CC BY
28
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК.669.15
В. В. НЕТРЕБКО1*, И. П. ВОЛЧОК2
1 Каф. «Оборудование и технология сварочного производства», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (050) 486 27 40, эл. почта [email protected], (ЖСГО 0000-0003-3283-0116
2Каф. «Композиционные и порошковые материалы и технологии», Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, Запорожье, Украина, 69063, тел. +38 (061) 764 13 51, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-1580-0556
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЧУГУНА НА МЕЖФАЗНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СИ ПОСЛЕ ОТЖИГА ПРИ 690 °С
Цель. В научной работе необходимо установить влияние химического состава Ре-С-Сг-Мп-№ чугуна на содержание хрома в металлической основе, карбидах, а также коэффициент межфазного распределения хрома после отжига при 690 °С (КРСг690). Методика. Исследовали чугуны, содержащие 1,09-3,91 % С; 11,43-25,57 % Сг; 0,6-5,4 % Мп; 0,19-3,01 % № и 0,8-1,2 % Анализ распределения хрома производили с использованием методов математической статистики. Чугун выплавляли в индукционной печи емкостью 60 кг. Результаты. Применение методов активного планирования эксперимента 24-1 позволило установить регрессионные зависимости концентрации хрома в основе и карбидах, а также коэффициент его межфазного распределения от содержания в чугуне С, Сг, Мп и №. Хром после отжига преимущественно концентрировался в карбидах. Содержание хрома в основе изменялась от 3,94 % при 3,23 % С, 5,4 % Мп, 11,43 % Сг и 3,01 % № - до 17,43 % при 1,09 % С, 0,60 % Мп, 25,57 % Сг и 1,32 % №. Минимальное значение коэффициента распределения КРСг690 составило 2,1 в чугуне состава 1,09 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг и 0,19 % №, а максимальное - 9,4 при 3,91 % С, 0,6 % Мп, 11,43 % Сг и 3,01 % №. Распределение хрома определялось количеством и типом образующихся карбидов. В процессе отжига состав карбидов формировался в результате конкурирования карбидообразующих элементов и замещения атомов железа и марганца атомами хрома. Научная новизна. Авторами получены регрессионные зависимости содержания хрома в основе, карбидах и коэффициент его межфазного распределения от химического состава Ре-С-Сг-Мп-№ чугуна после отжига при 690 °С. Практическая значимость. Полученные зависимости позволяют прогнозировать содержание хрома в металлической основе и могут быть использованы при разработке новых составов износостойких чугунов, а также при выборе режимов термической обработки.
Ключевые слова: чугун; хром; распределение; карбид; металлическая основа
Введение
Применение комплексного легирования высокохромистых чугунов позволяет формировать в них структуры, состоящие из заданного типа карбидов и соответствующей металлической основы, что существенно повышает эксплуатационные свойства литых деталей [16-18, 20]. В период кристаллизации и охлаждения в этих чугунах образуются неравновесные структуры, вследствие чего при термической обработке содержание хрома в карбидах повышается, а в металлической основе - снижается [3, 5, ^ 10.15802/Лр2017/109583
10, 11]. Особенно сильные изменения химического состава металлической основы протекают в локальных объемах возле карбидов [19]. Гомогенизация металлической основы затруднена из-за сильного легирования твердого раствора.
Высокохромистые чугуны, легированные марганцем и никелем, подвергаются отжигу для снятия напряжений или придания им необходимых свойств. По ГОСТ 7769-82 [4] рекомендуется для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок из высокохромистых чугу-нов проводить отжиг (высокого отпуска) при
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
963-1023 °К (690-750 °С) с выдержкой в течение 6-12 часов и последующим охлаждением с печью.
Перераспределение элементов между структурными составляющими в процессе отжига связано с формированием карбидов различных типов. Хром и марганец являются элементами, которые распределяются между карбидной фазой и металлической основой [3, 11, 15]. В легированных хромом чугунах введение марганца сопровождается перераспределением атомов хрома между матрицей и карбидами. Увеличение Мп, способствуя повышению концентрации хрома в карбидах, приводит к снижению его содержания в локальных объемах матрицы вблизи карбидов [19]. При концентрации хрома менее 12 % снижается коррозионная стойкость изделий [5, 6, 8, 13]. Поэтому возникает необходимость обеспечения заданной концентрации хрома в металлической основе, особенно, вблизи межфазных (карбид-матрица) границ.
Никель, способствуя образованию аустени-та, снижает растворимость углерода, особенно при высоких температурах [6]. Одновременно с этим, атомы никеля практически отсутствуют в карбидной фазе, в основном легируя твердые растворы хромсодержащих сплавов [3, 11].
В работах [2, 7, 9] исследовалось распределение элементов в высокохромистых чугунах и их перераспределение при термической обработке, однако не было уделено должного внимания процессам, протекающим в околокарбидных зонах.
В процессе кристаллизации чугунов и охлаждении отливок в литейной форме образуются карбиды неравновесного состава, что связано с непрерывным охлаждением и неполным выравниванием состава фаз. В процессе отжига происходит перераспределение элементов между фазами с образованием более равновесных структур, обладающих минимумом свободной энергии при температуре обработки. Повышение содержания хрома стабилизирует карбиды. Особенностью процесса формирования карбидов в твердом состоянии является переменная растворимость в них хрома и марганца, зависящая от температуры [3, 5, 12].
Одним из основных видов термической обработки литья является отжиг. Его применяют для улучшения обрабатываемости отливок, эксплуатируемых в условиях коррозионного воздействия среды. В процессе отжига содержание хрома в карбидах повышается, а в локальных зонах 10.15802^2017/109583
возле карбидов снижается [3, 11], что негативно влияет на коррозионную стойкость изделий.
Анализ работ [2, 7, 9, 13-15] свидетельствует о необходимости проведения дополнительного изучения межфазного распределении хрома в высокохромистых чугунах.
Цель
Цель работы - анализ влияния химического состава высокохромистых чугунов на межфазное распределение хрома в течение отжига при 690 °С.
Методика
Серию высокохромистых чугунов состава: 1,09-3,91 % С; 11,43-25,57 % Cr; 0,6-5,4 % Mn; 0,19-3,01 % Ni и 0,8-1,2 % Si выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Температура разливки чугуна составляла 1390-1410 °С. Образцы исследовались в литом состоянии и после отжига в течение 9 часов при 690 °С. Структурный анализ проводили с использованием методик количественной металлографии [1]. Химический состав металлической основы и карбидов определяли в локальных точках на микроскопе РЕМ 106И.
Для построения математической модели распределения хрома в системе Fe-C-Cr-Mn-Ni использовали метод активного планирования эксперимента (табл. 1).
Таблица 1
Матрица планирования дробнофакторного эксперимента 2
Table 1
Matrix of fractional factorial experiment planning 24-1
Уровень варьиро- Фактор, масс. %
вания факторов С Cr Mn Ni
Основной 0 2,5 18,5 3,0 1,6
Интервал А 1,0 5,0 1,7 1,0
Звездное плечо 1,414Д 1,41 7,07 2,4 1,41
Верхние +1 3,5 23,5 4,7 2,6
+1,414 3,91 25,57 5,4 3,01
Нижние -1 1,5 13,5 1,3 0,6
-1,414 1,09 11,43 0,6 0,19
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Коэффициент распределения хрома (КРСг690) определяли как отношение содержания хрома в карбидах (Сгк690) к его содержанию в основе (Сг0690).
Результаты
В процессе отжига при 690 °С а-^-у превращений не наблюдалось. Металлическая основа чугунов была ферритной, ферритоаустенитной и аустенитной (в зависимости от его состава). В течение выдержки при отжиге наблюдалось перераспределение химических элементов между карбидами и основой с образованием равновесных фаз.
Протекание диффузионных процессов обеспечивало снижение химической неоднородно-
Ш
WD=10.7111111_20.00kV il.50k 20цт
сти чугуна. Как показали исследования, никель практически полностью отсутствовал в карбидах. Одновременно с этим, пропорционально увеличению содержания углерода в чугуне, возрастала концентрация никеля в основе, что, в свою очередь, оказывало влияние на распределение атомов марганца и хрома. Более того, формируемое структурное состояние металлической матрицы влияло на состояние межфазных границ. Так, в чугунах с ферритной основой наблюдалось значительное растравливание границ раздела фаз (рис. 1). В противоположность этому, в чугунах с аустенитной основой растравливание границ раздела фаз практически не обнаружено (рис. 2).
а - a б - b
Рис. 1. Структуры чугунов с ферритной основой после травления:
а - 1,5 % С; 18,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni; б - 2,5 % С; 23,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni Fig. 1. Structures of cast iron with ferritic base after etching:
а - 1,5% С; 18,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni; б - 2,5% С; 23,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni
В результате математической обработки карбидах, основе, а также коэффициента его экспериментальных данных получены регрес- межфазного распределения от содержания в сионные зависимости содержания хрома в чугуне C, Cr, Mn и Ni:
CrK690 = 5,082C - 3,867Mn + 2,261Cr + 24,334Ni + 0,033Mn2 - 2,696Ni2 + 0,906CMn -
- 0,245CCr - 3,736CNi + 0,106MnCr - 0,338MnNi - 0,314CrNi + 3,459 (1) Cr0690 = - 2,238C + 1,525Cr + 1,776Ni + 0,365C2 - 0,022Cr2 - 0,721Ni2 - 0,041CCr +
+ 0,116CNi - 0,006MnCr - 5,224 (2)
КР&690 = 3,07 8C + 0,108Mn + 0,026Cr + 3,029Ni - 0,306C2 - 0,011CCr - 0,156MnNi -
- 0,110CrNi + 0,196(Cr/C) - 3,509 (3)
Данные уравнения являются математиче- мальные и максимальные значения получен-
ски вероятностными (в соответствии с крите- ных функций и соответствующие им составы
риями Стьюдента, Фишера и Кохрена). Мини- представлены в табл. 2.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
в - c г - d
Рис. 2. Структуры чугунов с аустенитной основой после травления:
а - 3,5 % С; 18,5 % Cr; 5,4 % Mn и 2,6 % Ni; б - 3,5 % С; 18,5 % Cr; 5,4 % Mn и 0,2 % Ni; в - 2,5 % С; 18,5 % Cr; 1,3 % Mn и 3,0 % Ni; г - 2,5 % С; 11,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni
Fig. 2. Structures of cast iron with austenitic base after etching:
а - 3,5% С; 18,5% Cr; 5,4% Mn и 2,6% Ni; b - 3,5% С; 18,5% Cr; 5,4% Mn и 0,2% Ni; c - 2,5% С; 18,5% Cr; 1,3% Mn и 3,0% Ni; d - 2,5% С; 11,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni
Таблица 2
Минимальные и максимальные значения функций: Cr^690, Cr^690 и КРа/90
Table 2
Minimum and maximum values of functions:
CrK
0 Cr
9 V^I о
H690 and КРсг690
1 Й <u CS Состав, масс. %
© о ft > eu m С Mn Cr Ni
CrK690 min max 26,5 73,3 1,09 1,09 5,4 0,60 11,43 25,57 0,19 2,22
Cr0690 min max 3,9 17,4 3,23 1,09 5,4 0,60 11,43 25,57 3,01 1,32
КРсг690 min max 2,1 9,4 1,09 3,91 0,60 0,60 11,43 11,43 0,19 3,01
Анализ функции Сгкар690 показывает, что максимальное количество хрома в карбидах 73,3 % имело место при максимальном содержании в чугуне Сг, минимальном количестве С и Мп и 2,2 % N1. При этом химическом составе, после отжига при 690 °С, в чугуне образовывались высокохромистые карбиды Сг23С6, содержащие минимальное количество углерода (5,5 %) и железа. Увеличение содержания никеля до 1,32 % не оказало существенного влияния на растворимость углерода в аустените, что позволило достигнуть максимальной концентрации хрома в металлической основе. При 2,2 % никеля наблюдали максимальное количество хрома в карбидах (см. табл. 2), что связано со снижением растворимости углерода в основе и трансформацией карбидной фазы в высоко-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
хромистые карбиды (Сг,Бе)7С3. Это подтверждает ранее полученные результаты [10].
Минимальное содержание хрома в основе (см. табл. 2) наблюдали при минимальном количестве Сг в чугуне и максимальном количестве Мп и № при 3,2 % С. Повышение концентрации углерода свыше 3,2 % способствовало образованию карбидов Ме7С3, легированных хромом с большим содержанием углерода (8,8 %), что уменьшило количество карбидной фазы и незначительно повысило содержание хрома в основе.
Наименьшее значение коэффициента КРСг690 (2,1) установлено при минимальном содержании в чугуне С, Сг, Мп и № (см. табл. 2). В процессе отжига цементит трансформировался в карбиды Бе7С3, содержащие большее количество хрома.
Максимальное значение коэффициента КРСг690 (9,4) наблюдали при максимальной концентрации углерода и никеля при минимальном количестве Мп и Сг, что связано с образованием большого количества карбидов Бе7С3, стабилизированных хромом при отжиге, и значительным обеднением металлической основы на хром.Зависимости содержания хрома в карбидах от количества в чугуне С, Сг, Мп и № на разных уровнях плана представлены на рис. 3.
Увеличение содержания Мп и № в чугуне изменяло металлическую основу от ферритной до аустенитной. При формировании основы в виде аустенита растворимость углерода резко повышалась. Дальнейшее легирование чугуна марганцем способствовало возрастанию, а никелем - снижению растворимости углерода в аустенитной основе.
Как показано в [17], соотношение Сг / С определяет тип образующегося карбида. При снижении концентрации атомов активного углерода наблюдается образование низкоуглеродистых хромсодержащих карбидов Ме23С6 (5,5 % С), которые в процессе отжига трансформируются в Ме7С3. При возрастании доли активного углерода происходит образование Ме3С (6,7 % С), Ме7С3 (8,8 % С) и Ме3С2 (12,5 % С) [10]. При 0,2 % № и 5,4 % Мп растворимость углерода в основе повысилась, а количество активного углерода снизилось. В целом, увеличение количества углерода в чугуне вызвало в процессе отжига образование
высокохромистых карбидов Cr7C3 (9,0 % С) и Cr3C2 (13,3 % С) (см. рис. 3).
Рис. 3. Влияние С, Cr, Mn и Ni на содержание Сгк
Fig. 3. Influence of С, Cr, Mn and Ni on the content Cr/90
В чугунах, содержащих 11,5 % Cr, 0,6 % Mn и 0,2 % Ni, после отжига наблюдались карбиды Ме3С и Ме7С3, стабилизированные хромом. Повышение содержания углерода в этом чугуне увеличило содержание хрома в карбидах (см. рис. 3) из-за увеличения доли карбидов Ме7С3 в результате трансформации цементита, что согласуется с данными [3, 10, 11]. Легирование чугуна марганцем увеличивало растворимость углерода в основе и повышало концентрацию хрома в карбидах.
Рост содержания хрома в чугуне повышал его концентрацию в карбидах, а увеличение углерода снижало. Таким образом, процессы, протекающие в карбидной фазе, должны оказывать влияние и на содержание хрома в основе (рис. 4).
При увеличении содержания хрома в чугуне, формирование карбидов различных типов приводит к нарушению пропорционального прироста его концентрации в металлической основе.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
С повышением содержания углерода в чугуне наблюдается снижение концентрации Сг в его основе. Это связано с приростом при отжиге количества карбидов с высоким содержанием хрома, не зависимо от содержания марганца и никеля. Наиболее сильное влияние уг-
аб90
осн проявлялось при увеличении его концентрации до 2,5 % (см. рис. 4).
Совместное влияние С, Сг, Мп и № на коэффициент распределения хрома (КРСг690) показано на рис. 5.
Влияние углерода на распределение хрома связано с изменением количества и типа образующихся карбидов. Хром, обладая большим сходством с углеродом, чем железо, марганец и никель, вступает с ним во взаимодействие, однако, в процессе охлаждения образуются неравновесные структуры. В процессе термической обработки наблюдалось формирование равновесных структур при используемой температуре отжига.
Рис. 4. Влияние С, Сг, Mn и Ni на содержание Сго690
Fig. 4. Influence of С, Сг, Mn and Ni on the content Сго690
Влияние никеля проявлялось в стабилизации им аустенита и изменении растворимости углерода в основе.
Специфическое влияние марганца на содержание хрома в карбидах и основе, после отжига чугуна, связано с двойственной природой марганца и его распределением между фазами. При низких концентрациях марганца до 1,0 % в высокохромистом чугуне Mn преимущественно сосредотачивается в металлической основе. Доля марганца в карбидах увеличивается при повышении содержания марганца в чугуне или снижении в нем количества хрома [3].
Рис. 5. Влияние С, Mn, Сг и Ni на межфазное распределение хрома - КРСг690
Fig. 5. Influence of С, Mn, Сг and Ni on the interphase distribution of chromium - КРСг690
В чугунах, содержащих 11,5 % Сг, 1,1 % С, 0,6 % Mn и 0,2 % Ni, образовывались карбиды Ме7С3. Рост содержания хрома в чугуне повышал его количество в карбидах и соответственно увеличивал значение КРСг690 (см. рис. 5). При увеличении содержания углерода в чугуне од-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
новременно протекали процессы увеличения количества карбидов и постепенного замещения карбидов Ме7С3 карбидами цементитного типа. Преобладание процесса образования карбидов существенно снижало концентрацию
690
хрома в основе и увеличивало значение КРСг , несмотря на то, что карбиды Ме3С содержали меньшее количество хрома, чем Ме7С3.
При содержании в чугуне хрома более 18,5 % процесс образования карбидов Ме3С не наблюдался. Увеличение количества карбидов Ме7С3, со значительно большей концентрацией хрома, чем в цементите, способствует обеднению металлической основы по хрому и повышает неравномерность его распределения (см. рис. 5).
Рост количества марганца в чугуне, с одной стороны, увеличивает растворимость углерода в основе и снижает количество карбидов. С другой стороны, вызывает повышение концентрации хрома в карбидах вследствие процессов замещения атомов марганца атомами хрома при формировании равновесных фаз с более низким уровнем свободной энергией. Так, при содержании 0,2 % N1 марганец практически не оказывал влияния на распределение хрома после отжига. Неравномерность распределения хрома в чугуне оставалась неизменной при содержании никеля вплоть до 1,6 % (см. рис. 5).
При 3,0 % N1 увеличение содержания марганца в чугуне снижало коэффициент КРСг690, что связано с образованием устойчивого аусте-нита с высокой растворимостью углерода. Влияние марганца, способствуя растворимости углерода в основе, преобладало над качественно противоположным влиянием никеля.
Увеличение количество карбидов повышало концентрацию никеля в основе и неравномерность распределения хрома в основе. Особенно сильное влияние никеля проявлялось в чугунах, содержащих 11,5 % Сг. Прирост концентрации никеля в чугуне с 0,2 % до 3,0 % при содержании 1,1 % С повысил значение коэффициента КРсг690 с 2,1 до 6,8, а при 3,9 % С с 4,6 до 9,4 (см. рис. 5).
Анализ областей, содержащих различный уровень хрома в основе после отжига при 690 °С (рис. 6), позволил определить оптимальные составы чугунов для различных условий эксплуатации. Для изделий из чугуна, эксплуа-
тируемых в коррозионной среде, при содержании хрома в основе не менее 12 %, оптимальное содержание элементов должно составлять 1,0-1,6 % N1, до 1,0 % Мп, до 2,5 % С при 19,5-25,5 % Сг (см. рис. 6).
Для изделий, эксплуатируемых в условиях абразивного изнашивания, химический состав регламентируется ГОСТ 7769-82 и составляет 2,4-3,6 % С, 1,5-2,5 % Мп и 19-25 % Сг. Твердость этого чугуна после его нормализации и низкого отпуска составляет 330-610 НВ [4], а после отжига при 690 °С 41-54 НЯС, что соответствует требованиям ГОСТ 7769-82. Содержание хрома в основе этого чугуна, после термической обработки, составляет 9,8-12,2 %, что не обеспечивает коррозионной стойкости.
■■■■■
1.1 1,5 1,9 2.3 2,7 3.1 3.5 3.9 Содержание С, масс. %
■■■■■■■
1,1 1,5 1.9 2,3 2.7 3,1 3,5 3.9
Содержание С, масс. %
Ü 23.5 Я
- 21,5
и™
41
Г 17,5 =
Ü
U 11.5
1.1 1,5 1.9 2.3 2.7 3.1 3.5 3,9
Содержание С, масс. %
1.1 1,5 1.9 2,3 2.7 3.1 3.5 3.9
Содержание С, масс. %
1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
Содержание С, масс. %
■HS
1,1 1,5 2 3 2,7 3,1 3,5 3,9
Содержание С, масс. %
Рис. 6. Влияние С, Mn, Cr и Ni на содержание Сго690
Fig. 6. Influence of С, Mn, Cr and Ni on the content Сго690
Научная новизна и практическая значимость
Установлено, что основными факторами, определяющими величину коэффициента межфазного распределения хрома в системе Fe-C-Cr-Mn-Ni, являются: количественное содержание элементов и их взаимное воздействие на процессы карбидообразования.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Полученные регрессионные зависимости позволяют спрогнозировать содержание хрома в металлической основе и могут быть использованы при разработке новых составов чугунов и режимов их термической обработки.
Выводы
1. Характер влияния марганца на содержание хрома в металлической основе чугуна неоднозначен. Марганец, повышая концентрацию
хрома в карбидах, способствует его снижению в основе. Одновременно с этим, повышая растворимость углерода в металлической матрице, марганец содействует растворению в ней карбидов и увеличивает содержание хрома.
2. После отжига чугуна в течение 9 часов при 690 °С максимальная концентрация хрома в основе достигается при 1,3 % никеля, минимальных количествах углерода и марганца.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Вакуленко, I. О. Структурний аналiз в матерiалознавствi / I. О. Вакуленко. - Дншропетровськ : Мако-вецький, 2010. - 124 с.
2. Влияние режимов термической обработки на перераспределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне / В. З. Куцова, М. А. Ковзель, А. В. Кравченко, А. В. Животович // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007. - № 3, ч. 2. - С. 33-51.
3. Волчок, И. П. Влияние легирования и термической обработки на распределение элементов и свойства высокохромистых чугунов / В. В. Нетребко, И. П. Волчок // Науч. вестн. Донбас. гос. машиностр. акад. : сб. науч. тр. / Донбас. гос. машиностр. акад. - Краматорск, 2015. - № 3 (18Е). - С. 52-59.
4. ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки. - Введ. 198301-01. - Москва : Изд-во стандартов,1982. - 15 с.
5. Гудремон, Э. Специальные стали / Э. Гудремон. - Москва : Металлургия, 1966. - Т. 1. - 736 с.
6. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. - Москва : Металлургия, 1978. - 648 с.
7. Куцова, В. З. Влияние температуры нагрева на формирование структуры, фазовый состав и свойства высокохромистых чугунов в исходном и термообработанном состоянии / В. З. Куцова, М. А. Ковзель,
A. В. Кравченко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2008. - № 1. - С. 35-50.
8. Малахов, А. И. Основы металловедения и теории коррозии / А. И. Малахов, А. П. Жуков. - Москва : Высш. шк., 1978. - 192 с.
9. Межфазное распределение химических элементов в комплексно-легированном белом чугуне /
B. Г. Ефременко, А. П. Чейлях, Т. В. Козаревская, К. Шимидзу, Ю. Г. Чабак, А. В. Ефременко // Вюн. Приазов. держ. техн. ун-ту. Серiя: Техшчш науки : зб. наук. пр. / Приазов. держ. техн. ун-т. - Марiу-поль, 2014. - Вип. 28. - С. 89-99.
10. Нетребко, В. В. К вопросу образования карбидов Ре3С и Ре7С3 в высокохромистых чугунах / В. В. Нетребко // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 3 (63). - С. 138-147. Сог 10.15802^р2016/74736.
11. Нетребко, В. В. Особенности термической обработки высокохромистых чугунов легированных Мп и № / В. В. Нетребко, И. П. Волчок // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. -2016. - № 1. - С. 53-57.
12. Сильман, Г. И. Диаграмма состояния сплавов системы Бе-С-Мп и некоторые структурные эффекты в этой системе. Ч. 1. Межфазное распределение марганца / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 2. - С. 11-15.
13. Структурно и неструктурно чувствительные свойства хромистых чугунов / А. А. Кириллов, В. Д. Белов, Е. В. Рожкова, А. Ю. Дядькова, И. Е. Зуев // Черные металлы. - 2007. - № 9 - С. 7-13.
14. Чабак, Ю. Г. Структурные изменения в комплекснолегированном белом чугуне при дестабилизирующем нагреве / Ю. Г. Чабак, В. Г. Ефременко, Р. Р. Станишевский // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Дншропетровськ, 2011. - Вип. 38. - С. 229-232.
15. Чейлях, А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чей-лях. - Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. - 212 с.
16. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / И. И. Цыпин. - Москва : Металлургия, 1983. - 176 с.
17. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны - эволюция и перспективы / И. И. Цыпин //Литейное пр-во. -2000. - № 9. - С. 15-16.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
18. Analysis of the Structure and Abrasive Wear Resistance of White Cast Iron With Precipitates of Carbides / D. Kopycinski, M. Kawalec, A. Szcz^sny, R. Gilewski, S. Piasny // Archives of Metallurgy and Materials / Institute of metallurgy and materials science of Polish academy of sciences. - 2013. - Vol. 58. - Iss. 3. - P. 973976. doi: 10.2478/amm-2013-0113.
19. Belikov, S. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron / S. Belikov, I. Volchok, V. Netrebko // Archives of Metallurgy and Materials / Institute of metallurgy and materials science of Polish academy of sciences. - 2013. - Vol. 58. - Iss. 3. - Р. 895-897. doi: 10.2478/amm-2013-0095.
20. Gierek, A. Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne / A. Gierek, L. Bajka. - Katowice : Slask, 1976. -230 p.
В. В. НЕТРЕБКО1*, I. П. ВОЛЧОК2
1 Каф. «Обладнання та технолопя зварювального виробництва», Заж^зький нацюнальний техшчний ушверситет, вул. Жуковського, 64, Запоршжя, Украша, 69063, тел. +38 (050) 486 27 40, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-3283-0116
2Каф. «Композицшш i порошюж матерiали та технологи», Зат^зький нацюнальний техтчний утверситет, вул. Жуковського, 64, Запоршжя, Украша, 69063, тел. +38 (061) 769 83 51, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556
ВПЛИВ Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ ЧАВУНУ НА РОЗПОД1Л CR ПОМ1Ж ФАЗАМИ П1СЛЯ В1ДПАЛУ ПРИ 690 °С
Мета. У науковш роботi необидно встановити вплив хiмiчного складу Fe-C-Cr-Ni-Mn чавуну на вмiст хрому в металевш основi та карбiдах, а також коефiцieнт розподiлу хрому помiж фазами пiсля вiдпалу при 690 °С (KPCr690). Методика. Дослiджували чавуни, mi мютили 1,09-3,91 % С; 11,43-25,57 % Cr; 0,6-5,4 % Mn; 0,19-3,01 % Ni та 0,8-1,2 % Si. Аналiз розподшу хрому виконували з використанням методiв математично! статистики. Чавун плавили в шдукцшнш печi eмнiстю 60 кг. Результата. Використання методу активного планування експерименту з матрицею 24-1 дозволило визначити регресiйнi залежностi концентрацii хрому в основi та карбiдах, а також коефщент його розподiлу помiж фазами вiд вмiсту в чавун С, Cr, Mn та Ni. Хром тсля вiдпалу переважно концентрувався в карбiдах. Вмiст хрому в основi змiнювався вiд 3,94 % при 3,23 % С, 5,4 % Mn, 11,43 % Cr та 3,01 % Ni - до 17,43 % при 1,09 % С, 0,60 % Mn, 25,57 % Cr та 1,32 % Ni. Найменше значення коефщенту розподшу KPCr690 дорiвнювало 2,1 в чавут, який мютив 1,09 % С, 0,6 % Mn, 11,43 % Cr та 0,19 % Ni, а найбшьше - 9,4 при 3,91 % С, 0,6 % Mn, 11,43 % Cr та 3,01 % Ni. Розподш хрому визначався шльшстю та типом карбщв, що утворювались. Щд час ввдпалу склад карбщв змiнювався внаслвдок конкурування елементiв, що утворюють карбщи, i замiщенням атомiв залiза та марганцю на атоми хрому. Наукова новизна. Авторами отримаш регресивнi залежносп вмiсту хрому в основi, карбвдах та коефiцieнт його розподiлу помiж фазами вiд хiмiчного складу Fe-C-Cr-Ni-Mn чавуну тсля ввдпалу при 690 °С. Практична значимiсть. Отриманi залежносп дозволяють прогнозувати вмiст хрому в металевш основi та можуть бути використат при розробцi нових склада зносостгйких чавунiв, а також при виборi режимiв термiчноi' обробки.
Ключовi слова: чавун; хром; розподш; карбвд; металева основа
V. V. NETREBKO1*, I. P. VOLCHOK2
1 Dep. «Equipment and Technology of Welding Production», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (050) 486 27 40, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-3283-0116 2Dep. «Composite and Powder Materials and Technologies», Zaporizhzhia National Technical University, Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 83 51, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1580-0556
INFLUENCE OF THE CAST IRON'S CHEMICAL COMPOSITION ON THE INTERPHASE DISTRIBUTION OF CR AFTER ANNEALING AT 690 °C
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Purpose. The article is aimed to deteimine effect of the chemical composition of Fe-C-Cr-Mn-Ni cast iron on the chromium content in the metallic base, carbides and the coefficient of interphase distribution of chromium after annealing at 690 ° С (КРСг690). Methodology. Cast irons containing 1.09-3.91% C; 11.43-25.57% Сг; 0.6-5.4% Mn; 0.19-3.01% Ni and 0.8-1.2% Si were investigated. The analysis of chromium distribution was carried out using mathematical statistics methods. Cast iron was melted in induction furnace with a capacity of 60 kg. Findings. The use of methods of active planning of the experiment 24-1 allowed us to establish regression dependencies of the chromium concentration in the base and carbides, as well as its interphase distribution coefficient on the С, Mn, Сг and Ni content in the cast iron. Chromium, after annealing, was mainly concentrated in carbides. The chromium content of the base varies from 3.94% at 3.23% C, 5.4% Mn, 11.43% Сг and 3.01% Ni to 17.43% at
I.09% C, 0.60% Mn, 25.57% Сг and 1.32% Ni. The minimum value of the distribution coefficient of CRC690 was 2.1 in cast iron, of composition 1.09% C, 0.6% Mn, 11.43% Сг and 0.19% Ni, maximum 9.4 at 3.91% C, 0, 6% Mn,
II.43% Сг and 3.01% Ni. The distribution of chromium was determined by the amount and type of carbides formed. During annealing, the carbides' composition was formed as a result of caгbide-foгming elements contention and replacement of iron and manganese atoms by chromium atoms. Originality. Authors obtained regression dependences of the chromium content in the base, carbides and its interfacial distribution coefficient on the chemical composition of Fe-C-Cr-Mn-Ni cast iron after annealing at 690 ° C. Practical value. The obtained dependencies allow predicting the chromium content in the metallic base and may be used during the elaboration of the new weaT resistant cast irons compositions, as well as in the choice of heat treatment regimes.
Keywords: cast iron; chromium; distribution; carbide; metallic base
REFERENCES
1. Vakulenko, I. O. (2010). Strukturnyi analiz v materialoznavstvi. Dnipropetrovsk: Makovetskyi.
2. Kutsova, V. Z., Kovzel, M. A., Kravchenko, A. V., & Zhivotovich, A. V. (2007). Vliyaniye rezhemov ter-micheskoy obrabotki na raspredeleniye legiryshchekh elementov v vysokokhromistom chugune. Metal Science and Heat Treatment, 3 (2), 33-51.
3. Volchok, I. P., Netrebko, V. V. (2015). Effect of alloying and heat treatment on the distribution of the elements and properties of high chrome cast iron. Scientific bulletin of DSEA, 3 (18Е), 52-59.
4. Alloy cast iron for castings of special properties. Grades, State Standard 7769-82 (1982).
5. Gudremon, E. (1966). Spetsialnyye stali (Vol. 1). Moscow: Metallurgiya.
6. Gulyaev, A. P. (1978). Metallovedeniye. Moscow: Metallurgiya.
7. Kutsova, V. Z., Kovzel, M. A., & Kravchenko, A. V. (2008). Vliyaniye temperatury nagreva na foгmiгovaniye struktury, fazovyy sostav i svoystva vysokokhromistykh chugunov v iskhodnom i termoobrabotannom sostoy-anii. Physical Metallurgy and Heat Treatment of Metals, 1, 35-50.
8. Malakhov, A. I., & Zhukov, A. P. (1978). Osnovy metallovedeniya i teorii korrozii. Moscow: Vysshaya shkola.
9. Efremenko, V. G., Cheiliakh, О. P., Kozarevska, T. V., Shimizu, K., Chabak, Y. G., & Efremenko, О. V. (2014). Phase chemical elements distribution in complex-alloyed white cast iron. Reporter of the Priazovskyi state technical university. Section: Technical sciences, 28, 89-99.
10. Netrebko, V. V. (2016). About the issue of carbides Fe3C and Fe7C3 formation in high-chromium cast irons. Science and Transport Progress, 3 (63), 138-147. doi:10.15802/stp2016/74736
11. Netrebko, V. V., Volchok, I. P. (2016). Peculiarities of heat treatment of high-chromium cast irons alloyed by Mn and Ni. Innovative materials and technologies in metallurgy and mechanical engineering, 1, 53-57.
12. Silman, G. I. (2005). Diagramma sostoyaniya splavov sistemy Fe-C-Mn i nekotoryye strukturnyye effekty v etoy sisteme. Mezhfaznoye raspredeleniye margantsa. Metal Science and Heat Treatment, 2, 11-15.
13. Kirillov, A. A., Belov, V. D., Rozhko, Y. V., Diadkova, A. Y., & Zueva, I. E. (2007). Strukturno i nestrukturno chuvstvitelnyye svoystva khromistykh chugunov. Stahl undEisen, 9, 7-13.
14. Chabak, Y. G., Efremenko, V. G., & Stanishevskiy, R. R. (2011). Structure changes in the complex-alloyed white cast iron during destabilizing heating. Bulletin of Dniproperovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 38, 229-232.
15. Cheylyakh, A. P. (2003). Ekonomnolegirovannye metastabilnyye splavy i uprochnyayushchiye tekhnologii. Kharkov: National Science Center Kharkov Institute of Physics and Technology.
16. Tsypin, I. I. (1983). Belyye iznosostoykiye chuguny. Struktura i svoystva. Moscow: Metallurgiya.
17. Tsypin, I. I. (2000). Belyye iznosostoykiye chuguny - evolyutsiya i perspektivy. Foundry, 9, 15-16.
18. Kopycinski, D., Kawalec, M., Szcz^sny, A., Gilewski, R., & Piasny, S. (2013). Analysis of the Structure and Abrasive Wear Resistance of White Cast Iron with Precipitates of Carbides. Archives of Metallurgy and Materials, 58 (3), 973-976. doi:10.2478/amm-2013-0113
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
19. Belikov, S., Volchok, I., & Netrebko, V. (2013). Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron. Archives of Metallurgy and Materials, 58 (3), 895-897. doi:10.2478/amm-2013-0095
20. Gierek, A., & Bajka, L. (1976). Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne. Katowice: Slask Publ.
Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. И. А. Вакуленко (Украина); д.т.н., проф. А. А. Митяевым (Украина)
Поступила в редколлегию: 15.03.2017 Принята к печати: 12.07.2017
