CC BY
49
УДК 621.785.6
Чейлях А.П., Олейник И М
ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ СО СТУПЕНЧАТЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА С МЕТАСТАБИЛЬНЫМ АУСТЕНИТОМ
В практике термообработки ступенчатую закалку обычно применяют для уменьшения коробления и предотвращения появления закалочных трещин, которым подвержены износостойкие чугуны [1 - 2]. В работе [ 3 ] показана возможность использования ступенчатой закалки для регулирования степени метастабильности аустенита и свойств хромомарганцевых сталей. Однако применительно к чугунам ее роль изучена не достаточно. В работе [4] исследовано влияние изотермической закалки (аустемперинга) на структуру и износостойкость белых чугунов. Между тем, роль остаточного аустенита и его метастабильность в формировании их свойств не учитывалась, что на наш взгляд должно оказывать определяющее влияние.
Настоящая работа посвящена изучению возможности регулирования фазового состава, степени метастабильности аустенита и механических свойств износостойких чугунов за счет параметров закалки со ступенчатым охлаждением.
Важной особенностью и преимуществом, разработанных износостойких чугунов [5] является метастабильность аустенита, содержащегося наряду с мартенситом и карбидами и претерпевающего фазовые превращения в поверхностном слое под воздействием абразива в процессе изнашивания.
Материалом для исследований служил один из разработанных износостойких чугунов ЧХ16Г4Ф2, содержащий: 2,32 %С; 15,60%Сг; 4,02 % Мп; 1,88 %У; 1,46 % 81; 0,12% Си; 0,014 % 8; 0,033 % Р. Образцы чугуна подвергали аустенитизации при температуре 1050 °С, выдержке 30 минут, охлаждению на спокойном воздухе до температур 700, 500, 300 °С, изотермической выдержке от 0,5 до 6 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. После ступенчатого охлаждения проводили отпуск при температуре 250 °С, 2 часа для уменьшения внутренних напряжений.
Применялись металлографические, дюрометрические исследования, динамические испытания на изгиб стандартных образцов (10x10x55 мм) без надреза. Испытания на изнашивание производили в среде чугунной дроби (Д Ч Л) на специальной установке [6]. Относительную износостойкость определяли в сравнении с эталоном - отоженной сталью 45 твердостью НВ 200 в соответствии с ГОСТ 27674-88. Количественный фазовый анализ исходной ( после термообработки ) структуры и рабочей изнашиваемой поверхности через каждые 20 минут производили рентгеноструктурным методом на установке УРС-50-ИМ в железном Ка - излучении.
По полученнцм данным строились кинетические кривые изнашивания и развития деформационного мартенситного превращения при испытаниях (ДМПИ).
В литом состоянии структура чугуна ЧХ16Г4Ф2 состоит преимущественно из аустенита (73 %), небольшого количества мартенсита (~ 7 %) и карбидов Сг3С2; ( Сг, Ре )2зС6, (Сг, Бе )7Сз, УС в суммарном количестве ~ 20 %.
В целом закалка со ступенчатым охлаждением в выбранных интервалах температур 700 - 300 °С и выдержках 0,5-6 часов в различной степени увеличивает количество мартенсита и уменьшает содержание аустенита. В зависимости от температуры
изотермической выдержки количество мартенсита изменяется по кривой с максимумом (рис.1).
Наибольшее количество мартенсита (50 - 63 ) достигается при температурах 300 - 500 °С. При температуре 700 °С и выдержках 0,5; 2; 6 ч содержание мартенсита, увеличивается на 14 - 50 % по сравнению с литым состоянием. В противоположном направлении изменяется содержание аустенита (рис. 1).
80,
60
w.
40
\ / J г-т ^
2
20
I
\ /
3
литое 300 500 700
температура, °С
..................,,„.....................в/.......................
1 - мартенсит; 2 - аустенит; 3 -карбиды;
а) 0,5 час; б) 2 час; в) 6 час. Рис. 1 - Влияние температуры выдержки с различной
продолжительностью на фазовый состав чугуна ЧХ16Г4Ф2.
С увеличением времени выдержки при каждой температуре ступенчатого охлаждения содержание мартенсита изменяется также по кривой с максимумом, который соответствует выдержке 2 часа. Увеличение содержания мартенсита после указанных режимов закалки можно объяснить обеднением аустенита углеродом и хромом и повышением точки Ми, вследствие выделения из него вторичных карбидов (Сг,Ре)2зСб и ( Ре, Сг )3С. Об этом свидетельствует увеличение содержания карбидных фаз с увеличением времени выдержки с 0,5 до 4 часов. После выдержек при температуре 300 °С количество карбидных фаз возрастает с 10 % (0,5 ч) до 20 % ( 4 ч ), при 500 °С соответственно с 15 % до 20 %, при 700 °С - с 20 до 25 %. Механические свойства исследованного чугуна определяются фазовым составом, структурой, типом и строением карбидных фаз, а также кинетикой фазовых превращений метастабильного аустенита & поверхностных слоях под воздействием абразива, как это показано в работе [5 ].
С увеличением времени изотермической выдержки при выбранных температурах закалки возрастает твердость чугуна ЧХ16Г4Ф2 на АНЖС 2-8 при одновременном снижении ударной вязкости (Рис. 2). Это связано с увеличением содержания твердых фаз - мартенсита и карбидов. Следует отметить наиболее существенное охрупчивание и/ снижение вязкости после продолжительных выдержек 4-6 час, при температуре 700 °С. Это можно объяснить преимущественным выделением карбидов по границам зерен.
Исследования показали, что между кинетикой изнашивания и кинетикой ДМПИ существует
определенная связь.
В общем виде она носит обратный характер - повышению интенсивности ДМПИ в поверхностных слоях соответствует снижение интенсивности изнашивания. Например, после выдержки 4 час при температуре ступенчатой закалки 500 °С на стадии установившегося изнашивания (время 20 - 100 мин.) интенсивность ДМПИ возрастает, а скорость изнашивания снижается наиболее значительно, что в конечном итоге обусловливает наименьшие потери веса образца (Рис.3, кривые 3) и наибольшую относительную износостойкость. Следовательно, протекающее в поверхностных слоях ДМПИ, вызывая их самоупрочнение, повышает
сопротивление изнашиванию и определяет, таким образом, ход кривых изнашивания и
износостойкость чугуна
В целом относительная износостойкость чугунов с метастабильным аустенитом определяется, с одной стороны, исходным (до изнашивания) фазовым составом, а с другой, кинетикой ДМПИ и количеством образующегося при испытаниях мартенсита деформации.
В зависимости от продолжительности изотермической выдержки при выбранных температурах 300 и 500 °С максимум износостойкости не соответствует наибольшему
1 - 300 °С; 2 - 500 °С; 3 - 700 °С 1 - 0,5 час; 2 - 4 час; 3 - 6 час.
Рис. 2 - Влияние времени выдержки при Рис. 3 - Кривые изнашивания (а) , и различных температурах ступенчатого кинетшса ДМпи (б) при изнашивании охлаждения' на твердость (а) и ударную чугуна ЧХ16Г4Ф2 после закалки со вязкость (б) чугуна ЧХ16Г4Ф2 ступенчатым охлаждением при 500 °С с
различными выдержками.
содержанию мартенсита закалки и карбидов в исходной структуре и наибольшей твердости, как это строго характерно для большинства сплавов [2]. Это несоответствие объясняется присутствием метастабильного аустенита и существенным вкладом ДМПИ в повышение сопротивления изнашиванию, который при определенных условиях может быть превалирующим над остальными факторами [5]. Так наиболее высокая износостойкость после выдержки 4 час при температуре 500 °С обгоняется наибольшей интенсивностью ДМПИ (Рис.3) и максимальным количеством мартенсита деформации в поверхностном; слое - 60 % (Рис. 4), хотя в исходной структуре чугуна содержалось всего 20 % мартенсита закалки и 60 % аустенита (Рис. 1). После ступенчатого охлаждения при 700 °С максимальная износостойкость обнаруживается при выдержке 2 час (Рис. 4). Это объясняется, с одной стороны, большим количеством мартенсита закалки (~ 51 %), а с другой стороны, реализацией ДМПИ (образованием 22 % мартенсита деформации). При близких показателях износостойкости после двух режимов закалки со ступенчатым охлаждением 700 °С, 2 час и 500 °С,
60 60 40
20
60^
о
х -
I60
S '
§40
о
S ¡20
m
V
до
45
3D
15
fz ч ь
0 60
45
30 15
A Ь
8 X S2 О
ь о о о с Ï
4
время, час.
в/
Рис. 4. - Влияние времени выдержки при температурах 300 °С (а); 500 °С (б); 700 °С (в) ступенчатого охлаждения на относительную износостойкость (1) и количество мартенсита деформации (2) чугуна
4 час, последний можно считать предпочтительным, поскольку в этом случае ~ в 2 раза выше ударная вязкость чугуна КС = 8 Дж/см2 (Рис. 2).
Таким образом, за счет температуры и времени выдержки при ступенчатом охлаждении достигается различная степень дестабилизации аустенита вследствие выделения карбидов, что позволяет регулировать фазовый состав, кинетику ДМ11И и свойства износостойких чугунов.
Выводы:
1. Температурю) - временными параметрами ступенчатого охлаждения при закалке можно регулировать фаговый состав, кинетику деформационных мартенситных превращений и управлять свойствами износостойкого чугуна.
2. Кинетика и степень развития деформационного мартенситного превращения в процессе изнашивания определяет ход кривых изнашивания и формирование износостойкости чугуна.
3. При оптимальном фаговом составе и достаточно активной реализации ДМПИ в поверхностном слое, существенно повышается износостойкость при сохранении достаточной ударной вязкости чугуна.
ЧХ16Г4Ф2.
Перечень ссылок
1. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны. - М.: Металлургия, 1978.- 287 с.
2. Горшков АЛ., Волошенко М.В. Литые коленчатые валы. - М.: Машиностроение, 1964.-195с.
3. Чейлях А.П., Малинов Л.С. Влияние ступенчатой закалки на структуру и свойства хромомарганцевых сталей // Известия АН СССР. Металлы. -1990.- N 5.- С. 92-97.
4. Оптимизация параметров аустемперинга высокохромистого белого чугуна/ Яременко А.Ф., Узлов К.И., Красников С.Г. и др. // Тез. докл: к международной конференции "Материалы для строительства",- ICMB ' 93 - Днепропетровск, 1993. - С. 94 - 95.
5. Чейлях А.П, Олейник И.М., Локшина Е.Б., Лукьянскова А.И. Износостойкие чугуны с метастабильным аустенитом // Металл и литье Украины.-1995. - N1. - С. 30 - 35.
6. A.c. 1820300, СССР, МКИ G01 N 3/56. Установка для испытаний на ударно-абразивное изнашивание.
