Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Литейка.ру - самая литейная компания. Чугунное литьё на заказ

Влияние кремния на микроструктуру хромоникелевых чугунов.(Effect of silicon on microstructure of chromium-nickel irons.)

Аннотация (Summary)
Изучено влияние кремния на температуру Аr1, содержания кремния и углерода
в аустените, условия выделения с тру к т урно-свободного у глерода (ССУ)
в виде шаровидного графита (ШГ) и микроструктуру высоколегированного
хромоникелевого чугуна (ХНЧ).

Studied is the effect of silicon on Ar1 temperature, silicon and carbon contents in
austenite, conditions of releasing structurally free carbon in the form of spheroidal
graphite, and microstructure of high-alloy chromium-nickel iron.
Ключевые слова (Key words)
Хромоникелевый чугун, шаровидный графит, температура Аr1, микроструктура,
кремний, углерод, аустенит, механические свойства, износостойкие отливки, ин-
тенсивность излучения.

Chromium-nickel iron, spheroidal graphite, Аr1 temperature, microstructure, silicon,
carbon, austenite, mechanical properties, wear-resistant castings, radiation intensity.

В мировой практике для изделий, работающих при по­вышенной температуре (до 300°C) в условиях абразивно­го, ударно-абразивного и коррозионно-абразивного из­носа, применяют белые чугуны. Вследствие низкой техно­логичности этих сплавов в литом состоянии производство деталей из них связано с повышенной трудоемкостью и высокой энергоемкостью. В частности, для формирова­ния заданной структуры м е т а л л и ч е с к о й о с н о в ы (МО) и достижения необходимых механических и эксплу­атационных свойств отливок из белых чугунов требуется, как правило, двойная или тройная т е р м о о б р а б о т к а (ТО) – отжиг, закалка, нормализация, отпуск.

В последние годы активно ведутся научно-исследователь­ские работы по созданию нового поколения легиро­ванных чугунов на основе Cr, Ni, Mn, V, Mo и W [1...6]. Познание закономерностей взаимодействия между ком­понентами, постоянно присутствующими в Fe–C-сплавах, с л е г и р у ю щ и м и э л е м е н т а м и (ЛЭ) и модифи­цирующими веществами, а также раскрытие механизмов  определяющих особенности зарождения и роста фаз в процессе кристаллизации сплавов, позволяют авторам создать теоретические основы синтеза новых составов легированных чугунов с ШГ.

Достоинство этих Fe–C-сплавов в том, что, благодаря наличию в их МО определенного количества включений ШГ, она в литом состоянии состоит, преимущественно, из наиболее твердых структур (мартенсита) и фаз (карбидов тригонального типа), при этом, необходимые эксплуата­ционные свойства отливок из них достигаются без ТО. Твердость отливок – в пределах 58...75 HRC, а прочность при изгибе – 750...1000 МПа.

Благодаря повышенному содержанию Si в новых сплавах существенно улучшаются их технологические свойства, в частности:

• повышается жидкотекучесть;

• уменьшается линейная усадка;

• снижается чувствительность к появлению литейных напряжений и образованию трещин;

• повышается прокаливаемость.

Наличие ШГ в МО позволяет существенно снизить трудо- и энергозатраты производства отливок из но­вых легированных чугунов, по сравнению с технологией производства отливок из белых легированных чугунов. Технико-экономические п р е и м у щ е с т в а :

• снижается температура перегрева жидкого чугуна на 100°C;

• сокращается время подготовки расплава для залив­ки форм на 1...5 ч, в зависимости от массы выплавляе­мого чугуна;

• сокращается продолжительность охлаждения отли­вок в опочной оснастке в 3–8 раз, в зависимости от массы отливки;

• отпадает необходимость проведения высокотемпе­ратурной обработки;

• снижается брак отливок по трещинам на 80%;

• себестоимость износостойких отливок уменьшается в 2–3 раза.

Новые сплавы позволяют использовать при произ­водстве отливок не только песчаные формы, но и метал­лический кокиль, а также наиболее прогрессивный спо­соб литья – центробежный.

Для сфероидизирующей обработки легированных чу­гунов разработан специальный Ni-модификатор, в кото­ром доля Mg снижена с 17 до 8%, а доля Ce увеличена с 2 до 10%, что позволяет существенно снизить активность Mg при его вводе в расплав [7].

Хром – главный ЛЭ белых чугунов. Его содержа­ние в них достигает 35%. При содержании Cr > 8% в расплаве происходит замена ледебурита эвтектикой А + Ме7С3 (А – аустенит, Ме7С3 – карбид тригонального типа). Содержание Cr тем выше, чем больше в чугуне C.

Аналитически соотношение между критическим содержа­нием Cr и концентрацией C в чугуне можно представить зависимостью: % Cr ≥ 4,0 (% C) – 3,0.

На эту зависимость влияют дополнительные ЛЭ, ко­торые значительно растворяются в эвтектике А + Ме7С3, по сравнению с ледебуритом, такие элементы как, Si и V существенно снижают критическое содержание Cr, ко­торое можно оценить следующей зависимостью: % Cr = [4,0 – 0,6(% Si – % V)](% C) – 3,0.

Введение в чугун (с 4% C) 1% Si снижает критическое содержание Cr на 2,5%, а 1% V – на 3%. В качестве мате­риала для изготовления деталей размольного оборудова­ния, работающих в условиях ударно-абразивного износа, используют мартенситно-карбидные чугуны с 8...16% Cr. Наиболее яркий представитель этой группы износостой­ких материалов – ХНЧ. За рубежом широко распростра­нен разработанный фирмой International Nickel Company чугун типа «Нихард-4», обладающий повышенной прока­ливаемостью и износостойкостью. Его российский аналог – чугун ЧХ9Н5 (ГОСТ 7769-82).

МО этих чугунов в литом состоянии – аустенитная; она образуется благодаря наличию в составе сплава 4...6% Ni. После ТО структура МО состоит из мартенсита и оста­точного аустенита. МО таких чугунов содержит также карбидную фазу в виде (Fe,Cr)3C и (Cr,Fe)7C3. Для повы­шения прокаливаемости в состав чугуна дополнительно вводят до 0,3% Mo.

В процессе выдержки чугуна «Нихард-4» при 810°C из пересыщенного первородного аустенита выделяются вторичные мелкодисперсные карбиды, в результате чего концентрация Cr и C в МО изменяется. Благодаря этому температура начала мартенситного превращения повы­шается и МО становится, преимущественно, мартенситной.

Распределение и содержание C и Si в ХНЧ, в зависи­мости от содержания Si в чугуне, исследовали методом рентгено-спектрального анализа. Исследования изно­состойкости в условиях ударно-абразивного изнашива­ния, близких к условиям размола угля в среднеходных мельницах, проводили на лабораторной планетарной мельнице конструкции ЦНИИТМАШа. В качестве этало­на выбран закаленный образец, изготовленный из чугуна  «Нихард-4», а в качестве абразива – кварцевый песок.

Химсостав исследуемых ХНЧ представлен в табл. 1.

Выделение в МО чугуна части ССУ в виде ШГ обедняет аустенит углеро­дом, благодаря чему повышается тем­пература начала мартенситного пре­вращения и, соответственно, аустенит трансформируется в мартенсит или, при высокотемпературном превраще­нии, в троостит, перлит и т.д.

Кривые на рис. 1 показывают, что с ростом содержания Si с 1,22 до 3,80% точка Аr1 ХНЧ без графита (кривая 1) и с графитом пластинча­той формы (кривая 2) повышается с 780 до 920°C.

 

Наличие ШГ приводит к пониже­нию точки Аr1 до 880°C (кривая 3), из-за того, что применяемые в каче­стве компонентов сфероидизирую­щей лигатуры Mg и Ce – карбидоо­бразующие элементы, расширяющие g-область. Результаты исследования распределения и содержания C и Si в аустените приведены в табл. 2 и на рис. 2.

Установлено, что с увеличением содержания Si в ХНЧ его содержа­ние в аустените повышается (рис. 2, кривая 1), при одновременном снижении в аустените содержания C (кривая 2). Эти кривые пересека­ются в точке К, координаты которой имеют следующие значения: для оси абсцисс – 2,0% Si и оси ординат – 0,49% C и 2,49% Si.

При содержании в ХНЧ > 1,6% Si в его структуре выделяется ССУ в виде графита, а при содержании до 1,6% процесс графитизации от­сутствует. Приведенные в табл. 3 механические свойства исследуе­мых чугунов позволили определить оптимальное содержание Si в ХНЧ, необходимое для получения отливок с требуемыми твердостью и прочно­стью при изгибе. Согласно рис. 2, содержание Si в модифицированном ХНЧ (3, 4) должно быть 1,6...2,4% (заштриховано).

 

При таком содержании Si чугун обладает в литом состоянии твердо­стью > 58 HRC и sизг > 850 МПа, а его МО состоит из мартенсита, остаточ­ного аустенита и включений карби­дов тригонального типа и ШГ.

На рис. 3 – микроструктуры ис­следуемых участков образцов из ХНЧ в сопоставлении с интенсивно­стью излучения C и Si. На приведен­ных микроструктурах имеется продольная белая полоса, оставленная при анализе электронным зонтом.

Протяженность полосы 1 мм. Чувствительность прибора по C и Si выбирали таким образом, чтобы количественно оценить содержание C и Si в аустените. Анализ интен­сивности излучения C и Si показал, что C содержится, в основном, в карбидах, а в МО его содержание 0,38...0,68%; в МО, наоборот, содер­жится 1,59...3,11% Si.

С увеличением содержания Si в аустените содержание C в нем снижается. Так, при 1,59% Si в ау­стените содержание C в нем 0,68%, при этом, МО состоит из аустенита (рис. 3). Дальнейшее понижение со­держания C до 0,38% способствует образованию следующих структур: аустенитно-мартенситной (рис. 3, б), мартенситно-аустенитной (рис. 3, в), мартенситной с остаточным аустенитом (рис. 3, г), мартенситно- трооститной (рис. 3, д) и трооститно- перлитной (рис. 3, е).

Одновременно с изменением структуры МО уменьшается количе­ство карбидной фазы с 40 до 25%, а с выделением включений ССУ в виде ШГ формируются только кар­биды тригонального типа (Cr, Fe)7C3. Отсутствие карбидов цементитного типа (Fe, Cr)3C способствует повы­шению механических свойств высо­колегированного ХНЧ (см. табл. 3). Следовательно, изменяя содержание Si, можно регулировать структуру МО ХНЧ и его экс­плуатационные свойства.

 На рис. 4 представлены износостойкие изделия, из­готовленные по разработанной нами экономичной техно­логии: детали среднеходной углеразмольной мельницы: МПС-2650, 90 т/ч, и МТС-195, 45 т/ч (а и б), МТС, 10...45 т/ч (в и г) мельницы для размола гипса, 50 т/ч (д и е). В качестве материала отливок был использован от­ечественный износостойкий высоколегированный чугун типа ЧХ8Н4ФШ [1].

Таким образом, результаты исследований позволили сделать следующие в ы в о д ы :

• новый чугун типа ЧХ8Н4ФШ, по сравнению с зару­бежным чугуном типа «Нихард-4», более технологичный и экономичный сплав;

• установлено, что Si уменьшает концентрацию C в аустените, в результате чего повышается температура на­чала мартенситного превращения;

• в зависимости от количества включений ШГ в МО ХНЧ, при его охлаждении формируются последователь­но следующие структуры: аустенит, мартенсит, троостит, перлит и феррит;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• следовательно, изменяя содержание Si в чугуне ЧХ8Н4ФШ, можно получать заданную структуру МО, в зависимости от конфигурации и массы отливок;

• необходимые механические и эксплуатационные свойства отливок достигаются в литом состоянии, т.е. без применения высокотемпературной обработки.