ВЛИЯНИЕ Cr, Mn И Ni НА ОБРАЗОВАНИЕ КАРБИДОВ В ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНАХ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.14, 669.15

Канд. техн. наук В. В. Нетребко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ Сг, Мп И N1 НА ОБРАЗОВАНИЕ КАРБИДОВ В ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНАХ

Целью работы являлся анализ процессов образования карбидов и получение зависимости количества карбидов от содержания в чугуне С, Сг, Мп и №. Применение методов математической статистики и активного планирования эксперимента позволило получить зависимость количества карбидов от содержания в чугуне С, Сг, Мп и №. Минимальное количество карбидов (6,4 %) образуется при содержании в чугуне 1,1 % С, 25,6 % Сг, 5,4 % Мп и 3,0 % N1, а максимальное (43,7 %) при 3,9 % С, 11,4 % Сг, 0,6 % Мп и 0,2 % N1.

Ключевые слова: чугун, легирование, термообработка, структура, карбиды.

Высокохромистые износостойкие чугуны (ИЧХ) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности [1-3].

Структура этих материалов состоит из металлической основы и карбидов. Металлическая основа определяет уровень твердости чугуна и должна прочно удер -живать карбиды. Максимальной твердостью обладает мартенситная структура. Карбиды обладают высокой твердостью и определяют износостойкие свойства чу-гунов. В высокохромистых чугунах образуются карбиды Ме23С6, Ме3С, Ме7С3. При небольшом количестве карбидов происходит интенсивный износ металлической основы, кроме этого мелкодисперсные карбиды выкрашиваются в процессе изнашивания [4].

Количество карбидов в сплавах определяется содержанием углерода, который превышает его максимальную растворимость в твердом растворе. В ферритной основе углерод практически не растворяется и весь связывается в карбиды.

Железо и хром являются основными карбидообра-зующими элементами в чугунах. Они образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью. Хром, входит в состав карбидов железа и стабилизирует их. Железо, как основной компонент состава чугуна, растворяется в карбидах хрома. При отношении Сг/С < 3 образуются карбиды Ме3С, а при Сг/С > 10 образуются Ме23С6. При остальных соотношениях Сг/С образуются карбиды Ме7С3 в различных сочетаниях с другими карбидами [2, 3, 5].

Система Бе-С-Сг достаточно изучена при содержании углерода до 6,67 %. В чугунах, содержащих более 18 % Сг, снижение износостойкости связано только с появлением в структуре хрупких заэвтектических карбидов, при этом максимальная износостойкость, независимо от содержания хрома, наблюдается при 3,5 % С, т. е. при наличии 30-35 % карбидов и минимуме заэв-тектических [4].

Легирование высокохромистых чугунов марганцем и никелем оказывает влияние на процессы карбидооб-

разования. Марганец имеет большее сродство к углероду, чем железо, но меньшее, чем хром. Это обстоятельство вызывает конкурирование атомов, карбидо-образующих элементов при формировании карбидов в жидком и твердом состоянии чугуна. Марганец и никель оказывают влияние на растворимость углерода в аустените, что изменяет количество карбидов и вызывает образование метастабильных структур с высокой ударно-абразивной стойкостью [6]. Образующийся мартенсит или аустенит растворяют большое количество углерода. Таким образом, углерод, растворенный в металлической основе, не участвует в процессе образования карбидов.

Кроме этого, количество образующихся карбидов зависит от их типа. В карбиде Ме3С один атом углерода связывает 3 атома карбидообразующего металла, а в Ме7С3 - 2,33 и 3,83 в Ме23С6.

7 3 23 6

С точки зрения современных представлений о механизмах изнашивания в условиях абразивного и удар -но-абразивного изнашивания, оптимальной считается структура, содержащая металлическую основу, прочно удерживающую карбиды, состоящую из мартенсита и аустенита, при наличии 30.. .40 % карбидов Ме7С3.

При нагреве и выдержке в ходе термической обработки растворимость углерода в металлической основе увеличивается, что вызывает частичное растворение карбидной фазы. В процессе охлаждения происходит выделение мелкодисперсных карбидов.

На основании литературных данных невозможно точно прогнозировать количество и тип образующихся карбидов, что чрезвычайно важно при разработке износостойких сплавов.

Цель работы заключалась в анализе процессов образования карбидов и получение регрессионных зависимостей количества карбидов от химического состава чугуна (С, Сг, Мп и N1), а также определение составов чугунов, не содержащих крупных заэвтектических карбидов.

© В. В. Нетребко, 2016

50

Материал и методики исследований

Чугуны, содержащие 1,09...3,91 % С, 11,43...29,68 % Сг, 0,6...5,4 % Мп, 0,19.. .3,01 % N1, 0,8... 1,3 % 81, до 0,02 % 8 и 0,03 % Р, выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой. В сухие песчано-глинистые формы отливали образцы диаметром 30мм, длиной 400 мм и технологические пробы высотой 50 мм. Образцы изучались в литом и термически обработанном состоянии (отжиг при 690 °С в течении 9 часов и нормализация от 1050 °С при выдержке 4,5 часа) Анализ структуры выполняли на оптических микроскопах 8igeta ММ-700 МИМ-8 и микроскопе РЕМ 106И. Для построения математической модели влияния С, Сг, Мп и N1 на количество карбидов использовали метод активного планирования эксперимента с матрицей планирования дробного факторного эксперимента 24-1.

Анализ полученных результатов

Количество карбидов в исследуемых чугунах изменялось от 6 до 35 % (рис. 1).

6 % 21 % 35 %

Рис. 1. Структура чугуна с различным количеством карбидной фазы, х150

Углерод связывает от 6 до 16 % хрома в зависимости от образующихся карбидов [3].

Никель и марганец способствуют образованию аус-тенита и оказывают влияние на растворимость углерода в металлической основе. Марганец увеличивает, а никель снижает содержание углерода в аустените.

В работе Н. Г. Гиршовича [7] было определено влияние основных легирующих элементов на положение критических точек в системе Бе-С. Полученные зависимости содержания углерода в эвтектике (Сс'), углерода в насыщенном аустените (СЕ'), углерода в эвтек-

тоиде (С,') и эвтектоидной температуры () от количества 81, Мп, N1, Сг, 8 и Р имеют вид: Сс' (в%)=4,3 -0,3(81+Р) -0,48+0,03Мп -0,07№ -0,05Сг (1) СЕ' (в%)=2,03 -0,1181-0,3Р+0,04{Мп-1,78)-0,09М-0,07Сг(2) С,' (в %) = 0,80 - 0,1181 - 0,05(М + Сг + Мп - 1,78) (3)

4' (в°С)=723 +2581+200Р +8Сг-30№-35(Мп- 1,78)-10Си (4) Используя уравнение (1), можно определить максимальное содержание углерода в сплаве, при котором не образуются крупные заэвтектические карбиды.

Разность уравнений (2) и (3) позволяет определить количество вторичных карбидов после нормализации или гомогенизирующего отжига.

При проведении неполной закалки чугунов количество углерода, растворенного в аустените, приблизительно соответствует эвтектоидной концентрации С,'. Анализ уравнения (3) показал, что при большом содержании Сг, Мп и N1 получаются отрицательные значения , что не позволяет использовать это уравнение для оценки количества связанного углерода.

Углерод в сплаве (Со) можно разделить на две части: углерод, связанный в карбиды (Ск), и углерод, находящийся в твердом растворе (Ср), который равен С,'.

Уравнение (4) позволяет определить температуру высокого отпуска или отжига, исключающую выделение вторичных карбидов.

Увеличение скорости охлаждения препятствует образованию крупных карбидов. Структура чугуна в технологической пробе (рис. 2а) имела мелкодисперсные первичные карбиды, а в образце присутствовали крупные заэвтектические карбиды (рис. 26).

Я|1 §||

х 150

х 1500

Рис. 2. Структура чугуна 300Х28Н2 с различной скоростью охлаждения: а - первичные мелкодисперсные карбиды; б - крупные заэвтектические карбиды

Для исключения образования крупных заэвтекти-ческих карбидов степень эвтектичности 8э = С/ Сс' < 1,0.

Количество эвтектических карбидов можно определить по величине разности значений Сс' и СЕ'. Эвтектические карбиды не растворяются в основе при термической обработке. Состав этих карбидов является термодинамически не равновесным, поэтому при нагреве происходит перераспределение легирующих элементов между основой и карбидами [8-11].

Образование мелкодисперсных карбидов при термической обработке (рис. 3) ухудшает износостойкие свойства чугунов.

В чугунах 120Х18ГН и 250Х12Г5Н3 после нормализации образовывалась аустенитная металлическая ос-

а

б

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2016

51

нова (см. рис. 3а, 3б), выделение вторичных карбидов не наблюдалось. В чугунах 300Х28Н2 (ферритная основа) и 320Х20Г5Н3 (аустенитная основа) наблюдали образование вторичных карбидов после нормализации (см. рис. 3в, 3г). В чугуне 320Х20Г5Н3 возле первичных карбидов и внутри эвтектики выделения вторичных карбидов не наблюдалось, что связано с двумя процессами: перераспределением элементов в ходе термической обработки и формированием карбидов с повышенным содержанием хрома и углерода [9]. Увеличение содержания хрома в карбидах обедняет хромом зоны возле карбидов. Снижение в металлической основе содержания хрома ниже 12 % вызывает протекание коррозионных процессов [12, 13].

Рис. 3. Структура чугунов после нормализации от 1050 °С: а - чугун 120Х18ГН; б - чугун 250Х12Г5Н3; в - чугун 300Х28Н2; г - чугун 320Х20Г5Н3

Для предотвращения образования вторичных карбидов термическую обработку высокохромистых чу-гунов следует проводить при температурах не вызывающих значительного повышения растворимости углерода в металлической основе. Для предварительной оценки температуры а - у превращения в высокохромистых чугунах, легированных марганцем и никелем, следует использовать уравнение (4).

Карбидная фаза исследуемых чугунов состояла из карбидов Ме3С - легированного цементита, содержащего 25 ат. % С (рис. 4а), карбида Ме7С3, содержащего 30 ат. % С (рис. 4б), и карбида Ме23С6, содержащего 20 ат. % С (рис. 4в). Карбиды Ме3С обладают невысокой твердостью, сопоставимой с твердостью мартенсита и образуют жесткий каркас. Карбиды Ме23С6 и Ме7С3 обладают твердостью в 1,5.3 большей, чем цементит, но не образуют жесткого каркаса, что повышает пластические свойства чугуна и улучшает обрабатываемость [14].

В результате математической обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости количества карбидов (К, %) от содержания С, Сг, Мп и N1: К = 5,46С -0,78Мп +5,83№+1,35С2 -- 1,56СМ +0,03МпСг -0,36Мп№ -0,13СгМ +2,37.

х150 х 1500

Рис. 4. Структура чугуна с различным типом карбидной фазы:

а - карбиды Ме3С; б - карбиды Ме7С3; в - карбиды Ме23С6

Составы чугунов с минимальным и максимальным количеством карбидов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Составы ИЧХ с минимальным и максимальным содержанием карбидов и степень эвтектич-ности чугуна

Составы чугунов, масс. % К, % Sэ

№ С Сг Мп N1

1 1,09 25,57 5,40 3,01 6,4 0,41

2 3,91 11,43 0,60 0,19 43,7 1,14

Структура чугуна состава 1 состояла из карбидов Ме23С6 и аустенита с максимальной растворимостью углерода.

В составе 2 степень эвтектичности чугуна составляет 1,14. При этом формировались крупные заэвтекти-ческие карбиды. Снижение содержания углерода с 3,91 до 3,5 % понижает степень эвтектичности до 1,02 и количество карбидов от 43,7 до 37,5 %, что согласуется с данными [4].

Максимальное количество карбидов образуется при максимальном содержании углерода и минимальных количествах хрома, марганца и никеля. Структура чугуна состояла из феррита, практически не содержащего углерода и цементита, легированного хромом. Увеличение содержания в чугуне Сг, Мп и N1 вызывает

в

в

г

образование аустенита, растворяющего углерод и снижающего количество карбидов, при этом образуются карбиды Ме7С3, в которых углерод связывает минимальное количество атомов карбидообразующих элементов.

Влияние С, Сг, Мп и N1 на количество карбидов при различных уровнях плана эксперимента представлены на рисунках 5-7.

При всех соотношениях легирующих элементов увеличение содержания углерода увеличивало количество карбидов. При этом интенсивность увеличения карбидов зависела от влияния легирующих элементов на растворимость углерода в металлической основе.

0,2% N1, 0,6% Мп

о— п а О О

3,0% М, 0,6% Мп

" о О и

0,2% М, 5,4% Мп

□—□— а а

3,0% N1, 5,4% Мп

1--о- "О—А

Содержанпе Сг, масс.% Содержание Сг, масс.%

Рис. 5. Влияние Сг на количество карбидов в чугуне при различных уровнях С, Мп и №

Увеличение содержания хрома в чугуне при 3 % N1 способствовало образованию аустенита и уменьшало количество карбидов. При этом карбидная фаза состояла из высокохромистых карбидов Ме7С3 и Ме23С6.

Увеличение содержания хрома в чугуне с минимальным количеством никеля при 0,6 % Мп не влияло на количество карбидов, а при 5,4 % Мп увеличивало. Такое влияние хрома связано с тем, что при 5,4 % Мп в аустените увеличилась растворимость углерода (Ср), что уменьшило часть углерода, образующего карбиды (Ск). Снижение Ск увеличило соотношение Сг/С и вызвало образование карбидов Ме23С6, связывающих большое количество карбидообразующих атомов.

Увеличение содержания марганца в чугуне снижало количество карбидов. При этом увеличение содержания хрома в чугуне уменьшало интенсивность влияния марганца, что связано с ферритообразующими свойствами хрома. При 25,5 % Сг и 0,2 % N1 увеличение марганца в чугуне практически не уменьшало количество карбидов.

Рис. 6. Влияние Мп на количество карбидов в чугуне при различных уровнях С, Сг и №

о"

и 45 -

: -г

ё И

с*

2

§ 25 и

О

= 15 й

5 55

*

1^45 §

3 в а

з

§25 -

V

о

3 15

0,6% Ми, 11,5% Сг

г -

5,4% Мп, 11,5% Сг

-п-1,1%С -в-2,5%С о 3,9%С

0,6% Мп, 25,5% Сг

Ц

5,4% Мп, 25,5% Сг

°— 1— о— |—а—

-о- 1,1%С

-3,9%С

0 1 2 3 40 1 2 3 4 Содержание N1, масс. % Соде ржание N1, мисс. %

Рис. 7. Влияние № на количество карбидов в чугуне при различных уровнях С, Сг и Мп

Повышение содержания никеля не изменяло характер влияния марганца на процессы карбидообразова-ния, но уменьшало их количество.

При содержании 1,1 % С увеличение никеля снижало количество карбидов, а при 3,9 % С увеличивало. Однако в чугуне, содержащем 3,9 % С, 5,4 % Мп и 25,5 % Сг, увеличение никеля снижало количество карбидов.

Анализ производства высокохромистых чугунов, легированных марганцем и никелем в литейном цехе ООО «Запорожский титано-магниевый комбинат», позволил разработать и внедрить в производство оптими-

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016

53

зированный состав чугуна ИЧХ28Н2 и полностью исключить его термическую обработку. Дифференцированный подход к термической обработке чугунов 250Х12Г5Т и ИЧХ12Г3 позволил снизить затраты на производство. Суммарная экономическая эффективность разработанных мероприятий составила более 1680 тыс. грн.

Выводы

1. Увеличение до 25,5 % Cr в чугуне, содержащем 3,9 % C, при минимальных концентрациях Mn и Ni практически не изменяет количество карбидов, а вызывает появление крупных заэвтектических карбидов Ме7С3.

2. Нормализация высокохромистых чугунов, легированных Mn и Ni, вызывает образование большого количества мелкодисперсных карбидов, что может ухудшить износостойкие свойства.

3. Для высокохромистых чугунов, легированных Mn и Ni, целесообразно проведение термической обработки, исключающей а - у превращения.

Список литературы

1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны / М. Е. Гар-бер. - М. : Машиностроение. - 2010. - 280 с.

2. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / И. И. Цыпин. - М. : Металлургия. - 1983 -176 с.

3. Gierek A. Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne / A. Gierek, L. Bajka. - Katowice : Slask, 1976. - 230 p.

4. Структурно и неструктурно чувствительные свойства хромистых чугунов / А. А. Кириллов, В. Д. Белов, Е. В. Рожкова и др. // Черные металлы-2007. Сентябрь. -С. 7-1.

5. Гудремон Э. Специальные стали. / Э. Гудремон. - М. : Металлургия. - 1966. - Т. 1. - 736 с.

6. Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. -Харьков : ННЦ ХФТИ - 2003 - 212 с.

7. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н. Г. Гиршович. - М.-Л. : Машиностроение. -1966. - 564 с.

8. Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран. - М. : Металлургия. - 1969. - 416 с.

9. Нетребко В. В. Особенности процессов образования карбидов и распределения Сг, Мп и N1 в белых чугунах /

B. В. Нетребко // Литье и металлургия. - 2015. - № 3. -

C. 40-46.

10. Волчок И. П. Влияние легирования и термической обработки на распределение элементов и свойства высокохромистых чугунов / И. П. Волчок, В. В. Нетребко // Научный вестник донбасской машиностроительной академии. - 2015. - № 3 (18Е). - С. 52-59.

11. Нетребко В. В. К вопросу образования карбидов FeзC и Ре7С3 в высокохромистых чугунах / В. В. Нетребко // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 3(63). -С. 138-147.

12. Малахов А. И. Основы металловедения и теории коррозии / А. И. Малахов, А. П. Жуков. - М. : Высшая школа. - 1978. - 192 с.

13. Нетребко В. В. Особенности термической обработки высокохросмистых чугунов легированных Мп и N1 /

B. В. Нетребко, И. П. Волчок // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - 2016. - № 1. -

C. 53-57.

14. Нетребко В.В. Влияние химического состава высокохромистых чугунов на обрабатываемость резанием / В. В. Нетребко // Наука та прогрес транспорту. - 2016. -№ 1. (61). - С. 122-130.

Одержано 18.11.2016

Нетребко В.В. Вплив Cr, Mn и Ni на утворення карбщв у високохромистих чавунах

Метою роботи був аналгз процесгв утворення карб1д1в та отримання залежност1 к1лькост1 карб1д1в eid вмгсту в чавунi C, Cr, Mn и Ni. Застосування методiв математично'1 статистики та активного планування експерименту дозволило отримати залежнкть K^m^i карбiдiв вiд вмiсту в чавуш C, Cr, Mn и Ni. Мтмальна юльюсть карбiдiв (6,4 %) утворюеться, коли чавун метить 1,1 % C, 25,6 % Cr, 5,4 % Mn та 3,0 % Ni, а максимальна (43,7 %) при 3,9 % C, 11,4 % Cr, 0,6 % Mn и 0,2 % Ni.

Ключовi слова: чавун, легування, термооброблення, структура, карбiди.

Netrebko V. Influence of Cr, Mn and Ni on the formation of carbides in high-chromium cast irons

The purpose of the work was to analyze the carbide forming processes and to obtain the dependency of the carbide amount on the C, Cr, Mn and Ni content in the cast iron. The application of mathematical statistics and active experiment planning methods allowed obtaining the dependency of carbide amount on the C, Cr, Mn and Ni content in the cast iron. The minimum amount of carbides (6.4 %) is formed when the cast iron contains 1.1 % C, 25.6 % Cr, 5.4 % Mn and 3.0 % Ni, and maximum (43.7 %) - when it contains 3.9 % C, 11.4 % Cr, 0.6 % Mn and 0.2 % Ni.

Key words: cast iron, alloying, heat treatment, structure, carbides.