ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СВОЙСТВА КАРБИДНОЙ ФАЗЫ В БЕЛОМ КОМПЛЕКСНО ЛЕГИРОВАННОМ ЧУГУНЕ

Вдовин К.Н.¹, Горленко Д.А.², Завалищин А.Н.³, Савинов А.С.⁴, Синицкий Е.В.⁵

¹Доктор технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова; ²аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова; ³доктор технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова; ⁴кандидат технических наук, доцент, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова; ⁵кандидат технических наук, доцент, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.

Работа выполнена в рамках ГЗ 01201460208

ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СВОЙСТВА КАРБИДНОЙ ФАЗЫ В БЕЛОМ КОМПЛЕКСНО ЛЕГИРОВАННОМ ЧУГУНЕ

Аннотация

В статье рассмотрены результаты лабораторных исследований комплексно легированных чугунов, на основании которых можно предложить режимы термической обработки этих чугунов с сохранением у карбидной фазы микротвердости, полученной при кристаллизации.

Ключевые слова: чугун, карбиды, эвтектика, микротвердость, отпуск.

Vdovin K.N.¹, Gorlenko D.A.², Zavalishin A.N.³,  Savinov A.S.⁴, Sinitskiy E.V.⁵

¹Doctor of Technical Sciences, Professor Nosov Magnitogorsk State Technical University; ²postgraduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University; ³Doctor of Technical Sciences, Professor Nosov Magnitogorsk State Technical University; ⁴Ph.D., Associate Professor; ⁵Ph.D., Associate Professor

The work was performed as part of the state task 01201460208

THE INFLUENCE OF THE LEAVE ON THE PROPERTIES OF THE CARBIDE PHASE IN THE WHITE COMPLEX ALLOYED CAST-IRON

Abstract

The results of the laboratory tests of the complex alloyed cast-iron were considered in the article, on witch we can propose modes of the heat treatment of the rolled cast-iron with the conservation of the micro-hardness in the carbide phase, obtained by crystallization.

Keywords: cast-iron, carbides, eutectic, microhardness, leave.

Комплексно легированные Ti-V-Cr-Ni-Nb чугуны используются для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа при повышенных температурах [1-3]. После кристаллизации и охлаждения в отливках возникают значительные термические напряжения, связанные с массивностью изделий и низкой теплопроводностью легированного чугуна, которые дополняются фазовым наклепом при γ→α превращении. Напряжения снимаются длительным отпуском при температурах 400…450 ^оС. Для предотвращения образования трещин в процессе термообработки отливки необходимо нагревать и охлаждать со скоростью несколько десятков градусов в час.

Нагрев чугуна способствует распаду остаточного аустенита с выделением карбидов и перераспределению углерода и легирующих элементов. Поэтому целью работы явилось исследование изменения микротвердости и содержания элементов в карбидной фазе.

Исследования проводили на образцах чугуна, химический состав которого представлен в табл. 1. Отпуск проводили в интервале температур 300…600 °С в течение 9·10²…6·10³ с. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 (нагрузка 100 г). Распределение элементов определяли на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Tescan  VEGA II LMU с приставкой микрорентгеноспектрального анализа INCA Energy 450.

 

Таблица 1 - Химический состав белого чугуна, %

C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	V	Ti	Nb
3.05-3.20	0.7-1.0	0.75-0.95	0.015	0.045	1.5-1.85	4.0-4.6	0.15-0.2	0.01-0.02	0.45-0.70

 

Структура исследованного белого чугуна в литом состоянии состоит из эвтектики (30 %) и дендритов аустенита, содержащего внутри до 50 % мартенсита, и вторичных карбидов (рис. 1).

В связи с трудностью идентификации карбидной фазы, на приборе ПМТ-3 определяли изменение средней микротвердости (рис. 2).

Рис. 1 - Структура белого чугуна в литом состоянии, х100

Рис. 2 - Изменение средней микротвердости (HV) карбидов в зависимости от температуры (^OC) и времени выдержки (с)

При температуре 300 °С средняя микротвердость не изменяется даже после 20 часовой выдержки. Повышение температуры отпуска приводит к снижению микротвердости, причем интенсивность снижения увеличивается с ростом температуры. Чем выше температура, тем через меньший промежуток времени начинается падение  средней микротвердости. Так, при 400 °C средняя микротвердость начинает снижаться через 3600 с выдержки. При температуре 500 ^оС - через 1800 с выдержки. При температуре 600 ^оС снижение средней микротвердости наблюдали уже через 900 с. Падение средней микротвердости составляет во всех случаях приблизительно одинаковое значение 300 ед. HV, и при дальнейшей выдержке значение средней микротвердости остается без изменения. Такой характер изменения средней микротвердости требует дополнительного исследования структурных составляющих. Исследование структуры с помощью РЭМ позволяет более четко разделить эвтектические и вторичные карбиды в отличие от оптической микроскопии. На фоне эвтектических четко выделяются вторичные карбиды. Они располагаются внутри дендритов и по границам между дендритами и эвтектическими карбидами, поэтому не наблюдаются в оптический микроскоп (рис. 3). Вторичные карбиды мельче эвтектических, имеют правильные геометрические формы, и отличаются от эвтектических химическим составом.

Рис. 3 - Структура белого чугуна (изображение во вторичных электронах), х 500:  1 – вторичные карбиды,  2 - эвтектические карбиды

Нагрев до различных температур приводит к изменению состава карбидной фазы (табл. 2). Изменения в химическом составе эвтектических карбидов незначительны: количество V несколько увеличивается до 0,6 %; количество Cr вырастает на 1 % и составляет 4,35 %; содержание Ni уменьшается на 0,1 %; количество остальных элементов остается без изменений.

 

Таблица 2 - Химический состав карбидов белого чугуна, %

	C	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Ni	Nb
Эвтектические	10,37 10,07		0,43 0,6	3,3 4,35	1,3 1,28	83 82,2	1,6 1,5
Вторичные	21,65 24,33	0,8 0,7	2,4 1,35	0,65 0,52		7,1 14,7	0 0,8	67,4 57,6

 

Примечания: числитель – литое состояние; знаменатель – после термообработки.

Во вторичных карбидах наблюдаются более существенные изменения в химическом составе: количество V снижается на 1 %, очевидно переходит в эвтектические карбиды, Cr - на 0,13%. Содержание Fe увеличивается в 2 раза с 7,1 % до 14,7 % . Во вторичных карбидах появляется Ni до 0,8 %, который был растворен в железной основе. Содержание углерода при этом снижается на 2,5 %. Следовательно, при нагреве литого чугуна происходит перераспределение элементов между карбидом цементитного типа и карбидной фазой типа МеС.

Выводы

В результате термической обработки белого, комплексно легированного чугуна происходит перераспределение легирующих элементов и железа между вторичными, эвтектическими карбидами и основой, что приводит к снижению средней микротвердости карбидов в зависимости от температурно-временных условий нагрева. Изменение микротвердости карбидной фазы начинается при температуре выше 300 ^оС. С увеличением температуры нагрева микротвердость начинает снижаться за меньший промежуток времени,  при 400 ^оС – 6000 с, при 600 ^оС – за 900 с.

Литература

1. Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Синицкий Е.В., Мулявко Н.М. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов: монография. Магнитогорск: МГТУ. 2004. - 228 с
2. Колокольцев В.М., Синицкий Е.В., Волков С.Ю. Влияние легирования, механических свойств и характеристик микроструктуры на абразивную износостойкость чугунов // Современные металлические материалы и технологии. Труды международной научно-технической конференции Санкт-Петербург (СММТ 2011): Изд-во Санкт-Петербург. политехнического ун-та. 2011. - С. 348 – 349.
3. Синицкий Е.В., Волков С.Ю. Влияние легирования на механические, специальные и эксплуатационные свойства отливок из чугуна // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69 – научно-технической конференции. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова. 2011. – Т.1. – С. 121 - 124

References

1. Kolokol'cev V.M., Vdovin K.N., Sinickij E.V., Muljavko N.M. Abrazivnaja iznosostojkost' lityh metallov i splavov: monografija. Magnitogorsk: MGTU. 2004. - 228 s
2. Kolokol'cev V.M., Sinickij E.V., Volkov S.Ju. Vlijanie legirovanija, mehanicheskih svojstv i harakteristik mikrostruktury na abrazivnuju iznosostojkost' chugunov // Sovremennye metallicheskie materialy i tehnologii. Trudy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii Sankt-Peterburg (SMMT 2011): Izd-vo Sankt-Peterburg. politehnicheskogo un-ta. 2011. - S. 348 – 349.
3. Sinickij E.V., Volkov S.Ju. Vlijanie legirovanija na mehanicheskie, special'nye i jekspluatacionnye svojstva otlivok iz chuguna // Aktual'nye problemy sovremennoj nauki, tehniki i obrazovanija: materialy 69 – nauchno-tehnicheskoj konferencii. – Magnitogorsk: Izd-vo Magnitogorsk. gos. tehn. un-ta im. G.I.Nosova. 2011. – T.1. – S. 121 - 124