CC BY
0
Металловедение и термическая обработка Physical metallurgy and heat treatment
Научная статья
УДК 669.14.018.017:621.777.2
DOI: 10.14529/met230404
ВЛИЯНИЕ КАЛЬЦИЙ-СТРОНЦИЕВОГО КАРБОНАТА И УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb
О.С. Молочкова, opetrochenko@mail.ru
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
Аннотация. В условиях жесткой эксплуатации, таких как агрессивное воздействие абразивов, высокая температура и вредные рабочие среды, предпочтение отдают деталям машин и оборудования, которые изготовлены в основном из белых чугунов. Структура и количество карбидной фазы в этих чугунах влияют на их механические свойства и способность сопротивляться износу при повышенной температуре. Особой износоустойчивостью белые чугуны обязаны высокому содержанию первичных карбидов МС и эвтектических карбидов типа М7С3 в матрице, которая в основном состоит из аустенита или аустенита и феррита. Существует большое разнообразие технологических методов, которые призваны улучшить специальные характеристики чугунов, сосредоточенных в основном на улучшении структуры материалов. Самыми эффективными способами для повышения механических и специальных свойств литейных сплавов являются рафинирование и комплексное модифицирование. Повышение жаростойкости чугуна происходит в результате удаления вредных примесей из расплава и образования тугоплавких включений, таких как SrO и имеющихся в карбонате MgO, Al2O3, SiO2. Эти включения служат центрами кристаллизации, что приводит к переохлаждению расплава и измельчению структуры. Модифицирующее действие карбоната обусловлено образованием оксида SrO, эти включения действуют как модификаторы второго рода. При нагреве чугуна на поверхности отливок формируется оксидная пленка из хромата стронция (SrCrO4), которая имеет более высокую плотность и лучшую адгезию к металлической основе, чем оксидная пленка типа шпинели (FeOCr2O3). Это приводит к улучшению сопротивляемости образованию окалины.
Ключевые слова: модифицирование, жароизносостойкий чугун, фазовый состав, структура, карбонат, фактор формы, оксидные слои, окалиностойкость, износостойкость
Для цитирования: Молочкова О.С. Влияние кальций-стронциевого карбоната и условий охлаждения при затвердевании на структуру и свойства комплексно-легированных белых чугунов системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2023. Т. 23, № 4. С. 46-57. DOI: 10.14529/met230404
© Молочкова О.С., 2023
Original article
DOI: 10.14529/met230404
INFLUENCE OF CALCIUM-STRONTIUM CARBONATE AND COOLING CONDITIONS DURING SOLIDIFICATION ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF COMPLEX-ALLOYED WHITE CAST IRONS OF Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb SYSTEM
O.S. Molochkova, opetrochenko@mail.ru
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia
Abstract. Under severe operating conditions, such as aggressive abrasives, high temperatures and harmful working environments, machine and equipment parts are favoured that are made mainly of white cast irons. The structure and the amount of carbide phase in these cast irons influence their mechanical properties and their ability to resist wear at elevated temperatures. White cast irons owe their particular wear resistance to the high content of primary MC carbides and eutectic carbides such as M7C3 in the matrix, which is mainly composed of austenite or austenite and ferrite. There is a wide variety of technological methods that are designed to improve the special characteristics of cast irons, centred mainly on improving the structure of the materials. The most effective methods for improving the mechanical and special properties of foundry alloys are refining and complex modification. The heat resistance of cast iron is improved as a result of removal of harmful impurities from the melt and formation of refractory inclusions such as SrO and available MgO, Al2O3, SiO2 in carbonate. These inclusions serve as crystallisation centres, which leads to melt supercooling and structure refinement. The modifying effect of carbonate is due to the formation of SrO oxide, these inclusions act as modifiers of the second kind. When cast iron is heated, an oxide film of strontium chromate (SrCrO4) is formed on the surface of castings, which has a higher density and better adhesion to the metal base than spinel oxide (FeOCr2O3). This results in better resistance to scale formation.
Keywords: modification, heat and wear resistant cast iron, phase composition, structure, carbonate, shape factor, oxide layers, scale-resistance, wear-resistance
For citation: Molochkova O.S. Influence of calcium-strontium carbonate and cooling conditions during solidification on structure and properties of complex-alloyed white cast irons of Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb system. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy. 2023;23(4):46-57. (In Russ.) DOI: 10.14529/met230404
Введение
В настоящее время создание качественных конструкционных материалов тесно связано с разработкой методов улучшения свойств чугунов путем добавления сплавов щелочноземельных и редкоземельных металлов в процессе выплавки. Легирование оказывает наибольшее влияние на внутренние свойства отдельных фазовых составляющих, в то время как рафинирование определяет содержание неметаллических включений и примесей, а модифицирование отвечает за структурирование всего литого материала в макроскопическом и микроскопическом масштабе [1].
Улучшение свойств чугунов и изменение микроструктуры металла могут быть достигнуты с помощью выбора оптимальных композиций рафинирующих и модифицирующих добавок. Кроме того, возможно глобуляризи-ровать неметаллические включения и значи-
тельно уменьшить их количество и размер. Исследования показывают, что для достижения наиболее положительных результатов следует использовать комплексные сплавы, включающие кальций, барий и стронций. Учитывая свою модифицирующую способность, кальций обычно уступает стронцию и барию. Поэтому рост модифицирующей способности происходит в порядке Са, Sr, Ва. При совместном присутствии кальция и стронция в жидком железе реализуется комплексный механизм раскисления с образованием в качестве неметаллических включений частиц твердого раствора оксидов ^Ю, Са0^е0)|твр с минимальным содержанием оксида железа (порядка 0,001 мас. %) [2].
Для рафинирования эффективно и безопасно использовать кальций-стронциевый карбонат, который получается как побочный продукт производства селитры. Согласно нормам радиационной безопасности НРБ-99,
карбонат стронция не содержит радионуклидов и не является радиоактивным. Это делает его доступным и недорогим материалом [3, 4].
При введении кальций-стронциевого карбоната в расплав он диссоциирует на оксиды (СаО и SrO) и СО2. Оксиды способствуют де-фосфорации и десульфурации чугуна и очищению границ зерен от неметаллических включений, переводу их в глубь зерна, вследствие этого структура измельчается. Пузырьки СО2 всплывают, ухватывая за собой газы и неметаллические включения [5, 6]. Таким образом, исследование комбинированного воздействия добавок карбоната и условий охлаждения при затвердевании комплексно-легированных белых чугунов системы Бе-С-Сг-Мп-№-И-А1-МЬ представляет большой интерес для материаловедения, так как может привести к получению материалов с улучшенными механическими и термическими свойствами.
Материалы и методика исследования
Исследования проводили на комплексно-легированных белых чугунах системы Бе-С-Сг-Мп-М-Т^А1-№ с добавками кальций-стронциевого карбоната (Са, 8г)С03 в количестве 3, 4, 5, 6 и 7 кг/т. Оптический эмиссионный спектрометр SpectromaXx фирмы Spectro использовался для определения химического состава чугунов (НИИ Наносталей, ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»). На лабораторной установке проводили испытания чугунов на износостойкость, с использованием методики, которая была описана в ГОСТ 23.208-79. Ме-
тоды металлографического и рентгенографического исследования использовались для изучения структуры и фазового состава чугунов, а также для анализа оксидных слоев. Проведение количественного металлографического анализа в соответствии со стандартом ASTME 1245 осуществлялось с использованием анализатора изображений Thixomet PRO, при этом была применена методика нарастающего итога от поля к полю и панорамная склейка полей зрения. Химический состав оксидных слоев определяли методом локального микрорентгенос-пектрального анализа на растровом электронном микроскопе JEOL. Остальная методика проведения экспериментов подробно представлена в предыдущих работах автора [7, 8].
В следующих пределах находился химический состав сплавов, которые были исследованы, % мас.: 2,23-2,43 С; 17,85-18,8 Cr; 4,54-5,87 Mn; 0,96-1,1 Ni; 0,46-0,58 Ti; 2,12-2,14 Al; 2,34-2,41 Nb.
Результаты исследования
Фазовый состав чугунов: а-фаза (феррит), у-фаза (аустенит), карбиды типа М7С3 и карбиды типа МС. Во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из карбидов (Nb, Ti)C, избыточных дендритов твердого раствора (а + у) и аустенитохромистокар-бидной эвтектики и вторичных карбидов типа &7C3 (рис. 1, 2).
Был проведен количественный металлографический анализ карбидов (Nb, Ti)C и комплексных карбидов (Fe, Cr, Mn)7C3 (табл. 1, 2).
а)
b)
Спектр Ni Al Si Ti Cr Mn Fe Nb
Спектр 13 - - - 17,92 1,12 - 0,68 38,9
Спектр 9 2,24 2,36 1,28 - 10,29 5,56 58,41 -
Рис. 1. Фотографии микроструктуры чугуна с 5 кг/т (Ca, Sr)CO3, сухая ПГФ и химический состав фаз, х1000 Fig. 1. Photographs of cast iron microstructure with 5 kg/t (Ca, Sr)CO3, dry SLM and chemical composition
of phases, x1000
а)
b)
e) f)
Рис. 2. Микроструктуры чугунов ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, обработанных карбонатом: а - 5 кг/т, c - 6 кг/т,
e - 7 кг/т, залитых в сухую ПГФ, b - 5 кг/т, d - 6 кг/т, f - 7 кг/т, залитых в кокиль, х500 Fig. 2. Microstructures of cast irons treated with carbonate: a - 5 kg/t, c - 6 kg/t, e - 7 kg/t, cast in dry SLM, b - 5 kg/t, d - 6 kg/t, f - 7 kg/t cast in block mold, х500
Таблица 1
Параметры первичных карбидов (Nb, Ti)C в зависимости от добавок карбоната
и скорости охлаждения
Table 1
Parameters of primary carbides (Nb, Ti)C depending on additives carbonate and cooling conditions
(Ca, Sr)CO3, кг/т Тип формы Объемная доля К, % Число К, Na, 1/мм2 Длина включений L, мкм Площадь включений А, мкм2 Расстояние между карб., мкм Фактор формы F
0 Сухая 3,38 949 4,45 22,4 96 0,49
Сырая 4,9 1937 5,2 22 88 0,50
Кокиль 5,4 4337 2,1 4,5 28 0,55
3 Сухая 2,16 1214 4,5 18,0 177 0,51
Сырая 2,92 1020 5,73 31,3 178 0,52
Кокиль 3,43 8184 2,54 3,4 44 0,54
4 Сухая 3,94 1649 5,9 15 99 0,53
Сырая 4,8 2253 7,6 21,3 76 0,54
Кокиль 4,0 2981 5,0 3,1 72 0,56
5 Сухая 3,9 867 7,0 12 149 0,6
Сырая 5,59 1470 6,1 39,3 96 0,6
Кокиль 5,2 17 858 2,1 2,05 22,4 0,61
6 Сухая 3,6 2903 4,0 13,0 74 0,62
Сырая 4,3 1917 4,1 22 92 0,63
Кокиль 3,02 14 213 1,52 2,12 33,2 0,66
7 Сухая 3,41 1589 4,8 22,3 114 0,63
Сырая 3,3 1055 6,0 31 138 0,6
Кокиль 2,5 2640 3,3 10,1 130 0,62
Таблица 2
Параметры эвтектических карбидов в зависимости от добавок карбоната и скорости охлаждения
Table 2
Parameters of eutectic carbides depending on additives carbonate and cooling conditions
(Ca, Sr)CO3, кг/т Тип формы Объемная доля К, % Число К, Na, 1/мм2 Длина включений L, мкм Площадь включений А, мкм2 Расстояние между карб., мкм Максим. площадь К, мкм2
0 Сухая 12 18 518 3,0 8,0 22 432
Сырая 12,2 10 892 2,22 6,2 14,7 230
Кокиль 14 27 040 1,3 1,6 11 49
3 Сухая 20,4 19 359 3,72 5,8 11,0 361
Сырая 20 16 880 3,6 12 10 367
Кокиль 23 42 871 2,7 0,84 6,2 106
4 Сухая 14 9120 5,4 5,15 13 382
Сырая 22 29 801 2,9 7,5 8,0 183
Кокиль 12,8 22 255 3,27 0,74 10,2 78
5 Сухая 17 11 174 4,8 4,15 13 311
Сырая 15,6 12 360 4,3 12,7 12,2 284
Кокиль 19 34 635 2,6 0,4 8,0 118
6 Сухая 17 14 033 4,1 13,3 14 367
Сырая 18 15 012 3,9 12 11 344
Кокиль 22 28 029 3,2 7,8 6,7 110
7 Сухая 20 16 555 3,7 9,1 16 289
Сырая 21 19 225 3,2 8,7 13 243
Кокиль 23 40 008 2,6 5,3 6,9 119
При обработке чугунов карбонатом 3 кг/т объемная доля карбидов МС снижается в 1,5 раза для сплавов, залитых в сухую ПГФ и кокиль. Доля эвтектических карбидов М7С3 растет в 1,6-1,7 раза в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации. При увеличении количества добавки до 5 кг/т наблюдается рост объемной доли карбидной фазы МС от 3,38-5,4 до 3,9-5,2 %, доля карбидов М7С3 увеличивается от 12-14 до 17-19 %. Дальнейшее увеличение добавки карбоната до 7 кг/т приводит к снижению объемной доли карбидов МС и росту М7С3 в структуре чугу-нов. В чугунах до обработки карбонатом карбиды титана различной формы: вытянутые -неправильной формы, октаэдрической формы, есть близкие к компактной. Карбиды располагаются отдельными группами, заметна структурная неоднородность.
При введении карбоната 5 кг/т карбиды (Nb, Ti)C становятся дисперсными, их форма приближена к равноосной, равномерно располагаются по плоскости шлифа, размеры карбидов уменьшаются. Модификатор уменьшает поверхностную энергию и межфазовое натяжение на границе «расплав - карбид МС», что вызывает формирование карбидов округлой формы. Дальнейшее увеличение количества введенного карбоната до 9 кг/т приводит
Свойства чугунов Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti Properties of Fe-C-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-
к укрупнению карбидов, таким образом происходит снижение модифицирующего эффекта, называемого перемодифицированием или «старением» модифицирующего эффекта, снижается износостойкость чугунов [9]. В результате модифицирования количество карбидов с фактором формы больше 0,6 увеличивается.
Изучены специальные свойства чугунов Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb после обработки кальций-стронциевым карбонатом (табл. 3).
Обработка чугунов карбонатом повышает специальные свойства. Максимальные показатели износостойкости 5,24-7,46 ед. наблюдаются у чугунов, содержащих 3-5 кг/т карбоната. Это связано с модифицирующим действием карбоната, проявляющимся в изменении морфологии и дисперсности первичных и эвтектических карбидов (фактор формы первичных карбидов растет от 0,49-0,55 до 0,51-0,61, уменьшается площадь карбидов М7С3 от 8 до 4,15-5,6 мкм2 для сплавов, залитых в сухую ПГФ, и от 1,6 до 0,4-5,8 мкм2 в кокиль, карбидов МС от 22,4 до 12-18 мкм2 - сухая ПГФ, от 4,5 до 2,05-3,4 мкм2 - кокиль), а также с увеличением доли карбидной фазы.
При таком количестве карбоната (3-5 кг/т) он действует как добавка, рафинирующая и модифицирующая чугун. Образовавшиеся
Таблица 3
-Al-Nb после обработки карбонатом
Table 3
Nb cast irons after carbonate treatment
(Ca, Sr)CO3, Тип формы Свойства
кг/т К,, ед. Am800, г/м2-ч HRC, ед. L, %
Сухая 5,2 0,033 50 0
0 Сырая 6,23 0,022 49 0
Кокиль 6,65 0,028 50 -
Сухая 6,34 0,03 41 0
3 Сырая 6,65 0,02 42 0
Кокиль 7,46 0,027 44,5 -
Сухая 6,06 0,029 40 0
4 Сырая 6,28 0,019 50,5 0
Кокиль 6,61 0,017 45 -
Сухая 5,24 0,014 41 0
5 Сырая 6,13 0,015 43 0
Кокиль 6,57 0,014 45,5 -
Сухая 5,07 0,028 40,5 0
6 Сырая 6,0 0,029 40,5 0
Кокиль 6,33 0,026 41 -
Сухая 4,5 0,038 38 0
7 Сырая 5,38 0,044 43 0
Кокиль 5,88 0,034 43,5 -
Рис. 3. Химический состав оксидных слоев чугуна с 5 кг/т (Ca, Sr)CO3, сухая ПГФ. Масштаб шкалы «Содержание элементов, % мас.»: Fe - 100;
Cr - 100; С - 10; Si - 10; Ni - 10; Mn - 100; O - 100; Ti - 10 Fig. 3. Chemical composition of oxide layers of cast iron with 5 kg/t (Ca, Sr)CO3, dry SLM. Scale bar "Elemental content, % wt.": Fe - 100; Cr - 100; C - 10; Si - 10; Ni - 10; Mn - 100; O - 100; Ti - 10
оксиды (СаО и SrO) способствуют дефосфо-рации и десульфурации чугуна и очищению границ зерен от неметаллических включений, измельчению структуры. Другой продукт диссоциации - пузырьки СО2 - начинают всплывать и ухватывают за собой неметаллические включения и газы, в этом состоит рафинирующее действие карбоната.
Очищение расплава от вредных примесей и образование тугоплавких включений ^гО и имеющихся в карбонате М^О, А1203, SiO2), становящихся центрами кристаллизации, приводит к значительному переохлаждению расплава и измельчению структуры. Все это способствует повышению жароизносостойкости чугунов.
Модифицирующее действие карбоната проявляется в результате образования СаО и SrO. Оксид кальция более склонен к десульфурации, нежели оксид стронция, так как энергия Гиббса образования сульфида кальция (-359,82 кДж при температуре 1600 К) ниже по сравнению с энергией образования сульфида стронция (-313,8 кДж при температуре 1600 К). Оксиды и сульфиды кальция имеют низкую плотность, легко всплывают и переходят в шлак, а оксид стронция имеет
повышенную плотность, что замедляет скорость всплытия.
Изучили локальный химический состав различных участков окисленной поверхности и определили распределение элементов по глубине оксидных слоев (рис. 3). В поверхности оксидной пленки содержание хрома 6 %, начиная с глубины 3 мкм концентрация хрома возрастает до 18 %. Концентрация марганца около 61 % в поверхности оксидной пленки и менее 7 % начиная с глубины 2 мкм. Концентрация алюминия около 8 % на поверхности оксидной пленки и 4 % начиная с глубины 2 мкм. Ниобия в поверхности пленки 2,5 % и около 1,5 % начиная с глубины 10 мкм. Содержание железа увеличивается с 20 % на поверхности слоя до 72 % начиная с глубины слоя 5 мкм. Концентрации элементов в оксидном слое выходят на уровень содержания их в сплаве начиная с глубины 4-6 мкм, значит, толщина оксидного слоя не более 6 мкм.
Выявлены концентрационные неоднородности в различных участках оксидной пленки с помощью рентгеновского картирования (рис. 4). Методом локального микрорентге-носпектрального анализа исследовали распределение химических элементов на поверх-
etui ClKlt H-IKil FtKll
II! Ll1 TiUI МКЫ Бг Lj1
Рис. 4. Микрофотография окисленной поверхности чугуна с 5 кг/т (Ca, Sr)CO3, сухая ПГФ и поэлементное картирование, х2000 Fig. 4. Micrograph of oxidized surface of cast iron with 5 kg/t (Ca, Sr)CO3, dry SLM and elemental mapping, х2000
ности оксидного слоя в различных его участках (рис. 5, табл. 4, рис. 6, табл. 5).
Из рис. 4 видно, что стронций присутствует в поверхности оксидной пленки, так как при нагреве на поверхности отливок образуется оксидная пленка хромата стронция SrCrO4. Она имеет более высокую плотность и более прочное сцепление с металлической основой, чем оксидная пленка типа шпинели FeO•Cr2O3. Окалиностойкость выше у чугу-нов, обработанных карбонатом в количестве 5 кг/т, коэффициент окалиностойкости снижается в 1,6-2,4 раза по сравнению со сплавами без обработки карбонатом. Показано, что толщина оксидной пленки уменьшается при введении карбоната с 8,8 до 4-6 мкм (по сравнению со сплавами без карбоната), это происходит в результате повышения ока-линостойкости сплавов, вследствие образования на поверхности отливок оксидной пленки
хромата стронция SrCrO4. При дальнейшем увеличении добавок карбоната падение ока-линостойкости связано с тем, что твердый раствор становится все менее насыщен хромом с ростом количества эвтектических карбидов типа М7С3.
Изучили топографию окисленной поверхности чугунов после добавок кальций-стронциевого карбоната в количестве 5 кг/т. Оксидная пленка состоит из двух типов слоев: 1 - плотный тонкий и 2 - рыхлый оксидный слой. В участках, которые соответствуют ден-дритам твердого раствора (спектры 1-2 и 7-11), пленка плотная и тонкая из-за высокого содержания алюминия в ней (1 тип) от 10,11 до 18,48 %, марганца в этих участках от 4,5 до 26,28 %, хрома - от 8,4 до 15,08 %, никеля -от 0,71 до 1,01 %. Поверхность оксидного слоя (тип 2), которая соответствует участкам эвтектики (спектры 3-6), обогащена Мп, его
■'■■■"■.■■:■■;I :v -: r :
Рис. 5. Локальный химический состав различных участков оксидных пленок чугуна с 5 кг/т (Ca, Sr)CO3, сухая ПГФ
Fig. 5. Local chemical composition of different areas of cast iron oxide layers with 5 kg/t (Ca, Sr)CO3, dry SLM
SOwnn 1 Электронное изображение 1
Рис. 6. Локальный химический состав различных участков оксидных пленок чугуна с 5 кг/т (Ca, Sr)CO3, сухая ПГФ
Fig. 6. Local chemical composition of different areas of cast iron oxide layers with 5 kg/t (Ca, Sr)CO3, dry SLM
Таблица 4
Table 4
Химическии состав участков оксиднои пленки, образовавшейся над дендритами твердого раствора и эвтектикой
Chemical composition of sections of oxide layers formed over solid solution dendrites
and eutectics
Спектр (см. рис. 5) Содержание элемента, %
C O Al Si Cr Mn Fe Ni
Спектр по линии (1) 3,00 13,12 13,51 1,27 13,38 5,92 48,99 0,81
Спектр по линии (2) 3,57 15,17 18,48 1,50 8,80 4,65 46,81 1,01
Спектр по линии (3) 4,38 10,60 3,35 0,28 7,47 61,35 11,28 -
Спектр по линии (4) 12,92 22,24 0,31 - 5,06 56,05 3,01 -
Спектр по линии (5) 5,75 22,35 3,69 0,26 3,50 61,50 2,95 -
Спектр по линии (6) 5,08 18,05 1,35 - 5,95 64,05 3,93 -
Спектр по линии (7) 4,80 23,52 10,11 0,50 12,31 26,28 20,68 -
Спектр по линии (8) 3,62 21,35 13,27 1,01 11,22 13,07 35,74 0,71
Спектр по линии (9) 3,26 23,48 11,18 0,69 15,08 20,52 24,39 -
Спектр по линии (10) 3,61 17,48 13,96 1,49 8,40 7,76 46,31 1,00
Спектр по линии (11) 3,72 12,70 12,35 1,69 10,83 4,50 53,29 0,93
Таблица 5
Химический состав участков оксидной пленки, образовавшейся над карбидами (Nb, Ti)C
Table 5
Chemical composition of sections of oxide layers formed over (Nb, Ti)C carbides
Спектр (см. рис. 6) Содержание элемента, %
C O Al Si Ti Cr Mn Fe Nb
Спектр по линии (4) 13,06 16,06 5,26 - 4,16 7,12 15,09 17,54 21,70
Спектр по линии (5) 22,33 19,87 0,41 0,60 13,88 6,71 3,75 1,43 31,01
Спектр по линии (6) 8,06 15,52 - 0,47 21,94 9,90 4,89 1,83 37,40
Спектр по линии (7) 21,61 25,77 0,89 0,53 10,12 4,23 4,46 8,38 24,01
концентрация от 56,05 до 64,05 %, хрома -от 3,5 до 7,47 %, алюминия - от 0,31 до 3,69 %, никеля нет, пленка рыхлая, с трещинами, и толщина ее увеличивается. В присутствии марганца в оксидной пленке повышается степень дефектности структуры окалины, возникает избыток кислорода, и в окалине происходит повышение степени окисления оксидов марганца с образованием летучих оксидов [10].
Из результатов табл. 5 видно, что оксидная пленка, образовавшаяся над карбидами (№, Т^С, обогащена ниобием от 21,7 до 37,4 %. Это еще раз доказывает тот факт, что оксидные слои наследуют структуру и химический состав литого сплава.
Заключение
1. Определено, что обработка расплавов чугунов системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb карбонатом до 5 кг/т повышает износостойкость сплавов. Максимальные показатели износостойкости наблюдаются у чугунов при введении в них 3-5 кг/т карбоната. Это связано с модифицирующим действием карбоната, проявляющимся в изменении морфологии и дисперсности первичных и эвтектических
карбидов (фактор формы первичных карбидов растет от 0,49-0,55 до 0,51-0,61, уменьшается площадь карбидов М7С3 от 8 до 4,15-5,6 мкм2 для сплавов, залитых в сухую ПГФ, и от 1,6 до 0,4-5,8 мкм2 - в кокиль, карбидов МС от 22,4 до 12-18 мкм2 - сухая ПГФ, от 4,5 до 2,05-3,4 мкм2 - кокиль), а также с увеличением доли карбидной фазы.
2. Установлено, что максимальная окали-ностойкость у чугунов, обработанных карбонатом в количестве 5 кг/т, коэффициент ока-линостойкости снижается в 1,6-2,4 раза и толщина оксидной пленки уменьшается при введении карбоната с 8 до 4-6 мкм (по сравнению со сплавами без карбоната). Это происходит в результате повышения окалино-стойкости сплавов, вследствие образования на поверхности отливок оксидной пленки хромата стронция SrCrO4. При дальнейшем увеличении добавок карбоната падение жаростойкости связано с тем, что твердый раствор становится все менее насыщен хромом с ростом количества эвтектических карбидов типа М7С3.
3. При исследовании химического состава различных участков оксидной пленки показано, что оксидные слои наследуют структуру и химический состав литого сплава.
Список литературы
1. Бестужев Н.И., Константинович О.А., Бестужев А.Н. Инокулирующее модифицирование высококачественных чугунов - направление повышения конкурентоспособности отливок // Литейное производство. 2005. № 5. С. 8-12. EDN HSHLZB.
2. Термодинамический анализ процессов взаимодействия компонентов в системе Fe-Sr-Ca-O-С в условиях существования металлического расплава / Г.Г. Михайлов, Г.П. Вяткин, Л.А. Макровец и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2020. Т. 20, № 4. С. 5-13. DOI: 10.14529/met200401
3. Влияние кальций-стронциевого карбоната на структуру и свойства чугунов / П.А. Молочков, Е.В. Синицкий, М.Г. Потапов, О.С. Молочкова // Литейные процессы. 2013. № 12. С. 134-139. EDN TGFYTL.
4. Колокольцев В.М., Шевченко А.В. Повышение свойств отливок из чугунов специального назначения путем рафинирования и модифицирования их расплавов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 1 (33). С. 23-29. EDN NDVRCX.
5. Повышение срока службы деталей из жароизносостойких чугунов / О.С. Молочкова, В.М. Колокольцев, Б.В. Воронков и др. // Литейщик России. 2009. № 6. С. 9-12. EDN RCYMSL.
6. Миронов О.А. Разработка новых жароизносостойких чугунов для отливок, работающих в условиях повышенных температур, износа и агрессивных газовых сред: специальность 05.16.04 «Литейное производство»: дис. ... канд. техн. наук / Миронов Олег Александрович. Магнитогорск, 2007. 154 с. EDN NOQXPD.
7. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Влияние Al на фазовый состав, структуру и свойства жароизносостойкого чугуна системы Cr-Mn-Ni-Ti // Черные металлы. 2018. № 7. С. 6-11. EDN LXNIPJ.
8. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Влияние легирования ниобием на структурно-фазовый состав, механические и специальные свойства чугунов системы Cr-Mn-Ni-Ti // Черные металлы. 2019. № 2. С. 18-24. EDN VWCBQG.
9. Kolokol'tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of Boron Modifications and Cooling Conditions during the Structural and Phase State Solidification of Heat- and Wear-Resistant White Cast Iron // Steel in Translation. 2019. Vol. 49, no. 11. P. 755-760. EDN ZLLTPP. DOI: 10.3103/S096709121911007X
10. Анастасиади Г.П., Кокорина А.В., Кондратьев С.Ю. Исследование процесса окисления жаропрочного жаростойкого сплава Fe-25Cr-35Ni-0,45C-Si-Nb // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2014. № 3 (202). С. 161-169. EDN SUFIOT.
References
1. Bestuzhev N.I., Konstantinovich O.A., Bestuzhev A.N. The inoculating modification of high-quality cast iron - a way of enhancing the competitiveness of castings. Liteinoye proizvodstvo = Foundry. Technologies and Equipment. 2005;5:8-12. (In Russ.) EDN HSHLZB.
2. Mikhailov G.G., Vyatkin G.P., Makrovets L.A., Samoylova O.V., Bakin I.V. Thermodynamic Analysis of the Interaction Processes of Components in the Fe-Sr-Ca-O-C System under the Conditions of the Metal Melt Existence. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy. 2020;20(4):5-13. (In Russ.) DOI: 10.14529/met200401
3. Molochkov P.A., Sinitsky E.V., Potapov M.G., Molochkova O.S. Effect of calcium-strontium carbonate on the structure and properties of cast irons. Liteynye protsessy. 2013;12:134-139. (In Russ.) EDN TGFYTL.
4. Kolokoltsev V.M., Shevchenko A.V. [Improving the properties of castings from cast irons for special purposes by refining and modifying their melts]. Vestnik of NosovMagnitogorsk state technical university. 2011;1(33):23-29. (In Russ.) EDN NDVRCX.
5. Molochkova O.S., Kolokol'tsev V.M., Voronkov B.V., Gol'tsov A.S., Shevchenko A.V. [Increase of service life of parts from heat and wear resistant cast irons]. Foundrymen of Russia. 2009;6:9-12. (In Russ.) EDN RCYMSL.
6. Mironov O.A. Razrabotka novykh zharoiznosostoykikh chugunov dlya otlivok, rabotayushchikh v usloviyakh povyshennykh temperatur, iznosa i agressivnykh gazovykh sred: spetsial'nost' 05.16.04 "Liteynoeproizvodstvo": dis. kand. tekhn. nauk [Development of new heat and wear resistant cast irons for castings working in conditions of increased temperatures, wear and aggressive gas environments: specialty 05.16.04 "Foundry production". Cand. sci. diss.]. Magnitogorsk; 2007. 154 p. (In Russ.) EDN NOQXPD.
7. Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. [The influence of Al on the phase composition, structure and properties of heat and wear resistant cast iron of Cr-Mn-Ni-Ti system]. Stahl und eisen. 2018;7:6-11. (In Russ.) EDN LXNIPJ.
8. Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Effect of niobium addition on the structural-phase composition, mechanical and special properties of cast irons based on the Cr-Mn-Ni-Ti system. Stahl und eisen. 2019;2:18-24. (In Russ.) EDN VWCBQG.
9. Kolokol'tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of Boron Modifications and Cooling Conditions during the Structural and Phase State Solidification of Heat- and Wear-Resistant White Cast Iron. Steel in Translation. 2019;49(11):755-760. EDN ZLLTPP. DOI: 10.3103/S096709121911007X
10. Anastasiadi G.P., Kokorina A.V., Kondratyev S.Yu. Research on oxidation of heat-resistant alloy Fe-25Cr-35Ni-0,45C-Si-Nb. St. Petersburg state polytechnical university journal. 2014;3(202):161-169. (In Russ.) EDN SUFIOT.
Информация об авторе
Молочкова Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры литейных процессов и материаловедения, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; opetrochenko@mail.ru. Information about the author
Olga S. Molochkova, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof. of Metallurgical Technology and Foundry Processes Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; opetrochenko@mail.ru.
Статья поступила в редакцию 20.08.2023 The article was submitted20.08.2023
