CC BY
102
УДК:621.74.002.6:669Л31.2
С.И. Богодухов, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии материалов, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: ogu@mailgate.ru
И.Ш. Тавтилов, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов,
ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
e-mail:elfkent@mail.ru
Нгуен Хоанг Линь, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: ser14178@mail.ru
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ
В настоящее время в промышленности широко применяются материалы, работающие в тяжелых условиях и испытывающие значительный износ в абразивной среде в течение длительного времени. В связи с этим можно сформулировать цель настоящей статьи - она заключается в повышении эксплуатационных свойств легированных хромистых чугунов путем выявления оптимальных режимов их термообработки.
В качестве объектов исследования были выбраны образцы хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М. Были определены химический состав, твердость, микроструктура материала до и после термической обработки, проведены эксперименты на абразивный износ хромистых чугунов, подвергнутых термообработке.
Проведен анализ результатов исследования влияния режимов термообработки на микроструктуру и свойства износостойких чугунов, который показал, что среда охлаждения может существенно влиять на твердость конечного продукта, в частности, при закалке в масле происходит существенное повышение твердости, связанное с распадом остаточного аустенита и увеличением размеров частиц карбидов, в то время как охлаждение на воздухе сопровождается незначительным изменением твердости и измельчением карбидных частиц.
Проведены испытания на абразивный износ хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М, показавшие, что с повышением температуры нагрева под закалку потеря массы уменьшается примерно на 20 %.
Ключевые слова: износостойкий легированный чугун, термическая обработка, микроструктура и свойства.
Термическая обработка - совокупность операций теплового воздействия на материал с целью изменения его структуры и свойств в нужном направлении.
При термической обработке износостойкого легированного чугуна в результате нагрева до определённой температуры и охлаждения происходит изменение структуры и, как следствие этого, изменение механических и физических свойств. Все превращения, происходящие в результате нагревания до определённой температуры и охлаждения в чугунах, можно проследить по диаграмме железо-углерод ^е-С). Легированные чугуны находят применение при изготовлении деталей, подвергающихся в процессе работы абразивному износу, так как легирующие элементы повышают твердость при относительно невысокой себестоимости. Регулирование состояния металлической
основы за счет легирования и термической обработки позволяет в достаточно широком интервале изменять износостойкость и обрабатываемость белых чугунов. В качестве легирующих элементов применяют хром, никель, молибден, ванадий, марганец [1, 2, 3, 4].
Целью статьи является повышение эксплуатационных свойств легированных хромистых чугу-нов путем выявления оптимальных режимов их термообработки, способствующих повышению износостойкости.
Материал и методика исследования
В качестве объектов исследования были выбраны образцы хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М, размерами 16*16x10 мм. Химический состав и физико-механические свойства исследуемых чугунов приведены в таблице 1 [8, 9].
Таблица 1. Химический состав чугунов
Марка чугуна C, % Cr, % Si, % Mn, % S, % P, % Ni, % Mo, % Cu, %
ИЧХ28Н2 2,5-3,0 28-30 0,7-1,4 0,5-1,0 до 0,12 до 0,18 1,5-2,0 - -
ИЧХ12М 2,15-2,3 10-14 2,1-2,4 0,5-1,0 до 0,37 до 0,06 - до 0,5 -
Таблица 2. Физико-механические свойства чугунов.
Марка чугуна ИЧХ28Н2 ИЧХ12М
Твердость в литом состоянии, HRC 52-53 54-55
Предел прочности при растяжении в литом состоянии, МПа 395 267
Ударная вязкость в литом состоянии, Дж/см2 11,4 6,4
Коэффициент относительной износостойкости чугунов в литом состоянии 1 2,8
Твердость материала измеряли на твердомере «ТК-2М». Изучение микроструктуры производили на микроскопе «Альтами» и на микровизоре дVizo-МЕТ-221, подготовку металлографических образцов осуществляли на шлифовально-полиро-вальном станке FORCIPOL 2У термообработку
проводили в соляной ванне СП-35 и камерной печи ПМ-14.
Были проведены испытания на абразивный износ хромистых чугунов. Оценка велась по изменению массы образца до и после испытания. Машина трения представлена на рисунке 1.
Испытания проводились по периферии шлифовального круга марки 25А40ПС16К835 при частоте вращения 255 мин.-1, диаметре круга 325 мм, усилие прижатия образца Q = 8,1 кг.
Результаты исследований и их анализ В начальной серии опытов проведена термообработка с нагревом в соляных ваннах хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М. Варьировались: температура нагрева под закалку (Х1), основной уровень - 900 °С, интервалы варьирования - ±100°С; среда охлаждения (Х2), (воздух и масло, характеризующие скорость охлаждения чугунов - 20 °С/сек. и 200 °С/сек. соответственно), а также время нагрева (Х3), основной уровень - 10 мин., интервалы варьирования - ±2 мин. Выходными параметрами являются твердость (ТО и износостойкость (У2)
После термообработки образцов производили испытания на твёрдость, абразивный износ (линейный и по массе).
Проведен расчет линейных коэффициентов, коэффициентов уравнения регрессии и проверка их значимости и достоверности. Получены соответствующие зависимости по твердости:
Т1=59,35+0,77х1+0,766х2+1,441х2х3. Анализ уравнения по твердости показывает, что
на изменение твердости влияет как одинарный, так и парный коэффициенты. Изменение твердости образцов зависит как от температуры закалки, так и от среды охлаждения, а также от совместного влияния среды охлаждения и времени закалки.
Уравнение регрессии по износу по массе будет иметь вид:
У2= 2,2695 + 0,047X1 + 0,032Х2Х3.
Анализ уравнения по износу показывает, что на износ по массе влияет температура закалки, а также совместное влияние среды охлаждения и времени закалки.
В следующей серии опытов термообработка образцов хромистых чугунов проведена с нагревом ТВЧ при изменении температуры нагрева, с последующим отпуском. Режимы термообработки приведены в таблице 3.
В качестве закалочной среды применялось минеральное масло, так как легированные чугу-ны обладают низкой теплопроводностью. Данные режимы приводят к частичному растворению, измельчению эвтектических карбидов, образованию повышенного количества вторичных карбидов и диспергированию составляющих металлической матрицы, что обеспечивает увеличение твер-
Таблица 3. Режимы термической обработки чугуна
Марка чугуна Температура нагрева под закалку, ^ °С Среда охлаждения Время нагрева, мин.
800 Воздух 12
800 Масло 12
Для всех марок 900 Воздух 10
(ИЧХ28Н2, ИЧХ12М) 900 Масло 10
1000 Воздух 8
1000 Масло 8
дости и износостойкости. Результаты измерений после термической обработки представлены в та-микротвердости и твердости образцов чугунов блицах 4, 5.
Таблица 4. Результаты измерений микротвердости и твердости образцов чугуна ИЧХ28Н2 после термической обработки
Режим термообработки Твердость, ЖС Микротве рдость, Нц
основы карбидов
^ = 800 °С - 12 мин., охл. на воздухе 50 382 823
^ак = 800 °С - 12 мин., охл. в масле 62 599 877
и = 900 °С, - 10 мин., охл. на воздухе 53 626 863
^ = 900 °С, - 10 мин., охл. в масле 58 604 874-
^ = 1000 °С - 8 мин., охл. на воздухе 60 645 996
^ак = 1000 °С - 8 мин., охл. в масле 65 663 994
Таблица 5. Результаты измерений микротвердости и твердости образцов чугуна ИЧХ12М после термической обработки
Режим термообработки Твердость, НЯС Микротве рдость, Нц
основы карбидов
^ак = 800 °С - 12 мин., охл. на воздухе 53 439 837
^ак = 800 °С - 12 мин., охл. в масле 58 494 833
^ак = 900 °С, - 10 мин., охл. на воздухе 55 447 838
^ак = 900 °С, - 10 мин., охл. в масле 60 484 865
^ак = 1000 °С - 8 мин., охл. на воздухе 58 537 871
^ = 1000 °С - 8 мин., охл. в масле 62 470 958
Нагрев до 900 °С и охлаждение на воздухе не приводит к повышению твердости. Нагрев до этой же температуры с охлаждением в масле, а также нагрев до более высоких температур с охлаждением в вышеназванных средах сопровождается повышением твердости.
Анализ данных таблиц 4 и 5 выявил некоторую закономерность изменения твердости в зависимости от режимов термообработки, проявляющуюся по причине измельчения существующих и образования новых мелких частиц карбидов. Причем наличие и количество легирующих элементов могут по-разному влиять на структуру износостойких чугунов в зависимости от режима термообработки.
После термической обработки были подготовлены микрошлифы с последующим травлением в 5 % растворе азотной кислоты в спирте для исследования микроструктуры. На рисунках 2 и 3 представлены микроструктуры чугуна ИЧХ28Н2 и ИЧХ12М соответственно до и после обработки в различных режимах.
Анализ микроструктуры чугуна ИЧХ28Н2 показывает, что при нормализации (рисунок 2 б, г, е) происходит перераспределение эвтектических карбидных частиц; при более высокой скорости охлаждения (рисунок 2 в) наблюдается образование колонии карбидов. Более высокие температура (900 и 1000 °С) (рисунок 2 д, ж) и умеренная скорость охлаждения (в масле) приводят к измельчению карбидных частиц, которые имеют по всем осям примерно одинаковые размеры.
Анализ микроструктур чугуна ИЧХ12М показывает, что более низкая температура (800 °С) и медленная скорость охлаждения (на воздухе) также приводят к измельчению и образованию новых колоний карбидных частиц (рисунок 3 б). Эта же тенденция наблюдается и при более высоких температурах, только с меньшей интенсивностью (рисунок 3 г, е). При закалке образцов при тех же температурных режимах и охлаждении образцов в масле (рисунок 3 в, д, ж) происходит укрупнение карбидных частиц.
а) ИЧХ28Н2 исходный после литья, твердость 40-45 HRC, трооститно-сорбитная основа, ледебу-ритная эвтектика, аустенит и карбиды, *500
б) ^ = 800 °С - выдержка 12 мин., охл. на воздухе, твердость 50 HRC, мартенситно-трооститная основа, ледебуритная эвтектика и карбиды,*500
в) ^ = 800 °С - 12 мин, охл. в масле твердость 62 HRC, мартенситно-аустенитная основа, ледебурит и карбиды,*500
г) 1зак = 900 °С, - 10 мин., охл. на воздухе, твердость 56 HRC, мартенситно-трооститная основа, ледебуритная эвтектика и карбиды,*500
д) ^ак = 900 °С, - 10 мин., охл. в масле, твердость 58 HRC, мартенситно-трооститная основа, ледебурит и карбиды,*500
е) ^ = 1000 °С, - 8 мин., охл. на воздухе, твердость 60 НЯС, мартенситная основа, ледебурит и крупными конгломератами включений карбидов,*500
ж) 1зак = 1000 °С, - 8 мин., охл. в масле, твердость 65 HRC, мартенситная основа, ледебурит и мелкими включениями карбидов,*500
Рисунок 2. Микроструктуры чугуна ИЧХ28Н2
а) ИЧХ12М исходный после литья, твердость 35-40 HRC, трооститно-сорбитная основа, ледебу-ритная эвтектика, аустенит и карбиды, ><500
б) ^ = 800 °С - выдержка 12 мин., охл. на воздухе, твердость 58 HRC, мартенситно-трооститная основа, ледебурит и карбиды,*500
в) ^ = 800 °С - 12 мин, охл. в масле твердость 65 HRC, мартенситно-аустенитная основа, ледебурит и карбиды,*500
г) 1зак = 900 °С, - 10 мин., охл. на воздухе, твердость 56 HRC, мартенситно-трооститная основа, ледебурит и карбиды,*500
д) 13ак = 900 °С, - 10 мин., охл. в масле, твердость 60 HRC, мартенситно-аустенитная основа, ледебурит и карбиды,*500
е) 13ак = 1000 °С, - 8 мин., охл. на воздухе, твердость 58 НЯС, мартенситно-аустенитная основа, ледебурит и крупными включениями карбидов,*500
ж) 1зак = 1000 °С, - 8 мин., охл. в масле, твердость 62 HRC, мартенситно-аустенитная основа, ледебурит и включения карбидов,*500
Рисунок 3. Микроструктуры чугуна ИЧХ12М
Сравнивая микроструктуры износостойких чу-гунов различных марок, можно сделать вывод, что уменьшение содержания хрома в структуре чугунов приводит к образованию меньшего количества карбидных частиц, никель повышает температуру закалки для получения более мелких зерен эвтектических легированных карбидов, а молибден ее понижает. Более низкая скорость охлаждения после закалки при-
Анализ испытаний на абразивный износ хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М показал, что с повышением температуры нагрева под закалку потеря массы уменьшается примерно на 20 %.
Таким образом, после термической обработки твердость и износостойкость легированных чугу-нов повышаются. Между твердостью и износостойкостью легированных чугунов существует положительная средняя корреляционная зависимость линейного типа, описывающая поверхности первого порядка.
Выводы
1. На изменение твердости износостойких чугу-нов влияет температура закалки, среда охлаждения, а также совместное влияния среды охлаждения и времени закалки. На износ по массе этих же материалов оказывает влияние температура закалки, а также совместное действие среды охлаждения и времени закалки.
2. Нагрев до 900 °С и охлаждение на воздухе чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М не приводит к значительному изменению твердости. Нагрев до этой же температуры с охлаждением в масле, а также нагрев до более высоких температур с охлаждением на воздухе и в масле, повышает твердость более
водит также к измельчению зерен карбидных частиц независимо от состава чугуна, что в свою очередь приводит к уменьшению твердости материала.
Были проведены испытания на абразивный износ хромистых чугунов. Оценка велась по изменению массы образца до и после испытания. Результаты испытаний образцов хромистых чугунов представлены в таблице 6.
чем на 5 %, по-видимому, это связано с распадом остаточного аустенита.
Анализ микроструктуры чугуна ИЧХ28Н2 показывает, что при нормализации происходит укрупнение эвтектических карбидных частиц; при более высокой скорости охлаждения наблюдается образование колонии карбидов. Более высокие температура (900 и 1000 °С) и умеренная скорость охлаждения (в масле) приводят к измельчению карбидных частиц, которые имеют по всем осям примерно одинаковые размеры.
Анализ микроструктур чугуна ИЧХ12М показывает, что более низкая температура (800 °С) и медленная скорость охлаждения (на воздухе) также приводят к измельчению и образованию новых колоний карбидных частиц. Эта же тенденция наблюдается и при более высоких температурах, только с меньшей интенсивностью. При закалке образцов при тех же температурных режимах и охлаждении образцов в масле происходит перераспределение карбидных частиц.
3. Анализ испытаний на абразивный износ хромистых чугунов ИЧХ28Н2, ИЧХ12М показал, что с повышением температуры нагрева под закалку потеря массы уменьшается на 20 %.
Таблица 6. Результаты испытаний на абразивный износ чугуна ИЧХ28Н2 и ИЧХ12М
Материал Температура нагрева под закалку, ^ак. ,°С Среда охлаждения Потеря массы, г
0,5 мин 1 мин 1,5 мин 2 мин
ИЧХ12М 800 воздух 1,169 2,339 3,508 4,678
800 масло 1,017 2,034 3,051 4,068
900 воздух 1,026 2,052 3,078 4,104
900 масло 0,915 0,941 2,938 3,982
1000 воздух 1,241 2,482 3,723 4,964
1000 масло 0,961 1,923 2,884 3,846
исходный 1,781 3,563 5,344 7,126
ИЧХ28Н2 800 воздух 1,392 2,783 4,175 5,566
800 масло 1,15 2,301 3,451 4,602
900 воздух 1,61 3,209 4,819 6,418
900 масло 1,50 3,005 4,505 6,01
1000 воздух 1,208 2,416 3,624 4,832
1000 масло 1,124 2,248 3,372 4,496
исходный 1,871 3,741 5,612 7,482
Литература
1. Бобро, Ю.Г. Легированные чугуны / Ю.Г. Бобро. - Москва: Металлургия, 1976. - 288 с.
2. Войнов, Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия / Б.А. Войнов. - Москва: Машиностроение, 1980. - 126 с.
3. Гарбер, М.Е. Износостойкие белые чугуны / М.Е. Гарбер. - Москва: Машиностроение, 2010. - 280 с.
4. Грек, А. Легированный чугун - конструкционный материал / А. Грек, Л. Байка. - Москва: Металлургия, 1978. - 208 с.
5. Колокольцев, В.М. Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент: дис. ...д-ра техн. наук / В.М. Колокольцев. - Магнитогорск, 1995. - 427 с.
6. Ри, Э.Х. Комплексно-легированные белые чугуны функционального назначения в литом и термообработанном состояниях / Э.Х. Ри [и др.] - Владивосток: Дальнаука, 2006. - 274 с.
7. Ри, Э.Х. Влияние легирующих элементов на образование карбидных фаз в белых чугунах / Х. Ри, Н.Ф. Бомко, Э.Х. Ри, А.С. Бриченок // Литейные процессы. Выпуск 2.: Межрегиональный сборник научных трудов / Под ред. В. М. Колокольцева. - Магнитогорск; МГТУ, 2002. - С. 7-9.
8. Цыпин, И.И. Белые износостойкие чугуны: Структура и свойства / И.И. Цыпин. - Москва: Металлургия, 1983. - 176 с.
9. Шерман, А.Д. Чугун: справ. изд. / А.Д. Шерман [и др.]; под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. -Москва: Металлургия, 1991. - 576 с.
10. Элиот, Р.П. Структуры двойных сплавов: в 2 т. / Р.П. Элиот. - Москва: Металлургия, 1970. - Т. 1. -456 с.; Т. 2. - 472 с.
