CC BY
135
УДК 669.13.018
ВЛИЯНИЕ ХРОМА И ВАНАДИЯ НА СТРУКТУРУ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ
БЕЛЫХ ЧУГУНОВ
Л.С. Печенкина, [Г.И. Сильман, А.А. Рукавицына
На основе данных рентгено-спектрального и карбидного анализа с помощью термодинамических расчетов получена зависимость, характеризующая влияние углерода и хрома на критическое содержание ванадия применительно к малоуглеродистым чугунам и заэвтектоидным сталям. Проведена оценка необходимого содержания ванадия в комплексно - легированных белых чугунах
Ключевые слова: белый чугун, хром, ванадий, легирование, композиционная структура
Основной из многочисленных проблем машиностроения является увеличения срока эксплуатации быстроизнашивающихся деталей машин. Короткий срок службы многого промышленного оборудования и машин приводит к неоправданным экономическим потерям. Особенно важно увеличить срок службы у деталей, работающих в таких отраслях промышленности как строительная, горнорудная, угольная.
Явление абразивного износа характерно для такого оборудования как мельницы для размола руды, экскаваторы, шламовые насосы. Материалами для таких деталей служат белые износостойкие чугуны [1].
Применение комплексно-легированных белых чугунов на шаровой мельнице позволило увеличить срок их эксплуатации в 3 раза Наглядным примером использования износостойких чугунов так же могут стать детали для предприятий, перерабатывающих уголь. Срок их эксплуатации в 10 раз дольше, чем у таких же деталей из стали и чугуна. На фабриках горно-обогатительных комбинатов срок службы отливок «Броней течек» возрос в четыре-восемь раз при изготовлении их из чугуна вместо стали [2].
К выше сказанному следует добавить, что белый чугун является перспективным материалом и для инструментов в деревообрабатывающей промышленности. Сочетание износостойкости и теплостойкости комплексно-легированных чугунов обеспечивает высокую работоспособность инструмента.
Печенкина Лариса Степановна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: a.m.pechenkin@mail.ru Сильман Григорий Ильич - БГИТА, д-р техн. наук, профессор
Рукавицына Анастасия Алексеевна - ВГТУ, студент, e-mail: nastena.rukavitsyna@mail.ru
Получение чугуна с заданным комплексом физико-механических свойств определяется его химическим составом. Именно от содержания легирующих элементов зависят такие свойства как сопротивление агрессивным средам, изнашиванию, высоким температурам.
Модифицирование белых чугунов титаном, редкоземельными металлами (РЗМ), магнием - эффективные средства, значительно повышающие прочность износостойких чугунов. Использование этих технологий для изготовления отливок из заэвтектических белых чугунов позволяет повысить их прочность и технологичность, даст возможность использовать их высокую износостойкость, определяемую высоким содержанием карбидов - свыше 40 % [2].
Как известно, композиционное построение структуры в белых чугунах можно обеспечить за счет достаточного легирования элементами, образующими карбиды типа МС (где М - атомы металла, С - углерод), например ванадием, ниобием, титаном [3-4].
В работе [5] РЗМ введены в состав сплава в качестве модифицирующей и микролегирующей добавки. Они измельчают структуру сплава, способствуют образованию карбидов типа МС и формированию композитной структуры на основе этих карбидов, что проявляется в заметной стабилизации свойств на достаточно высоком уровне. При остаточном содержании РЗМ менее 0,02% модифицирующий эффект не проявляется. Слишком большое количество РЗМ (более 0,18%) не приводит к повышению свойств, но значительно удорожает сплав.
Одним из элементов, который нашел свое применении при легировании белых чугунов, является ванадий, который образует твердые растворы с твердостью равной 2400-2800 НУ. Карбиды ванадия УхСу, обладают изоморфно-стью с решеткой аустенита, что обеспечивает их прочное закрепление в матрице.
Кристаллизуются карбиды ванадия в виде сферолитной эвтектики (у-Ре+УС), в которой карбидные волокна пронизывают аустенитную матрицу с образованием композиционной стук-туры. Благодаря инвертированному характеру такой эвтектики ванадистые чугуны с аусте-нитной структурой имеют необычно высокую для белых чугунов пластичность, а также повышенную ударную вязкость и прочность на изгиб [6].
Возможно использовать ванадий с менее дорогостоящими легирующими, обеспечивающими частичную замену ванадия. Этого можно достигнуть при легировании хромом. Ванадий в этом комплексе должен обеспечить карбидо-образование и формирование композитной структуры. Роль хрома заключается в легировании матрицы (с обеспечением ее необходимых свойств) и частичной замене ванадия в карбидах.
Ранее проведенными экспериментами [3,7] было показано, что хром в значительных количествах может растворяться в карбидах ванадия, замещая атомы ванадия в кристаллической решетке карбида. Для количественной оценки растворимости хрома в карбидах МС проведен рентгеноспектральный анализ комплексно -легированного малоуглеродистого белого чугуна. Сканирование на установке "Стереоскан -180" в характеристическом Сгка и Ука - излучении показало, что в карбидах МС содержание хрома примерно такое же, как и в среднем в чугуне. Результаты этих исследований были дополнены данными карбидного анализа, что позволило определить химический состав каждой фазы. В частности, было установлено, что в аустените комплексно - легированного белого чугуна содержится 0,26 % С и 0,20 % V (% по массе). Используя эти данные, можно ориентировочно оценить температуру, ниже которой в сплаве в процессе его охлаждения в литейной форме или на воздухе диффузия углерода и легирующих элементов практически не происходит, т.е. условную температуру, от которой происходит "самозакалка" чугуна. Зная характер межфазного распределения хрома, проведем оценку его влияния на растворимость карбидов ванадия в аустените. Сильманом Г.И. предложено проводить расчет растворимости ванадия в аустените в условиях двухфазного равновесия А + VC (где А - аустенит) по урав-
нению:
/(ЫУ{А)) = Ь Щ(А) + <(А) • ЫУ(А)
-1п а,
С( А)-
С ( А)
• N
С(А)
С(А)
-Е
дг г0
RT
С(А)
• N
К А)'
где N
V ( А)
растворимость ванадия в
аустените в ат. долях; / (Ку (А)) — концентрационная функция, по численным значениям которой рассчитывается величина Ыу(А); Дг°С -
изменение свободной энергии (термодинамического потенциала) реакции образования карбида ванадия в стандартных условиях; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К; аС(А) - термодинамическая активность углерода в нелегированном аустените; КС(А) и Ni(А) - содержание в аустените
углерода и растворимого легирующего элемента соответственно, ат. доли; г - дополнительные легирующие элементы (кроме ванадия);
ег - параметры взаимодействия в аустените
С ( А)
углерода с соответствующими легирующими элементами.
Из дополнительных легирующих элементов в данном случае используем хром. Применительно к оценке влияния хрома из уравнения (1) имеем:
Д[I(Nv(А))С «Д(1п Nv(а) )СГ =
= -£С" • N
V ( АV
(2)
С(А)
Сг(А) ■
По данным [1, 2] еСг = - 4,0, тогда
С( А)
Д[I(NV(А) )]сг > 0, т.е. хром увеличивает растворимость карбидов ванадия в аустените.
Уравнение (2) можно представить в следующем виде:
NV(А) = ^(А) • ехр(4 • NCг(А) )
(3)
где NF(A) - растворимость ванадия в аустените без хрома; NV (А) - растворимость ванадия в аустените, легированного хромом.
После перехода от атомных долей к процентам по массе уравнение (3) преобразуется к виду:
УА = VI • ехр(0,04 • СгА).
(4)
С(А) = С(0а) • (1 + 0,029• Сг,А)); ^=0,999. (8)
Влияние хрома на растворимость углерода для тех же условий двухфазного равновесия А + УС можно оценить по уравнению [1, 2]:
1п
1УС ( А)
N°
С(А)
д
Сг
С(А)
- £
С
С(А)
1 + • N
о
• Ысг (А) =
С(А) С(А)
(5)
= Л
_ ЬС(А) ' ЫСг(А).
Здесь ДС{А) - коэффициент влияния хрома
на активность углерода в аустените в условиях рассматриваемого двухфазного равновесия;
Ь
С (А)
- коэффициент влияния хрома на раство-
->Ст
римость углерода в аустените. Значение ДС(А) рассчитано по методике [3] и составило -1 при
коэффициенте распределения хрома К
УС - А Сг
1.
При проведении расчетов принято также: £с(А) ~ 8 и №(А) « ЫС(А) = 0,012, что соответствует приведенной выше растворимости углерода в легированном аустените. С учетом этих данных расчет коэффициента ьС[А) дает:
Здесь В2 - статистическая характеристика, называемая корреляционным соотношением.
Зная значения У(А) и С(А) (определенные экспериментально и приведенные выше), можно определить и значения У^и С(0А) при Сг(А) =
0: У(0А) = 0,16 % и С(0А)= 0,22 %. Используя эти
данные, можно оценить условную температуру "самозакалки" сплава. На рис. 1 приведены изотермы и политермы растворимости карбида ванадия в аустените по данным [9]. Видно, что
сочетание У А = 0,16 % и С (0А)= 0,22 % соответствует температуре около 800 С. Поэтому граничной конодой, отделяющей область А + МС с полностью инвертированной структурой от области конодного треугольника А + МС + М7С3, должна быть конода А - МС при 800°С. Крайние точки этой коноды известны
(У(А) = 0,16 %, С(0А) = 0,22 % и У(УС) = 81,5 %, С (0УС) = 18,5 %.
При дополнительном легировании сплава хромом получаем следующие координаты крайних точек коноды:
ЛСг
ЬС (А)
-1 + 4 1 + 8 • 0,012
- = 2,7
и уравнение растворимости углерода после перехода к выражению концентрации в процентах по массе имеет вид:
С(А) = С(А) • ехр(0,027 • Сг(А)).
(6)
Видно, что зависимость для растворимости ванадия и углерода имеют аналогичный вид (уравнения (4) и (6)), но с разными коэффициентами. Эти уравнения можно упростить, приведя их к линейному виду. После статистической обработки численных значений раствори-мостей при содержаниях хрома от 0 до 8% (через 1%) имеем:
У(А) = У(0А) • (1 + 0,045 • Сг(А)); В2=0,998
(А)
(А)
(7)
для аустенита У( А) = 0,16 • (1 + 0,045 • Сг(А))
С( А) = 0,22 • (1 + 0,029 • Сг( А)),%;
для карбида МС
(А)
У(МС)= 81,5 - Сг(А) и
С
С
0
= 18,5%.
(МС) ~^(МС)
Расчетная схема с использованием этих величин приведена на рис. 2.
Уравнение коноды можно представить как уравнение прямой линии, проходящей через две заданные точки:
У - У *
У (МС ) у
С - С
СМ ) ^сг
У - У
у (МС) ' (А)
С - С
(МС ) А)
(9)
После подстановки значений У(МС), С(МС), У(А) и С(А) имеем:
и
б
120« 110П
100«
С 900
800 700
600 О
/ / •С.' У
/ / к С-——
1— I -8—
Ги\г 0,7
0,5 0,3 0,2 -0,16 0,1
0,05 0,025
Ц, 22
Рис. 1. Изотермы (а) и политермы (б) растворимости карбида ванадия в аустените [8]:
1 - 727°С, 2 - 775°С, 3 - 825°С, 4 - 875°С, 5 - 925°С, 6 - 975°С, 7 - 1025°С, 8 - 1075°С
Рис. 2. Расчетная схема с положением критических конод А - МС
81,5-Сгмд-V _ 81,5-Сг(МС) -0,16- (1+0,045С^))
Здесь на схеме рис.2 С спл - среднее содер-
тг*
жание углерода в сплаве; V - минимально необходимое (критическое) содержание ванадия в сплаве, при котором исключено образование других карбидных фаз, кроме карбида МС.
Поскольку экспериментально установлено, что в комплексно - легированном сплаве Сг(А)«
Сг(МС) ~ Сгспл, то после соответствующей подстановки в уравнение (10) и решения этого уравнения с исключением мало значащих членов получаем:
V* = (4,45-0,055^ Сгспл) • Сспл -0,8, % мас.
(11)
Уравнение (11) представляет собой основную зависимость, характеризующую влияние углерода и хрома на критическое содержание ванадия. Она несколько отличается от использовавшихся ранее зависимостей [4] и дает лучшую корреляцию между характеристиками химического состава, особенно применительно к малоуглеродистым чугунам и эвтектойдным сталям.
Видно, что хром уменьшает критическое содержание ванадия в сплавах. Это связано с тем, что хром частично замещает ванадий в карбиде МС и несколько увеличивает растворимость этого карбида в аустените, т.е. под влиянием хрома вся критическая конода смещается в сторону меньшего содержания ванадия.
По уравнению (11) рассчитаны значения
т г*
критического содержания ванадия V для многих экспериментально исследованных сплавов и из сопоставления их с действительными содержаниями ванадия Vспл рассчитаны величины дефицита ванадия ДV в сплавах:
ду = V* -V.
(12)
18,5-Сс
185-0,22^ (1+ 0,029 СгА))
(10)
Результаты расчетов показали, что во многих сплавах имеется значительный дефицит ванадия (1% и более). Структура в таких сплавах имеет существенные отклонения от композиционной, что резко сказывается и на механических свойствах сплавов, особенно на ударной вязкости.
Выявлены также сплавы с отсутствием дефицита ванадия или даже с небольшим его избытком (0,1-0,5%). Такие сплавы содержат
1,6-2,2 % С; 0,5-1,3 % Si; до 3,5% Мп; до 7,0 % Сг; до 0,6 У и могут быть дополнительно легированы и модифицированы другими элементами. По структуре они являются типичными белыми чугунами, так как после кристаллизации содержат одну или несколько аустенитно-карбидных эвтектик. При достаточном содержании ванадия основной является двойная эвтектика аустенит + карбид ванадия ( А+УС). По границам колоний этой эвтектики кристаллизуется небольшое количество тройной эктектики А+УС+М7С3 (где М7С3 - карбид типа Сг7С3) в виде отдельных изолированных включений или сплошной сетки. В последнем случае отливки необходимо подвергать длительному отжигу для разрушения сетки тройной эвтектики, существенного повышения ударной вязкости сплава и улучшения его обрабатываемости ре-заньем. После механической обработки детали подвергают закалке и отпуску на требуемую твердость. В окончательном виде микроструктура сплава состоит из колоний двойной эвтектики с матричной составляющей в виде продуктов распада аустенита. Каждая колония армирована карбидным каркасом и представляет различно ориентированный волокнистый микрокомпозит. Сплав с такой структурой имеет высокие механические свойства (ов до 900 МПа при КС до 150 кДж/м2) и износостойкость (в 1,5 -2 раза выше, чем у быстрорежущей стали). Применяется при изготовлении деталей, от которых требуется сочетание высокой износостойкости и прочности при достаточной ударной вязкости.
Литература
1. Колокольцев, В.М. Структура и свойства белых чугунов разных систем легирования [Текст] / В. М. Колокольцев // Вестник Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «Магнитогорский технический университет им. Г.И. Носова». - 2014. - №1. - С. 19-23.
2. Гарбер, М. Е. Износостойкие белые чугу-ны: свойства, структура, технология, эксплуатация [Текст] / М.Е. Гарбер.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 2010. - 280 с.
3. Сильман, Г.И. Система Fe-C-Cг и переход от нее к системам Fe-C и Fe-C-Cг-Si. Термодинамический и термокинетический анализ. Расчет, построение и использование диаграмм [Текст] / Г. И. Сильман. - Брянск.: БГИТА, 1999. - 144 с.
4. Жуков, А.А. Износостойкие отливки из комплексно легированных белых чугунов [Текст] : монография / А. А. Жуков., Г. И. Сильман, М. С. Фрольцов. -М.: Машиностроение, 1984. - 104 с.
5. Пат. 2149915 Российская Федерация, C22C37/10, C22C38/38 Сплав [Текст] / Сильман Г.И.; Серпик Л.Г.; Печенкина Л.С., заявитель и патентообладатель Брянская государственная инженерно-технологическая академия. - № 99103251/02; заявл. 17.02.1999; опубл. 27.05.2000, Бюл. № 28. - 3 с.
6. Ефременко, В. Г., Межфазное распределение химических элементов в комплексно-легированном белом чугуне [Текст] / В. Г. Ефременко, А. П. Чейлях // Вестник Приазовского государственного технического университета. - Приазовский: ГВУЗ «ПГТУ». - 2014. -№28. - С. 89-99.
7. Сильман, Г. И. Особенности микроструктуры и распределения элементов в комплексно - легированных белых чугунах [Текст] / Г. И Сильман, А. А. Жуков , М. С. Фрольцов, А. Н. Прудников // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1981. - №1. - С. 5256.
8. Сильман, Г.И. Диаграмма состояния сплавов Fe-C-V и ее использование в металловедении сталей и чугунов [Текст] / Г.И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1992.- № 11. - С. 4-8.
Воронежский государственный технический университет Брянская государственная инженерно-технологическая академия
INFLUENCE CHROMIUM AND VANADIUM ON THE CONSTRUCTION OF STRUCTURES OF LOW-CARBON WHITE CAST IRON
L.S. Pechenkina, G.I. Silman, A.A. Rukavitsina
On the basis of X-ray spectral and carbide analysis by thermodynamic calculations yielded the dependence characterizing the effect of carbon and chromium on the critical content of vanadium in relation to low-carbon steels, cast iron and hy-pereutectoid. The estimation of the required content of vanadium in the complex - alloyed white irons
Key words: white iron, chromium, vanadium, alloying, composite structure
