CC BY
77
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
УДК 669.15'26'292-196
Т. В. ПАСТУХОВА1, В. Г. ЕФРЕМЕНКО2*, А. П. ЧЕЙЛЯХ3, К. ШИМИДЗУ4, Ю. Г. ЧАБАК5
1Каф. «Металловедение и термическая обработка металлов», Приазовский государственный технический университет, ул. Университетская, 7, Мариуполь, Украина, 87500, тел. +38 (0629) 44 65 20, эл. почта kozarevskaya89@mail.ru, (ЖСГО 0000-0002-0352-9220
2*Каф. «Физика», Приазовский государственный технический университет, ул. Университетская, 7, Мариуполь, Украина, 87500, тел. +38 (0629) 44 61 31, эл. почта vgefremenko@rаmbler.ru, ОЯСГО 0000-0002-4537-6939 3Каф. «Металловедение и термическая обработка металлов», Приазовский государственный технический университет, ул. Университетская, 7, Мариуполь, Украина, 87500, тел. +38 (0629) 44 61 31, эл. почта cheylyakh_o_p@pstu.edu, ОЯСГО 0000-0003-0805-0443
4Муроранский технологический институт, ул. Мизумото-чо, 27, Муроран, Хоккайдо, Япония, 050-8585, тел. +81-143465651, эл. почта shimizu@muroran-ac.jp
5Каф. «Физика», Приазовский государственный технический университет, ул. Университетская, 7, Мариуполь, Украина, 87500, тел. +38 (0629) 44 65 20, эл. почта julia.chabak@yandex.ua, ОЯСГО 0000-0003-4913-2680
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПРЕВРАЩЕНИЯ «ПЕРЛИТ ^ АУСТЕНИТ» В КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНАХ
Цель. В структуре износостойких сталей и чугунов не допускается присутствия перлита. Устранение перлита путем грамотного выбора режима закалки предполагает знание температур критических точек Ас1 и Ас3 для конкретных сталей и чугунов. Целью работы является определение влияния V (от 5 до 10 %) и Сг (от 0 до 9 %) на температурный интервал фазово-структурного перехода «перлит ^ аустенит» (точки Ас1) в комплексно-легированных белых V-Cr-Mn-Ni чугунах со сфероидизированными карбидами ванадия. Методика. Использованы чугуны девяти различных составов, выплавленные в лабораторных условиях и подвергнутые модифицирующей обработке Mg-содержащей лигатурой. В работе применены металлографический метод анализа, оптическая дилатометрия, энергодисперсионная спектроскопия. Результаты. Показано, что в исследованных чугунах критическая точка Ас1 находится в температурном интервале от 710-780 оС (нижняя граница) до 730-850 оС (верхняя граница). Представлены данные по концентрации хрома и ванадия в матрице чугунов, получены регрессионные выражения, описывающие влияние содержания ванадия и хрома на температурные границы превращения «перлит ^ аустенит». Научная новизна. Показано, что в исследованных чугунах рост содержания хрома приводит к повышению нижней и верхней границ температурного интервала превращения «перлит ^ аустенит»; ванадий повышает лишь верхнюю границу интервала. Установлено, что влияние хрома на критическую точку Ас1 реализуется благодаря его частичному растворению в металлической матрице (концентрация Сг в аустените достигает 7,0 %). Ванадий, ввиду его незначительного растворения в матрице (содержание ванадия в твердом растворе не превышает 1,75 %), влияет на критическую точку опосредованно, за счет увеличения концентрации хрома в матрице вследствие более активного связывания углерода в карбиды VС. Практическая значимость. Предложены температурные интервалы нагрева под закалку белых V-Cr-Mn-Ni чугунов со сфероидизированными карбидами ванадия, обеспечивающие получение в структуре чугунов аустенитно-мартенситной матрицы при полном отсутствии перлита в структуре.
Ключевые слова: комплексно-легированные чугуны; критическая точка; хром; ванадий; карбиды ванадия; перлит; аустенит; фазовый переход
Введение
Белые легированные чугуны нашли широкое применение в промышленности благодаря своей высокой износостойкости [2-6]. Известно, что с целью обеспечения максимального сопротивления абразивному изнашиванию в структуре чугуна не допускается присутствия перлита; doi 10.15802«ТР2015/38255
металлическая матрица должна состоять из мартенсита и остаточного аустенита в различном соотношении в зависимости от условий изнашивания [5, 8]. Перлит в структуре чугунов устраняется закалкой из аустенитной области [1, 4]. Для правильного выбора температуры нагрева под закалку необходимо знать положе-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
ние точки Ас1. Известно, что на температурный интервал обратного превращения «перлит ^ аустенит» (т.е. на критическую точку Ас1) определяющее воздействие оказывает скорость нагрева и, главным образом, - химический состав сплава. Информация по критическим точкам высокохромистых чугунов приведена в работах [3, 5, 7, 10]. В то же время в литературе отсутствуют данные о критических точках сплавов нового класса - чугунов со сфероиди-зированными карбидами ванадия. Эти чугуны в последнее время привлекают повышенный интерес исследователей в связи с их высоким уровнем триботехнических свойств [11-13, 16]. Сфероидизированное состояние карбидов ванадия обеспечивают обработкой расплава лигатурами, содержащими Mg или РЗМ [9, 15]. Оптимизация химического состава и технологии термической обработки таких чугунов требует знания температурного интервала превращения «перлит ^ аустенит». В то же время, особенности фазово-структурных превращений в указанных чугунах, включая и данные об интервалах фазовых переходов, остаются практически неизученными, что требует проведения дополнительных исследований.
Цель
Целью данной работы является определение температурного интервала фазового превращения «перлит ^ аустенит» в У-Сг-Мп-№ чугу-нах со сфероидизированными карбидами ванадия, а также оценка характера влияния содержания ванадия и хрома на температурные границы этого интервала.
Методика
В работе исследовали белые У-Сг-Мп-М чугу-ны со сфероидизированными карбидами ванадия девяти вариантов химического состава. Чугуны выплавляли в лабораторной двадцатикилограммовой индукционной печи и разливали в песчаные формы. Все сплавы содержали 3,0-3,3 % С, ~ 1,0 % 81, 1,5-1,7 % N1, 4,0-4,4 % Мп. Варьировали содержание ванадия - от 5 до 10 % и хрома - от 0 до 9 % (табл. 1). В процессе выплавки чугуны обрабатывали лигатурой, содержащей 5,68 % Mg, остальное - N1, для сфероидизации карбидов ванадия. После выбивки из формы из слитков вырезали с помощью электроискровой обработки образцы, которые шлифовали в нужный размер.
Таблица 1 Химический состав опытных сплавов
Table 1
The chemical composition of experimental alloys
Номер сплава C Si Mn Ni V Cr
1 3,23 0,99 4,02 i,56 9,87 0,0i
2 3,00 i,07 3,92 i,60 9,i4 4,37
3 3,i0 i,05 3,99 i,7i 9,49 9,i0
4 3,33 i,02 4,4 i i,5i 7,42 0,0i
5 3,ii i,05 4,i2 i,59 7,34 4,32
6 3,ii 0,98 4,ii i,59 7,50 9,08
7 3,39 i,04 4,24 i,7i 5,22 0,03
8 3,3i i,08 4,i4 i,53 5,28 4,60
9 3,26 i,09 3,97 i,59 5,27 9,i0
Температурный интервал превращения «перлит ^ аустенит» находили с помощью оптического дилатометра на образцах диаметром 2 мм и длиной 20 мм. Скорость нагрева составляла 0,5 оС/с. Использовали литые образцы чу-гунов, содержащих не более 4,5 % Cr, в их структуре присутствовала a-фаза в виде мартенсита и перлита. Чугуны с 9 % Cr имели в литом состоянии аустенитную матрицу, поэтому их предварительно подвергали выдержке при 650 оС в течение 6 ч для превращения ау-стенита в перлит.
Микроструктуру изучали с помощью оптического микроскопа «Nikon Eclipse L150». Фазовый химический состав исследовали с помощью энергодисперсионного спектрометра фирмы «Oxford Instruments», встроенного в электронный микроскоп JEOL JSM-6510.
Результаты
Металлографический анализ показал, что все исследованные чугуны имели в своей структуре сфероидизированные включения карбидов ванадия, относительно равномерно распределенных в объеме сплавов (рис. 1, а). Эвтектика на базе карбида VC не была выявлена ни в одном из сплавов. Помимо карбидов ванадия в хромсодержащих чугунах присутствовала эвтектика на базе карбидов хрома Ме7С3 (рис. 1, б).
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
а - a
б - b
а - a
Рис. 1. Микроструктура чугунов № 1 (а), № 5 (б) Fig. 1. Microstructure of cast irons № 1 (а), № 5 (b)
Результаты дилатометрических исследований представлены на рис. 2.
Как следует из этого рисунка, в процессе нагрева до ~ 700 оС фиксировали монотонное увеличение длины образцов, связанное с их термическим расширением. При более высоких температурах на дилатометрических кривых нагрева всех чугунов был выявлен участок, на котором происходило либо замедление удлинения образцов, либо их укорачивание, что указывало на протекание а^у превращения, идущего с уменьшением объема. Таким образом, выявленный участок фактически указывал на положение критической точки Ась По перегибам на кривых были определены температурные интервалы критической точки, т.е. ее нижняя (Ас1н) и верхняя (Ас1в) границы.
Анализ кривых показал, что в зависимости от легирования интервал превращения изменяется от 710-780 оС (Ас1н) до 730-850 оС (Ас1в) (табл. 2).
650 700 750 800 Температура, oC
б - b
600 650 700 750 800 Температура, oC
в - С 166
146 -
= 126
i. 106 -
£ 86 I Ф
о 66 -сц
¿5 46 26 6
500 550 600 650 700 750 800 850 Температура, oC
Рис. 2. Дилатометрические кривые нагрева исследованных чугунов:
а - без хрома; б - содержащих 4,5 % Cr; в - 9 % Cr
Fig. 2. Dilatometric heating curves of studied cast irons:
a - Cr-free, b - bearing 4.5 % Cr, c - bearing 9 % Cr
Таблица 2
Температуры AciH и AciB в исследованных чугунах
Table 2
Temperature Ас1н and Ас1в in the studied cast irons
t, Номер сплава
оС 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ас1н 710 710 720 720 720 730 710 710 720
Ас1в 780 840 840 780 810 850 780 790 820
500 550
600
850
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
С целью построения математической модели влияния ванадия и хрома на температурный интервал превращения экспериментальные данные были подвергнуты регрессионной обработке с помощью табличного процессора MS Excel. Полученные регрессионные уравнения имеют следующий вид:
Ас1н = 711,5 + 0,93 [% Cr] +,02 [% V] +
+ 0,023 [% Cr] [% V], (1)
Ас1в = 667,8 + 4,86 [% Cr] + 29,08 [% V] +
+ 0,50 [% Cr] [% V] - 0,27 [% Cr]2 -
- 1,75 [%V]2 , (2)
где [% Cr], [% V] - содержание хрома и ванадия, масс. %, соответственно.
Уравнения включают статистически значимые коэффициенты регрессии. Достоверность уравнений подтверждается высокими значениями коэффициента детерминации: R2 = 0,88 - для уравнения (1) и R2 = 0,97 - для уравнения (2). Графическое изображения уравнения (1) представлено на рис. 3. Из этого рисунка следует, что хром повышает как Ас1н, так и Ас1в, причем в большей степени - температуру окончания П^А превращения. Влияние хрома на температурный интервал превращения возрастает с увеличением содержания ванадия в сплаве. Особенно заметен рост Ас1к в чугунах с 7,5-10 % V: температура окончания превращения под влиянием хрома повышается от 780-790 оС до 845-855 оС. Такое влияние хрома связано с его ферритообразующей способностью, проявляющейся в сужении области существования аусте-нита (в том числе - и за счет повышения нижней температурной границы существования у-фазы) [1, 3]. Ванадий активнее хрома связывает углерод в специальные карбиды, поэтому повышение содержания ванадия снижает количество углерода, которое может быть связано хромом в карбиды Ме7С3, следовательно, больше хрома остается в металлической матрице, влияя на положение критической точки.
Подтверждением этому являются результаты фазового химического анализа металлической матрицы (аустенита) чугунов, показанные на рис. 4. Видно, что концентрация хрома в аустените монотонно возрастает по мере увеличения общего содержания ванадия в сплаве: с 3,14 до 4,64 % - в сплавах с 4,5 % Cr и с 5,21 до 7,01 % - в спла-
вах с 9 % Сг. Таким образом, ванадий усиливает влияние хрома на повышение точки Ас1.
а - a
4 6
Содержание хрома, %
б - b
5 % V 7,5 % V 10 % V
4 6
Содержание хрома, %
Рис. 3. Влияние хрома на температуру нижней (а) и верхней (б) границы интервала П^А превращения в исследованных чугунах с различной концентрацией ванадия
Fig. 3. Influence of chromium on the temperature of lower (a) and higher (b) limits of interval of P^A transformation in cast irons with different concentration of V
Si о
4,5 % Cr 9,0 % Cr
6 7 8 9 Содержание V чугуне, %
10
Рис. 4. Влияние общего содержания ванадия в чугунах, легированных 4,5 и 9,0 % Cr, на содержание хрома в аустените (данные EDS-анализа)
Fig. 4. Influence of V content in cast irons, alloyed by 4.5 and 9.0 % Cr, on concentration of chromium in austenite (data of EDS-analyze)
8
7
6
5
4
3
2
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
Графическое изображения выражения (2) показано на рис. 5. Его анализ показывает, что в отличие от хрома, ванадий практически не влияет на температуру начала превращения (рис. 5, а), однако повышает температуру окончания превращения (рис.5, б) по мере увеличения его концентрации от 5 до 7,5 %; при дальнейшем повышении содержания ванадия рост Ас1в замедляется (при 9 % Сг), либо сменяется стабилизацией (при 0-4,5 % Сг).
а - a
о
724 -,— 722 -720 -2. 718 -
& 716 -
s 0)
^ 714 -712 710
4
-0 % Cr -4,5 % Cr -9 % Cr
6 7 8
Содержание ванадия, %
б - b
6 7
Содержание ванадия, %
Рис. 5. Влияние ванадия на температуру нижней (а) и верхней (б) границы интервала П^А превращения в исследованных чугунах различной концентрацией хрома
Fig. 5. Influence of on the temperature of lower (a) and higher (b) limits of interval of P^A transformation in cast irons with different concentration of Cr
Ванадий, как и хром, относится к феррито-образующим элементам, расширяющим область существования а-фазы и сужающим ау-стенитную область. Отсутствие влияния ванадия на Ас1н объясняется его малой концентрацией в матрице: как следует из рис. 6, даже в чугуне с 10 % V содержание данного элемента в аустените достигает лишь 1,75 %. Несмотря на это, ванадий повышает Ас1в (рис. 5, б). Такое влияние ванадия предположительно свя-
зано с ростом содержания хрома в матрице (перлите), приводящем к легированию эвтекто-идных карбидов хромом, что затрудняет их растворение при П^А превращении, сдвигая Ас1в вверх по температурной шкале. Таким образом, ванадий влияет на точку Ас1 опосредованно через изменение концентрации хрома в металлической матрице.
1,5
0,5
4,5 % Cr 9,0 % Cr
5 6 7 8 9 10 Содержание V в чугуне, %
Рис. 6. Влияние общего содержания ванадия в чугунах, легированных 4,5 и 9,0 % Cr, на концентрацию ванадия в аустените (данные EDS-анализа)
Fig. 6. Influence of V content in cast irons, alloyed by 4.5 and 9.0 % Cr, on concentration of V in austenite (data of EDS-analyze)
Представленные данные показали, что для завершения П^А превращения и для получения аустенитной структуры температура нагрева исследованных чугунов под закалку должна превышать 815 оС при 5 % V, 845 оС - при 7,5 % V и 855 оС - при 10 % V. Это было подтверждено поведением закалки с нагревом до названных температурных областей. Во всех случаях в структуре сплавов отсутствовала перлитная составляющая, матрица была представлена смесью мартенсита и остаточного аустенита.
Научная новизна и практическая значимость
Показано, что в белых комплексно-легированных V-Cr-Mn-Ni чугунах со сфероидизиро-ванными карбидами ванадия, содержащими 5-10 % V и до 9 % Cr, рост содержания хрома приводит к повышению нижней и верхней границ температурного интервала превращения «перлит ^ аустенит»; при 9 % Cr верхняя граница достигает 845-855 оС. Влияние ванадия
2
4
5
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
проявляется лишь в повышении верхней границы интервала.
Установлено, что влияние хрома на критическую точку Ас реализуется благодаря его растворению в металлической матрице (концентрация Сг в аустените достигает 7 %); ванадий, ввиду его незначительного растворения в матрице, влияет на критическую точку опосредованно, за счет увеличения концентрации хрома в матрице вследствие более активного связывания углерода в карбиды УС, а не в карбиды хрома.
Получены регрессионные выражения, описывающие влияние ванадия и хрома на температурные границы превращения «перлит ^ ау-стенит» в исследованных чугунах.
Выводы
1. Показано, что в белых комплексно-легированных У-Сг-Мп-№ чугунах со сфероидизи-рованными карбидами ванадия, содержащими 5-10 % У и до 9 % Сг, критическая точка Ась соответствующая фазово-структурному переходу «перлит^аустенит», находится в температурном интервале от 710-780 оС (нижняя граница) до 730-850 оС (верхняя граница).
2. Концентрация хрома в металлической матрице чугунов составляет 3,14-7,01 %, увеличиваясь по мере повышения общего содержания хрома и ванадия в сплавах. Концентрация ванадия в матрице не превышает 1,75 %.
3. Установлено, что хром повышает нижнюю и верхнюю границы превращения «пер-лит^аустенит» в исследованных чугунах; ванадий повышает лишь верхнюю границу, практически не влияя на нижнюю границу.
4. Исследованные чугуны рекомендуется нагревать под закалку до температур, превышающих 815 оС при 5 % У, 845 оС - при 7,5 % У и 855 оС - при 10 % У.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Днепропетровск : Маковецкий, 2008. - 196 с.
2. Влияние структуры белых хромованадиевых чугунов на их износостойкость / Г. И. Сильман, Е. А. Памфилов, С. С. Грядунов [и др.] // Ме-
талловедение и терм. обработка металлов. -2007. - № 8. - С. 32-35.
3. Жуков, А. А. Износостойкие отливки из комплексно--легированных белых чугунов / А. А. Жуков, Г. И. Сильман, М. С. Фрольцов. - Москва : Машиностроение, 1984. - 104 с.
4. К выбору технологической схемы смягчающей термической обработки высокохромистого чугуна / В. Г. Ефременко, Ю. Г. Чабак, К. Ши-мидзу [и др.] // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. - 2014. -№ 2 (50). - С. 103-110.
5. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны / И. И. Цыпин. - Москва : Металлургия, 1983. -176 с.
6. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны -эволюция и переспективы / И. И. Цыпин // Литейное пр-во. - 2000. - № 9. - С. 15-16.
7. Чабак, Ю. Г. Структурные изменения в ком-плекснолегированном белом чугуне при дестабилизирующем нагреве / Ю. Г. Чабак, В. Г. Ефре-менко, Р. Р. Станишевский // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -Дншропетровськ, 2011. - Вип. 38. - С. 229-232.
8. Чейлях, А. П. Экономнолегированные метаста-бильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. - Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. -212 с.
9. Chaochang, W. Formation of Spheroidal Carbide in Vanadium White Cast Iron by RE Modification / W. Chaochang, H. T. Hsu, M. Qian // Material Science Technology. - 1990. - Vol. 6. - Р. 905-910. doi: 10.1179/mst.1990.6.9.905.
10. DeMello, J. D. B. Solidification and solid state transformations during cooling of chromium-molybdenum white cast irons / J. D. B. DeMello, M. Duran-Charre, S. Hamar-Thibualt // Metallurgical Transactions A. - 1983. - Vol. 9, № 14. -P. 793-801. doi: 10.1007/bf02645549.
11. Erosive Wear Characteristics of Spheroidal Carbides Cast Iron / Y. Xinba, K. Shimizu, H. Ma-tsumoto [et al.] // Wear. - 2008. - Vol. 264. -Р. 247-257. doi: 10.1016/j.wear.2007.07.002.
12. Erosive Wear Properties of High V-Cr-Ni Stainless Spheroidal Carbides Cast Iron at High Temperature / K. Shimizu, T. Naruse, Y. Xinba [et al.] // Wear. - 2009. - Vol. 267. - Р. 104-109. doi: 10.1016/j.wear.2008.12.086.
13. High Temperature Erosion Behavior of High V-Cr-Ni Spheroidal Carbides Cast Iron / K. Shimizu, T. Naruse, Y. Xinba [et al.] // Key Engineering Materials. - 2011. - Vol. 457. - Р. 255-260. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.457.255.
14. Phase diagram calculation of high chromium cast irons and influence of its chemical composition / D. Li, L. Liu, Yu. Zhang [et al.] // Materials and
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
Design. - 2009. - № 30. - P. 340-345. doi: 10. 1016/j.matdes.2008.04.061.
15. Shigenori, N. Influence of Mg-Treatment Condition on Morphology of Vanadium-Carbide in Stainless Spheroidal Carbide Cast Iron / N. Shigenori, K. Tadasi, M. Hideto // J. of Japan Foundry Engineering Society. - 2008. - Vol. 80 (1). - P. 3-7.
16. Wear Characteristics of Spheroidal Carbides Cast Irons in Uniaxial Rotary Glass Shredder / N. Yo-neta, K. Shimizu, H. Hara [et al.] // Key Engineering Materials. - 2011. - Vol. 457. - P. 249-254. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.457.249.
Т. В. ПАСТУХОВА1, В. Г. СФРЕМЕНКО2*, О. П. ЧЕЙЛЯХ3, К. ШИМ1ДЗУ4, Ю. Г. ЧАБАК5
'Каф. «Металознавство та термчна обробка метал1в», Приазовський державний техшчний ушверситет, вул. Утверситетська, 7, Мар1уполь, Укра!на, 87500, тел. +38 (0629) 44 65 20, ел. пошта kozarevskaya89@mail.ru, ОКСГО 0000-0002-0352-9220
2*Каф. «Ф1зика», Приазовський державний технчний утверситет, вул. Утверситетська, 7, Мар1уиоль, Укра1на, 87500, тел. +38 (0629) 44 61 31, ел. пошта vgefremenko@rаmbler.ru, ОКСГО 0000-0002-4537-6939 3Каф. «Металознавство та тертчна обробка метал1в», Приазовський державний техтчний утверситет, вул. Утверситетська, 7, Мар1уполь, Укра1на, 87500, тел. +38 (0629) 44 61 31, ел. пошта cheylyakh_o_p@pstu.edu, ОКСГО 0000-0003-0805-0443
4Муроранський технолопчний шститут, вул. М!зумото-чо, 27, Муроран, Хоккайдо, Япотя, 050-8585, тел. +81-143465651, ел. пошта shimizu@muroran-ac.jp
5Каф. «Ф1зика», Приазовський державний техтчний утверситет, вул. Утверситетська, 7, Мар1уполь, Украгна, 87500, тел. +38 (0629) 44 61 31, ел. пошта julia.chabak@yandex.ua ОКСГО 0000-0003-4913-2680
ВПЛИВ ЛЕГУВАННЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПЕРЕТВОРЕННЯ «ПЕРЛИТ ^ АУСТЕНИТ» У КОМПЛЕКСНО-ЛЕГОВАНИХ Б1ЛИХ ЧАВУНАХ
Мета. У структурi зносостшких сталей та чавушв не допускаеться присутностi перлiту. Запоб^ання ви-никненню перлiту шляхом грамотного вибору режиму гартування передбачае знання температури критич-них точок Ас1 i Ас3 для конкретних сталей i чавунiв. Метою роботи е визначення впливу V (ввд 5 до 10 %) i Сг (вiд 0 до 9 %) на температурний шгервал фазово-структурного переходу «перлгт ^ аустенгт» у компле-ксно-легованих бiлих V-Cr-Mn-Ni чавунах зi сферощзованими карбiдами ванадiю. Методика. Використано чавуни дев'яти рiзних складiв, яш було виплавлено в лабораторних умовах та шддано модифiкуванню Mg-вмщуючою лiгатурою. В роботi використано металографiчний метод аналiзу, оптична дилатометрiя, енер-годисперсiйна спектроскопiя. Результати. Показано, що в дослщжених чавунах критична точка Ас1 знахо-диться в температурному iнтервалi ввд 710-780 оС (нижня межа) до 730-850 оС (верхня межа). Представлено дан по концентраци хрому та ванадш в матрищ чавунiв, отримано регресiйнi вирази, що описують вплив ванадш та хрому на температурш межi перетворення «перлгт ^ аустенгт». Наукова новизна. Показано, що в дослщжених чавунах зростання вмiсту хрому призводить до тдвищення нижньо! та верхньо! меж температурного штервалу перетворення «перлiт ^ аустенгт»; ванадiй пiдвищуе лише верхню межу iнтервалу. Встановлено, що вплив хрому на критичну точку Ас1 реалiзуеться завдяки його розчиненню в металевш ма-трицi (концентрацiя Сг в аустент досягае 7,0 %). Ванадш, зважаючи на його незначне розчинення в матрицi (вмiст ванадш в твердому розчиш не перевищуе 1,75 %), впливае на критичну точку опосередковано, за ра-хунок збiльшення концентраци хрому в матрищ внаслщок бiльш активного зв'язування вуглецю в карбвди VС. Практична значимкть. Запропоновано температурнi iнтервали нагрiву щд загартування бiлих V-Cr-Mn-Ni чавушв зi сферощзованими карбiдами ванадiю, щоб забезпечити отримання аустенгтно-мартен-ситно! матрищ за повно! вiдсутностi перлiту в структура
Ключовi слова: комплексно-легованi чавуни; критична точка; хром; ванадш; карбщи ванадш; перлгт; аустенгт; фазовий переход
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
T. V. PASTUKHOVA1, V. G. EFREMENKO2*, A. P. CHEILIAKH3, K. SHIMIZU4, YU. G. CHABAK5
1Dep. «Metal Science and Heat Treatment of Metals», Pryazovsk State Technical University, Universytetska St.,7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel. +38 (0629) 44 65 20, e-mail kozarevskaya89@mail.ru, ORCID 0000-0002-0352-9220 2*Dep. «Physics», Pryazovsk State Technical University, Universytetska St.,7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel. +38 (0629) 44 61 31, e-mail vgefremenko@rambler.ru, ORCID 0000-0002-4537-6939 3Dep. «Metal Science and Heat Treatment of Metals», Pryazovsk State Technical University», Universytetska St.,7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel. +38 (0629) 44 61 31, e-mail cheylyakh_o_p@pstu.edu, ORCID 0000-0003-0805-0443 4Muroran Institute of Technology, Mizumoto-cho, 27, Muroran, Hokkaido, Japan 050-8585, tel. +81-143465651, e-mail shimizu@muroran-ac.jp
5Dep. «Physics», Pryazovsk State Technical University, Universytetska St.,7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel. +38 (0629) 44 61 31, e-mail julia.chabak@yandex.ua, ORCID 0000-0003-4913-2680
EFFECT OF ALLOYING ON TEMPERATURE OF TRANSFORMATION «PEARLITE^AUSTENITE» IN COMPLEX-ALLOYED WHITE CAST IRONS
Purpose. Pearlite is not accepted in the microstructure of wear resistant steels and cast irons. To prevent the pearlite by means of appropriate selection of mode of quenching requires the knowledge of the temperature of the critical points Ac1 and Ac3 for various steels and cast irons. Purpose of work is determine the effect of V (5-10%) and Cr (up to 9%) on the temperature range of the phase-structural transformation "pearlite ^austenite in the complex-alloyed V-Cr-Mn-Ni white cast irons with spheroidal vanadium carbides. Methodology. Nine Mg-treated cast irons smelted in laboratory furnace were used for investigation. The metallographic and optical dilatometric analysis methods as well as energy-dispersive spectroscopy were used. Findings. It is shown that in irons studied the critical point Ac1 is in a temperature range from 710-780 °C (lower limit) up to 730-850 °C (upper limit). The data on the concentrations of chromium and vanadium in a matrix of iron are presented, the regression equation describing the effect of vanadium and chromium on the temperature limits of the transformation «pearlite ^ austenite» are obtained. Originality. It is shown that increase the chromium content leads to growth of lower and upper limits of the temperature interval of transformation "pearlite ^ austenite"; vanadium increases only the upper limit of the range. It was found that the effect of chromium on the critical point Ac1 is attributed to its solubility in the metallic matrix (concentration of Cr in the austenite reaches 7%); vanadium, due to its slight dissolution in the matrix (vanadium content does not exceed 1.75%), affects the critical point indirectly by increasing of chromium concentration in the matrix due to enhanced carbon sequestration in VC carbides. Practical value. The temperature ranges of heating for quenching of V-Cr-Mn-Ni cast irons with spheroidal vanadium carbides, which provides the formation of austenitic-martensitic matrix without pearlite, is transformation proposed.
Keywords: complex-alloyed cast iron; the critical point; chromium; vanadium; vanadium carbides; pearlite; austenite; phase transformation
REFERENCES
1. Vakulenko I.A., Bolshakov V.I. Morfologiya struktury i deformatsionnoye uprochneniye stali [The morphology and structure of work hardening steel]. Dnipropetrovsk, Makovetskiy Publ., 2008. 196 p.
2. Silman G.I., Pamfilov Ya.A., Gryadunov S.S. Vliyaniye struktury belykh khromovanadiyevykh chugunov na ikh iznosostoykost [The effect of structure of white chromium-vanadium cast irons on their wear resistance]. Metallove-deniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2007, no. 8, pp. 32-35.
3. Zhukov A.A, Silman G.I., Froltsov M.S. Iznosostoykiye otlivki iz kompleksno-legirovannykh belykh chugunov [Wear resistant foundry out of complex-alloyed white cast irons]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1984. 104 p.
4. Efremenko V.G., Chabak Yu. G., K. Shimizu. K vyboru tekhnologicheskoy skhemy smyagchayushchey ter-micheskoy obrabotki vysokokhromistogo chuguna [About the choice of technological mode of softening heat treatment of high chromium cast iron]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 2 (50), pp. 103-110.
5. Tsypin I.I. Belyye iznosostoykiye chuguny [Wear resistant white cast irons]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1983. 176 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
6. Tsypin I.I. Belyye iznosostoykiye chuguny - evolyutsiya i perespektivy [Wear resistant white cast irons - Evolution and Prospects]. Liteynoye proizvodstvo - Foundry, 2000, no. 9, pp. 15-16.
7. Chabak Yu.G., Efremenko V.G., Stanishevskiy R.R. Strukturnyye izmeneniya v kompleksnolegirovannom be-lom chugune pri destabiliziruyushchem nagreve [Structural changes in the complex-doped white iron at destabilizing heating]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2009, issue 38, pp. 229-232.
8. Cheylyakh A.P. Ekonomnolegirovannyye metastabilnyye splavy i uprochnyayushchiye tekhnologii [Economic metastable alloys and hardening technology]. Kharkov, NNTs KhFTI Publ., 2003. 212 p.
9. Chaochang W., Hsu H.T., Qian M. Formation of Spheroidal Carbide in Vanadium White Cast Iron by RE Modification. Material Science Technology, 1990, vol. 6, pp. 905-910. doi: 10.1179/mst.1990.6.9.905.
10. De Mello J.D.B., Duran-Charre M., Hamar-Thibualt S. Solidification and solid state transformations during cooling of chromium-molybdenum white cast irons. Metallurgical Transactions A, 1983, vol. 9, no. 14, pp. 793-801. doi: 10.1007/bf02645549.
11. Xinba Y., Shimizu K., Matsumoto H., Kitsudo T., Momono T. Erosive Wear Characteristics of Spheroidal Carbides Cast Iron. Wear, 2008, vol. 264, pp. 247-257. doi: 10.1016/j.wear.2007.07.002.
12. Shimizu K., Naruse T., Xinba Y., Kimura K., Minami K., Matsumoto H. Erosive wear Properties of High V-Cr-Ni Stainless Spheroidal Carbides Cast Iron at High Temperature. Wear, 2009, vol. 267, pp. 104-109. doi: 10.1016/j.wear.2008.12.086.
13. Shimizu K., Naruse T., Xinba Y., Teramachi H., Araya S. Ishida M. High Temperature Erosion Behaviors of High V-Cr-Ni Spheroidal Carbides Cast Iron. Key Engineering Materials, 2011, vol. 457, pp. 255-260.
14. Li D., Liu L., Zhang Yu. Phase diagram calculation of high chromium cast irons and influence of its chemical composition. Materials and Design, 2009, vol. 30, pp. 340-345. doi: 10.1016/j.matdes.2008.04.061.
15. Shigenori N., Tadasi K., Hideto M. Influence of Mg-Treatment Condition on Morphology of Vanadium-Carbide in Stainless Spheroidal Carbide Cast Iron. Journal of Japan Foundry Engineering Society, 2008, vol. 80 (1), pp. 3-7.
16. Yoneta N., Shimizu K., Hara H., Tanaka M., Nawa Y. Wear Characteristics of Spheroidal Carbides Cast Irons in Uniaxial Rotary Glass Shredder. Key Engineering Materials, 2011, vol. 457, pp. 249-254. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.457.249.
Статья рекомендована к публикации д.т.н, проф. В. А. Масловым (Украина); д.т.н.,
проф. И. А. Вакуленко (Украгна)
Поступила в редколлегию 03.10.2014
Принята к печати 23.11.2014
