Особенности легирования белых коррозионностойких чугунов

ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

УДК.669.14

Канд. техн. наук В. В. Нетребко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ БЕЛЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ

При помощи метода математического планирования эксперимента установлены регрессионные зависимости, описывающие содержание хрома в металлической основе от химического состава С-Ге-Сг-Мп-М1 чугуна. Рекомендовано оптимальное содержание легирующих элементов для чугунов работающих в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде.

Ключевые слова: чугун, легирование, хром, металлическая основа.

Введение

Многие детали оборудования горнодобывающей и металлургической промышленности (насосы, запорная арматура, трубопроводы и другие механизмы) работают в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионных средах. Большая доля этих деталей изготавливается из легированных белых чугунов типа С-Ре-Сг-Мп-№. Содержание хрома в металлической основе определяет коррозионные свойства этих сплавов. Основное влияние на содержание хрома в металлической основе оказывает углерод. Влияние легирующих элементов определяется в зависимости от их влияния на растворимость углерода в аустените и на процессы кар-бидообразования. В работах К. П. Бунина, Я. Н. Мали-ночки и Ю. Н. Тарана отмечалось, что в легированных белых чугунах природа и закономерности роста карбидов могут значительно изменяться в присутствии легирующих примесей [1]. Поэтому изучение особенностей легирования белых чугунов, с целью оптимизации химического состава сплавов является актуальной задачей имеющей практическую ценность.

В износостойких чугунах содержание углерода находится в пределах 2,4.. .3,6 %, что обеспечивает 20.. .40 % карбидов в структуре. Для коррозионностойких чугунов содержание углерода понижается до 0,5.1,6 % [2]. Хром, связанный в карбиды, не участвует в повышении антикоррозионных свойств. По данным А. Герек и Л. Байка [3] 1% углерода может связать 6.16 % хрома. В зависимости от содержания углерода и хрома в чугу-нах образуются карбиды Ме23С6, Ме7С3 и Ме3С. При образовании карбидов в твердом растворе образуются обедненные хромом зоны, что приводит к снижению коррозионной стойкости.

Содержание в металлической основе более 12 % Сг делает ее коррозионностойкой в атмосфере и некоторых промышленных средах. В системе С-Ре-Сг введение хрома снижает растворимость углерода в аустени-те. При введении в сплав 24 % Сг растворимость углерода в аустените снижается до 0,4 % [4].

Марганец, обладая большим сродством к углероду, замещает железо в цементите и карбидах хрома, при этом образуются карбиды хрома, легированные железом и марганцем [5-7]. Особенностью этого процесса является то, что марганец усиливает обеднение хромом металлической основы в зонах, прилегающих к карбидам, что приводит к снижению коррозионной стойкости. Анализ марок чугунов по ГОСТ 7769-82 [2], применяемых для изготовления деталей, работающих в коррозионных средах, показывает, что содержание марганца ограничивается до 0,8 %, а в отдельных марках и ниже. Сплавы, содержащие марганец до 2,0 % и более, применяются для деталей, эксплуатируемых в нейтральных и слабоагрессивных средах. Особенность легирования белых чугунов марганцем связана с тем, что марганец является аустенитообразующим элементом и повышает содержание углерода в аустените.

Никель повышает вязкость разрушения и является незаменимым компонентом материалов, работающих в условиях ударных нагрузок. Содержание никеля ограничивают в связи с его высокой стоимостью, однако он оказывает большое влияние на износостойкие и кор-розионностойкие свойства белых чугунов. Никель, с одной стороны является аустенитообразующим элементом, с другой стороны снижает растворимость углерода в аустените, что приводит к увеличению количества карбидов хрома и соответственно к снижению содержания хрома в твердом растворе.

Условия, при которых в металлической основе легированных белых чугунов обеспечивается необходимое содержание хрома, обеспечивающее коррозионную стойкость, изучены недостаточно. Действие элементов, при комплексном легировании, проявляется очень сложно, а иногда противоречиво. Влияние каждого элемента зависит от наличия и концентрации остальных компонентов сплава и ряда других факторов. Оценить комплексное влияние элементов на расширение области у- железа можно применив формулу Гиршович Н.Г. [8]

© В. В. Нетребко, 2014

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2014

109

для определения содержания углерода в насыщенном аустените СЕ (в %) = 2,03 - 0,1181 - 0,3Р + 0,04(Мп -1,78) -0,09М - 0,07Сг.

Литературные данные [9-11] не позволяют объективно оценить влияние легирующих элементов на процессы структурообразования и свойства коррозионностойких белых чугунов в системе С-Ре-Сг-Мп-М.

Цель работы заключалась в определении регрессионной зависимости содержания хрома в металлической основе от химического состава чугуна в системе типа С-Ре-Сг-Мп-№.

Материал и методики исследований

Для построения математической модели использовали метод активного планирования эксперимента. Матрица планирования дробного многофакторного эксперимента представлена в таблице 1. Чугун выплавлялся в индукционной печи с основной футеровкой, емкостью 60 кг.

Таблица 1 - Матрица планирования дробного факторного эксперимента 24-1

Уровни варьирования факторов Факторы

С,% Сг,% Мп,% N1,%

Основной 0 2,5 18,5 3,0 1,6

Интервал Д 1,0 5,0 1,7 1,0

звездное плечо 1,414Д 1,41 7,07 2,4 1,41

Верхние +1 3,5 23,5 4,7 2,6

+1,414 3,91 25,57 5,4 3,01

Нижние -1 1,5 13,5 1,3 0,6

-1,414 1,09 11,42 0,6 0,19

Температура жидкого чугуна составляла 1410... 1440 °С. Опытные чугуны исследовали в литом состоянии без термической обработки. Для выявления структурных составляющих применяли травитель Марбле. После травления а- фаза имела черный цвет, а у- фаза - светлый. Анализ структуры, выполняли на оптических микроскопах МИМ-8 и 8igeta ММ-700 при увеличении 100.400. Химический состав карбидов и металлической основы определяли на микроскопе РЕМ 106И в локальных точках, на определенном расстоянии от карбидов.

Теория и анализ полученных результатов

В процессе остывания литых образцов в литейных формах в металлической основе чугуна снижалась растворимость углерода и происходило выделение карбидов из твердого раствора, в которых, при дальнейшем охлаждении, атомы железа, входящие в карбиды, замещались на атомы хрома и марганца, имеющие большее химическое сродство к углероду, чем железо.

Диффузионные процессы были затруднены из-за большого количества легирующих элементов и

постоянно снижающейся температуры, поэтому выравнивание концентрации легирующих элементов не происходило. Аналогичные изменения происходили и внутри эвтектических колоний. Процессы, вызывающие перераспределение элементов между карбидами и металлической основой приводили к значительной химической неоднородности металлической основы. Разница в содержании хрома в металлической основе (на расстоянии 15.20 мкм от карбидов) и околокарбидных зонах (на расстоянии 1,5...2,5 мкм) составляла от 1,5 до 4 % (для различных составов). Отношение минимального содержания хрома в металлической основе к общему содержанию хрома в сплаве изменялось от 0,37 до 0,6.

Зоны измененного химического состава травились быстрее и наблюдались в виде черной оторочки в областях, примыкающих к карбидам и внутри карбидных колоний (рис. 1, а). Структура исследуемых чугунов состояла из легированной металлической основы и карбидов. Металлическая основа, в зависимости от содержания С, Мп, N1, Сг, изменялась от ферритной (в т. ч. мартенситной) до аустенитной. В зависимости от содержания углерода и хрома в чугунах наблюдались карбиды (Сг,Ре,Мп)3С, (Сг,Ре,Мп)7С3, (Сг,Ре,Мп)23С6.

Тип карбида зависел от отношения хрома к углероду. При отношении Сг/С в пределах 3.10 образовывались преимущественно карбиды (Сг,Ре,Мп)3С (рис.1, б), при отношении Сг/С 7.15 образовывались карбиды (Сг,Ре,Мп)7С3 (рис.1, в), при отношении Сг/С более 15 образовывались карбиды (Сг,Ре,Мп)23С6 (рис. 1, б, г).

При содержании углерода 1,09.2,45 % наблюдались эвтектоидные (рис.1, а) и эвтектические карбиды (рис.1, д). При более высоких содержаниях углерода наблюдались в основном эвтектические колонии карбидов и заэвтектические карбиды (рис. 1, е). Содержание углерода соответствующее эвтектическому сплаву зависело от общего содержания компонентов сплава и примесей. Для определения концентрации углерода в чугуне при которой образуются только эвтектические карбиды применили формулу Н. Г. Гиршовича [8] для определения содержания углерода в эвтектике Сс (в %) = 4,3 - 0,3(81+Р) -0,48 + 0,03Мп - 0,07№ - 0,05Сг.

В результате математической обработки проведенного эксперимента получена регрессионная зависимость остаточного содержания хрома в металлической основе от содержания в сплаве С, Сг, Мп, N1:

Сг , % = 3,711 - 0,806С+0,313Сг + 0,009а-2 - 0,054№2

осн 7 7 7 7 7 7

- 0,082СМп - 0,139С№+0,011МпСг + 0,028СгМ

Данное уравнение является математически вероятностным в соответствии с критериями Стьюдента, Фишера и Кохрена.

Физический смысл приведенного выше регрессионного уравнения состоит в том, что содержание хрома в металлической основе зависит от общего содержания компонентов и их взаимного влияния.

Графическое отображение этой функции при 1,6 % N1 и 3,0 % Мп представлено на рис. 2.

ТЕХНОЛОГИ' ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

Рис. 1. Структура чугунов, х 400:

а - черная оторочка возле арбидов; б - карбиды типа

(Сг,Ре,Мп)3С; в - карбиды типа (Сг,Ре,Мп)7С3. г - карбиды типа (Сг,Ре,Мп)23С6. д - эвтектические карбиды, аустенитная металлическая основа; е - эвтектические и заэвтектические карбиды, ферритная металлическая основа

Рис. 2. Зависимость содержания хрома в основе от содержания Сг и С в чугуне при 3,0% Мп и 1,6% N1

Увеличение содержания хрома в сплаве увеличивает его содержание в металлической основе с учетом изменений типа карбидов, которое подтверждается изменением наклона прямой рис. 3, а. При содержании до 14 % хрома наблюдались, в основном карбиды (Сг,Ре,Мп)3С, от 14 до 23 % хрома преобладали карбиды (Сг,Ре,Мп)7С3, свыше 23 % хрома присутствовали карбиды (Сг,Ре,Мп)23С6.

Увеличение содержания марганца или никеля при содержании 1 % углерода способствовало увеличению содержания хрома в металлической основе, за счет расширения области у- железа и увеличения растворимости углерода в аустените, и уменьшения количества карбидов.

При повышении содержания углерода до 3,9 % увеличение содержание марганца сжижает содержание хрома в металлической основе за счет изменения распределения хрома между основой и карбидами. Марганец способствовал повышению содержания хрома в карбидах.

Увеличение содержания никеля, при 3,9 % углерода, снижает содержание хрома в металлической основе за счет снижения растворимости углерода в аустените и образовании эвтектики при меньшем содержании углерода в сплаве, что вызывает образование высокохромистых заэвтектических карбидов.

19

и

2 16

£

г п

с.

и

у

1.1 1 \ \

\ \ \

\ л

1

з.о%с 1

11 16 II 26

Содержание Сг, масс. %

а - 3,0% Мп и 1,6% N1

13

*

О АЗ 12

1 11

^

о»

X 10

я

О.

§ 9

и

8

1.1 «вС

г.о-оС

3,9%С

0 2 4 6

Содержание Мп, масс. %

б - 18,5% Сг и 1,6% N1

Содержание N1, масс. %

в - 18,5% Сг и 3,0% Мп

Рис. 3. Зависимость содержания Сгосн от содержания С, Сг, Мп и N1 в чугуне

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванн №1, 2014

111

Выводы

1. Полученное уравнение регрессии позволяет оптимизировать составы чугунов применяемых в различных условиях эксплуатации.

2. Максимальное содержание хрома в металлической основе 19 % достигается при содержании в чугуне 1,1 %С, 5,4 %Мп, 3,0 %№, 25,5 % Сг.

3. Для деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионных средах, может быть рекомендован чугун, имеющий содержание хрома в металлической основе не менее 13 %, следующего состава: 2,9.3,3 % С; 3,5.5,4 % Мп; 1,5.2,5 % N1 и 23.26 % Сг.

Список литературы

1. Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н. - М. : Металлургия. 1969. -416 с.

2. ГОСТ 7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.

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

4. Гуляев А. П. Металловедение / Гуляев А. П. - М. : Металлургия. 1978. - 648 с.

5. Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / Чейлях А. П. -Харьков : ННЦ ХФТИ. - 2003. - 212 с.

6. Волчок И. П. Влияние марганца на процессы структу-рообразования износостойких высокохромистых чугунов / Волчок И. П., Нетребко В. В. // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. тр. - Вып. 64. -Дн-вск, ПГАСА, 2012. - С. 301-304.

7. Belikov S. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron / Belikov S., Vlchok I., Netrebko V. // Archives of Metallurgy and Materials. -Vol. 58. 3/2013. -Р. 895-897.

8. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в оливках / Гиршович Н. Г. - М.-Л. : Машиностроение, 1966. - 564 с.

9. Гарбер М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов / Гарбер М. Е. - М. : Машиностроение, 1972. - 112 с.

10. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / Цыпин И. И. - М. : Металлургия. 1983. -176 с.

11. Капустин М. А. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров / Капустин М. А., Шестаков И. А. // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - 1999. - № 2. -С. 32-33.

Одержано 08.10.2014

Нетребко В.В. Особливосп легування бших корозшностшких чавушв

За допомогою методу математичного планування експерименту встановлена регресивна залежнкть вмкту хрому в металевш основi вгд хгмгчного складу чавуну у системi C-Fe-Cr-Mn-Ni. Рекомендовано оптимальний вмгст легованих елементiв для чавутв, ят працють в умовах гiдроабразивного зношування в корозшному середовищi.

Ключовi слова: чавун, легування, хром, металева основа.

Netrebko V. Peculiarities of alloying of corrosion-resistant white cast irons

By means ofmathematical planning method of experiment regression dependence of chromium content in a metal matrix from a chemical composition of cast iron of C-Fe-Cr-Mn-Ni system is established. Optimum content of alloying elements for wear proof and corrosion-resistant cast iron is recommended.

Key words: cast iron, alloying, chromium, metal basis.