Влияние марганца на структуру белых высокохромистых чугунов

УДК 669.15

В. В. НЕТРЕБКО

ВЛИЯНИЕ МАРГАНЦА НА СТРУКТУРУ БЕЛЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ

Приведены данные о влиянии марганца на структурообразование и твердость белого высокохромистого чугуна.

Ключевые слова: чугун, марганець, структура, карбиды, твердость

При содержании 0,6 % марганца в структуре

Белые высокохромистые чугуны широко применяются для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного, абразивно-коррозионного и эрозионного изнашивания: грунтовых насосов, пульпопроводов, лопаток дробеметных аппаратов, футеровок шаровых мельниц и т. д. [1-4]. Легирование чугунов марганцем, никелем и другими элементами обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства. При этом хром выполняет роль карбидообразующего элемента, никель - аусте-нитообразующего, марганец - как карбидо- так и аустенитообразующего элемента. По сродству к углероду марганец занимает промежуточное положение между Сг и Бе. Литературные данные по применению марганца, например, [5, 6] не позволяют объективно оценить его влияние на процессы структурообразования и свойства.

Целью данной работы являлось определение влияние марганца как карбидо- так и аустени-тообразующего элемента на процессы структу-рообразования и твердость белых высокохромистых чугунах.

Исследовали чугуны следующего химического состава, масс. %: углерод 3,4...4,0; хром 16,2...17,0; никель 1,1.1,4; кремний 0,7.1,2; марганец 0,6.5,22.

Чугун выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Температура чугуна при заливке в сухие песчаные формы составляла 1400.1430 °С. В процессе фракционного легирования металлическим марганцем были получены 4 сплава с возрастающим от 0,6 до 5,22 % марганца. Для выявления феррита и аустенита применяли травитель Марбле. После травления у-фаза имела светлый фон, а-фаза -черный. Методами микрорентгеноспектрального анализа на микроскопе РЕМ 106И исследовали изменение химического состава металлической основы и карбидной фазы, анализ структуры выполняли на оптическом микроскопе МИМ8, микротвердость структурных составляющих измеряли на приборе ПМТ3, макротвердость сплава - на твердомере Роквелла.

чугуна наблюдалась карбидная эвтектика, внутри которой и областях примыкающих к ней отмечалось наличие темной а-фазы. По мере увеличения содержания марганца в сплаве количество а-фазы увеличивалось. При 5,22 % марганца в чугуне а-фаза не наблюдалась (рис. 1).

Было установлено, что по мере увеличения содержания марганца в сплаве имело место увеличение количества карбидной фазы, а также укрупнение карбидов. При образовании карбидов концентрация углерода, как сильного ау-стенитообразующего элемента, снижалась в областях, примыкающих к карбидной эвтектике и внутри нее. Марганец, как аустенитообра-зующий элемент, при содержании его до 4,0 %, не компенсировал снижение содержания углерода, что и привело к появлению а-фазы. Увеличение количества а-фазы достигло максимального уровня, примерно 36 об. %, при 3,82 % марганца (рис. 2).

Согласно результатам количественной металлографии, с ростом содержания марганца в сплаве количество карбидов возросло до 31 об. % при 5,22 % марганца, что объясняется его карбидообразующим свойством. При содержании более 5 % марганец проявил также свойства аустенитообразующего элемента (см. рис. 2).

Было установлено, что увеличение содержания марганца в сплаве привело к существенным изменениям химического состава карбидов: в них снизилось содержание железа и увеличилось содержание марганца и хрома (рис. 3). При этом суммарное количество карбидообразую-щих элементов практически не изменялось. В связи с увеличением количества хрома в карбидах имело место незначительное обеднение твердого раствора хромом в областях, примыкающих к карбидной эвтектике и внутри нее.

© В. В. Нетребко, 2012

167

0,6 % Mn

1,7 % Mn

lib.

3,82 % Mn

___A

л r & J9hb

5,22 %Mn

Рис. 1. Структура высокохромистых чугунов с различным содержанием Mn

?

%

40

35

30

20

15

10

____а - фаза

О/

" \ ^ карбиды

О

1,0

4,0

5,0 Мп,

Рис. 2. Влияние марганца на количество карбидов и а-фазы

Mn, Cr, Fe,' 12 46 52

10 44 51

8 42 50

40 49

38 48

36 47

О 34 45

железо хром \

марганец

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0 Мп,

Рис. 3. Влияние количества марганца в сплаве на содержание Mn, Fe в карбидах

По результатам микроспектрального анализа установлено, что марганец практически отсутствовал в карбидной фазе при его содержании 0,6 % в сплаве. При дальнейшем увеличении содержания марганца в сплаве возрастало его количество как в металлической основе, так и карбидной фазе, при этом соотношение Mnкаp/Mnосн достигло 1,0 примерно при 4 % марганца (рис. 4).

Рис. 4. Изменение соотношения Mnкаp / Mnосн при увеличении содержания марганца в чугуне

Изменения в структуре сплава, с ростом содержания марганца привели сначала к повышению, затем к понижению микротвердости структурных составляющих и твердости сплава. Максимальные значения микротвердости основы и карбидной эвтектики наблюдались при 3,82 % марганца, что соответствовало наиболь-

шему количеству а-фазы. Дальнейшее увеличение содержания марганца в сплаве до 5,22 %, привело к заметному снижению микротвердости металлической основы и к незначительному снижению микротвердости карбидной эвтектики, что вызвало снижение твердости ИЯС на 14 % в литом состоянии по сравнению с чугуном, содержащим 3,5...4 % Мп (рис. 5).

HV50, МПа

11500 10500 9500 8500 7500 6500 5500

твердость HRC—

эвтектика \

аЪ

^ основа

HRC

53

51

49

47

45

43

41

39

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0 Мп,

Рис.5. Влияние марганца на микротвердость структурных составляющих и твердость высокохромистого чугуна

После нормализации с 950 °С влияние марганца на твердость высокохромистого чугуна носило аналогичный характер. При этом в чугуне, содержащем 5,22 % марганца, снижение твердости происходило только на 5 %, по сравнению с чугуном, содержащим 3,5.4 % Мп.

Выводы

1. Марганец в количествах до 0,6 % в высокохромистом чугуне, не проявил себя как кар-бидообразующий элемент.

2. Повышение содержания марганца с 0,6 % до 3,82 % привело к легированию металлической

основы, увеличению количества карбидов и а-фазы, росту твердости. Во влиянии марганца преобладает его карбидообразующее свойство.

3. Более высокое содержание марганца привело к появлению полностью аустенитной структуры сплава при 5,22 % Мп и дальнейшему увеличению количества карбидной фазы, то есть марганец при его содержании 3,82.5,22 % проявил как карбидо- так и аустенитообразую-щие свойства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гарбер, М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов [Текст] / М. Е. Гарбер. - М.: Машиностроение, 1972. - 112 с.

2. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства [Текст] / И. И. Цыпин. - М. : Металлургия, 1983. - 176 с.

3. Герек, А. Легированный чугун - конструкционный материал [Текст] / А. Герек, Л. Байка. - М.: Металлургия, 1978. - 208 с.

4. Высокохромистый чугун как материал для быстроизнашиваемых деталей машин [Текст] / О. С. Комаров [и др.] // Литейное производство. - 2008. - № 2. - С. 2-4.

5. 1ванов, Д. Абразивна стшюсть проти спрацювання високо хромистого чавуну [Текст] / Д. 1ванов, О. Митяев // Машинознавство. - 2000. - № 10. - С. 22-25.

6. Капустин, М. А. Оптимизация химического состава износостойкого чугунка для литых мелющих шаров [Текст] / М. А. Капустин, И. А. Шестаков // Нов1 матер1али 1 технологи в металургл та ма-шинобудуванш. - 1999. - № 2. - С. 32-33.

Поступила в редколлегию 13.04.2012. Принята к печати 20.04.2012.

В. В. НЕТРЕБКО

ВПЛИВ МАРГАНЦЮ НА СТРУКТУРУ Б1ЛОГО ВИСОКОХРОМИСТОГО ЧАВУНУ

Подано результата дослщжень щодо впливу марганцю на утворення структури та твердють бшого висо-кохромистого чавуну.

Ключовi слова: чавун, марганець, структура, карбщи, твердють

V. V. NETREBKO

THE INFLUENCE OF MANGANESE FOR STRUCTURE OF HIGH-CHROMIUM WHITE CAST IRON

Results of researches of manganese influence on of structure and hardness of high-chromium white cast iron are presented.

Keywords: cast iron, manganese, structure, carbides, hardness