энергия активации.
Сфременко В.Г., Чабак Ю.Г., Гаврилова В.Г., Сфременко Б.В. Зневуглецювання високохромистого чавуну при нагрiваннi тд загартування. Встановлено, що тд час окислювального нагрiвання тд загартування при 1000-1150 оС у поверхневих шарах високохромистого чавуну вiдбуваeться розчинення вторинних та евтекти-чних карбiдiв, зменшення вмiсту вуглецю та збшьшення концентрацп хрому. Досли джено ктетику процеав, визначено ктетичт параметри, розраховано енергт активацИ та коефщент дифузп вуглецю.
Ключовi слова: чавун, окислювальний нагрiв, карбiди, розчинення, вуглець, хром, дифузiя, енергiя активацИ.
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
4 студент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
V. G. Еfremenko, Yu. G. Chabak, V. G. Gavrilova, B. V. Efremenko. Decarburization of high-chromium cast iron during quenching heating. It is found that during oxidizing heating at 1000-1150 оС the secondary and eutectic carbides dissolution accompanied by carbon content decreasing and chromium content increasing in surface layers of high-chromium cast iron takes place. The processes kinetics is studied, kinetic parameters are found, activation energy and diffusion coefficient of carbon are calculated. Keywords: cast iron, oxidizing heating, carbides, dissolution, carbon, chromium, diffusion, activation energy.
Постановка проблемы. В литературе практически отсутствуют данные о характере и кинетике процессов изменения структуры в поверхностных слоях белых чугунов с высоким содержанием хрома при нагреве под закалку. Это не позволяет обоснованно подходить к назначению режимов предварительной и окончательной термической обработки отливок из высокохромистого чугуна.
Анализ последних исследований и публикаций. Белые чугуны, содержащие 12-25% Cr, широко применяются в качестве триботехнического материала для разнообразных отливок, работающих в условиях абразивного, коррозионно-абразивного, эрозионного изнашивания [1-3]. Для обеспечения максимальной износостойкости отливки подвергаются высокотемпературной термической обработке (дестабилизации) [4, 5]. Как правило, нагрев производится в среде воздуха, что может приводить к изменению структуры и химического состава приповерхностных слоев.
Известно [6], что сплавы, содержащие свыше 12 % Cr, обладают повышенным сопротивлением коррозии. Хром обеспечивает формирование на поверхности изделий плотных оксидных пленок, надежно экранирующих основной металл от агрессивной внешней среды. Это относится и к случаю высокотемпературной коррозии, проявляющейся в активном окислении поверхности атмосферным кислородом. Для эффективной борьбы с окислением сплав должен содержать не менее 25 % хрома, подтверждением чему является успешное применение в качестве жаростойких материалов сталей типа Х25 [6]. Многие из применяемых высокохромистых чугунов содержат меньшее количество хрома (12-20 %) [7, 8], при этом большая его часть сосредоточена в карбидной фазе, в связи с чем уровень их жаростойкости недостаточно высок для эффективного противодействия высокотемпературной коррозии. При проведении дестабилизирующей термической обработке отливки из высокохромистых чугунов длительное время (до 10 ч) подвергаются воздействию высокой температуры (950-1150 оС) [4, 5, 7]. Помимо окисления, это может приводить к обезуглероживанию поверхности, что повлияет как на обрабатываемость резанием отливок, так и в дальнейшем - на износостойкость готовых изделий.
Цель роботы - исследовать характер изменения структуры, а также химического состава в поверхностных слоях высокохромистого чугуна при нагреве в окислительной атмосфере.
Материал и методики исследований. Исследование проводили на чугуне 270Х15Г2Н1МФТ следующего химического состава, в масс. %: 2,70 С; 2,20 Мп; 0,55 Si; 14,55 Сг; 0,93 Ni; 0,39 Мо; 0,38 V; 0,11 Ti. Образцы чугуна размером 3х10х10 мм выдерживали в электрической муфельной печи в воздушной атмосфере при температуре 1000, 1050, 1100 и 1150 оС в течение 1, 2, 4, 6 и 8 ч. По окончании выдержки образцы охлаждались на воздухе, после чего исследовали изменение микроструктуры и фазового химического состава по сечению образца. В исследовании использовали метод теплового травления (нагрев полированных образцов при 400 оС в течение 1 ч), позволяющий по-разному окрашивать различные фазы сплава. Применяли микроструктурный метод исследования с использованием оптического микроскопа «Neophot-21» и сканирующий электронный микроскоп «Carl Zeiss Ultra-55» с энергодисперсионным анализатором фирмы «Oxford Instrumental».
Предполагая, что взаимодействие с атмосферным кислородом приведет к удалению углерода из поверхностных слоев, что отразится на количестве карбидной фазы и степени легиро-ванности металлической матрицы, в ходе исследований микроструктуры от поверхности вглубь образца определяли: 1) объемную долю эвтектических карбидов; 2) глубину слоя от поверхности, на которой фиксируются вторичные карбидов; 2) химический состав металлической матрицы.
Объемную долю карбидов подсчитывали на полученных микрофотографиях методом се-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
кущих, проводившихся вдоль контрольных отрезков длиной 170 мкм; расстояние между отрезками составляло 18 мкм. На каждом из образцов замеры выполняли вдоль 4-5 линий сканирования с последующим усреднением полученных результатов. Изменение химического состава оценивали по разнице в цвете матрицы (обусловленной обогащением твердого раствора хромом) и по результатам точечного микроанализа. Подсчет производили с помощью с использованием программного обеспечения «AreaPixAraПzer», разработанного на кафедре МиТОМ ГВУЗ «ПГТУ».
Изложение основного материала. В исходном (литом) состоянии микроструктура чугуна состояла из аустенитно-карбидной эвтектики у+Ме7С3 и дендритов первородного аустенита с небольшой долей троостита. Насыщенность окраски на подвергнутом тепловому травлению микрошлифе коррелирует с содержанием хрома в матрице, поскольку хром обеспечивает формирование оксидных пленок, от толщины которых зависит характер преломления отраженных лучей (т.е. визуальная окраска конкретного участка). Из рис. 1 следует, что хром преимущественно равномерно распределен в теле дендритов; на границе с эвтектическими карбидами (ЭК) его концентрация несколько понижена, на что указывает наличие темных участков непосредственно на границах с эвтектикой. В процессе нагрева из аустенита выделяются дисперсные вторичные карбиды хрома, при этом, обедняясь хромом, матрица приобретает более темный, насыщенный оттенок (рис. 1, б).
а) б)
Рис. 1 - Микроструктура чугуна в исходном (литом) состоянии (а) и после нагрева
в течение 6 ч при 1000 оС (б) х500
Было установлено, что при нагреве в чугуне протекают процессы, указывающие на постепенное снижение содержания углерода в приповерхностных слоях. Это выражается в уменьшении количества карбидов - как вторичных, так и эвтектических. Вначале наблюдали растворение вторичных карбидов, а затем - уменьшение в объеме, «таяние», эвтектических карбидов. По мере увеличения времени выдержки фронт указанных изменений продвигался от поверхности к центру образцов, приводя к изменению окраски матрицы.
Снижение количества карбидов связано с их растворением (диссоциацией) в аустените. Реакция взаимодействия углерода и кислорода (2С+О2=2СО) является одной их основных в процессе высокотемпературной коррозии. Для восстановления начального уровня химического потенциала углерода в матрице возникают диффузионные потоки атомов углерода из внутренних к наружным слоям. Поддержание интенсивности этих потоков требует их постоянной «подпитки» атомами углерода, что возможно лишь за счет растворения карбидов. Диссоциация карбидов Ме7С3 и отвод атомов углерода приводит к насыщению матрицы хромом, что делает ее визуально более светлой.
При 1000-1050 оС в начале выдержки первой начинает осветляться середина дендритов за счет растворения залегающих здесь вторичных карбидов хрома - стадия «а» (рис. 2,а). По мере
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
роста времени выдержки начинается растворение эвтектических карбидов (стадия «б»). В связи пониженной диффузионной подвижностью хрома его концентрация не сразу выравнивается в матрице, он остается в местах залегания бывших эвтектических карбидов, приводя к интенсивному осветлению участков на границе «матрица - карбид» (рис. 2, б). При 1100-1150 оС растворение вторичных карбидов происходит достаточно быстро (в течение первого часа), поэтому вместо стадии «а» сразу фиксировали осветление прикарбидных участков матрицы. Выдержка в течение 6-8 ч при указанных температурах приводит к практически полному освобождению структуры от эвтектических карбидов (рис. 2, в), при этом сохраняется выраженная неравномерность в распределении хрома (обогащение хромом междендритных участков) (рис. 2, г).
в) г)
Рис. 2 - Растворение ЭК у поверхности образцов в ходе выдержки при 1050 оС в течение 1 ч (а), при 1150 оС в течение 4 ч (б), 6 ч (в), 8 ч (г) х500
На рис. 2 показано изменение количества эвтектических карбидов по сечению образца в направлении от поверхности к центру образцов, нагретых до разных температур. В неокислен-ной части образцов (вдали от поверхности) Количество эвтектических карбидов колеблется от 24,5 до 31,3 % со средним значением 27,6 %. Как следует из рис. 3 а, в результате выдержки при 1000 оС в течение 1-6 ч среднее количество ЭК снизилось до 15-18 % на глубину до 1580 мкм, соответственно. При увеличении выдержки до 8 ч зона пониженной средней доли ЭК (15-18 %) расширилась глубину до 300 мкм. По мере роста температуры выдержки наблюдается тенденция уменьшения количества карбидов на любом удалении от поверхности на глубину до 4000 мкм. При 1100 оС выдержка в течение 4-6 ч приводит к снижению доли ЭК до 3-6 % на глубину до 100 мкм и до 13 % - на глубину до 1000 мкм. В случае выдержки 8 ч в приповерхностных слоях на глубину до 10 мкм наблюдается полное растворение карбидов, а на глубине 1000 мкм доля ЭК не превышает 8 %.
35
30
° _ 25
m
о
ю 20 о.
о
S5 15
10
-1 ч -2 ч
6 ч-8 ч
10 100 1000 Расстояние от поверхности, мкм
а)
1 10 100 1000 10000 Расстояние от поверхности, мкм
30
25
20
15
10
с
£
к
J
__<—у
-1 ч -2 ч -4 ч -8 ч
10 100 1000 Расстояние от поверхности, мкм
б)
-1 ч -2 ч
6 ч -8 ч
1 10 100 1000 10000 Расстояние от поверхности, мкм
в)
г)
5
5
0
0
Рис. 3 - Изменение количества эвтектических карбидов по сечению образцов в ходе
выдержки при 1000 оС (а), 1050 оС (б), 1100 оС (в), 1150 оС (г) х500
Еще более высокая степень обезуглероживания наблюдается после выдержки при 1150 оС. Уже после часа нагрева количество ЭК в слое до 100 мкм не превышает 15 %. Выдержка 6 и 8 ч обеспечивает практически полную очистку структуры от карбидов на глубину до 100 мкм. В последнем случае глубина слоя с долей ЭК < 15 % увеличивается до 2000 мкм. Общая глубина залегания слоев, затронутых процессами обезуглероживания после 8 ч при 1150 оС, достигает 4 мм.
Представленные на рис. 3 данные были использованы для описания кинетики обезуглероживания поверхности исследованного чугуна. Поскольку растворение карбидов является термически активируемым процессом, использовали уравнение Аррениуса:
V = А • ехр^- Щ. (1)
где V - скорость процесса;
Q - энергия активации;
А - предэкспоненциальный множитель.
Скорость растворения карбидов оценивали как:
V =
AF
(2)
где ^ - разница в объемной доле ЭК при конкретной температуре выдержки;;
х - время выдержки. Используя логарифмирование, представили выражение (1) как:
lnV = 1пА - ■ -. (3)
R Т
Расчет параметров Q и А вели по выражению (3) для различных температур выдержки
для точек на различном удалении от поверхности. Тангенс угла наклона прямых 1пУ=А(1/Т) характеризует величину Q/R (рис. 4). Были получены результаты, представленные в таблице.
Из таблицы следует, что энергия активации растворения ЭК колеблется от 103 до 349,3 кДж/г-ат, причем наблюдается четко выраженная тенденция роста 0 и А по мере удаления от поверхности. Эту тенденцию можно адекватно (Л2>0,9) аппроксимировать эмпирическими экспоненциальными выражениями Л=50650-ехр(0.0021-Л) и 2=102297-ехр(0,006-й), где и - глубина слоя в мкм.
Используя выражение (4), можно пе-Рис. 4 - Прямые, использованные рейти к определению изменения концен-
для расчета 0 и А выражения (1) для трации химических элементов по глубине
конкретной глубины слоя обезуглероженного слоя чугуна. Для этого
нами был предложен новый подход, основанный на нахождении корреляционных зависимостей между содержанием элементов, количеством карбидов и интенсивностью цветовой окраски поверхности микрошлифа, подвергнутого тепловому травлению.
с -1
-3 -
-----
« 10 мкм
□ 40 мкм
а 100 мкм
X 200 мкм
д 500 мкм
О 1000 мкм
+ 2000 мкм
0,0007 0,00072
0,00074 0,00076 1/T
0,00078 0,0008
Таблица
Значения параметров Q и А процесса растворения эвтектических карбидов
Параметр Удаление от поверхности, мкм
10 40 100 200 500 1000 2000
Q, кДж/г-ат 103,0 110,29 113,98 118,0 128,0 188,74 349,3
А10-3 23,388 71,682 51,534 112,420 135,944 442,413 3269,017
г
Для реализации этого подхода, прежде всего, провели анализ изображений микрофотографий, полученных на различном удалении от поверхности образцов. С помощью программы «AreaPixAraПzer» была определена интенсивность потемнения в отдельных точках фотографий. Интенсивность оценивалась индексом потемнения (ИП) с общей градацией от 0 до 256 по мере повышения плотности окраски. Для каждой из температур были построены графики зависимости потемнения от глубины залегания точки. Их совмещением с распределением количества ЭК по сечению (рис. 3) были получены другие зависимости, связывающие количество ЭК с плотностью потемнения матрицы в центральной части дендритов (вдали от ЭК) и в непосредственной близости от растворяющегося эвтектического карбида (рис. 5).
Таким образом, было получено выражение, с помощью которого можно определять долю ЭК на различном удалении от поверхности исследованного чугуна при 1000-1150 оС в зависимости от времени выдержки:
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
F = F0 -х- (50650 ■ exp(0,0021 • h)) где F0 - исходная средняя доля ЭК.
к s х Ф
Ф
н
о
ф ч:
195 190 185 180 175 170 165 160 155 150
♦ 1000оС
1050 оС
1100 оС
□ 1150оС ■■ н п 1 ¡J dA t А А
A MfK А V VA щ А
А°/7 фС / * □
л l ♦
А /ПА А а)
0 5 10 15 20 25 Количество карбидов, %
30
102297 • exp(0,006 • h)" RT
(4)
187 185 183 181 179 177 175 173
♦ 1000 оС ■ 1050 оС А 1100 оС □ 1150 оС
□а а
□ А А
б)
5 10 15 20 25 Количество карбидов, %
30
Рис. 5 - Зависимость индекса потемнения матрицы от количества ЭК рядом эвтектическими карбидами (а) и в центральной части дендритов (б)
Как следует из рис. 5, матрица возле карбидов имеет при равном количестве ЭК более светлую окраску, что обусловлено более интенсивным обогащением ее хромом. Как видно, точки для различных температур достаточно хорошо укладываются в общие полосы, что позволяет аппроксимировать все экспериментальные данные одной зависимостью - степенной для мест возле карбидов, и линейной - для мест вдали от карбидов (в центральной части дендритов):
ИП= 139,3-(ЭК)0087 R2 = 0,71
ИП== 0,27-ЭК+ 174,58 (R2 = 0,36).
(5)
[Cr, %]= - 0,31 -ИП + 65,8 [V, %]= - 0,01-ИП + 1,99 [Мо, %]= -0,0002-ИП + 0,41 [Mn, %]= - 0,005-ИП + 3,25 [С, %о] = 0,008-ИП + 0,59 [Si, %>] = 0,008-ИП + 0,43 [О, %] = 0,013-ИП - 0,90
R2 = 0,63 R2 = 0,0004 R2 = 0,12 R2 = 0,60 R2 = 0,82 R2 = 0,62
(6)
(7)
(8)
(9)
(10) (11) (12)
На втором этапе с помощью функции [Cr, %]= - 0,31-ИП + 65,8 R2 = 0,82 энергодисперсионного микроанализа на электронном сканирующем микроскопе «Carl Zeiss Ultra-55» был определен химический состав в различных точках образцов, подвергнутых окислительному нагреву при 1150 оС. Точки располагались на различном удалении от поверхности и соответствовали участкам матрицы с различной интенсивностью окраски. Результаты электронно-микроскопического анализа показаны на рис. 6. в виде зависимостей массовой доли C, Cr, Si, O, V, Mn, Mo от величины индекса потемнения. Эти зависимости описываются линейными выражениями, которые для всех элементов, за исключением Mn и Мо являются статистически значимыми:
В соответствии с выражениями (6)-(11) концентрация хрома, ванадия и марганца обратно пропорциональна величине ИП. Основную роль при этом играет хром, растворение которого в аустените обеспечивает повышение устойчивости металла к окислению. Ванадий (как и хром) содержится преимущественно в ЭК, при диссоциации которых он переходит в твердый раствор, и благодаря влиянию хрома возникает «минус» при аргументе в выражении (7). Аналогично «влияет» и марганец, хотя ввиду примерно равного распределения между матрицей и карбидами зависимость получается более размытой (рис. 6 , е), с невысокой статической значимостью.
Концентрация углерода, кремния и кислорода, напротив, растет по мере повышения плотности потемнения поверхности. Такая зависимость для углерода объясняется его интенсивным диффузионным переносом к поверхности. «Светлые» участки матрицы фиксируются в
0
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
приповерхностных слоях образцов, где происходит достаточно интенсивное растворение ЭК и насыщение матрицы хромом. Из этих же мест углерод, перейдя из карбидов в твердый раствор, интенсивно диффундирует в направлении поверхности. Таким образом, прикарбидные участки обедняются углеродом и обогащаются карбидообразующими элементами. Прямо пропорциональная зависимость концентрации кремния от величины ИП объясняется тем, что кремний практически не растворяется в ЭК, поэтому после диссоциации карбида объем, ранее занимаемый им, оказывается обогащенным хромом (т.е. более светлым), но обедненным по кремнию.
20 18 16 14 12 10 8 6
2,3 2,2
0
го = 2,1 к
§■ 2
ГО ^
£ 1,9
си
1 1,8
£
1,7
1,4 1,3 1,2 . 1,1 ■ 1 0,9
155 165 175 185 195 Индекс потемнения, пикс.
150 160 170 180 190 Индекс потемнения, пикс.
150 160 170 180 190 200 Индекс потемнения, пикс.
1,7 1,5 1,3 1,1 0,9
О /С, "X:
# ♦ г)
150 160 170 180 190 200 Индекс потемнения, пикс.
0,8 0,6 ■ 0,4 . 0,2 0
150 160 170 180 190 200 Индекс потемнения, пикс.
2,9 8 2,7
2,5
га
| 2,3
2,1
п Мп
■
■ 1 #
ш ■■Ь ■ \ □ Ъ е)
150 160 170 180 190 200 Индекс потемнения, пикс.
Рис. 6 - Взаимосвязь индекса потемнения и концентрации химических элементов в поверхностных слоях окисленного при 1150 оС чугуна
Также на поверхности микрошлифов фиксировали присутствие кислорода как результат теплового травления микрошлифов. Для кислорода также был отмечен прямо пропорциональный характер зависимости концентрации от ИП. Это связано с ростом сопротивления матрицы высокотемпературному окислению по мере растворения карбидов, т.е. повышения концентрации в ней хрома. Поскольку в насыщенной хромом матрице меньшее количество кислорода вступает в химическую реакцию с металлом, это и предопределяет пониженное содержание кислорода именно на светлых (т.е. обогащенных хромом) участках поверхности.
Решая уравнение (4) с подстановкой выражений (5) и (6)-(12), получили возможность оценивать изменение химического состава приповерхностных слоев чугуна 270Х15Г2Н1МФТ в условиях окислительного нагрева при 1000-1150 оС. На рис. 7 представлены одни из результатов вычислений, показывающие изменение содержания углерода в междендритных участках чугуна по мере увеличения времени выдержки при нагреве.
Полученные данные о распределении углерода по глубине обезуглероженного слоя были использованы для расчета коэффициента (Dс) и энергии активации диффузии углерода. Для этого использовали решение второго закона Фика в виде [9]:
С - С С - С,
г
= у
Л
(13)
где Со - концентрация углерода в матрице в зоне, не подвергшейся изменением при окислении,
С/ - концентрация углерода на поверхности (получали экстраполяцией расчетных данных),
х
Сх - концентрация углерода на расстоянии х от поверхности; т - продолжительность нагрева;
(
У
x
Л
i4d
- функция Гаусса.
*
2,2 2,15 2,1 2,05 2
1,95 1,9 1,85 1,8 1,75
3 4 5 Время, ч
□ 2,15-2,2
□ 2,1-2,15
□ 2,05-2,1
□ 2-2,05
□ 1,95-2
□ 1,9-1,95
□ 1,85-1,9
□ 1,8-1,85
□ 1,75-1,8
Глубина,
2,20 2,15 2,10 2,05 2,00 1,95 1,90 1,85 1,80 1,75
□ 2,15-2,2
□ 2,1-2,15
□ 2,05-2,1
□ 2-2,05
□ 1,95-2
□ 1,9-1,95
□ 1,85-1,9
□ 1,8-1,85
□ 1,75-1,8
Глубина,
78
а)
Время, ч
б)
2,20 2,15 2,10 2,05 2,00 1,95 1,90 1,85 1,80 1,75
Время, ч
78
□ 2,15-2,2
□ 2,1-2,15
□ 2,05-2,1
□ 2-2,05
□ 1,95-2
□ 1,9-1,95
□ 1,85-1,9
□ 1,8-1,85
□ 1,75-1,8
в)
2,202,15 2,10 2,05 2,00 1,95 1,90 1,85 1,80 1,75
,15-2,2
,1-2,15
,05-2,1
2,05
95-2
,9-1,95
85-1,9
,8-1,85
75-1,8
Время, ч
78
7
8
Рис. 7 - Влияние продолжительности выдержки при 1000оС (а), 1050оС (б), 1100оС (с), 1150оС (д) на содержание углерода в междендритных участках чугуна 270Х15Г2Н1МФТ
Расчет производили для слоя на глубине 500 мкм с нагревом в течение 8 ч. Были получены следующие значения коэффициента Dc (см2/с): 9,48-10-10, 7,18-10"10, 3,47-10-10, 4,29-10-10 - для температур 1000 оС, 1050 оС, 1100 оС, 1150 оС, соответственно. Величину энергии активации нашли из выражения (2), заменив в нем lnV на lnDc. В результате вычислений были получены константы диффузии углерода из внутренних слоев к поверхности образцов из чугуна 270Х15Г2Н1МФТ: Qд = 200,54 кДж/г-атом; А = 0,109 см2/с. Полученное значение Qд примерно на 53 % превышает значения, приведенные в [9] для углеродистой стали и на 30 % - для стали с 19 % Мп. Это объясняется присутствием в аустените чугуна значительного количества хрома, активно снижающего диффузионную подвижность углерода (при этом влияние хрома значительно выше, чем марганца [9]).
Выводы
1. Показано, что высокотемпературная выдержка в окислительной атмосфере приводит к снижению содержания углерода в поверхностных слоях белого чугуна, содержащего 14,55 % Сг. Это проявляется в уменьшении количества вторичных и эвтектических карбидов и сопровождается насыщением поверхностных слоев хромом. Общая глубина залегания слоев, затронутых процессами обезуглероживания после 8 ч при 1150 оС, достигает 4 мм.
2. Получены выражения для расчета кинетики обезуглероживания высокохромистого чугуна при нагреве под закалку, рассчитаны константы диффузии углерода. Предложена методика
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
оценки изменения концентрации химических элементов по глубине обезуглероженного слоя чугуна, которая основана на компьютерном анализе цифровых изображений микроструктуры, полученной тепловым травлением.
Список использованных источников:
1. Durman R.W. Progress in Abrasion-Resistant Materials for Use in Comminuting Processes / R.W Durman. // Int. J. Miner. Proc. - 1988. - V. 22. - P. 381-399.
2. Поддубный А.Н. Мелющие шары с высокой эксплуатационной стойкостью из белого легированного чугуна / А.Н Поддубный., И.К. Кульбовский, А.В. Дюков // Литейное производство. - 1997. - № 5. - С.46.
3. Жуков А.А. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов / А.А. Жуков, Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов. - М.: Машиностроение. 1984. - 104 с.
4. Karantzalis A.E. Effect of Destabilization Heat Treatments on the Microstructure of High-Chromium Cast Iron: a Microscopy Examination Approach / A.E. Karantzalis, A. Lekatou, E. Diavati // JMEPEG. - 2009 - V. 18(8). - P. 1078-1085.
5. Bedolla-Jacuinde A. Kinetics of Secondary Carbide Precipitation in a High-Chromium White Iron / A. Bedolla-Jacuinde. L. Arias, B. Hernarndez // JMEPEG. - 2003. - V. 12 (4). - P. 371-382.
6. Гольдштейн М. И. Специальные стали. Учебник для вузов // М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
7. Laird G. Microstructures of Ni-Hard I, Ni-Hard IV and High-Cr White Cast Irons / G. Laird // AFS Transactions. - 1991. - V. 99. - P. 339-357.
8. Петраков О.В. Структура белых износостойких легированных чугунов / О.В. Петраков, А.Н. Поддубный // МиТОМ. - 2007. - № 8. - С. 36-38.
9. Шмыков А.А. Справочник термиста / А.А. Шмыков - М.: Машгиз, 1961. - 391 с.
Bibliography:
1. Durman R.W. Progress in Abrasion-Resistant Materials for Use in Comminuting Processes / R.W. Durman. // Int. J. Miner. Proc. - 1988. - V. 22. - P. 381-399.
2. Poddubnyi A.N. Grinding balls with high wear performance out of white alloyed cast iron / A.N. Poddubnyi, I.K. Kul'bovskyi, A.V.Dukov // Foundry. - 1997. - № 5. - P. 46. (Rus.)
3. Zhukov A.A. Wear resistant casting of complex-alloyed white cast irons / A.A. Zhukov, G.I. Sil-man, M.S. Frol'tzov. - М.: Machinebuilding. 1984. - 104 p. (Rus.)
4. Karantzalis A.E. Effect of Destabilization Heat Treatments on the Microstructure of High-Chromium Cast Iron: a Microscopy Examination Approach / A.E. Karantzalis, A. Lekatou, E. Diavati // JMEPEG. - 2009 - V. 18(8). - P. 1078-1085.
5. Bedolla-Jacuinde A. Kinetics of Secondary Carbide Precipitation in a High-Chromium White Iron / A. Bedolla-Jacuinde. L. Arias, B. Hernarndez // JMEPEG. - 2003. - V. 12 (4). - P. 371-382.
6. Goldshtein M.I. Special steels. Textbook // M.I. Goldshtein, S.V.Gratchov, Yu. G. Veksler. - М.: Metallurgy, 1985. - 408 p. (Rus.)
7. Laird G. Microstructures of Ni-Hard I, Ni-Hard IV and High-Cr White Cast Irons / G. Laird // AFS Trans. - 1991. - V. 99. - P. 339-357.
8. Petrakov O.V. Structure of white wear resistance alloyed cast irons / Petrakov O.V., A. N. Poddubnyi // Metal Science and Heat Treatment. - 2007. - № 8. - P. 36-38. (Rus.)
9. Shmykov A.A. Handbook of Heat-treater / A.A. Shmykov. - М.: Маshgiz, 1961. - 391 p. (Rus.)
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 18.02.2013
