Влияние бора и термокинетических условий кристаллизации на структуру комплекснолегированных белых чугунов

TECHNICAL SCIENCES

Influence of boron and thermokinetic conditions crystallization

on the structure complex-alloyed white cast irons Kolokol'cev V.1, Petrochenko E.2, Ahmetova A.3, Alekhina O.4 (Russian Federation) Влияние бора и термокинетических условий кристаллизации на структуру комплекснолегированных белых чугунов Колокольцев В. М.1, Петроченко Е. В.2, Ахметова А. А.3, Алехина О. Н.4

'Колокольцев Валерий Михайлович /Kolokol 'cev Valery - доктор технических наук, профессор; 2Петроченко Елена Васильевна /Petrochenko Elena - доктор технических наук, профессор;

3Ахметова Альфия Айдаровна / Akhmetova Alfiya — аспирант; 4Алехина Ольга Николаевна / Alekhina Olga — студент, кафедра литейного производства и материаловедения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск

Аннотация: исследована дендритная структура комплексно-легированных белых чугунов. Установлены некоторые закономерности влияния добавок бора и термокинетических условий кристаллизации на параметры дендритной структуры чугунов.

Abstract: in the article was investigated dendritic structure of complex-alloyed white irons. Was established some regularities of influence of boron additive and thermo-kinetic crystallization conditions on the parameters of a dendritic iron structure.

Ключевые слова: параметры дендритной структуры, комплексно-легированные белые чугуны, первичная структура, бор.

Keywords: parameters of dendritic structure, complex-alloy white cast irons, primary structure, boron.

Особенности первичной структуры комплексно-легированных белых чугунов (КЛБЧ) содержат важную информацию о процессе кристаллизации и структурообразования и во многом определяют уровень механических и функциональных свойств отливок. Исходя из этого, количественная оценка первичной структуры в связи с условиями кристаллизации является одним из основных критериев оценки и прогнозирования свойств литых изделий.

Дендриты первичных карбидов и твердого раствора, образующиеся первыми в процессе кристаллизации чугунной отливки, претерпевают трансформации, увеличивая свои первоначальные размеры в несколько раз. Это огрубление и неразрывно связанная с ней химическая неоднородность отливок всегда оказывает отрицательное воздействие, снижая свойства чугунов [1, 2]. Применение различных режимов термокинетического воздействия и модифицирования при кристаллизации позволяет целенаправленно воздействовать на дисперсность и морфологию литой структуры чугунных отливок.

Для количественной оценки дендритной структуры в тех случаях, когда какой-либо из факторов (скорость охлаждения, специальные добавки) подвергается изменению, наиболее целесообразно применять следующие параметры: плотность дендритной структуры, дисперсность дендритной структуры, размеры осей дендритов, величина междуосных промежутков ветвей дендрита первого и второго порядков Х2, средняя площадь, средний диаметр дендрита, толщина дендритных ветвей, фактор формы [1 -4].

Количественная оценка первичной структуры позволяет не только сравнивать относительное действие разных факторов, но и находить оптимальные пределы применения того или иного фактора.

Одними из эффективных методов управления параметрами первичной структуры, способствующих улучшению механических и эксплуатационных свойств сплавов, являются модифицирование и применение режимов регламентированного теплоотвода при кристаллизации [5-15].

В работе изучили влияние добавок бора и условий охлаждения при кристаллизации на параметры дендритной структуры КЛБЧ [16-18].

В качестве исследуемого материала был выбран КЛБЧ системы легирования: Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb (сплав № 1) [19-26] с различными добавками бора (сплавы № 2-5) (табл. 1).

№ образца 1 2 3 4 5

В, % 0 0,005 0,01 0,01 0,03

В качестве характеристик дендритной структуры в работе исследовали следующие параметры: дисперсность 5, объемную долю V, расстояние между осями второго порядка фактор формы F, средние площадь S, диаметр d, длину I, ширину в дендритов. Фактор формы определяет компактность включения и определяется как отношение площади дендрита на площадь описанной окружности дендрита. Дисперсность дендритной структуры оценивали величиной, обратной расстоянию между осями второго порядка. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе, оснащенном анализатором изображений Thixomet PRO (табл. 2). Опытные сплавы заливали в сухие и сырые песчано-глинистые формы и чугунный кокиль.

Таблица 2. Параметры дендритной структуры чугунов

№ обр. Тип формы S,mkm2 d, мкм 1, мкм Р, мкм V, % Х2, мкм F б, 1/мкм

1 сух 2456 83 232 9,1 47 5,6-6,8 0,26 0,16

сыр 1893 71,1 195 9,47 45 4,8-5,6 0,26 0,19

кок 89 14,7 41 2,21 44,6 1 0,28 1

2 сух 2866 75,2 201 9,15 44,5 5,2-7,1 0,28 0,16

сыр 1831 67,6 191 9,38 46,8 5,4 0,3 0,18

кок 85,3 14,8 38,8 2,1 40 0,9 0,32 1,1

3 сух 1912 64,5 198 9,18 44,6 4,9-6,3 0,29 0,17

сыр 1714 64,6 185 9,15 45,6 2,8-3,2 0,3 0,33

кок 35,5 9,43 19,3 1,89 37 0,33

4 сух 1581 58,7 130 10,5 45 2,5-3,8 0,34 0,15

сыр 1568 58,8 92,4 9,58 51 3,2 0,35 0,31

кок 36 9,4 17 1,7 39 0,5

5 сух 1316 54,6 132 10,9 46 2,5-4,5 0,34 0,14

сыр 1718 62,5 180 9,84 47,2 4,1 0,39 0,24

кок 77,9 14,4 32,7 2,27 41,8 0,45

Полученные данные свидетельствуют о влиянии термокинетического воздействия в большей степени на изменение таких параметров дендритной структуры, как площадь, длина, ширина дендритов, а модифицирования на площадь, длину, фактор формы и дисперсность дендритов.

На рисунке представлена микроструктура чугунов в исходном состоянии и с добавками бора, при заливке в разные типы форм.

0 % В сух

0,03 %В сух

0,005 % В, сыр

0,03 % В, сыр

0 % В, сыр

0,02 % В, сыр

0,005 % В, кок

0,02 % В, кок

Рис. 1. Микроструктура чугунов в исходном состоянии и с добавками бора, при заливке в разные типы форм

Металлографически установлено, что формирование первичной литой структуры в отливках исследуемых чугунов в зависимости от условий охлаждения и добавок бора сопровождается образованием дендритов твердого раствора различной дисперсности и морфологии. Показано, что в случае применения интенсивного теплоотвода (заливка в кокиль) и добавок бора фактор формы и характеристики дисперсности дендритной структуры закономерно повышаются.

Бор незначительно меняет объемную долю дендритов. Повышение скорости охлаждения уменьшает объемную долю и площадь дендритов. В отливках, полученных в сухие ПГФ, расстояние между осями второго порядка составляет 2,5-7 мкм.

Это расстояние уменьшается с увеличением добавок бора. При охлаждении в металлической форме оси высших порядков либо полностью отсутствуют, либо присутствуют в неразвитом (неявном) виде (междуосное расстояние в этом случае составляет около 1 мкм), компактность дендритов увеличивается.

Литература

1. Горемыкина С., Костълева Л., Ильинский В. Исследование роста дендритных ветвей крупных столбчатых кристаллов // Материаловедение. № 12, 2007. С. 32-34.

2. Определение количественных показателей (критериев) дендритной структуры. Донецкий НИИЧерМет. Донецк, 1969. 12 с.

3. Ильинский В. А. Исследование микроликвационной неоднородности дендритных ветвей серого чугуна / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина // Металлургия машиностроения, 2009. № 6. C. 9-15.

4. Жиляков А. Ю. Исследование влияния температурно-временной обработки расплава на закономерности формирования структуры и свойств литого сплава ЭК77 / А. Ю. Жиляков, С. В. Беликов // Физика прочности и пластичности материалов: сборник тезисов XVIII Международная конференция. Самара: Изд-во СамГТУ, 2012. С. 114.

5. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Воронков Б. В. Комплексно-легированные белые износостойкие чугуны // Челябинск, 2005. 178 с.

6. Ри Х. Э., Колокольцев В. М., Ри Х., Петроченко Е. В., Воронков Б. В. Комплексно-легированные белые чугуны функционального назначения в литом и термообработанном состоянии. Владивосток, 2006. 273 с.

7. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Молочков П. А. Структура и износостойкость хромованадиевых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2004. № 7. С. 25-28.

8. Петроченко Е. В. Взаимосвязь химического состава, структуры и свойств комплексно-легированных белых чугунов в литом состоянии // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2012. № 3. С. 51-55.

9. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Молочков П. А. Комплексное воздействие на структуру белых износостойких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2004. № 4. С. 23-29.

10. Петроченко Е. В. Влияние фазового состава на износостойкость отливок из белого чугуна // Литейшцк России, 2002. № 9. С. 12-15.

11. Kolokol'cev V. M., Petrochenko E. V. Structure features and properties of high-alloy white irons // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2013. № 5 (45). С. 3-8.

12. Колокольцев В. М., Конопка З., Петроченко Е. В. Структура и свойства белых чугунов разных систем легирования // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2014. № 1 (45). С. 19-23.

13. Петроченко Е. В. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из белых легированных чугунов за счет комплексного воздействия на их структуру // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Магнитогорск, 2003 140 с.

14. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Воронков Б. В. Особенности формирования структуры белых чугунов и их классификация // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2007. № 1. С. 97-105.

15. Петроченко Е. В., Валишина Т. С. Влияние химического состава, условий кристаллизации и режимов термической обработки на особенности микроструктуру, механические и специальные свойства белых хромованадиевых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2009. № 2. С. 39-42.

16. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Емелюшин А. Н., Потапов М. Г. Формирование структуры и свойств ванадиевых чугунов при их затвердевании в различных формах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2005. № 4. С. 41-43.

17. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Соловьев В. П., Цыбров С. В. Специальные чугуны. Литье, термическая обработка, механические свойства. Федеральное агентство по образованию, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

31

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова». Магнитогорск, 2009. 187 с.

18. Колокольцев В. М, Миронов О. А., Петроченко Е. В., Брялин М. Ф., Воронков Б. В. Повышение свойств жароизносостойкого чугуна рафинированием и модифицированием // Литейное производство, 2007. № 3. С. 2-5.

19. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Миронов О. А. Влияние химического состава на формирование структуры и свойств жароизносостойких чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2007. № 3. С. 44-47.

20. Петроченко Е. В., Молочкова О. С. Изыскание составов жароизносостойких комплексно-легированных белых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2009. № 8.С. 31-34.

21. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В. Металлургические и металловедческие аспекты повышения функциональных свойств литых изделий из белых чугунов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2014. № 4 (48). С. 87-98.

22. Петроченко Е. В., Молочкова О. С. Анализ взаимосвязи химического состава, условий охлаждения при затвердевании с особенностями строения сплавов, окисленной поверхности и свойствами комплексно-легированных белых чугунов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2011. № 4. С. 50-53.

23. Колокольцев В. М., Петроченко Е. В., Молочкова О. С. Влияние химического состава, условий охлаждения при затвердевании на структуру и свойства жароизносостойких комплекснолегированных железоуглеродистых сплавов // Технология металлов, 2013. № 1. С. 10-14.

24. Петроченко Е. В. Взаимосвязь химического состава, структуры и свойств комплексно-легированных белых чугунов в литом состоянии // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2012. № 3. С. 51-55.

25. Воронков Б. В., Колокольцев В. М., Миронов О. А., Петроченко Е. В., Сибагатуллин С. К. Жароизносостойкий чугун // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2005. № 3 (11). С. 35-37.

26. Петроченко Е. В. Особенности кристаллизации, формирования структуры и свойств износостойких и жаростойких чугунов в различных условиях охлаждения // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Магнитогорский государственный технический университет. Магнитогорск, 2012. 309 с.

27. Петроченко Е. В., Колокольцев В. М., Миронов О. А., Воронков Б. В., Полетаев В. В., Сулейманов

B. М. Структура и свойства жароизносостойкого белого чугуна // Литейщик России, 2005. № 7.

C. 7-10.

28. Петроченко Е. В., Ахметова А. А. Исследование литой структуры комплексно-легированных белых чугунов // Научные исследования, 2016. № 5 (6). С. 9-14.