CC BY
13
УДК 669.13.018
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО И ФАЗОВОГО СОСТАВА НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ
ИЗНОСОСТОЙКИХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ
Л.С. Печенкина
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: объектом исследования являются комплексно-легированные твердые сплавы, в том числе белые чугуны, использующиеся для износостойких деталей, которые уже в литье должны обладать требуемыми прочностью и ударной вязкостью. Задачей исследования является выявление химического состава, параметров структурообразова-ния, которые влияют на ударную вязкость. В процессе исследования были выплавлены сплавы, содержащие в %, от 1,18 до 2,49 С, от 0,7 до 5,5 Мп, от 3,1 до 9,6 Сг, от 1,8 до 8,3 V, до 1,3 Si. Исследуемые сплавы распределили по проценту аустенита, содержащемуся в их структуре, на три группы. Первая группа характеризовалась повышением твердости при одновременном повышении процента аустенита в структуре до 13. Вторая содержала до 25 процентов аустенита без увеличения твердости, и в третьей наблюдалось уменьшение твердости при большем количестве аусте-нита (более 30 %). Отдельную группу составили сплавы, содержащие до 2,14 % меди, до 1,73 % молибдена. Оценка изменения ударной вязкости проведена по влиянию факторов химического (углерод, марганец, хром и ванадий) и фазового состава методами многофакторного регрессионного анализа. Определено, что карбидные фазы (МС, М7С3) в исследуемых сплавах снижают ударную вязкость; особенно заметно это в сплавах группы 1 и 3, значительно слабее проявляется их влияние в сплавах группы 2. Установлено, что снижение ударной вязкости происходит при максимальной степени мартенситного превращения в структуре (при 2-2,2% Мп или 20-25% А); повышается она при более высокой степени аустенитизации структуры (более 40% А); у отдельной группы комплексно-легированных сплавов этот эффект не проявляется в связи с отличительными особенностями их структуры; наилучшее сочетание механических свойств у сплавов этой группы обеспечивается при 20-40% аустенита в их структуре
Ключевые слова: ударная вязкость, белый чугун, структура, легирующий элемент
Введение
Стойкость металла к изнашиванию представляет собой комплексный относительный показатель, характеризующий способность металла противодействовать его взаимосвязи с другими материалами, осуществляемому в условиях определенных нагрузок, температур, влияния внешней среды.
Абразивное изнашивание деталей осуществляется путем действия твердых элементов на поверхность. По механизму абразивное изнашивание подобно процессам микрорезания деталей. Частицы абразива, внедряясь в поверхность, царапают металл, таким образом воздействуют микроскопические резцы. Действие абразивных частиц проходит в условиях маленьких давлений и скоростей, что отличается от резания, поэтому металл может быть
мене теплостоек. Высокие показатели твердости и вязкости требуются от металлов в случае абразивного изнашивания. Карбидную фазу и матричную основу металла выбирают, исходя из эксплуатационных характеристик детали, так как они обеспечивают необходимую твердость. В случае абразивного изнашивания при небольшом давлении наилучшую стойкость к
© Печенкина Л.С., 2018
изнашиванию проявляют твердые сплавы, имеющие наименьшую часть матричной фазы и высокотвердый белый чугун с наибольшим содержанием карбидов с матрицей на основе мартенсита. С повышением удельных нагрузок и особенно при наличии динамического характера нагрузки соотношение карбидов и матрицы, а также вида матрицы должно меняться [1]. Когда увеличивается нагружение, металлическая основа должна обладать необходимой вязкостью, не допуская, чтобы карбиды выкрашивались. Карбиды же должны образовывать общий каркас. Таким образом, литые сплавы более стойкие к изнашиванию в отличие от деформированных. Именно поэтому в качестве объекта исследования для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания были выбраны белые комплексно-легированные чугуны [2]. Поскольку главным из большого числа вопросов в машиностроении считается увеличение периода долговечности механизмов, тема данной статьи является актуальной. Одним из перспективных направлений в этом плане, несмотря на обилие литературных данных, является изучение влияния легирующих элементов и условий формирования структуры на свойства литого металла.
Стабильность структур и фаз определяет стойкость к изнашиванию. Как установлено из обзора литературы, повышенную стойкость к износу проявляют структуры стабильные и метастабильные, при эксплуатации которых происходит превращение, приводящее за счет деформационного старения к упрочнению металла [3, 4]. Износостойкие сплавы типа чугу-нов с аустенитной структурой производят с помощью легирования марганцем, когда его больше пяти процентов. Можно в их состав добавить до пяти процентов хрома, не более полутора процентов меди, по половины процента никеля, вольфрама или молибдена. Эти чугуны имеют твердость НВ 500 (ниже, чем могла бы быть при другом составе), а ударную вязкость высокую (в отличие от чугунов с мар-тенситной структурой). Поэтому их рекомендуется использовать, когда присутствует ударно-абразивный износ.
Научная новизна работы заключается в определении влияния количества и типа карбидов на ударную вязкость в малоуглеродистых комплексно-легированных чугунах.
Целью работы являлся анализ влияния химического и фазового состава белого чугуна на ударную вязкость для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств в литых деталях, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию при повышенных ударных нагрузках.
Методика проведения эксперимента
Чугун выплавлялся в индукционной тигельной печи емкостью 160 кг, футерованной основными огнеупорами.
Для проведения микроструктурного анализа использовали сухие разовые песчаные формы при отливке образцов. Часть образцов для более достоверного анализа вырезалась из литых деталей. При проведении карбидного и рентгено-спектрального анализа выявляли химический состав двух карбидов ванадия УС и хрома М7С3. Это требовалось в случае определения морфологии структуры.
Копёр типа 2130 КМ-0,3 использовали для определения ударной вязкости по стандартной методике. Размер поперечного сечения плоских образцов, подвергнутых шлифиванию, составил 10^5 мм. Установлены величины ударной вязкости при литье для всех составов. Так как получено в каждом составе несколько значений, последующий анализ сделан при учёте средних значений ударной вязкости.
Проведение исследования
При проведении эксперимента получены сплавы, содержащие в % от 1,18 до 2,49 С, от 0,7 до 5,5 Мп, от 3,1 до 9,6 Сг, от 1,8-8,3 У, до 1,24 Si.
Для анализа результатов эксперимента сплавы разбили на три группы [5]. Отдельную группу составили комплексно-легированные сплавы от М1 до М7. Значения ударной вязкости показаны в табл. 1, 2.
Первая группа характеризуется повышением твердости при одновременном повышении процента аустенита в структуре до 13. Вторая содержит до 25 процентов аустенита, и увеличения твердости не наблюдается; в третьей наблюдается уменьшение твердости при большем количестве аустенита (30 % и более).
В случае сплавов от 1 до 25 для анализа динамики ударной вязкости использовались показатели химического и фазового состава. При анализе сплавов от М1 до М7 учитывались только показатели фазового состава.
При проведении многофакторного регрессионного анализа были получены уравнения первой степени, представленные ниже: для группы 1
КС = 70,9 - 19 • С - 10,4 • Мп - 1,35 • Сг -
- 5,48 • АУ; (1) КС = 58,3 - 1,64 • А - 2,53 • МС -
- 5,21-МтС3; (2) для группы 2
КС = 75 - 20,6 • С - 6,67 • Мп - 1,17 • Сг -
- 0,19 • АУ; (3) КС = 40,7 - 1,49 • А + 0,03 • МС +
+ 0,03 • М7С3. (4)
для группы 3
КС = 60,5 - 23,6 • С + 2,2 • Мп - 0,32 • Сг-
- 2,7 • АУ; (5)
КС = 59,4 + 0,065 • А -
- 4,1 (МС + М7С3); (6)
для группы М1 - М7 КС = 20,1 - 0,17 • А + 1,0 • МС -
- 0,5 • М7С3. (7)
Таблица 1
Экспериментальные данные по ударной вязкости сплавов (средние значения)
Группы сплавов
1 группа 2 группа 3 группа М1 - М7
номер сплава КС, Дж/см2 номер сплава КС, Дж/см2 номер сплава КС, Дж/см2 номер сплава КС, Дж/см2
1 25 2 25 3 34 М1 22
7 20 4 26 9 28 М2 22
11 15 5 22 16 10 М3 21
12 12 6 20 20 12 М4 21
15 8 8 20 22 10 М5 21,5
24 6 10 20 25 12 М6 16
- - 13 16 - - М7 13,5
- - 14 12 - - - -
- - 17 10 - - -
- - 18 6 - - - -
- - 21 5 - - - -
Таблица 2
Характеристика комплексно-легированных сплавов М1-М7
Номер сплава Содержание, % мас. Содержание в структуре, % Примечание
С Мп Сг АУ А МС М7С3
М1 1,42 2,19 4,4 + 2,1 10,0 3,8 5,0 0,2 % структурно-свободной медистой фазы
М2 1,54 3,11 6,0 + 1,7 20,2 5,0 3,9 0,8 % структурно-свободной медистой фазы
М3 1,88 1,96 7,4 + 1,2 21,9 7,0 3,6 -
М4 2,01 1,84 6,6 + 1,2 19,9 7,9 3,2 -
М5 2,33 4,05 8,5 + 0,9 57,8 9,8 2,9 -
М6 1,18 0,93 3,1 + 2,4 6,0 2,3 5,5 1,1 % структурно-свободной медистой фазы
М7 2,49 5,14 9,6 +0,5 86,8 11,0 2,2 -
Рис. 1 показывает зависимости влияния углерода, марганца, хрома и ванадия на ударную вязкость. При построении графиков количество остальных химических элементов фиксировалось на основном уровне.
При увеличении углерода уменьшение ударной вязкости у всех сплавов происходит примерно одинаково. Это объясняется формированием сетчатой структуры.
Обнаружен сложный характер влияния марганца. При его повышении в сплавах первых двух групп очень снижается ударная вязкость. Это происходит при увеличении мар-тенситной структуры, которая обусловливает внутренние напряжения.
У сплавов третьей группы марганец повышает ударную вязкость, что связано с увеличением степени аустенитизации структуры.
Но линейная аппроксимация не может полностью характеризовать влияния марганца и степени аустенитизации структуры. Это будет представлено далее, когда будет учитываться влияние структурных факторов.
Содержание хрома от пяти до восьми процентов оказывает незначительное влияние на ударную вязкость. Так, у сплавов первых двух групп немного уменьшает, а в комплексно-легированных сплавах практически не влияет.
Нехватка ванадия (АУ) плохо отражается на значении ударной вязкости. Весьма заметно это при снижении ударной вязкости в сплавах первой и третьей групп. В случае второй группы влияния дефицита ванадия до полутора процентов практически нет. У сплавов данной группы влияние карбидной фазы (т.е. дефицита ванадия) не существенно по сравнению с влиянием матрицы сплавов.
КС, Дж/см: 30-^—
25 20 15 10 5
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
С, /о
КС, Дж/см
15 f 10 5
0 1 2 3 4 5 КС, Дж/см2
25 20 15
1
10- 2
Сг,%
Мп, %
5
5 6 7 8 КС, Дж/см2
АУ,%
-0,6 0 0,6 1,2 1,8
Рис. 1. Зависимость ударной вязкости от химического состава сплавов от 1 до 25: 1, 2 и 3 группы
30
25 ■■ 20 ■■ 15 ■■ 10 5
КС, Дж/см2
А,%
КС, Дж/см2
7
35 30
25
20
15
10
25 20
1510?
5 ■■ 0
МС, %
8
10
11
КС, Дж/см2
М7С3, %
2 4
10
К, % А, %
0 10 20 30 40 50 60
Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от параметров фазового состава сплавов от 1 до 25 (а, б и в) и комплексно-легированных сплавов ( г); группы 1, 2 и 3
Рис. 2 характеризует зависимость ударной вязкости от параметров фазового состава сплавов. Характер влияние степени аустенитизации структуры похож на представленную ранее зависимость от количества марганца. Оба графика имеют сложный вид, особенно в области состыковки зависимостей для различных групп металлов. Очевидно, что общая зависимость не является линейной, но уже на графике в таком упрощенном изображении видна важная характерная особенность зависимости - большое уменьшение ударной вязкости при количестве аустенита А от 20 до 25 процентов или от 2 до 2,2 процентов марганца, что характеризует наибольшую степень мартенситного превращения в сплавах. Указанная особенность заметно проявляется, если анализировать результаты эксперимента по двум группам сплавов «а» и «б», которые выделены для этого специально. Обработка результатов с помощью методов статистики показана на рис. 3. В случае такого распределения в группу «а» попали сплавы первой и второй группы, которые имеют до двадцати пяти процентов аусте-нита в структуре. В группе «б» находятся сплавы с содержанием более двадцати трех процентов аустенита. Это третья группа сплавов и некоторые из второй группы.
Состыковка обеих групп наблюдается в случае двадцати - двадцати пяти процентов аустенита.
Уравнения зависимостей, представленных на рис. 3, могут быть записаны в следующем виде:
сплавы группы «а»
КС = 32,4 - 2,08 • А + 0,104 • А2 -
- 0,00265 • А3; (8)
сплавы группы «б» (кроме сплав три)
КС = - 0,4 + 0,40 • А + 0,104 • А2
- 0,0030 • А3.
(9)
Несмотря на то, что в группе «а» сплавов наблюдается немалый разброс данных, а значит, модель не может быть адекватной, можно говорить о большом уменьшении ударной вязкости в случае двадцати двух - двадцати пяти процентов аустенита в структуре, что определяется наибольшей степенью мартенситного превращения и самой большой твердостью в этих сплавах. В случае повышения степени аустенитизации более двадцати пяти процентов происходит уменьшение мартенсита в структуре, ударная вязкость увеличивается (в группе «б» сплавов).
9
6
8
10
15
20
25 А%
КС,
Дж/см2 20 -,
15 10
5 -| :
20
30
40
50
60
б
70
А,%
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от степени аустенитизации структуры для сплавов от 1 до 25 (группы "а" и "б")
Фазы двух карбидов (ванадия VC и хрома М7С3) уменьшают ударную вязкость в экспе-риментируемых сплавах, что хорошо наблюдается в сплавах первой и третьей группы, но намного меньше в сплавах второй группы.
Рис. 2 показывает также графики для комплексно-легированных сплавов от М1 до М7 («г»), которые имеют вид зависимости (7). Карбидные фазы типа М7С3 и в данном случае немного уменьшают ударную вязкость, но за счет равномерно расположенных в композиционной структуре карбидов МС происходит увеличение ударной вязкости. Частично последнее утверждение поясняется и тем, что при росте числа эвтектических карбидов типа МС снижается склонность аустенита к дисперсионному упрочнению. Неадекватность модели первого порядка наблюдается в оценке влияния количества аустенита. Действительно, при статистическом анализе данных с помощью зависимости второго порядка видим, что это выражение носит экстремальный характер:
КС = 16,2 + 0,348 • А - 0,0044 • А2. (10)
Эта зависимость показана на рис. 4.
КС,
^ж/ам 2
20 -
15
10
10 20 30 40 50 60 70 80 90
А,%
Рис. 4. Зависимость ударной вязкости от степени аустенитизации структуры для комплексно-легированных сплавов от М1 до М7
Представленная зависимость показывает соответствие наибольшей ударной вязкости при структуре, содержащей от сорока до сорока пяти процентов аустенита. Это характеризует примерно полумартенситную структуру матрицы (половина мартенсита и половина аустенита), в случае композиционного расположения структурных составляющих (аустенит представляет основу, включения мартенсита и карбидов являются упрочнителями). Когда преобладают структуры аустенита, в большой степени наблюдается явление дисперсионного упрочнения аустенита при уменьшении ударной вязкости.
Заключение
В характере зависимости ударной вязкости белых чугунов от количества химических элементов и состава фаз выявлены две следующие закономерности:
1) в сплавах первых трех групп происходит уменьшение механических свойств (прочности и ударной вязкости) в случае наличия максимума мартенситного превращения, что соответствует примерно двум процентам Mn или двадцати - двадцати пяти процентам А; мехсвойства таких сплавов увеличиваются в случае повышенной степени аустенитизации (не менее сорока процентов А);
2) в комплексно-легированных сплавах от М1 до М7 этот эффект не проявляется в связи со значительной измельченностью их микроструктуры, отсутствием сетчатых структур, присутствием дополнительных демпфирующих фаз; самое оптимальное сочетание мех-свойств в сплавах этой группы наблюдается в случае содержания в структуре двадцати - сорока процентов аустенита.
5
а
0
Литература
1. Печенкина Л.С. Влияние химического состава на микроструктуру и фазовый состав малоуглеродистых белых чугунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 2. С. 12-16.
2. Печенкина Л.С., Сильман Г.И., Рукавицына А.А. Влияние хрома и ванадия на композиционную структуру в малоуглеродистых белых чугунах // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 6. С. 13-17.
Поступила 15.06.2018; п
3. Колокольцев В.М. Структура и свойства белых чугунов разных систем легирования // Вестник Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1. С. 19-23.
4. Нетребко В.В. Особенности легирования белых износостойких чугунов // Литье и металлургия. 2015. № 2. С. 37-41.
5. Печенкина Л.С. Влияние содержания структурообразующих компонентов на твердость малоуглеродистых белых чугунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 3. С. 134-138.
к публикации 14.09.2018
Информация об авторах
Печенкина Лариса Степановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: pls-7@mail.ru
INFLUENCE OF CHEMICAL AND PHASE COMPOSITION ON SHOCK VISCOSITY ON WEAR-RESISTANT WHITE CAST IRON
L.S. Pechenkina
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the object of the study is complex-alloyed solid alloys, including white cast iron, used for wear-resistant parts, which already in casting should have the required strength and toughness. The task of the study is to identify the chemical composition, the parameters of the structure formation, which affect the toughness. In the process of investigation, we got the alloys containing such percent of the elements: from 1.18 to 2.49 C, from 0.7 to 5.5 Mn, from 3.1 to 9.6 Cr, from 1.8 to 8.3 V, up to 1.3 Si. The investigated alloys were divided into three groups according to the percentage of austenite contained in their structure. The first group was characterized by an increase in hardness with a simultaneous increase in the percentage of aus-tenite in the structure up to 13. The second contained up to 25 percent of austenite without increasing the hardness, and the third showed a decrease in hardness with larger quantity of austenite (more than 30%). A separate group consisted of alloys containing up to 2.14% of copper, up to 1.73% of molybdenum. An assessment of the change in impact strength is based on the influence of chemical factors (carbon, manganese, chromium and vanadium) and phase composition by multivariate regression analysis. It was determined that the carbide phases (MC, M7C3) in the investigated alloys reduce the toughness. This is especially noticeable in the alloys of groups 1 and 3, their influence in the alloys of group 2 is much less pronounced. It was found that the decrease in the toughness occurs at the maximum degree of martensitic transformation in the structure (at 2-2.2% Mn or 20-25% A). It increases with a higher degree of austenitization of the structure (more than 40% A). For an individual group of complex-alloyed alloys this effect is not manifested in connection with the distinctive features of their structure. The best combination of mechanical properties for alloys of this group is provided at 20-40% of austenite in their structure
Key words: impact strength, white cast iron, structure, alloying element
References
1. Pechenkina L.S. "Effect of chemical composition on the microstructure and phase composition of low carbon white cast iron", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2016, vol. 12, no. 2, pp. 12-16.
2. Pechenkina L.S., Sil'man G.I., Rukavitsyna A.A. "Effect of chromium and vanadium on the composite structure in low-carbon white cast irons", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2015, vol.11, no. 6, pp.13-17.
3. Kolokoltsev V.M. "The structure and properties of white cast irons of different alloying systems", The Bulletin of G.I. Nosov Magnitogorsk Technical University (VestnikMagnitogorskogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova), 2014, no. 1, pp. 19-23
4. Netrebko V.V. "Features of alloying of white wear-resistant cast irons", Casting and metallurgy (Lit'ye i metallurgiya), 2015, no. 2, pp. 37-41.
5. Pechenkina L.S. "Influence of the content of structure-forming components on the hardness of low-carbon white cast irons", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol.13, no. 3, pp.134-138.
Submitted 15.06.2018; revised 14.09.2018 Information about the author
Larisa S. Pechenkina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: pls-7@mail.ru
