Влияние бора на структурно-фазовое состояние сложнолегированных белых чугунов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

УДК 669.14.018.017:621.777.2

Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Алехина О.Н.

ВЛИЯНИЕ БОРА НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ

Аннотация. В статье приведены результаты комплексных исследований влияния добавок бора и температурных режимов охлаждения металла в литейной форме на структуру сплавов системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb. Исследовано влияние бора на фазовый состав сплавов и химический состав структурных составляющих: первичных, эвтектических карбидов и металлической основы. Изучены параметры структурных составляющих чугунов: дисперсность 8, объемную долю V, расстояние между осями дендритов второго порядка Х2, фактор формы Е, средние площадь диаметр d, длину I, ширину в дендритов. Установлен характер воздействия бора как микролегирующей и модифицирующей добавки.

Ключевые слова: сложнолегированный белый чугун, модифицирование, бор, структура, фазовый состав; специальные свойства.

Одной из приоритетных задач современного металловедения является внедрение в производство многофункциональных конкурентоспособных

материалов, обладающих комплексом механических и специальных свойств, обеспечивающих длительную и надежную работу изделий в различных условиях на протяжении всего заданного срока эксплуатации. Получение необходимого материала с высокими характеристиками, без значительного удорожания сплава, является актуальной задачей, находящей решение в опробовании различных методов, таких как микролегирование и модифицирование, которые позволяют в широких пределах регулировать процесс структурообразования при затвердевании отливок, что выдвигает этот технологический прием в число важнейших.

Сложнолегированный белый чугун является важнейшим жароизносостойким материалом, где стабильность структуры и свойств в процессе эксплуатации являются одним из основных преимуществ для выбора данного материала.

Комплексное легирование создает условия для формирования многофазной структуры, которая состоит из карбидов типа MC, дендритов твердого раствора, эвтектики и вторичных карбидов типа М7С3 [1]. В ряде работ [2-6], отмечается наличие зависимости износостойкости сплава от количества, формы и характера распределения упрочняющей фазы (карбидов первичных, эвтектических и вторичных).

Однофазная микроструктура металлической основы, зависящая от химического состава сплава, является наиболее подходящей для условий

© Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Алехина О.Н., 2017

высокотемпературного окисления. Если

металлическая основа многофазная, происходит образование в формирующихся оксидных пленках большого числа дефектов различной природы, что приводит к их растрескиванию, снижению их защитных функций в процессе эксплуатации и полному разрушению поверхности изделия [5].

Эффективность многофазной микроструктуры в сопротивлении окислению зависит от морфологии фаз, их количества и химического состава. Поэтому в чугуне, микроструктура которого состоит из твердого раствора и карбидов, лучше та структура, карбидные частицы которой находятся в благоприятной глобулярной форме в однофазном твердом растворе, что придает высокую стабильность структуры и свойств.

Работа посвящена изучению структурно -фазового состояния, морфологии структурных составляющих, их химического состава в зависимости от содержания бора и условий охлаждения. Исследованы параметры всех структурных составляющих чугунов до и после модифицирования бором [7-9].

Материалом исследования в работе стал сложнолегированный белый чугун следующей системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb [1, 5, 6, 10], модифицированный бором в количестве: 0,005; 0,01; 0,02; 0,03%.

В исходном состоянии без добавок бора фазовый состав чугуна представляет собой а-фазу (феррит), у-фазу (аустенит), карбиды типа М7С3 и карбиды типа МС. При затвердевании высокохромистого белого чугуна первыми из расплава кристаллизуются карбиды типа МС, далее дендриты твердого раствора и последующая завершающая эвтектическая реакция

происходит с образованием

аустенитохромистокарбидной эвтектики [1-5, 10].

Структура исходного чугуна состоит из избыточных комплексных карбидов (Nb, Ti)C, дендритов аустенита, аустенитохромистокарбидной эвтектики и вторичных карбидов Cr7C3.

Были изучены параметры первичной карбидной фазы КЛБЧ. Карбиды МС в структуре располагаются преимущественно в межосных пространствах будущих дендритов. При увеличении добавок бора количество карбидов МС незначительно уменьшается (5-7%), площадь и диаметр карбидов уменьшились в 2 раза в сухой песчано-глинистой форме и 2-4 раза в кокиле. Меняется форма первичных карбидов от разветвленной к компактной [10].

При проведении рентгеноспектрального анализа на растровом электронном микроскопе TESCAN VEGA II XMU, оснащенном системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450 с ADD детектором фирмы OXFORD и программным обеспечением INCA, определили, что первичные карбиды являются комплексными, химический состав карбидов до модифицирования содержит в большей степени ниобий и титан, после модифицирования бором карбиды состоят, в основном, только из титана (рис. 1).

Количественная оценка первичной структуры позволяет не только сравнивать относительное действие разных факторов, но и находить оптимальные пределы применения того или иного фактора [11].

С добавлением бора объемная доля дендритов аустенита не меняется, площадь дендритов уменьшается от 2500-2800 до 1300-1500 мкм2 в сухой форме, они начинают представлять собой отдельные изолированные равномерно распределенные неразветвленные дендриты, окруженные эвтектикой. С увеличением скорости охлаждения (заливка в кокиль) размеры дендритов твердого раствора уменьшились до 89-100 мкм2, а объемная доля до 20%.

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что после добавления бора изменился фазовый состав металлической основы с двухфазной (феррит + аустенит) на полностью однофазную (аустенит). Эффект влияния бора связан с его тормозящим воздействием на процесс выделения феррита вблизи границ зерен аустенита, бор уменьшает диффузию железа и углерода, что тормозит образование феррита.

Исследования морфологии эвтектических карбидов показали, что увеличение добавок бора способствует снижению размеров эвтектических карбидов и эвтектических колоний и росту их количества во всех типах форм (рис. 2).

Рис. 1 . Содержание химических элементов в карбидах МС

В зависимости от условий охлаждения и добавок бора при затвердевании чугунов образуются дендриты твердого раствора различной морфологии. В качестве характеристик дендритной структуры в настоящей работе исследовали следующие параметры: дисперсность 5, объемную долю V, расстояние между осями дендритов второго порядка ^2, фактор формы Б, средние площадь 8, диаметр 4 длину I, ширину в дендритов.

а

б

Рис. 2. Микроструктура чугунов: а -немодифицированного и б - модифицированного 0,02% В

На периферии отливки объемная доля эвтектики возрастает по сравнению с центром отливки (с 50-52 до 65%), а объемная доля дендритов аустенита уменьшается (с 47-49 до 35%). В этой области дендриты аустенита представляют собой отдельные равноосные неразветвленные зерна. Эта зона тем больше, чем выше скорость охлаждения (заливка в кокиль). При исследовании изменения морфологии дендритов вглубь отливки наблюдается формирование дендритов более высокого порядка. В центре вновь преобладают равноосные дендриты. При добавлении бора в сплав образование ветвей высшего порядка замедляется, дендриты приобретают более компактную, округлую форму, равномерно распределенную и окруженную эвтектикой по всему сечению отливки.

С повышением скорости охлаждения (заливка в кокиль) уменьшаются размеры карбидов и растет объемная доля эвтектики. С добавлением бора меняется химический состав эвтектических карбидов (рис. 3), с увеличением добавок бора повышается содержание железа в эвтектических карбидах, а содержание хрома в них падает.

50 у- Сг  Сг Сг

йГ N ; I 1 1 1

* 40 — 9 — ,г

Fe  § F F е -С- F е С -

- - -

И И

19  щщ " Nb

0,005 0.31 содержание бора,% 0,03

Рис. 3. Химического состав эвтектических карбидов М7С3 в зависимости от содержания бора

Таким образом, бор оказал как модифицирующее, так и микролегирующее влияние в исследованных чугунах. Как модификатор бор способствует уменьшению размеров структурных составляющих, изменяет их морфологию: первичные карбиды и дендриты аустенита кристаллизуются в более компактной, неразветвленной, стабильной форме.

В качестве микролегирующего элемента бор повлиял на изменение фазового состава чугунов, химического состава первичных и эвтектических карбидов.

Список литературы

1. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В. Металлургические и металловедческие аспекты повышения функциональных свойств литых изделий из белых чугунов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 4 (48). С. 87-98.

2. Mirjana M. Iron-chromium-carbon-vanadium white cast irons - the microstructure and properties / Mirjana M., Filipovic // Hem. ind. 2014. № 68 (4). Pр. 413427.

3. P.K. Sain. Microstructure Aspects of a Newly Developed, Low Cost, Corrosion-Resistant White Cast Iron / P.K. Sain, C.P. Sharma, A.K. Bhargava // Metallurgical and materials transactions A. 2013. V. 44A, Pр.1665-1672.

4. Qiang Liu. Control of Wear-Resistant Properties in Ti-added Hypereutectic High Chromium Cast Iron / Qi-ang Liu // Licentiate Thesis, Stockholm. 2012. 58 Pp.

5. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Влияние химического состава, условий охлаждения при затвердевании на структуру и свойства жароизносостойких комплексно-легированных железоуглеродистых сплавов //

Технология металлов. 2013. № 1. С. 10-14.

6. Петроченко Е.В. Особенности кристаллизации, формирования структуры и свойств износостойких и жаростойких чугунов в различных условиях охлаждения : дис. д-ра техн. наук:. 05.16.01 / Петроченко Елена Васильевна. Магнитогорск, 2012. 310 с.

7. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Ахметова А.А. Количественные характеристики дендритной структуры жароизносостойких белых чугунов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2015. Т.1. С. 155-158.

8. Kolokoltsev V.M. Influence of complex V, Cu, Ti, and B alloying on structural and phase state, mechanical properties and wear resistance of cast iron/ Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. // CIS Iron and Steel Review. 2016. Т. 11. С. 23-29.

9. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Анализ взаимосвязи химического состава, условий

Сведения об авторах

охлаждения при затвердевании с особенностями строения сплавов, окисленной поверхности и свойствами комплексно-легированных белых чугунов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 4. С. 50-53.

10. Молочкова О.С. Выбор состава и исследование структуры, свойств жароизносостойких комплексно-легированных белых чугунов : дис. ... канд. техн. наук: 05.16.01 / Молочкова Ольга Сергеевна. Магнитогорск, 2012. 123 с.

11. Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V. Structure features and properties of high-alloy white irons // Vest-nik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnich-eskogo universiteta im. G.I.Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2013, no. 5(45), pp. 3-8.

Петроченко Елена Васильевна - д-р техн. наук, профессор кафедры технологии металлургии и литейных процессов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: evp3738@mail.ru.

Молочкова Ольга Сергеевна - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии металлургии и литейных процессов, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: opetrochenko@mail.ru.

Алехина Ольга Николаевна - студентка 1 курса магистратуры кафедры технологии металлургии и литейных процессов, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск,Россия. E-mail: olga.alekhina.1995@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

INFLUENCE OF BORON ON STRUCTURE-PHASE STATE OF COMPLEX ALLOYED WHITE CAST IRONS

Petrochenko E.V. - D.Sc. (Eng.), Professor of the Department of Metallurgy and Foundry Technologies at the Nosov Magnitogorsk State Technical University. Magnitogorsk, Russia. E-mail: evp3738@mail.ru.

Molochkova O.S. - Ph. D. (Eng.), Associate Professor of the Department of Metallurgy Technology and Foundry Processes, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Magnitogorsk, Russia. E-mail: opetrochenko@mail.ru.

Alekhina O.N. - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Magnitogorsk, Russia. E-mail: ol-ga.alekhina.1995@mail.ru.

Abstract. The article presents the results of complex researches of influence of additives of boron and the temperature of the cooling metal in the mold on the structure of alloys of the system Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti-Al-Nb. The influence of boron on the phase composition of the alloys and the chemical composition of structural components of primary, eu-tectic carbides and metallic substrates. The studied parameters of the structural components of cast irons: the dispersion 5, the volume fraction V, the distance between the axes of the dendrites of the second order X2, the factor of shape F, medium area S, diameter d, length l, the width of the p dendrites. The nature of the impact of boron as microlaserpeel and modifying additives.

Ссылка на статью:

Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Алехина О.Н. Влияние бора на структурно-фазовое состояние сложнолегированных белых чугунов // Теория и технология металлургического производства. 2017. №4(23). С. 37-40.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ Keywords: Complex alloyed white cast iron, modification, boron, structure, phase composition, special properties.

Petrochenko E.V., Molochkova O.S., Alekhina O.N. Influence of boron on structure-phase state of complex alloyed white cast irons // Teoria I tehnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 23, no. 4, pp. 37-40.