ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ И НИОБИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

Петроченко Е.В.¹, Молочкова О.С.², Ахметова А.А.³, Князева И.В.⁴, Князева И.В.⁴, Заворуева А.И.⁵

¹Кандидат технических наук, доцент, Магнитогорский Государственный, Технический Университет им.Г.И.Носова;

²кандидат технических наук.,ст. преподаватель, МГТУ им.Г.И.Носова; ³студент, МГТУ им.Г.И.Носова; ⁴студент, МГТУ им.Г.И.Носова; ⁵студент, МГТУ им.Г.И.Носова

ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ И НИОБИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

Аннотация

Изучено влияние алюминия и ниобия на структуру и свойства жароизносостойких чугунов с целью увеличения срока службы деталей, работающих в условиях повышенных температур и износа.

Ключевые слова: Износостойкость, жаростойкость, чугун.

Petrochenko E.V.¹,Molochkova O.S.², Akhmetova A.A.³, Knyazeva I.V.⁴, Zavorueva A.I.⁵

Magnitogorsk state technical university after by Nosov G.I.

INFLUENCE OF ALUMINUM AND NIOBIUM ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF CAST IRON

Abstract

The effect of aluminum and niobium on the structure and properties of heat-resistant and wear-resistant cast iron to increase the service life of components operating at high temperatures and wear.

Keywords: heat-resistant, wear-resistant, cast iron.

Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей машины, работающих в условиях повышенных температур и абразивного износа - важнейшая проблема современного машиностроения. Малый срок службы таких изделий снижает экономическую эффективность многих машин и промышленного оборудования горно- обогатительного, металлургического, коксохимического производства и приводит к безвозвратным потерям металла.

В таких условиях работы важен не только высокий уровень прочностных характеристик, но и достижение высоких показателей нескольких специальных свойств и стабильность данных характеристик во время эксплуатации, что, обычно, не достигается применением промышленных износостойких чугунов.

Совершенствование состава чугуна легированием  позволяет решить данную проблему и повысить срок службы, долговечность деталей и оборудования горно-обогатительного, металлургического, коксохимического производства, работающего в условиях интенсивного абразивного изнашивания при повышенных температурах.

В настоящей работе исследовано совместное влияние алюминия и ниобия на структуру и свойства чугуна марки ИЧ220Х18Г4НТ.

Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили на оптическом микроскопе MEIJI-2700 при увеличении от 100 до 1000 крат.

Количественный анализ проводили на анализаторе изображений Thixomet Standard при увеличении от 100 до 1000 крат на шлифах до и после травления.

Испытания на износостойкость (K_и) исследуемых образцов проводили по методике, регламентированной ГОСТ 23.208-79.

Жаростойкость оценивали по двум показателям: окалиностойкость (ГОСТ 6130-71) и ростоустойчивость(ГОСТ 7769-82).

У исходного чугуна ИЧ220Х18Г4НТ формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики, присутствуют карбиды титана.

 

а	б	в

 

Рис. 1 - Микроструктура чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, залитого в сухую ПГФ (а), х 500; в сырую ПГФ (б), х 500, в кокиль (в), х 1000

С увеличением скорости охлаждения (заливка в кокиль) растет объемная доля карбидов в эвтектике от 17–20 до 20–35%, уменьшается средний размер карбидов от 4,2–5,7 до 2,1–2,6 мкм, максимальный размер карбидов от 251–1321 до 88–230 мкм, снижается количество (от 52 до 30%) и размеры (от 105 до 54 мкм) дендритов первичного аустенита, что приводит к увеличению износостойкости. Падение окалиностойкости с увеличением скорости охлаждения связано с тем, что растет доля карбидов в структуре, а следовательно, происходит обеднение твердого раствора хромом.

Фазовый состав чугунов легированных алюминием и ниобием представляет собой α-фазу (феррит), γ-фазу (аустенит), карбиды типа М₇С₃ и карбиды типа МC. Все сплавы являются доэвтектическими. Структура сплава состоит из избыточных карбидов (Nb, Ti)C, дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики и вторичных карбидов типа Cr₇C₃. Структуры, формирующиеся при различном содержании алюминия и ниобия, представлены на рис 2.

 

а	б	в	г

 

Рис. 2 - Фотография микроструктуры чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в травленом виде, содержащего: а – 1% Al, 1% Nb; б – 1% Al, 2% Nb; в – 1% Al, 3% Nb; г – 2% Al, 1% Nb

Было исследовано изменение твердости (HRC), микротвердости металлической основы (HV_осн) и эвтектики (HV_эвт), износостойкости (Ки), окалиностойкости и ростоустойчивости в зависимости от условий охлаждения (заливка в сухую, сырую песчано-глинистые формы и чугунный кокиль) и химического состава.

Наилучшей окалиностойкостью обладает чугун ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, залитый в сырую ПГФ. В структуре чугуна образовалось 4,9% карбидов (Nb, Ti)C и 12,2% карбидов (Fe, Cr, Mn)₇С₃ . Как сильный карбидообразующий элемент Nb связывает углерод в стойкие карбиды, тем самым предотвращает образование карбидов хрома, больше хрома остается в металлической основе, поэтому сопротивление окислению повысилось. Увеличение содержания Al, при постоянном содержании Nb, снижает показатель ∆m⁸⁰⁰, следовательно, повышается окалиностойкость сплава.

При увеличении скорости охлаждения коэффициент износостойкости возрастает от 4,99 до 5,4 ед. для сплава с содержанием 1% Al и 1% Nb (сухая ПГФ и кокиль); от 5,2 до 6,65 ед. для сплавов с 2% Al и 2% Nb и от 3,69 до 4,73 ед. для сплавов 3% Al и 3% Nb, в связи с ростом объемной доли карбидов типа М₇С₃ и карбидов типа МС. Увеличение содержания ниобия в сплаве повышает износостойкость, а алюминия – незначительно снижает ее. Максимальной износостойкостью обладает чугун ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, залитый в кокиль, в структуре присутствует 5,4% карбидов типа МС и 14% карбидов типа М₇С₃, твердость этого чугуна максимальная – 50 HRC, микротвердость эвтектики 9369 МПа.

При изменении содержания Al и Nb от 1 до 3% твердость меняется незначительно от 46 до 50 HRC.

В процессе испытаний на окалиностойкость происходит коагуляция вторичных карбидов типа М₇С₃. Рост чугуна равен нулю, потому что при совместном легировании хромом и ниобием происходит дисперсионное твердение в форме, и при температурах испытаний фазовых превращений не наблюдается.

Результаты исследования совместного влияния алюминия и ниобия на структуру и свойства  чугуна из нового состава показали положительное влияние этих элементов на структуру и весь комплекс свойств. Совместное легирование этими элементами способствует одновременному повышению жаростойкости и износостойкости. Износостойкость растет за счет увеличения доли карбидной фазы высокой твердости (Nb,Ti)C. Алюминий входит в состав оксидных пленок, повышает их защитные свойства и, как следствие, окалиностойкость сплава. Легирование ниобием вызывает вторичное твердение в литейной форме, при охлаждении в твердом состоянии образуются дисперсные частицы карбидов М₇С₃, в результате при температурах испытания не происходит деградации структуры, ростоустойчивость увеличивается.