Особенности легирования марганцем износостойких высокохромистых чугунов

ICO inггтггг^ г: гсшгггтттттг;

lUfc/ 3 (67), 2012-

European Commission

TEMPUS

Износостойкие высокохромистые чугуны (ИЧХ) широко применяются для изготовления различных деталей машин и механизмов, 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 марганцем, никелем и другими элементами обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства чугуна. При этом хром выполняет роль феррито- и карбидообразующего элемента, никель - аустенитообразующего, марганец - как карбидо-, так и аустенитообразующего и стабилизирующего аустенит элемента. По сродству к углероду марганец занимает промежуточное положение между хромом и железом, принимает участие в карбидообразовании и часто используется в качестве частичного заменителя никеля. Литературные данные по применению марганца, например [5-8], не позволяют объективно оценить его влияние на процессы структурообразования и свойства ИЧХ. Условия, при которых преобладает та или иная роль марганца, изучены недостаточно.

Марганец, обладая большим сродством к углероду, замещает железо в цементите и карбидах хрома, при этом образуются карбиды хрома и железа, легированные марганцем [9]. Особенностью этого процесса является то, что происходит обеднение хромом металлической основы в зонах, прилегающих к карбидам, приводящее к снижению коррозионной стойкости сплавов.

Анализ марок сталей и сплавов, применяемых для изготовления деталей, работающих в коррозионных средах, показывает, что содержание марганца в них ограничивается до 0,5-0,8%, а в отдельных марках до 0,3%. Сплавы, содержащие марганец до 2,0% и более, применяются для деталей, эксплуатируемых в нейтральных и слабо-

f N

The influence of alloying by manganese on the structure and hardness of high-chromium wear-resistant cast iron was investigated.

V_)

УДК. 669.15

агрессивных средах [10, 11]. Согласно [12], максимальный рост потерь при абразивно-коррозионном изнашивании наблюдается у высокомарганцевой стали 110Г13Л и чугунов, содержащих 12% хрома. В кислой среде (рН 4 и рН 2) эти сплавы показали такую же стойкость, как и сталь 20, использовавшаяся в качестве эталона.

Цель данной работы заключалась в анализе влияния марганца на процессы карбидообразова-ния, изменение химического состава сплава в зонах, прилегающих к карбидам, а также на твердость высокохромистых чугунов.

Исследовали чугуны следующего химического состава, мас.%: углерод - 3,4-3,9; хром - 18,519,8; никель - 1,1-1,5; кремний - 1,0-1,2; марганец - 0,72-5,77.

Чугун выплавляли в индукционной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой. Температура жидкого чугуна при заливке в сухие песчаные формы составляла 1410-1430 °С. 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 оптическом микроскопе МИМ- 8 при увеличении 100-600, микротвердость структурных составляющих измеряли на приборе ПМТ-3, макротвердость сплава - на твердомере Роквелла. Методами микрорентгено-спектрального анализа на микроскопе РЕМ 106И исследовали химический состав металлической основы и карбидной фазы, а также степень трави-мости металлической основы.

В процессе остывания литых образцов в литейных формах происходило образование карбидов в твердом растворе. Диффузионные процессы были затруднены из-за большого количества легирующих элементов, поэтому концентрация леги-

В. В. НЕТРЕБКО, И. П. ВОЛчОК, Запорожский национальный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ МАРГАНЦЕМ износостойких ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ

дим г:

гсдттггтгЕ

-3 (67), 2012

/163

Рис. 1. Структура высокохромистых чугунов с различным содержанием Мп: а

е - 5.77. х600

0,72%; б - 1,23; в - 2,07; г - 3,82; д - 4,45;

рующих элементов значительно изменялась в областях, примыкающих к карбидам. Аналогичные изменения происходили и внутри эвтектических колоний. Процесс образования карбидов, а также изменение их химического состава при остывании связан с уменьшением растворимости углерода в аустените при понижении температуры, а также с замещением железа, входящего в карбиды, на марганец, обладающий более высоким по сравнению с железом химическим сродством к углероду. Зоны измененного химического состава наблюдались в виде черной оторочки в областях, примыкающих к карбидам и внутри карбидных колоний. Увеличение размеров черной оторочки, свидетельствующее о повышении травимости сплава, происходило по мере увеличения в нем содержания марганца (рис. 1). При содержании марганца 5,77% черная оторочка не наблюдалась в связи с тем, что металлическая основа стала практически полностью аустенитной.

Согласно результатам количественной металлографии, с ростом содержания марганца в сплаве от 0,72 до 5,77% количество карбидов увеличилось от 22 до 30 об.% (рис. 2). При этом происходили изменения химического состава карбидов: в них снизилось содержание железа и увеличилось содержание марганца и хрома при практически неизменном суммарном количестве карбидообразую-щих элементов. В связи с увеличением количества хрома в карбидах имело место обеднение твердого раствора хромом в областях, примыкающих к кар-

бидной эвтектике и внутри нее. Процесс снижения содержания хрома в околокарбидных зонах сопровождался обогащением этих зон железом и увеличением локальной травимости сплава.

Было установлено, что увеличение содержания марганца в сплаве привело к существенной химической неоднородности металлической основы: при содержании в ней хрома от 9,5 до 11,5% его содержание в черной оторочке снизилось до 7,8 ± 0,6%. Ширина зоны измененного химического состава возрастала по мере увеличения количества марганца в сплаве.

Таким образом, черная оторочка представляет собой зону ускоренного коррозионного разрушения (рис. 3).

Можно утверждать, что увеличение содержания марганца в высокохромистых чугунах снижает их

Рис.

2 3 4

Содержание Мп, мае. %

2. Влияние марганца на количество карбидов в высокохромистом чугуне

д

г

е

Рис. 3. Зона растравливания металлической основы высокохромистого чугуна с различным содержанием Мп: а - 0,72%;

б - 2,07; в - 4,45; г - 5,77. х5000

2,0 3,0 Содержание Мп, мае.

Рис. 4. Влияние марганца на твердость и микротвердость структурных составляющих высокохромистого чугуна

коррозионную стойкость в результате обеднения металлической основы хромом в зонах, примыкающих к карбидам и карбидной эвтектике, вследствие процесса карбидообразования в твердом растворе.

Изменение химического состава чугуна при увеличении содержания марганца вызвало измене-

ния в структуре сплава, что отразилось на механических свойствах. По мере увеличения содержания марганца твердость сплава возрастала и достигла максимального значения при 3,82-4,45% Мп (рис. 4). Дальнейшее увеличение содержания марганца до 5,77% привело к снижению микротвердости НУ50 металлической основы и снижению микротвердости карбидной эвтектики. Снижение макротвердости HRC чугуна составило около 10% по сравнению с чугуном, содержащим 3,82-4,45% Мп.

Выводы

1. Повышение содержания марганца от 0,72 до 5,77% привело к увеличению количества карбидов, что вызвало возрастание твердости. Наиболее высокий уровень твердости достигался в чугунах исследуемого класса при 3,5- 4,5% Мп.

2 . Легирование марганцем высокохромистого чугуна целесообразно при производстве деталей, работающих в нейтральных и слабоагрессивных средах, когда преобладающим является абразивное изнашивание.

Литература

1. Г а р б е р М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов. М.: Машиностроение. 1972.

2. Ц ы п и н И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. М.: Металлургия. 1983.

3. Г е р е к А., Б а й к а Л. Легированный чугун - конструкционный материал. М.: Металлургия. 1978.

4. К о м а р о в О. С. и др. Высокохромистый чугун как материал для быстроизнашиваемых деталей машин // Литейное производство. 2008. № 2. С. 2-4.

в

ггтг^гг^штггг /1СЕ

-3 (67), 2012/ В!!!!

5. I в а н о в Д., М и т я е в О. Абразивна стшюсть проти спрацювання високо хромистого чавуну // Машинознавство. 2000. № 10. С. 22-25.

6. К а п у с т и н М. А., Ш е с т а к о в И. А. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров // Нж матерiали i технологи в металургп та машинобудуванш. 1999. № 2. С. 32-33.

7. Г у д р е м о н Э. Специальные стали. М.: Металлургия, 1966. Т. 1.

8. Ч е й л я х А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003.

9. В о л ч о к И. П., Н е т р е б к о В. В. Влияние марганца на процессы структурообразования износостойких высокохромистых чугунов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. Вып. 64. Днепропетровск: ПГАСА, 2012. С. 301-304.

10. ГОСТ 5632-77. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

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

12. К и р и л л о в А. А., Б е л о в В. Д., Р о ж к о в а Е. В. и др. Структурно и неструктурно чувствительные свойства хромистых чугунов // Черные металлы. 2007. сентябрь. С. 7-13.