Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. постановка цели и задач исследования. 10
1.1. Износостойкие сплавы, применяемые для отливок специального назначения 10
1.2. Факторы, влияющие на износостойкость 13
1.2.1. Влияние условий эксплуатации отливок на износостойкость 13
1.2.2. Влияние химического состава сплава на структуру и износостойкость 18
1.2.3. Влияние структуры сплавов на их износостойкость 23
1.2.4. Влияние термической обработки на износостойкость 28
1.3. Повышение свойств литых износостойких чугунов воздействием на их расплав 30
1.4. Цели и задачи работы 32
ГЛАВА 2. Материалы и методика исследования 34
2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов 34
2.2. Определение износостойкости, механических и литейных свойств, металлографические исследования 35
2.3. Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов сплавов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов 38
ГЛАВА 3. Взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости чугунов иразраютка нового состава сплава 39
3.1. Влияние легирующих элементов на свойства высокохромистых чугунов 40
3.2. Влияние структуры и механических свойств на износостойкость высокохромистых чугунов 52
3.3. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна 60
3.4. Расчет коэффициента относительной износостойкости высокохромистых чугунов 62
Выводы 66
ГЛАВА 4. Исследование структуры и свойств сплавов системы FE-C-V-Cr и разработка нового состава износостойкого чугуна 68
4.1. Выбор легирующих элементов базового комплекса 68
4.2. Исследование структуры и свойств сплавов системы Fe-C-V-Cr ... 69
4.3. Исследование линейной усадки сплавов системы Fe-C-V-Cr 93
4.4. Оптимизация состава чугуна 96
Выводы 101
ГЛАВА 5. Улучшение структуры и свойств износостойких чугунов за счет обработки их кальций стронциевым карбонатом и термической обработки 103
5.1. Исследование влияния карбоната на структуру и свойства чугунов 103
5.2. Исследование влияния термической обработки 114
Выводы 121
ГЛАВА 6. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунов новых химических составов 122
Общие выводы 129
Библиографический список 131
Приложение 142
- Влияние химического состава сплава на структуру и износостойкость
- Определение износостойкости, механических и литейных свойств, металлографические исследования
- Влияние структуры и механических свойств на износостойкость высокохромистых чугунов
- Исследование структуры и свойств сплавов системы Fe-C-V-Cr
Введение к работе
Повышение качества и надежности машин - необходимое условие развития машиностроения. Надежность машин обеспечивается в первую очередь при достижении высокого качества материалов рабочих деталей с требуемым уровнем механических свойств. Чаще всего главная причина выхода машин из строя - износ рабочих деталей.
Еще на самой ранней стадии развития различных отраслей машиностроения возникла эта проблема - снижения износа рабочих поверхностей деталей машин, которая остается актуальной и по настоящий день [1-4].
Малый срок службы деталей снижает экономическую эффективность многих машин и промышленного оборудования и приводит к безвозвратным потерям металла.
В условиях износа, не связанных с большими ударными нагрузками, хорошо зарекомендовали себя отливки из белых износостойких чугунов, которые имеют износостойкость в 5 - 10 раз больше, чем конструкционные стали [5].
Современные белые износостойкие чугуны - сложно легированные многокомпонентные сплавы, разнообразные по структуре и свойствам. Они представляют собой отдельную группу промышленных сплавов, при затвердевании которых формируется карбидная фаза. Именно она определяет специфические свойства белых износостойких чугунов и, в то же время, создает значительные трудности при производстве и эксплуатации этих сплавов [6].
Область применения отливок из износостойких чугунов охватывает практически все отрасли народного хозяйства - добычу и обогащение полезных ископаемых, металлургию, энергетику, строительно-дорожную технику, производство цемента и других строительных материалов, сельское хозяйство и т.д. Высокая абразивная стойкость отливок делает эти чугуны универсальным материалом для широкого использования в выше перечисленных отраслях.
С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам отливок
из износостойких чугунов. От этого зависит увеличение срока службы. В этой связи важной является проблема совершенствование их состава и структуры.
Для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих в условиях износа, большое значение имеет создание и внедрение новых сплавов, превосходящих по свойствам известные.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение механических свойств износостойких чугунов и эксплуатационной стойкости отливок из них путем создания новых легирующих комплексов и улучшения первичной литой структуры рафинированием, модифицированием и термической обработкой. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых хромистых чугунов, дополнительно легированных Si, Mn, Ni, Mo, V, Ті, Си, В, Sb, Са, для выбора легирующего комплекса и создания чугунов новых химических составов с высокими свойствами.
Исследование влияния комплексного легирования, модифицирования и термической обработки на особенности формирования структуры и свойств отливок из хромованадиевых чугунов в различных условиях охлаждения; разработка нового состава чугуна и режима термической обработки отливок, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных свойств.
Изучение механизма воздействия кальций-стронциевого карбоната на структуру и механические свойства белых износостойких чугунов, определение рационального количества вводимой присадки для улучшения структуры и свойств.
Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунов новых химических составов.
Научная новизна работы
1. Установлены взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых высокохромистых комплексно-
v7 легированных Si, Mn, Ni, Mo, V, Ті, Cu, B, Sb, Ca чугунов, получены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов и структурных составляющих на их свойства, на основе которых разработан новый химический состав чугуна для отливок специального назначения (бандажи, ролики, валки, волоки и др.).
Получены номограмма, позволяющая определить износостойкость в зависимости от твердости и прочности, и формула расчета коэффициента относительной износостойкости чугунов в зависимости от твердости и количества упрочняющей фазы.
Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств, износостойкости и линейной усадки хромованадиевых чугунов, а также весовые коэффициенты влияния легирующих элементов (С, V, Сг) и характеристик структурных составляющих (микротвёрдость матрицы и эвтектики, количество и размеры карбидов) на их свойства, на основе которых разработан новый состав износостойкого чугуна с требуемыми свойствами.
Показаны изменения в строении и количестве двойных и тройных эвтектик, карбидной фазы и металлической матрицы, происходящие в зависимости от условий охлаждения отливок в различных литейных формах, что позволяет регулировать химический состава чугуна и прогнозировать структуру и свойства отливок.
5. Установлено рафинирующе-модифицирующее действие кальций-
стронциевого карбоната на расплавы чугунов, определены его необходимые
количества для их обработки, обеспечивающие измельчение литой структуры
(эвтектик, карбидной фазы и дендритов аустенита), что существенно улучшает
свойства литого металла.
6. Установлено, что рафинирование и модифицирование чугунов карбона
том снижает скорость усадки в начальный период, что уменьшает внутренние
напряжения, возникающие в процессе затвердевания и охлаждения отливок и,
как следствие, позволяет уменьшить в них количество горячих трещин.
8 На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и выявленные закономерности взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромистых чугунов, дополнительно легированных Si, Mn, Ni, Mo, V, Ті, Си, В, Sb, Са, а также чугунов системы Fe-C-Cr-V.
Результаты исследований по влиянию легирования и скорости охлаждения на структуру, механические свойства и износостойкость сплавов системы Fe-C-Cr-V.
Результаты экспериментальных исследований по рафинированию и модифицированию чугуна новым материалом - кальций-стронциевым карбонатом, являющимся отходом химической промышленности.
4. Новые составы чугунов для износостойких отливок.
Практическая ценность работы
Разработаны новые химические составы износостойких чугунов и выбраны режимы их термической обработки для отливок специального назначения, обеспечивающие их высокую эксплуатационную стойкость.
Получены закономерности влияния химического состава и типа литейной формы на структуру и свойства исследованных чугунов, позволяющие прогнозировать и регулировать химический состав с целью достижения требуемых структуры и свойств.
Разработаны технологические рекомендации по обработке белых чугунов рафинирующе-модифицирующим материалом - кальций-стронциевым карбонатом.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были положены в основу технологии изготовления опытно-промышленной партии отливок для детали «шайба валковая» массой 9,5 кг, которые прошли производственные испытания в сортовом цехе ОАО «ММК» на мелкосортно-проволочном стане. Сравнение проводили с шайбами производства Германии
HDW - 5, изготовленными методом порошковой металлургии с использованием порошков карбидов вольфрама. При этом было установлено, что опытные шайбы прокатали порядка 185 т проволоки, в то время как импортные шайбы прокатывают в среднем 250 т проволоки. Таким образом, стойкость литых деталей составила 74 % от стойкости шайб HDW - 5, но при этом стоимость отливок из предложенного чугуна в несколько раз ниже, чем из твердоспеченных сплавов.
Новый состав хромованадиевого чугуна используется для изготовления отливки для детали «колено» массой 44,7 кг. «Колено» применяется на коксохимическом производстве в трубопроводе при давлении 2 МПа и температуре до 400 ЧС. Ранее колена изготовляли из стали 12Х18Н10ТЛ. Применение нового состава чугуна для отливок данного типа увеличило срок их службы более чем в 4 раза с годовым экономическим эффектом 250 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 международных и Российских научно-технических конференциях: г. Новосибирск (2001 г.), г. Магнитогорск (2002, 2003, 2004 гг.), г. Москва (2003 г.), г. Барнаул (2003 г.), г. Санкт - Петербург (2004 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 статей и тезисов докладов и подана заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 110 наименований и приложения. Она изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 34 таблицы.
Работа выполнялась в рамках конкурса грантов Министерство образования РФ и Правительства Челябинской области 2003 года.
Влияние химического состава сплава на структуру и износостойкость
Получение износостойкого чугуна с соответствующими физико-механическими свойствами заключается в правильном выборе его химического состава. Для выбора химического состава необходимо знать влияние, как отдельного элемента, так и совместное с другими элементами на то или иное свойство. Ниже рассмотрим влияние некоторых легирующих элементов.
Углерод в белых износостойких чугунах находится в связанном виде в карбидах железа и легирующих элементов. Он является главным регулятором количества карбидов. Содержание углерода в износостойких чугунах изменяется в широких пределах от 1,7 % до 3,6 %.
Увеличение содержания углерода способствует росту износостойкости чугуна до определенного момента и улучшению его литейных свойств, но механические свойства при этом снижаются [19] При высоком содержании углерода в структуре чугуна выделяются заэвтектические карбиды с крупной грубой структурой, которые в процессе износа обламываются и выкрашиваются тем самым, снижая износостойкость [6, 20].
Таким образом, содержание углерода в износостойких чугунах должно выбираться в зависимости от содержания карбидообразующих элементов. Кремний в белом чугуне можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом. Кремний повышает температуру эвтектической кристаллизации, расширяет интервал эвтектического превращения, препятствуя переохлаждению, и уменьшает влияние скорости охлаждения [20, 21]. Его содержание может находиться в пределах 0,3 - 2,0 %. Кремний очень сильно влияет на процесс формирования структуры отливок, как в ходе затвердевания, так и при структурных изменениях в твердом состоянии. Исследованиями распределения кремния между фазами в белом чугуне установлено, что при обычных скоростях охлаждения заготовок он практически целиком концентрируется в матрице (феррите). Увеличение содержания кремния в доэвтектических белых чугунах до 0,78 % приводит к повышению твердости и износостойкости [21]. Марганец способствует стабилизации аустенита и цементита [6, 22]. На диаграммах состояния сплавов Fe - Мп можно видеть, что эти металлы дают непрерывный ряд твердых растворов [23, 24]. С углеродом марганец связывается в карбиды Мп3С, Мп7Сз и Мп2зСб, причем карбид Мп3С изоморфен с карбидом Fe3C и образует с ним твердые растворы [25 - 27]. В износостойких чугунах содержание марганца может достигать 10 %. Столь высокое содержание марганца в чугуне объясняется тем, что в структуре увеличивается доля остаточного аустенита [28]. При ударно- абразивном изнашивании происходит его структурное и фазовое превращение, что увеличивает износостойкость отливки в процессе её эксплуатации. Хром является главным легирующим элементом группы белых износостойких чугунов. Он уменьшает растворимость углерода в а- и у- железе, уве 20 личивает степень устойчивости твердого раствора и количество эвтектической составляющей. В а- железе хром имеет неограниченную растворимость, в у-железе растворяется до 12 % Сг [29]. В чугунах даже при небольшом содержании хрома образуется карбидная фаза цементитного типа, обогащенная хромом. Его содержание в чугунах достигает 35 %. От содержания хрома и углерода в чугуне зависит тип образуемого карбида. Хром может частично замещать атомы железа в орторомбическом карбиде железа (Fe, Сг)зС или образовывать карбиды хрома, в которых часть атомов хрома замещена железом: тригональ-ный (Cr, Fe) 7С3 и кубический (Сг, Бе зСб [6, 22, 30]. При содержании хрома 12 - 24 % образуются карбиды М7Сз, что способствует повышению твердости, прочности и износостойкости сплава. Дальнейшее увеличение содержания хрома снижает износостойкость сплава, так как в чугуне появляются крупные хрупкие иглы заэвтектических карбидов [21,31, 32]. Никель в сплавах железа является элементом, стабилизирующим аустенит, и характеризуется неограниченной растворимостью в у - железе [26]. Исследованиями установлено, что влияние никеля на твердость и износостойкость белого чугуна подобно влиянию марганца. Особенно сильное действие никель оказывает при содержании до 3 %. Никель применяется в высокохромистом износостойком чугуне. Он в сочетании с хромом настолько стабилизирует аустенит и снижает температуру мар-тенситного превращения, что металлическая основа представлена преимущественно аустенитом, а мартенсит и продукты диффузионного распада не образуются. Некоторое повышение твердости в этом чугуне достигается за счет дисперсионного твердения при выделении карбидов из пересыщенного хромо-никелевого аустенита, но так как никеля в карбидах почти нет, его концентрация в у-фазе остается высокой и мартенситного превращения не наблюдается. Поэтому для отливок работающих в условиях износа при отсутствии ударных нагрузок чугуны, легированные никелем стоят недолго. Ванадий в белых чугунах образует карбиды. Карбид ванадия (VC) характе 21 ризуется высокой температурой плавления (2830 С) и высокой твердостью 2850 - 3000 МПа) [30]. Подобно хрому ванадий является ферритизирующим элементом, ограниченно растворимым в a-Fe [33]. Интерес к ванадию как компоненту износостойких сплавов связан с его способностью формировать структуры инвертированных эвтектик [34]. При содержании в белом чугуне менее 3 % V он в основном растворяется в цементите и не меняет морфологию эвтектики. При больших содержаниях ванадия в структуре белого чугуна появляются участки эвтектики «аустенит - карбид ванадия», а при содержании 5 % V такая эвтектика полностью заменяет ледебурит.
Колонии двойной аустенитно-ванадиевокарбидной эвтектики имеют композитную структуру с волокнистыми включениями упрочняющей фазы (карбид ванадия). В пределах каждой эвтектической колонии карбид ванадия образует жесткий каркас, армирующий более мягкую, пластичную и вязкую матрицу, состоящую из аустенита или продуктов его превращения. Эвтектические сферо-литные колонии стыкуются друг с другом по матричной оболочке, что предохраняет чугун от хрупкого разрушения и увеличивает износостойкость [8, 33].
При легировании хромистых чугунов ванадием наблюдается повышение износостойкости, но для достижения ее максимума необходимо знать оптимальное содержание хрома и углерода.
Медь, практически не растворяясь в цементите и карбидах хрома, не оказывает существенного влияния на первичную структуру белых износостойких чугунов. Ее действие сказывается на превращениях в твердом состоянии. Медью легируют хромомолибденовые и хромомарганцевые чугуны с целью увеличения прокаливаемости [35-39]. Растворимость меди в железе ограничена.
Определение износостойкости, механических и литейных свойств, металлографические исследования
Микроструктуру образцов из хромистых и хромованадиевых чугунов выявляли травлением 4 % раствором азотной кислоты в спирте.
Металлографические исследования микроструктуры сплавов и поверхности изнашивания проводили на оптических микроскопах МИМ-7, «МЕТАМ-ЛВ31», «Epiquant» при увеличении от 100 до 1000 крат и растровом электронном микроскопе «Camscan» при увеличении от 50 до 160000 крат.
Количественный металлографический анализ проводили на промышленной системе обработки и анализа изображений SIAMS. Измерение осуществляли в режиме визуального слежения на поперечных и продольных шлифах до и после травления, в литом состоянии и после термической обработки по специально разработанной методике [90, 91].
Распределение легирующих элементов в структуре проводили с помощью растрового микроскопа «Camscan» и микрорентгеноспектрального анализатора «Link» с применением компьютерной идентификации рентгеновских спектров. Твердость измеряли на приборе ТК-2. Микротвердость структурных составляющих определяли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н на инден-тор. Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов сплавов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов Построение математических моделей проводилась по стандартным методикам и с использованием стандартных пакетов электронных таблиц программы «EXCEL 2000 ». Оптимизация химических составов сплавов и нахождение количественных коэффициентов влияния легирующих элементов на свойства проводились с помощью нейросетевой программы «Модель». Оптимизация состава нового износостойкого чугуна осуществлялась при помощи метода крутого восхождения (Бокса-Уилсона) [92 - 94].
Сущность нейросетевой программы «Модель», с точки зрения математики, состоит в следующем. Программа осуществляет нелинейную многомерную регрессию с регулируемой гладкостью, в качестве интерполирующего используется один из вариантов многомерных представлений в виде интегралов Фурье с заменой интегралов конечными суммами (в бимассиве модели хранятся параметры "оптимального" конечного Фурье-представления, размер модели соответствует количеству гармоник), при оптимизации используется метод быстрого вычисления многомерных градиентов (или метод множителей Лагранжа, известный в рамках нейросетевой идеологии под именем back propagation) и метод сопряженных градиентов.
Программа «Модель» разработана в Институте биофизики СО РАН (г. Красноярск) и прошла успешное опробование во многих областях науки и техники, в том числе и в литейном производстве [95 - 97].
Свойства, структура и износостойкость отливок из белого чугуна определяются его составом, условиями кристаллизации, определяющими особенности строения и взаиморасположения фаз и в меньшей степени - условиями термической обработки.
Современные белые износостойкие чугуны представляют собой многокомпонентные системы с целым набором структурных составляющих. При этом, если износостойкость отливок из сталей перлитного или мартенситно-аустенитного класса определяется структурой и уровнем твердости металлической матрицы, то износостойкость отливок из белого чугуна в первую очередь связана с наличием, количеством, типом и распределением избыточных карбидных фаз и строением эвтектик.
Высокое сопротивление абразивному изнашиванию белых чугунов может быть достигнуто за счет формирования структуры со специальными дисперсными карбидами, изолированно и равномерно распределенными в металлической матрице, которая их прочно удерживает.
В обычных белых чугунах этого трудно добиться. В ледебурите матрицу образует твердый и хрупкий цементит, а более пластичные и мягкие включения аустенита (перлита при нормальной температуре) в значительной мере изолированы друг от друга. При разрушении эвтектического белого чугуна трещина проходит преимущественно по цементитной матрице. Подобная картина наблюдается и в доэвтектическом белом чугуне, в структуре которого ледебурит в виде сетки окружает зерна избыточного аустенита. Небольшое легирование белого чугуна, при котором сохраняется структура ледебурита, существенно не изменяет его свойств, хотя некоторое повышение твердости, прочности, изно-состойкости может быть достигнуто как измельчением структуры, так и легированием цементита (повышение его твердости) и аустенита (повышение дисперсности продуктов его распада). Поэтому для существенного и одновременного повышения износостойкости и других механических свойств белого чугуна структура его должна быть подвергнута инверсии, то есть перестроена на обратное обычному белому чугуну взаимное расположение матричной и карбидной фаз. Эта задача вполне решается с помощью легирования, модифицирования, ускоренного охлаждения отливок в форме, термической обработки.
Влияние структуры и механических свойств на износостойкость высокохромистых чугунов
При ее повышении (заливка в кокиль), происходит увеличение микротвердости металлической матрицы чугуна за счет твердорастворного упрочнения. Хром и ванадий не успевают полностью перейти из твердого раствора в карбиды и тем самым повышают микротвердость. Также меняется и размер включений карбидной фазы и эвтектики. С увеличением скорости охлаждения происходит измельчение карбидов и эвтектики. Все это приводит к увеличению твердости и износостойкости. Максимальной износостойкостью обладают чу-гуны, залитые в кокиль, так как карбиды измельчаются, более равномерно распределяются в матрице и при абразивном изнашивании прочно удерживаются ею. Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в сухие песчано-глинистые формы, в них карбиды успевают вырасти до крупных размеров, которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются, что приводит к снижению износостойкости [104].
При анализе влияния легирующих элементов на износостойкость (см. табл. 4.8) прослеживается также тенденция изменения влияния элементов в сплаве в зависимости от типа формы. С увеличением скорости охлаждения влияние ванадия и углерода на износостойкость увеличивается, влияние хрома снижается.
С увеличением скорости охлаждения влияние хрома на микротвердость снижается (см. табл. 4.9). Влияние ванадия на микротвердость основы при увеличении скорости охлаждения увеличивается, а на микротвердость эвтектики и объемной доли карбидов снижается. С увеличением скорости охлаждения влияние углерода на характеристики микроструктуры увеличивается [105].
Строение и тип металлической основы исследованных хромованадиевых чугунов изменяется от ферритной до мартенситно-аустенитной в зависимости от химического состава и скорости охлаждения сплавов. Рост скорости охлаж 82 дения при затвердевании и содержания хрома и углерода в сплаве увеличивает количество аустенита в структуре. В чугунах с пониженным содержанием углерода (2,6 %), 20,0 % хрома и 9,0 % ванадия формируется ферритная структура основы.
В исследованных чугунах присутствуют сложные карбиды переменного состава (Fe, Сг, У)ХСУ, содержащие 26,0 - 48,0 % железа, 41,0 - 52,0 % хрома, 9,0 - 22,0 % ванадия, и карбид ванадия VC, который ограниченно растворяет железо (до 2,0 - 5,0 %), несколько больше - хром (8,0 — 16,0 %). Эти карбиды в сочетании с аустенитом образуют при кристаллизации двойные эвтектики А + VC и A + (Fe, Cr, V Cy и тройную эвтектику A + (Fe, Cr, V)xCy + VC. Преобладающей фазой в тройной эвтектике является карбид (Fe, Cr, У)ЛСГ Карбиды ванадия располагаются на эвтектических карбидах хрома. Сосуществование карбидов разных форм и типов определяется составом чугуна и условиями его кристаллизации.
Содержание ванадия 3 % является достаточной концентрацией, при которой он находится не только в твердом растворе и входит в состав комплексного карбида (Cr, Fe Cj, но и образует самостоятельные карбиды VC по форме, близкой к шаровидной. Максимальный размер карбидов 2,5 - 6,8 мкм, средний размер - 1,0 — 2,8 мкм.
Чугун с 2,6 % углерода, 14,0 - 20,0 % хрома и 3,0 % ванадия представляет собой доэвтектический сплав. После завершения кристаллизации во всех типах форм в нем формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики розеточного строения. С возрастанием содержания хрома снижается количество (с 52,0 до 34,0 %) и размеры дендритов первичного аустенита (с 105,0 до 54,0 мкм), растет дисперсность и объемная доля аустенитохромистокарбидной эвтектики (рис. 4.1 а, б). С увеличением содержания хрома до 20,0 % и углерода до 3,2 % структура чугуна становится заэвтектической, появляются крупные первичные карбиды (Fe, Cr, V)xCy размером 30,0 - 62,0 мкм (рис. 4.1 в), которые растрескиваются при из 83 нашивании, выкрошиваются и увеличивают износ. Объемная доля карбидов диаметром больше 10 мкм увеличивается с 48,0 до 70,0 %. Количество комплексных карбидов хрома в зависимости от соотношения углерода, хрома и ванадия в составе чугуна и условий кристаллизации составляет 18 — 36 %.
Повышение содержания ванадия до 9,0 % и снижение скорости охлаждения (литье в сухие и сырые ПГФ) увеличивает объемную долю карбидов ванадия (до 14,0 %), размеры (до 73,0 мкм) и изменяет форму включений карбидов ванадия, выделяющихся в виде разветвленных дендритов первичных карбидов, «звезд», «кленовых листьев» (рис. 4.2; 4.3 а, б). При кристаллизации таких сплавов образуются две двойные эвтектики A + VC и A + (Fe, Cr, V)xCy. Колонии аустенитованадиевокарбидной эвтектики имеют сферолитную форму, между колониями кристаллизуется розеточная аустенитохромистокарбидная эвтектика. Хром понижает активность углерода, увеличивает растворимость ванадия в аустените. Поэтому рост содержания хрома до 20,0 % приводит к уменьшению размеров и количества аустенитованадиевокарбидной эвтектики, увеличению содержания ванадия в основе от 1,25 до 7,2 %, расстояния между карбидами в хромистокарбидной эвтектике (рис. 4.2 б). Снижение скорости охлаждения отливки приводит к укрупнению карбидов хрома и ванадия (рис. 4.3 а), к увеличению размеров дендритов аустенита, количества двойной эвтектики А + VC и межкарбидного расстояния в хромистокарбидной эвтктике.
В случае повышенной скорости охлаждения (литье в кокиль) меняется характер избыточной фазы: доэвтектический чугун становится заэвтектическим и вместо карбида ванадия (волокнистой и компактной формы) (рис. 4.3 б) избыточной фазой становится комплексный карбид (Fe, Cr, V)TCy (рис. 4.3 в). Увеличивается содержание ванадия (до 13,9 %) и хрома (с 10,0 до 15,6 %) в металлической основе.
Исследование структуры и свойств сплавов системы Fe-C-V-Cr
Для выбора режима термической обработки был спланирован и проведен дробный факторный эксперимент типа 2 " при следующем изменении факторов: X] (температура нормализации ), 950-1000 С)\ Х2 (температура отпуска (kmiX 350-450 С)\ Хз (время выдержки при нормализации (Хн), 1-2 ч); Х4 (время отпуска (ТотпХ 1-2 ч).
Термообработку проводили на образцах, залитых в сырую ПГФ. Для образцов залитых в кокиль сложную термическую обработку проводить не обяза 120 тельно, так как максимальных свойств можно достигнуть при температуре отпуска 400 С.
Из анализа табл.5.8 видно, что при увеличении температуры нормализации и отпуска, а также времени выдержки износостойкость в сравнении с износостойкостью в литом состоянии снижается. Это объясняется тем, что растет доля стабильного аустенита и идет растворение карбидов в нем.
Как видно данный чугун не требует сложной термической обработки и может использоваться в литом состоянии или после отпуска. 1. Зависимость износостойкости чугунов от количества вводимого карбоната носит ярко выраженный экстремальный характер с максимумом при строго определенном количестве вводимой добавки. Это связано с тем, что до определенного количества вводимого карбоната он действует как рафинирующе-модифицирующая добавка, а при чрезмерном его количестве он становится вредной примесью. 2. Количество вводимого карбоната, при котором износостойкость чугунов максимальна, различно: для ИЧХ28Н2 оно составляет 3 кг/т, для ИЧ300Х16Ф8-5 кг//я. 3. Повышение износостойкости чугунов достигается за счет рафинирующе-модифицирующего действия карбоната: снижается загрязненность чугунов неметаллическими включениями, особенно сульфидными; измельчаются эвтектики, первичные дендриты и карбидная фаза. 4. Обработка чугунов рекомендуемыми количествами карбоната улучшает литейные свойства: увеличивает жидкотекучесть, снижает линейную усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент, что повышает трещиноустойчивость чугунов. 5. Исследовано влияние режимов термической обработки на структуру и свойства чугуна. Установлено, что для чугуна ИЧ300Х16Ф8 не требуется сложной термической обработки, а достаточно отпуска при температуре 400 — 450 С, это возможно благодаря высоким исходным свойствам чугуна в литом состоянии, достигаемым за счет оптимально подобранного легирования.
На ОАО «ММК» в сортовом цехе для получения проволоки из легированной и нелегированной стали диаметром от 6 до 12 мм до 2004 г. работал стан № 300-3. Продолжительность работы «шайбы валковой» в прокатном стане определятся её тепло-, жаро- и износостойкостью, зависящей не только от материалов, но и от прокатываемого материала и условий их работы. Хотя износ во время прокатки является естественным процессом, им можно управлять, создавая условия, при которых он будет уменьшаться. Чем выше твердость рабочего слоя «шайбы валковой», тем меньше износ, но прямой зависимости между этими показателями нет и, если при отсутствии нарушения технологии прокатки износ слишком велик, следует выбирать другой, более подходящий тип материала, учитывая также его прочностные свойства.
Причиной ускоренного износа «шайбы валковой», кроме трения, часто является выкрошивание, которое может быть механическим, обусловленным неравномерным давлением на неё, и термическим, вызываемым резкими колебаниями температуры на поверхности «шайбы валковой».
Ускорению износа «шайбы валковой» также способствует их различная окружная скорость из-за разницы диаметров сопрягаемых частей. Особенно сильные деформации рабочего слоя развиваются при пробуксовке и, когда в результате длительного контакта прокатываемого металла с бандажом, возникает местный нагрев и, как следствие, появляются растягивающие напряжения, заканчивающиеся образованием продольных трещин. Особенно опасно попадание охлаждающей воды на нагретое после пробуксовки место.
