CC BY
165
Библиографический список
1. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машгиз, 1963. 408 с.
2. Использование трибо- и пьезоэлектрического эффектов в приготовлении смесей / Васин Ю.П., Бортников М.М., Илла-
рионов И.Е. и др.// Литейное пр-во. 1979. № 8. С. 25-26.
3. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 1965.
4. Гудков А.С. и др. Основы поисков и разведки месторождений пьезооптических минералов. М.: Гостехиздат, 1960.
5. Воларович М.П., Соболев Г.А. Пьезоэлектрический метод геодезической разведки кварцевых и пегматитовых жил. М.: Наука, 1960.
6. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. М.: Наука, 1968.
7. Олофинский Н.Ф. О применении электрических и других, связанных с ними, сухих методов обогащения в районах с
ограниченными водными ресурсами // Теория и практика сепарации в электрическом и магнитном полях. М.: Наука,
1968. С. 20-45.
8. Машин А.Р. Электронно-струйная технология бетона и сборных железобетонных изделий. Саратов: Приволж. кн. изд-во, 1968. 288 с.
9. Илларионов И.Е. Исследование уплотняемости и текучести песчано-глинистых формовочных смесей при высоком давлении прессования: Дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1973. 273 с.
10. К вопросу о влиянии постоянного тока на физико-механические свойства формовочных смесей / Васин Ю.П., Пашнин
М.И., Илларионов И.Е. и др. // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. Хабаровск, 1972.
С. 44-46.
11. Толстой Н.А. и др. Жесткий электрический дипольный момент коллоидных частиц // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1967. С. 56-78.
12. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Адгезия. М.; Л.: Изд-во. АН СССР, 1949. 244 с.
УДК 621.74:669.13.25.046(043)
В. М. Колокольцев, Е. В. Петроченко, Б. В. Воронков
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Перспективными инструментальными и конструкционными материалами, в которых сочетаются повышенные прочность, пластичность, износостойкость, жаропрочность, жаростойкость и др., являются литые композиции из мягкой матрицы и упрочняющей фазы. Значительную группу литых композитов составляют комплексно-легированные белые чугуны с инвертированной структурой и высокотвердыми карбидами, вызывающими композиционное и дисперсионное упрочнение сплава. Свойства комплексно-легированных чугунов зависят от характера карбидной фазы и металлической основы (матрицы). Требования к структуре чугуна определяются условиями эксплуатации конкретных изделий. Металлическая матрица должна обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при приложении нагрузок при нормальных и повышенных температурах, и вязкостью, чтобы препятствовать выкрашиванию карбидов. Эвтектическая структура должна иметь композиционный характер.
Были разработаны белые чугуны, легированные комплексами У-Си-Т-В, У-Сг, У-Сг-Мо, Сг-Мп-№-Т1, Сг-Мп-№-А1, Сг-Мп-№-№, с ин-
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.-------
вертированной микроструктурой и значительным композиционным упрочнением. Исследована структура и свойства этих чугунов в зависимости от химического состава и кинетических условий кристаллизации.
Структуру, фазовый состав чугунов и оксидных слоев исследовали с помощью металлографического, рентгенографического и электронографического методов.
Количественный металлографический анализ, автоматизированную обработку результатов измерения микротвердости проводили на анализаторе изображений Thixomet.
Межфазное распределение легирующих элементов определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа с рентгеновским микроанализатором LEO 430 pi.
Химический состав оксидных и подоксидных слоев исследовали на спектрометре тлеющего разряда.
Окалиностойкость образца оценивали весовым методом по увеличению массы образца (г/м2). Ростоустойчивость оценивали по изменению длины (%).
--------------------------------------------97
Испытание на износостойкость проводили при трении о жестко и нежестко закрепленный абразив на лабораторных установках.
Температуры и энтальпии фазовых переходов, окислительную стабильность исследовали на приборе синхронного термического анализа NETZSCH model STA 409 PC Luxx.
В структуре исследованных сплавов присутствуют следующие виды эвтектик: двойные эвтектики (у+карбид легирующего элемента, (у+легиро-ванный цементит), тройные эвтектики (у+карбид легирующего элемента+легированный цементит, у+МС+ М7С3 и др.). Эвтектические композиции в зависимости от химического состава и скорости охлаждения при кристаллизации могут иметь различный характер: волокнистый, зернистый пластинчатый, стержневой и др.
Примером полностью инвертированной структуры эвтектики является аустенитно-ванадиево-карбидная в белых ванадиевых чугунах.
В сплавах, содержащих 2,5 % углерода и 7,0% ванадия, кристаллизация происходит практически без образования эвтектического цементита.
Рис. 1. Микроструктура ванадиевых чугунов, залитых в песчано-глинистую форму (ПГФ)
Структура чугуна в основном состоит из тонко-разветвленных волокнистых или компактных эвтектических карбидов ванадия и перлитной матрицы (рис. 1, а, б).
С повышением содержания углерода до 3,0% инверсия чугуна становится неполной, увеличиваются количество и размеры колоний ледебуритоподобной составляющей до 25-27%, которая располагается в виде сплошной или частично разорванной сетки по границам колоний двойной эвтектики (см. рис. 1, б). Уровень микротвердости матрицы литых ванадиевых чугунов примерно одинаков, увеличивается с повышением концентрации углерода и незначительно возрастает с увеличением концентрации ванадия от 4600 до 5800 МПа.
Максимум износостойкости, твердости и прочности достигается при содержании в чугуне 2,63,0% С. При содержании менее 2,6 и более 3,0% С износостойкость чугуна резко падает. В первом случае снижение износостойкости вызвано уменьшением общего количества карбидной фазы, во втором - инверсия структуры чугуна становится неполной и, кроме того, образуются крупные карбидные включения, которые в процессе испытания выкрашиваются и увеличивают износ.
При оптимизации были определены оптимальные концентрации ванадия и углерода, масс. %: 2,6-3,0 С; 5,0-8,0 У. Именно при таком соотношении ванадия и углерода формируется структура, обеспечивающая максимальную износостойкость чугунов исследованных составов. Недостаточно высокая износостойкость исследованных чугунов обусловлена перлитной структурой металлической основы и наличием сетки ледебуритоподобной составляющей.
Повысить свойства белых чугунов можно за счет изменения плотности (изменения количества карбидной фазы) и характера эвтектических композиций. Регулировать в эвтектике количество, тип и морфологию карбидной фазы чу-гунов, строение металлической основы можно скоростью охлаждения (заливка в различные типы форм) и дополнительным их микролегированием и модифицированием малыми добавками высокоактивных элементов. В качестве таких элементов были выбраны медь, титан, бор, кальций.
Структура чугунов, залитых в ПГФ, состоит из перлита различной дисперсности, карбидов ванадия разветвленной
Волокнистая
эвтектика
A+VC
Зернистая
эвтектика
A+VC
A+VC+Fe3C
аз
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.
в
Рис. 2. Микроструктура комплексно-легированных ванадиевых чугунов, залитых в сухую ПГФ (а) и кокиль (б, в) и спектрограммы химического состава карбидов УС (а) и (Ті, У)С (б, в)
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.-------------------------------------------------------------99
в
Рис. 3. Микроструктура доэвтектического чугуна и чугуна с эвтектиками А + (Fe, Cr, У)тОз и А + (Fe, Cr, У)тОз + VC
100---------------------------------------------------------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.
Рис. 4. Микроструктура эвтектик А + VC А + (Fe, Cr, V)7C3 + VC
формы и ледебурита. Структура чугунов, залитых в кокиль, изменяется от мартенситно-трооститной до мартенситно-аустенитной с различным количественным соотношением фаз с более мелкими карбидами ванадия. Увеличение скорости охлаждения при затвердевании (заливка в кокиль) изменяет форму и размеры карбидов. Карбиды ванадия становятся менее разветвленными, увеличивается дисперсность карбидов ванадия, двойной эвтектики и содержание в ней карбидной фазы (рис. 2).
Включения разветвленной формы представляют собой карбиды ванадия, а включения компактной формы - комплексные карбиды ванадия с титаном (Л, У)С (см. рис. 2). Образование в структуре чугунов комплексных карбидов (П, У)С
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.--------
компактной формы приводит к повышению износостойкости в условиях трения о полузакреп-ленный абразив. Микротвердость карбидов ванадия 20000-22000 МПа, у комплексных карбидов выше - до 27500 МПа. Модифицирование титаном приводит к диспергированию карбидной фазы. Увеличение содержания титана в составе комплексных карбидов повышает их компактность и дисперсность. Количество ледебурита сокращается в 2-3 раза. Микроструктура матрицы - 400055000 МПа (сухая ПГФ), 6000-8000 МПа (кокиль).
В чугунах, легированных комплексом У-Сг, присутствуют сложные карбиды переменного состава (Бе, Сг, У)хС1-х, содержащие 26,0-48,0% железа, 41,0-52,0% хрома, 9,0-22,0% ванадия, и кар-------------------------------------------<101
сухая ПГФ
а
кокиль
б Рис. 5. Микроструктура хромованадиевых чугунов, залитых в сухую ПГФ (а) и кокиль (б)
бид ванадия УС, который ограниченно растворяет железо (до 2,0-5,0%), несколько больше - хром (8,0-16,0%). Микроструктура металлической основы в зависимости от химического состава и условий охлаждения - ферритная, перлитная и мартенситно-аустенитная.
После завершения кристаллизации и затвердевания в этих сплавах формируются следующие структуры:
- доэвтектическая структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита (или продуктов его распада) и тройной эвтектики А + (Бе, Сг, УЪС3 + УС розеточного строения (рис. 3, а, б). С возрастанием содержания хрома снижается количество и
102-----------------------------------------------
размеры дендритов первичного аустенита, растет дисперсность и объемная доля аустенитохромисто-карбидной эвтектики (см. рис. 3, б);
- структура, состоящая из двух эвтектик -А+ (Бе, Сг,У)т€з и А + (Бе, Сг, У7С3 + УС (рис. 3, в);
- структура, состоящая из двух эвтектик А + УС и А + (Бе, Сг, У)7Сз + УС;
- структура, состоящая из дендритов первичных карбидов УС и двух эвтектик А+ (Бе, Сг, У)/С3 и А + (Бе, Сг, У)7Сз + УС.
Колонии аустенитованадиевокарбидной эвтектики имеют сферолитную форму (рис. 4, 5). В случае повышенной скорости охлаждения (литье в кокиль) меняется характер избыточной фазы: вместо
------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.
Рис. 6. Белые чугуны с аустенитной (а), мартенситно-трооститной (б), мартенситно-бейнитной (в) и мартенситно-аустенитной (г) металлической основой; с эвтектиками А+СГ7С3 (д); Д+ОД Ре)бО (е);
с зернистой Д+УО (ж) и пластинчатой Д+ТГС (з)
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.---------------------------------------------------------103
Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com). Please register to remove this message.
03
CD
і
I
2
П
a:
о
о
о
а
aj
N5
О
О
>1
§
По структуре
Г Л Ґ
Металлической
основы
V ч
Г \ Ґ
По типу
эвтектик
V ) ч
Г N Ґ
По морфологии
эвтектик
V ) К
г \ ґ
По количеству эвтектик и фаз,
образующих их
V У К
Классификация белых чугунов f *
По химическому составу
Нелегированные
Низколегированные
Среднелегированные
Высоколегированные
Чугуны, полученные при плавке в вагранке
Рис. 7. Классификация чугунов
По способу выплавки
По назначению
Чугуны, полученные в электропечах дуговых и индукционных с кислой и основной футеровкой
ґ~
Жаростойкие
Валковые И Т.П.
Ґ Жаропрочные N
ч J
Износостойкие
Коррозионностойкие
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
карбида ванадия (волокнистой и компактной формы) избыточной фазой становится комплексный карбид (Бе, Сг, У)тС3 (рис. 5, б). Эвтектические композиции кристаллизуются в интервале температур и имеют переменный состав (см. рис. 3-5).
Установлено, что изменением химического состава и скоростью охлаждения при затвердевании можно регулировать тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем карбидных фаз, дендритов первичного аустенита, соотношение двойных и тройных эвтектик с различным расположением металлической основы и упрочняющей фазы, что обусловливает возможность применения отливок из этих сплавов в различных условиях абразивного изнашивания при нормальных и повышенных температурах.
Жаростойкость белых чугунов можно значительно повысить за счет легирования комплексом Сг-Мп-№-Тт Окалиностойкость чугунов находится почти в прямой зависимости от содержания в них хрома. При легировании хромом жаростойкость резко повышается, что связано с образованием на поверхности чугуна прочной и тугоплавкой пленки оксида хрома Сг2О3 или оксидов шпи-нельного типа. Влияние никеля и марганца проявляется в общем улучшении структуры отливок, формировании стабильной аустенитной структуры металлической матрицы. Титан предназначен для модифицирования, обеспечивает чугуну требуемые жаростойкость, жаропрочность за счет стабилизирующего воздействия. При содержании хрома в оксидном слое более 30% формируется сплошная плотная с хорошим сцеплением с основным металлом оксидная пленка, предотвращающая дальнейшее окисление сплава.
В хромистых чугунах обнаружен эффект наследования состава оксидной пленки в зависимости от распределения хрома в поверхностном слое (рис. 6). Частицы карбидов хрома препятствуют росту пленки. Там, где есть карбиды хрома, пленка тоньше. Таким образом, увеличивая плотность хромистой эвтектики и при сохранении достаточной легиро-ванности хромом металлической матрицы, можно повысить окалиностойкость белых чугунов.
Проведенные исследования позволяют дать специальную классификацию чугунов по следующим основным признакам: по структуре, по химическому составу, по способу выплавки, по назначению (рис. 7).
По структуре специальные чугуны можно классифицировать по следующим признакам:
- по типу металлической матрицы, феррит-ные, перлитные, бейнитные, аустенитные, перлито-ферритные, мартенситно-аустенит-ные, мартенситно-бейнитные, мартенситно-
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.
трооститные, мартенситно-ферритные, фер-ритно-аустенитные;
- по типу эвтектики:
• с эвтектикой ледебурит - А+цементит (Бе3С);
• с эвтектикой А+карбиды типа М7С3;
• с эвтектикой А+карбиды типа МС, например: УС, ТІС, №С;
• с эвтектикой А+карбиды типа М7С3 и М23С6, например: (Бе,Сг)7С3 и (Ре,Сг)23С6;
• с эвтектикой А+ М7СЗ и МС, например: (Бе,Сг)7С3 и УС, и др.;
- по количеству эвтектик и фаз, образующих ее, чугуны можно классифицировать на:
• чугуны с одной двойной эвтектикой;
• с двумя двойными эвтектиками (А+М3С и А+карбид легирующего элемента);
• с двойной и тройной эвтектиками (А+МС и А+МС+ М3С; А+МС и А+МС+ М7С3, А+ М7С3 и А+МС+ М7С3);
• с двумя двойными и тройной эвтектиками (А+М3С, А+ М7С3, А+ М7С3 +МС) и др.
- по морфологии эвтектики:
• волокнистая (А+УС);
• зернистая (А+УС);
• скелетовидная А+(^ Бе)6С;
• стержневая (А+ Сг7С3);
• пластинчатая А+ТІС и др.
По химическому составу специальные чугу-ны можно разделить на:
- нелегированные, состав которых различается содержанием основных элементов (углерода, кремния, марганца);
- низколегированные, суммарное содержание легирующих элементов не превышает 3,5%;
- среднелегированные, суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 3,5-10%;
- высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.
Также в зависимости от химического состава чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические, а по содержанию основного легирующего элемента на хромистые, никелевые, алюминиевые, кремнистые, марганцевые, хромомарганцевые, хромоникелевые, хромованадиевые, хромоникельмарганцевые, хромомарганецвана-диевые и др.
По способу выплавки чугуны делятся на:
- чугуны, полученные при плавке в вагранке; легированные чугуны в вагранках не выплавляют, редко выплавляют низколегированные;
- чугуны, полученные в электропечах: дуговых и индукционных с кислой и основной футеровкой. По назначению специальные чугуны делятся на
коррозионно-стойкие; жаростойкие; жаропрочные; износостойкие; антифрикционные; валковые и т.п.
105
