Влияние содержания структурообразующих компонентов на твердость малоуглеродистых белых чугунов

УДК 669.13.018

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ НА ТВЕРДОСТЬ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ

Л.С. Печенкина

Объектом исследования являются комплексно-легированные белые чугуны для износостойких тонкостенных отливок, которые обладают необходимыми прочностью, твердостью и ударной вязкостью уже в литом состоянии, то есть без упрочняющей термической обработки. Задачей исследования является оценка условий структурообразования, которые формируют композиционную структуру сплавов, влияющую на механические свойства литых деталей, в частности, на твердость. Для исследования были выплавлены сплавы, состав которых находился в следующих пределах, %: 1,8-2,2 С; 2,5-4 Мп; 6-7 Сг; 6,5-8 V; до 1 Si. В связи с тем, что очень сильное влияние на свойства сплавов оказывает степень аустенизации их структуры, зачастую перекрывая влияние других факторов, все исследуемые сплавы были разбиты на несколько групп по количеству аустенита в их структуре (или по содержанию марганца как основного элемента-аустенизатора). Распределение сплавов по группам проведено на основе анализа зависимостей твердости от содержания марганца и степени аустенизации.

Определено, что различие в количественном влиянии карбидов МС и М7С3 на твердость сплавов с 12 % аустенита в структуре небольшое, и поэтому повышение твердости зависит в основном от увеличения общего количества карбидов. Карбидообразование и в сплавах с 12-35 % марганца влияет на твердость слабо, а образование карбидов М7С3 даже приводит к небольшому снижению твердости. Значительно повышают твердость в сплавах, содержащих более 30 % аустенита, карбиды МС (примерно в 3 раза сильнее, чем карбиды М7С3).

Установлено, что комплексное легирование и модифицирование исследуемых малоуглеродистых белых чугунов позволяет существенно уменьшить общую степень легирования (особенно по ванадию) с сохранением достаточно высокой твердости (не менее НЕС 57) даже при преобладании аустенитной структуры матрицы, что должно обеспечить у этих сплавов высокую конструктивную прочность и хорошие эксплуатационные свойства

Ключевые слова: белый чугун, хром, ванадий, легирование, твердость

Введение

Объектом исследования являются комплексно-легированные белые чугуны для износостойких тонкостенных отливок, которые обладают необходимыми прочностью, твердостью и ударной вязкостью уже в литом состоянии, то есть без упрочняющей термической обработки. Задачей исследования является оценка условий структурообразования, которые формируют композиционную структуру сплавов, влияющую на механические свойства литых деталей, в частности на твердость. Для исследования были выплавлены сплавы, состав которых находился в следующих пределах, %: 1,8-2,2 С; 2,5-4 Мп; 6-7 Сг; 6,5-8 V; до 1 При таком составе можно обеспечить сбалансированное содержание элементов с целью исключения из структуры эвтектики других карбидных фаз, кроме карбида МС. Известный композиционный характер такой структуры должен обеспечить сочетание высоких механических и эксплуатационных свойств [1, 2]. Отдельную группу составили сплавы, содержащие до 1,8 % меди, до 1,7 % молибдена.

Методика эксперимента

Плавку сплавов проводили в индукционной тигельной печи с основной футеровкой.

Количество аустенита в структуре сплавов определялось с помощью рентгеноструктурного анализа на образцах, отлитых в песчаные формы. Важную информацию дал химический состав

Печенкина Лариса Степановна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: a.m.pechenkin@mail.ru

карбидов при его использовании для определения количества в структуре сплавов каждого вида карбидов и для оценки морфологических особенностей структуры. В структуре исследуемых сплавов содержатся карбиды двух видов: МС (типа VC) и М7С3 (типа Сг7С3). Химический состав карбидов определен с использованием методов

карбидного и рентгеноспектрального анализов.

Определены значения твердости для всех исследуемых сплавов в литом состоянии. Поскольку на каждом сплаве определялись 3-4 значения твердости, дальнейший анализ проведен по средним значениям твердости.

Проведение исследования Результаты определения твердости для всех исследуемых сплавов в литом состоянии приведены в табл. 1.

На рис. 1 приведены зависимости твердости от количества аустенита в структуре сплавов без меди (сплавы 1-25, зависимость 1) и сплавов с медью и другими дополнительными легирующими элементами (сплавы М1-М7, зависимость 2). После статистической обработки данных получены следующие уравнения для обеих зависимостей:

Таблица 1

Тве1

Номер сплава Тве рдость ЖС Номер сплава Твердость ЖС

интервал средняя интервал средняя

1 51-53 52 17 57-59 58

2 58-61 59,5 18 61-63 62

3 51-53 52 19 61-63 62

4 60-62 61 20 43-46 44,5

5 59-61 60 21 62-64 63

6 60-62 61 22 50-52 51

7 47-50 48,5 23 47-50 48,5

8 60-62 61 24 55-58 56,5

9 45-48 46,5 25 50-52 51

10 60-62 61 М1 59-61 60

11 52-56 54 М2 56-58 57

12 53-54 53,5 М3 58-60 59

13 60-63 61,5 М4 58-60 59

14 61-63 62 М5 55-57 56

15 55-58 56,5 М6 56-60 58

16 56-57 56,5 М7 50-56 53

эдость сплавов

1) ЖС = 44,1 + 1,61 • А - 0,047 • А2 +

+ 0,00034 •А3;

ЖСтах ~ 60 при А = 22,7 %;

2) HRC = 56,6 + 0,15 •А - 0,0026 • А2 +

+ 0,00034 • А3;

ЖСтах ~ 59 при А = 28,5 %.

Рис. 1. Зависимость твердости от количества аустенита в структуре сплавов 1-25

Видно, что обе зависимости имеют максимум твердости при содержании аустенита (А) в структуре 20 - 30 %. Особенно четко экстремальный характер зависимости проявляется у сплавов без дополнительного легирования (т.е. для сплавов 1-25). По распределению твердости эти сплавы можно разбить на 3 группы:

1 группа сплавов, у которых с увеличением количества аустенита повышается твердость; это характерно для сплавов, имеющих в структуре до 12-13 % аустенита;

2 группа сплавов, у которых твердость мало зависит от степени аустенизации; к этой группе сплавов можно отнести сплавы, содержащие 13-25 % аустенита;

3 группа сплавов, у которых с увеличением количества аустенита твердость уменьшается, эти сплавы содержат более 30 % аустенита.

Поскольку количество аустенита в структуре сплавов хорошо коррелирует с содержанием марганца (см. рис.2), то удобнее разбивку сплавов на группы провести по содержанию марганца. Статистическая обработка проведена отдельно для сплавов 1-25 и для сплавов М1-М7. Получены следующие зависимости:

для сплавов 1-25

ЖС = 35,9 + 25,89 • Мп - 7,997 • Мп2 + 0,6631-Мп3;

ЖСтах = 61,2 при 2,25 % Мп; для сплавов М1-М7

ЖС = 55,0 + 3,50 • Мп - 0,774 • Мп2;

ЖСтах = 58,9 при 2,26 % Мп.

Графически эти зависимости представлены на рис. 2. Зависимость 1 соответствует уравнению (1) для сплавов 1-25, зависимость 2 - уравнению (2) для сплавов М1-М7.

65 Н 60 -55 -50 -45 -40

ЕС

♦ 1

0

-Г"

2

-г-

4

56

Рис. 2. Влияние марганца на твердость сплавов 1-25

По зависимости 1 высокие значения твердости НЕЯС >60 обеспечиваются при содержании марганца 1,7-2,8 %. Поэтому сплавы с таким содержанием марганца можно отнести ко второй группе, сплавы с содержанием менее 1,7 % Мп - к 1 группе, сплавы с содержанием марганца более 2,8 % - к 3 группе.

Характер зависимости для первой группы сплавов (повышение твердости с увеличением количества марганца и содержания аустенита в структуре) объясняется тем, что марганец сильно увеличивает прокаливаемость сплавов. Поэтому легирование марганцем (в пределах 1 группы сплавов) приводит к увеличению в структуре сплавов количества троостита и мартенсита, но одновременно увеличивает и количество непревращенного аустенита. Повышение твердости связано с увеличением количества мартенсита в структуре матрицы сплавов.

У второй группы сплавов с увеличением содержания марганца происходит замена троостита мартенситом с увеличением количества аустенита вплоть до получения мартенситно-аустенитной структуры матрицы, причем влияние обоих структурных факторов на общую твердость сплавов практически уравновешивается.

Для третьей группы сплавов характерна аустенизация структуры за счет уменьшения количества мартенсита, что естественно приводит к снижению твердости.

В количественном отношении несколько иначе влияет степень аустенизации на твердость сплавов с медью и дополнительным легированием (сплавы М1-М7). В этом случае экстремальный характер зависимости проявляется значительно слабее и достаточно стабильные и высокие значения твердости НЕЯС >57 могут быть обеспечены у сплавов этой группы в широком интервале степени аустенизации (от 10 до 40 %). Объясняется это тем, что за счет комплексного легирования и модифицирования структура этих сплавов значительно измельчена, а аустенит подвержен дисперсионному упрочнению (упрочняющими фазами являются медистая фаза и карбиды). Поэтому сплавы этой группы не дифференцировались по степени аусте-низации структуры. Исключение составляет сплав М7 с полностью аустенитной структурой матрицы и с резким отклонением химического состава сплава от оптимального.

Для сплавов 1-25 дальнейший анализ проведен по трем выделенным группам. Необходимые данные для анализа первой группы сплавов приведены в табл. 2

Таблица 2

Особенности химического состава, структуры и твердость сплавов 1 группы, содержащих до 1,7 % Мп

1

Номер сплава Содержание, % мас. Содержание в структуре, % Средняя твердость НЕС

С Мп Сг А МС М7С3

1 1,46 1,21 5,4 8,9 7,4 0 52

7 1,70 0,70 5,2 7,9 7,1 1,4 48,5

11 1,84 1,10 7,1 12,9 8,9 0 54

12 1,90 0,85 5,5 9,5 7,8 2,2 53,5

15 2,11 1,07 5,9 12,2 9,4 1,1 56,5

24 2,36 0,88 6,1 12,9 11,0 0,7 56,5

Регрессионный анализ проведен для оценки многофакторных зависимостей твердости от структуры (А, МС, М7С3). В линейном приближении эта зависимость имеет следующий вид:

НШС = 37,8 + 0,89 • А + 0,65 • МС

+ 0,64 • М7С3;

Высокие значения коэффициентов корреляции свидетельствуют о возможности использования полученных линейных зависимостей.

Видно, что различие в количественном влиянии карбидов МС и М7С3 на твердость сплавов небольшое и поэтому повышение твердости зависит в основном от увеличения общего количества карбидов.

Эта же зависимость подтверждает также сильное влияние частичной аустенизации структуры на повышение твердости сплавов.

Выборка сплавов второй группы приведена

в табл. 3.

Таблица 3

Твердость и влияние на нее факторы для сплавов 2 группы, содержащих 1,7-2,8 % Мп

Номер Содержание, % мас. Содержание в структуре, % Средняя

сплава C Mn Cr A МС М7Сэ твердость HRC

2 1,46 1,90 5,6 11,0 6,8 0 59,5

4 1,56 1,70 5,7 11,1 6,8 0,3 61

5 1,58 1,80 5,1 10,8 7,3 0 60

6 1,65 1,80 7,0 15,4 8,6 0 61

8 1,72 1,94 6,4 15,3 8,1 0 61

10 1,79 1,84 5,8 13,8 8,6 0 61

13 1,93 1,96 6,6 17,8 9,1 0 61,5

14 2,06 1,88 6,8 18,7 9,7 0,5 62

17 2,18 1,70 8,5 22,6 9,0 3,2 58

18 2,20 2,20 7,0 23,1 9,6 2,0 62

21 2,29 2,04 7,2 23,3 10,9 0 63

Статистическая обработка этих данных дает следующую зависимость:

HRC = 56,9 + 0,21 • А + 0,13 - 1,26 • М7С3.

МС -

Однако карбидообразование и в сплавах 2 группы влияет на твердость слабо, а образование карбидов М7Сз даже приводит к небольшому снижению твердости. По-видимому, это обусловлено тем, в высокотвердой мартенситно-аустенитной

матрице сплавов этой группы только очень твердые карбиды МС повышают среднюю твердость; замена же карбидов МС на карбиды М7С3 с меньшей твердостью при дефиците ванадия приводит к снижению твердости (в отличие от сплавов 1 группы). Снижение твердости может быть связано и с тем, что карбиды М7С3 частично выводят углерод и хром из аустенита, ухудшая тем самым закаливаемость и прокаливаемости сплавов.

Выборка сплавов третьей группы приведена в табл. 4.

Таблица 4

Характеристика сплавов 3 группы, содержащих более 2,8 % Mn

Номер сплава Содержание, % мас. Содержание в структуре, % Средняя твердость HRC

C Mn Cr AV A МС М7Сэ

3 1,51 5,0 5,4 + 0,1 33,3 7,0 0 52

9 1,75 5,1 7,6 0 53,5 8,2 0 46,5

16 2,12 3,1 6,0 + 1,8 23,5 8,1 4,0 56,5

20 2,28 5,5 7,3 + 1,5 78,3 9,0 3,9 44,5

22 2,30 4,2 6,5 + 1,7 43,4 9,1 4,0 51

25 2,35 5,0 5,4 + 0,8 54,1 10,7 1,1 51

Регрессионный анализ этих данных дал Видно, что значительно повышают твер-

следующие зависимости: дость карбиды МС (примерно в 3 раза сильнее, чем

карбиды М7С3). Поэтому дефицит ванадия, приво-HRC = 52,2 - 0,24 • А + 1,0 • МС + дящий к частичной замене карбидов МС карбидами

+ 0,33 • М7С3; .

М7С3, отрицательно сказывается на твердости сплавов

Заключение

В работе определены зависимости твердости малоуглеродистых белых чугунов от содержания структурообразующих компонентов. Установлено, что комплексное легирование и модифицирование исследуемых сплавов позволяет существенно уменьшить общую степень легирования с сохранением достаточно высокой твердости (не менее HRC 57) даже при преобладании аустенитной структуры матрицы, что должно обеспечить у этих сплавов высокую конструктивную прочность и хорошие эксплуатационные свойства.

Воронежский государственный технический университет

THE IMPACT OF THE CONTENT OF STRUCTURE-GENERATING COMPONENTS ON THE LOW-CARBON WHITE CAST IRON FIRMNESS

L. S. Pechenkina

2PhD, Assistant, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Rusian Federation,

e-mail: a.m.pechenkin@mail.ru

The object of the study are complex-alloyed white cast irons for wear-resistant thin-walled castings that have the necessary strength, hardness and toughness already in the cast state, that is, without hardening heat treatment. The objective of the study is to evaluate the conditions for the formation of structures that form the composite structure of alloys that affect the mechanical properties of cast parts, in particular hardness. For the investigation, alloys were made whose composition was within the following limits,%: 1.8-2,2 C; 2,5-4 Mn; 6-7 Cr; 6,5-8 V; Up to 1 Si. Due to the fact that the degree of austenization of their structure has a very strong influence on the properties of the alloys, often overlapping the influence of other factors, all the investigated alloys were divided into several groups by the amount of austenite in their structure (or by the content of manganese as the main element of the austenitizer). The distribution of alloys by groups was carried out on the basis of an analysis of the dependences of hardness on the manganese content and the degree of austenization.

It is determined that the difference in the quantitative effect of carbides MS and M7C3 on the hardness of alloys with 12% austenite in the structure is small and therefore the increase in hardness depends mainly on an increase in the total amount of carbides. Carbide formation in alloys with 12-35% manganese affects the hardness weakly, and the formation of carbides M7C3 even leads to a slight decrease in hardness. Significantly increase the hardness in alloys containing more than 30% austenite carbides MS (about 3 times stronger than carbides M7C3).

It has been established that the complex alloying and modification of the investigated low-carbon white cast iron allows to significantly reduce the overall doping level (especially in vanadium) while maintaining a sufficiently high hardness (at least HRC 57) even with the predominance of the austenite matrix structure, which should provide high structural strength for these alloys and Good operational properties

Key words: white cast iron, chromium, vanadium, alloying, hardness

References

1. Pechenkina L.S. «Development of wear-resistant self-hardening alloys for thin-walled precision parts»: Dis. Cand. Tech. Sciences: 05.16.01: it is protected 20.06.2000: it is approved. 12.12.2000, Kursk, 2000., 193 p.

2. Pechenkina, L.S. Silman G.I., Rukavitsyna A.A. «Effect of chromium and vanadium on the composite structure in low-carbon white cast irons», Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta), 2015, Vol.11, No. 6, pp.13-17.

Литература

1. Печенкина, Л.С. Разработка износостойких самозакаливающихся сплавов для тонкостенных точнолитых деталей: Дис. канд. техн. наук: 05.16.01 : защищена 20.06.2000 : утв. 12.12.2000 / Л.С. Печенкина-Курск, 2000. - 193 с.

2. Печенкина, Л.С. Влияние хрома и ванадия на композиционную структуру в малоуглеродистых белых чугунах / Л.С. Печенкина, [Г.И. Сильман,| А.А. Рукавицына // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2015. - Т.11. - № 6. - С.13-17.