Особенности формирования структуры белых чугунов и их Классификация

Библиографический список

1. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машгиз, 1963. 408 с.

2. Использование трибо- и пьезоэлектрического эффектов в приготовлении смесей / Васин Ю.П., Бортников М.М., Илла-

рионов И.Е. и др.// Литейное пр-во. 1979. № 8. С. 25-26.

3. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 1965.

4. Гудков А.С. и др. Основы поисков и разведки месторождений пьезооптических минералов. М.: Гостехиздат, 1960.

5. Воларович М.П., Соболев Г.А. Пьезоэлектрический метод геодезической разведки кварцевых и пегматитовых жил. М.: Наука, 1960.

6. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. М.: Наука, 1968.

7. Олофинский Н.Ф. О применении электрических и других, связанных с ними, сухих методов обогащения в районах с

ограниченными водными ресурсами // Теория и практика сепарации в электрическом и магнитном полях. М.: Наука,

1968. С. 20-45.

8. Машин А.Р. Электронно-струйная технология бетона и сборных железобетонных изделий. Саратов: Приволж. кн. изд-во, 1968. 288 с.

9. Илларионов И.Е. Исследование уплотняемости и текучести песчано-глинистых формовочных смесей при высоком давлении прессования: Дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1973. 273 с.

10. К вопросу о влиянии постоянного тока на физико-механические свойства формовочных смесей / Васин Ю.П., Пашнин

М.И., Илларионов И.Е. и др. // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. Хабаровск, 1972.

С. 44-46.

11. Толстой Н.А. и др. Жесткий электрический дипольный момент коллоидных частиц // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1967. С. 56-78.

12. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Адгезия. М.; Л.: Изд-во. АН СССР, 1949. 244 с.

УДК 621.74:669.13.25.046

В. М. Колокольцев, Е. В. Петроченко, Б. В. Воронков

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Перспективными инструментальными и конструкционными материалами, в которых сочетаются повышенные прочность, пластичность, износостойкость, жаропрочность, жаростойкость и др., являются литые композиции из мягкой матрицы и упрочняющей фазы. Значительную группу литых композитов составляют комплексно-легированные белые чугуны с инвертированной структурой и высокотвердыми карбидами, вызывающими композиционное и дисперсионное упрочнение сплава. Свойства комплексно-легированных чугунов зависят от характера карбидной фазы и металлической основы (матрицы). Требования к структуре чугуна определяются условиями эксплуатации конкретных изделий. Металлическая матрица должна обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при приложении нагрузок при нормальных и повышенных температурах, и вязкостью, чтобы препятствовать выкрашиванию карбидов. Эвтектическая структура должна иметь композиционный характер.

Были разработаны белые чугуны, легированные комплексами У-Си-Т-В, У-Сг, У-Сг-Мо, Сг-Мп-№-Т1, Сг-Мп-№-А1, Сг-Мп-№-№, с ин-

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.-------

вертированной микроструктурой и значительным композиционным упрочнением. Исследована структура и свойства этих чугунов в зависимости от химического состава и кинетических условий кристаллизации.

Структуру, фазовый состав чугунов и оксидных слоев исследовали с помощью металлографического, рентгенографического и электронографического методов.

Количественный металлографический анализ, автоматизированную обработку результатов измерения микротвердости проводили на анализаторе изображений Thixomet.

Межфазное распределение легирующих элементов определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа с рентгеновским микроанализатором LEO 430 pi.

Химический состав оксидных и подоксидных слоев исследовали на спектрометре тлеющего разряда.

Окалиностойкость образца оценивали весовым методом по увеличению массы образца (г/м2). Ростоустойчивость оценивали по изменению длины (%).

--------------------------------------------97

Испытание на износостойкость проводили при трении о жестко и нежестко закрепленный абразив на лабораторных установках.

Температуры и энтальпии фазовых переходов, окислительную стабильность исследовали на приборе синхронного термического анализа NETZSCH model STA 409 PC Luxx.

В структуре исследованных сплавов присутствуют следующие виды эвтектик: двойные эвтектики (у+карбид легирующего элемента, (у+легиро-ванный цементит), тройные эвтектики (у+карбид легирующего элемента+легированный цементит, у+МС+ М7С3 и др.). Эвтектические композиции в зависимости от химического состава и скорости охлаждения при кристаллизации могут иметь различный характер: волокнистый, зернистый пластинчатый, стержневой и др.

Примером полностью инвертированной структуры эвтектики является аустенитно-ванадиево-карбидная в белых ванадиевых чугунах.

В сплавах, содержащих 2,5 % углерода и 7,0% ванадия, кристаллизация происходит практически без образования эвтектического цементита.

Рис. 1. Микроструктура ванадиевых чугунов, залитых в песчано-глинистую форму

Структура чугуна в основном состоит из тонко-разветвленных волокнистых или компактных эвтектических карбидов ванадия и перлитной матрицы (рис. 1, а, б).

С повышением содержания углерода до 3,0% инверсия чугуна становится неполной, увеличиваются количество и размеры колоний ледебуритоподобной составляющей до 25-27%, которая располагается в виде сплошной или частично разорванной сетки по границам колоний двойной эвтектики (см. рис. 1, б). Уровень микротвердости матрицы литых ванадиевых чугунов примерно одинаков, увеличивается с повышением концентрации углерода и незначительно возрастает с увеличением концентрации ванадия от 4600 до 5800 МПа.

Максимум износостойкости, твердости и прочности достигается при содержании в чугуне 2,63,0% С. При содержании менее 2,6 и более 3,0% С износостойкость чугуна резко падает. В первом случае снижение износостойкости вызвано уменьшением общего количества карбидной фазы, во втором - инверсия структуры чугуна становится неполной и, кроме того, образуются крупные карбидные включения, которые в процессе испытания выкрашиваются и увеличивают износ.

При оптимизации были определены оптимальные концентрации ванадия и углерода, масс. %: 2,6-3,0 С; 5,0-8,0 У. Именно при таком соотношении ванадия и углерода формируется структура, обеспечивающая максимальную износостойкость чугунов исследованных составов. Недостаточно высокая износостойкость исследованных чугунов обусловлена перлитной структурой металлической основы и наличием сетки ледебуритоподобной составляющей.

Повысить свойства белых чугунов можно за счет изменения плотности (изменения количества карбидной фазы) и характера эвтектических композиций. Регулировать в эвтектике количество, тип и морфологию карбидной фазы чу-гунов, строение металлической основы можно скоростью охлаждения (заливка в различные типы форм) и дополнительным их микролегированием и модифицированием малыми добавками высокоактивных элементов. В качестве таких элементов были выбраны медь, титан, бор, кальций.

Структура чугунов, залитых в ПГФ, состоит из перлита различной дисперсности, карбидов ванадия разветвленной

Волокнистая

эвтектика

A+VC

Зернистая

эвтектика

A+VC

A+VC+Fe3C

аз

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

в

Рис. 2. Микроструктура комплексно-легированных ванадиевых чугунов, залитых в сухую ПГФ

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.-------------------------------------------------------------99

в

Рис. 3. Микроструктура доэвтектического чугуна и чугуна с эвтектиками А + (Fe, Cr, У)тОз и А + (Fe, Cr, У)тОз + VC

100---------------------------------------------------------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

Рис. 4. Микроструктура эвтектик А + VC А + (Fe, Cr, V)7C3 + VC

формы и ледебурита. Структура чугунов, залитых в кокиль, изменяется от мартенситно-трооститной до мартенситно-аустенитной с различным количественным соотношением фаз с более мелкими карбидами ванадия. Увеличение скорости охлаждения при затвердевании (заливка в кокиль) изменяет форму и размеры карбидов. Карбиды ванадия становятся менее разветвленными, увеличивается дисперсность карбидов ванадия, двойной эвтектики и содержание в ней карбидной фазы (рис. 2).

Включения разветвленной формы представляют собой карбиды ванадия, а включения компактной формы - комплексные карбиды ванадия с титаном (Л, У)С (см. рис. 2). Образование в структуре чугунов комплексных карбидов (П, У)С

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.--------

компактной формы приводит к повышению износостойкости в условиях трения о полузакреп-ленный абразив. Микротвердость карбидов ванадия 20000-22000 МПа, у комплексных карбидов выше - до 27500 МПа. Модифицирование титаном приводит к диспергированию карбидной фазы. Увеличение содержания титана в составе комплексных карбидов повышает их компактность и дисперсность. Количество ледебурита сокращается в 2-3 раза. Микроструктура матрицы - 400055000 МПа (сухая ПГФ), 6000-8000 МПа (кокиль).

В чугунах, легированных комплексом У-Сг, присутствуют сложные карбиды переменного состава (Бе, Сг, У)хС1-х, содержащие 26,0-48,0% железа, 41,0-52,0% хрома, 9,0-22,0% ванадия, и кар-------------------------------------------<101

сухая ПГФ

а

кокиль

б Рис. 5. Микроструктура хромованадиевых чугунов, залитых в сухую ПГФ

бид ванадия УС, который ограниченно растворяет железо (до 2,0-5,0%), несколько больше - хром (8,0-16,0%). Микроструктура металлической основы в зависимости от химического состава и условий охлаждения - ферритная, перлитная и мартенситно-аустенитная.

После завершения кристаллизации и затвердевания в этих сплавах формируются следующие структуры:

- доэвтектическая структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита (или продуктов его распада) и тройной эвтектики А + (Бе, Сг, УЪС3 + УС розеточного строения (рис. 3, а, б). С возрастанием содержания хрома снижается количество и

102-----------------------------------------------

размеры дендритов первичного аустенита, растет дисперсность и объемная доля аустенитохромисто-карбидной эвтектики (см. рис. 3, б);

- структура, состоящая из двух эвтектик -А+ (Бе, Сг,У)т€з и А + (Бе, Сг, У7С3 + УС (рис. 3, в);

- структура, состоящая из двух эвтектик А + УС и А + (Бе, Сг, У)7Сз + УС;

- структура, состоящая из дендритов первичных карбидов УС и двух эвтектик А+ (Бе, Сг, У)/С3 и А + (Бе, Сг, У)7Сз + УС.

Колонии аустенитованадиевокарбидной эвтектики имеют сферолитную форму (рис. 4, 5). В случае повышенной скорости охлаждения (литье в кокиль) меняется характер избыточной фазы: вместо

------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

Рис. 6. Белые чугуны с аустенитной (а), мартенситно-трооститной (б), мартенситно-бейнитной (в) и мартенситно-аустенитной (г) металлической основой; с эвтектиками А+СГ7С3 (д); Д+ОД Ре)бО (е);

с зернистой Д+УО

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.---------------------------------------------------------103

Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com). Please register to remove this message.

03

CD

і

I

2

П

a:

о

о

о

а

aj

N5

О

О

>1

§

По структуре

Г Л Ґ

Металлической

основы

V ч

Г \ Ґ

По типу

эвтектик

V ) ч

Г N Ґ

По морфологии

эвтектик

V ) К

г \ ґ

По количеству эвтектик и фаз,

образующих их

V У К

Классификация белых чугунов f *

По химическому составу

Нелегированные

Низколегированные

Среднелегированные

Высоколегированные

Чугуны, полученные при плавке в вагранке

Рис. 7. Классификация чугунов

По способу выплавки

По назначению

Чугуны, полученные в электропечах дуговых и индукционных с кислой и основной футеровкой

ґ~

Жаростойкие

Валковые И Т.П.

Ґ Жаропрочные N

ч J

Износостойкие

Коррозионностойкие

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

карбида ванадия (волокнистой и компактной формы) избыточной фазой становится комплексный карбид (Бе, Сг, У)тС3 (рис. 5, б). Эвтектические композиции кристаллизуются в интервале температур и имеют переменный состав (см. рис. 3-5).

Установлено, что изменением химического состава и скоростью охлаждения при затвердевании можно регулировать тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем карбидных фаз, дендритов первичного аустенита, соотношение двойных и тройных эвтектик с различным расположением металлической основы и упрочняющей фазы, что обусловливает возможность применения отливок из этих сплавов в различных условиях абразивного изнашивания при нормальных и повышенных температурах.

Жаростойкость белых чугунов можно значительно повысить за счет легирования комплексом Сг-Мп-№-Тт Окалиностойкость чугунов находится почти в прямой зависимости от содержания в них хрома. При легировании хромом жаростойкость резко повышается, что связано с образованием на поверхности чугуна прочной и тугоплавкой пленки оксида хрома Сг2О3 или оксидов шпи-нельного типа. Влияние никеля и марганца проявляется в общем улучшении структуры отливок, формировании стабильной аустенитной структуры металлической матрицы. Титан предназначен для модифицирования, обеспечивает чугуну требуемые жаростойкость, жаропрочность за счет стабилизирующего воздействия. При содержании хрома в оксидном слое более 30% формируется сплошная плотная с хорошим сцеплением с основным металлом оксидная пленка, предотвращающая дальнейшее окисление сплава.

В хромистых чугунах обнаружен эффект наследования состава оксидной пленки в зависимости от распределения хрома в поверхностном слое (рис. 6). Частицы карбидов хрома препятствуют росту пленки. Там, где есть карбиды хрома, пленка тоньше. Таким образом, увеличивая плотность хромистой эвтектики и при сохранении достаточной легиро-ванности хромом металлической матрицы, можно повысить окалиностойкость белых чугунов.

Проведенные исследования позволяют дать специальную классификацию чугунов по следующим основным признакам: по структуре, по химическому составу, по способу выплавки, по назначению (рис. 7).

По структуре специальные чугуны можно классифицировать по следующим признакам:

- по типу металлической матрицы, феррит-ные, перлитные, бейнитные, аустенитные, перлито-ферритные, мартенситно-аустенит-ные, мартенситно-бейнитные, мартенситно-

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

трооститные, мартенситно-ферритные, фер-ритно-аустенитные;

- по типу эвтектики:

• с эвтектикой ледебурит - А+цементит (Бе3С);

• с эвтектикой А+карбиды типа М7С3;

• с эвтектикой А+карбиды типа МС, например: УС, ТІС, №С;

• с эвтектикой А+карбиды типа М7С3 и М23С6, например: (Бе,Сг)7С3 и (Ре,Сг)23С6;

• с эвтектикой А+ М7СЗ и МС, например: (Бе,Сг)7С3 и УС, и др.;

- по количеству эвтектик и фаз, образующих ее, чугуны можно классифицировать на:

• чугуны с одной двойной эвтектикой;

• с двумя двойными эвтектиками (А+М3С и А+карбид легирующего элемента);

• с двойной и тройной эвтектиками (А+МС и А+МС+ М3С; А+МС и А+МС+ М7С3, А+ М7С3 и А+МС+ М7С3);

• с двумя двойными и тройной эвтектиками (А+М3С, А+ М7С3, А+ М7С3 +МС) и др.

- по морфологии эвтектики:

• волокнистая (А+УС);

• зернистая (А+УС);

• скелетовидная А+(^ Бе)6С;

• стержневая (А+ Сг7С3);

• пластинчатая А+ТІС и др.

По химическому составу специальные чугу-ны можно разделить на:

- нелегированные, состав которых различается содержанием основных элементов (углерода, кремния, марганца);

- низколегированные, суммарное содержание легирующих элементов не превышает 3,5%;

- среднелегированные, суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 3,5-10%;

- высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.

Также в зависимости от химического состава чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические, а по содержанию основного легирующего элемента на хромистые, никелевые, алюминиевые, кремнистые, марганцевые, хромомарганцевые, хромоникелевые, хромованадиевые, хромоникельмарганцевые, хромомарганецвана-диевые и др.

По способу выплавки чугуны делятся на:

- чугуны, полученные при плавке в вагранке; легированные чугуны в вагранках не выплавляют, редко выплавляют низколегированные;

- чугуны, полученные в электропечах: дуговых и индукционных с кислой и основной футеровкой. По назначению специальные чугуны делятся на

коррозионно-стойкие; жаростойкие; жаропрочные; износостойкие; антифрикционные; валковые и т.п.

105