Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. постановка цели и задач исследования 17
1.1. Общая характеристика основных видов абразивного изнашивания отливок 17
1.2. Теории абразивного знашивания 28
1.3. Связь изнашивания со структурой и свойствами сплавов 33
1.4- Существующие износостойкие чугуны и стали для отливок 37
1.4.1. Износостойкие чугуны 37
1.4.2. Литейные износостойкие стали 44
1.5. Пути повышения свойств износостойких чугунов и сталей для отливок 50
1.6. Цель и задачи работы 54
Глава 2. Методика проведения исследований. Оборудование и материалы 56
2.1. Испытания на износостойкость 56
2.2. Выплавка опытных, опытно-промышленных и промышленных сплавов, заливка форм, определение химического состава 60
2.3. Изучение литейных, механических свойств и металлографические исследования сплавов 65
Глава 3. Связь износостойкости чистых металлов с положением в периодической системе Д.И.Менделеева и некоторыми физико-механическими свойствами 68
Выводы 97
Глава 4. Влияние легирования на износостойкость двойных и тройных сплавов на основе железа 99
4.1. Износостойкость двойных железных сплавов 103
4.2. Износостойкость тройных сплавов 128
Выводы 156
Глава 5. Влияние легирования и технологических факторов на износостойкость белых чугунов и разработка их новых составов 159
5.1. Химический состав и износостойкость 162
5.2. Структура и износостойкость 179
5.3. Оптимизация химических составов износостойких чугунов. Исследование их структуры, механических и литейных свойств 198
5.4. Исследование влияния технологических факторов 211
5.4.1. Влияние режимов выплавки чугунов, температуры заливки форм и скорости охлаждения отливок в формах 211
5.4.2. Влияние термической обработки 222
5.5. Опытно-промышленное опробование и внедрение новых износостойких чугунов в производстве отливок 235
Выводы 246
Глава 6. Исследование и повышение абразивной износостойкости высокомарганцевых аустенитных сталей 250
6.1. Анализ стойкости отливок из стали 110Г13Л 253
6.2. Статистический анализ плавок стали 110Г13Л 258
6.3. Повышение абразивной износостойкости отливок из стали 110Г13Л путем ее внепечной обработки 268
6.4. Повышение абразивной износостойкости за счет разработки нового состава стали 286
6.4.1. Химический состав и свойства аустенитных сталей 286
6.4.2. Взаимосвязь механических свойств и износостойкости 303
6.4.3. Оптимизация химического состава износостойкой стали. Исследование ее структуры, литейных и механических свойств 309
6.4.4. Термическая обработка стали 318
6.4.5. Опытно-промышленное опробование и внедрение стали 90Х2Г9АФТЛ в производство отливок 325
Выводы 337
Общие выводы 340
Заключение 848
Библиографический список 351
Приложение 377
- Теории абразивного знашивания
- Износостойкость двойных железных сплавов
- Влияние режимов выплавки чугунов, температуры заливки форм и скорости охлаждения отливок в формах
- Химический состав и свойства аустенитных сталей
Введение к работе
Актуальность работы. Повышающиеся требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам литейных сплавов требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства. От этого зависит увеличение срока службы современного оборудования, машин и механизмов. В этой связи важной является проблема повышения абразивной износостойкости литых деталей, которая актуальна для многих отраслей промышленности:
металлургической - детали засыпных аппаратов доменных печей и фу-теровочные плиты, валки и ролики прокатных станов, ролики машин непрерывной разливки стали и др.;
горнодобывающей - детали Лесковых, грунтовых, шламовых насосов, оборудования по измельчению горных пород и полезных ископаемых, бурильного оборудования и др.;
машиностроительной - детали дробеметных очистных аппаратов, пескометов, бульдозеров и экскаваторов, стрелки и крестовины железнодорожных и трамвайных путей, детали оборудования для клепки, штамповки, обрубки и др.;
строительной - детали оборудования и механизмов разрушения бетона и кирпичной кладки, вскрытия асфальта и бетона, рыхления грунта; забивания свай и др.
Потери от выхода из строя по причине изнашивания деталей машин, оборудования, транспортных средств ежегодно составляют в России десятки миллиардов рублей. Существенного снижения потерь можно достичь созданием новых износостойких сплавов и совершенствованием технологии их производства: Для этого широко используется метод прогнозирования свойств сплавов по диаграммам состояния с использованием зависимостей типа "состав-свойство". Для основных механических и литейных свойств такие зависимости известны, а для ряда важных специальных или служебных свойств данных недостаточно. К ним, в частности, относится абразивная износостойкость. Поэтому важно выявление закономерностей изменения износостойкости как свойства, начиная с чистых металлов, через двойные и тройные железные сплавы к многокомпонентным чугунам и сталям и- непосредственно к отливкам.
Целью работы является развитие теоретических и технологических основ управления абразивной износостойкостью и разработка литых износостойких железных сплавов с высокими служебными свойствами.
Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие задачи:
обобщение и дополнение совокупности знаний о методах управления абразивной износостойкостью литейных сплавов;
изучение связи износостойкости чистых металлов с их положением в Периодической системе Д.И.Менделеева и рядом важных физико-механических свойств;
исследование износостойкости сплавов двойных и тройных систем на основе железа и многокомпонентных чугунов и сталей;
установление связи износостойкости сплавов с их положением на диаграмме состояния;
получение математических зависимостей взаимосвязи абразивной износостойкости, химического состава, структуры и основных физико-механических свойств сплавов;
определение приоритетности влияния одного свойства или комплекса свойств на износостойкость различных сплавов на основе железа;
разработка новых составов износостойких литейных сталей и чугунов;
изучение влияния технологических факторов на износостойкость и разработка рекомендаций по обеспечению высоких значений этого свойства в процессе производства сплавов и отливок.
Научная новизна работы. Изучена и показана связь абразивной износостойкости (К„) чистых элементов с их положением в Периодической таблице Д.И. Менделеева и рядом важных физико-механических свойств: металлическим радиусом, атомным объемом, типом и размерами атомно-кристаллических решеток, твердостью, микротвердостью, модулем упругости, прочностью, пределом выносливости, коэффициентом качественности
К=о~в ' *Р. Дана классификация элементов по износостойкости, позволяющая выбирать основу износостойкого сплава.
Построены ряды по силе влияния отдельных показателей механических свойств на износостойкость чистых металлов и ряды износостойкости чистых металлов, используемых в качестве основ литейных сплавов.
Установлена взаимосвязь износостойкости двойных и тройных железных сплавов с их положением на диаграмме состояния, структурой, свойствами, механизмом разрушения в процессе износа, что позволяет прогнозировать характер ее изменения от содержания легирующих добавок и рекомендовать элементы и их комплексы для создания -новых сплавов. Получены зависимости "состав - износостойкость" для метасистемы железо - элемент и ряды легирующих элементов по силе их влияния на абразивную износостойкость железа для низко-, средне-, высоколегированных сплавов. Элементы в рядах могут занимать различные места в зависимости от их воздействия на структуру и свойства при том или ином содержании.
Показаны взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости томплекснолегированных литейных сталей и чугунов и получены математические модели, описывающие эти взаимосвязи. Использование математических моделей позволяет прогнозировать и рассчитывать свойства износостойких сплавов в заданных областях концентраций легирующих элементов.
В итоге обобщений результатов исследований получены номограммы для определения износостойкости белых высокохромистых чугунов и хромо-марганцевых аустенитных сталей по их заданным нормированным механическим характеристикам.
Установлены общие закономерности изменения износостойкости и меха-
низиа абразивного износа для чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей от физико-механических свойств, а также общие закономерности влияния легирования на износостойкость железных сплавов, проявляющиеся в одинаковой природе формирования их структуры и свойств под воздействием добавок. Одни и те же структурные составляющие и свойства идентично влияют на абразивную износостойкость независимо от вида сплава. Большую роль в достижении высоких значений износостойкости играет первичная литая структура сплавов, которой можно управлять посредством выбора оптимального легирующего комплекса.
Показана связь характера разрушения чистых металлов и сплавов при абразивном изнашивании с коэффициентом твердости, что дает возможность прогнозировать механизм износа и управлять им по величине этого коэффициента.
На основе анализа влияния технологических факторов предложены, теоретически и экспериментально обоснованы технологические методы управления абразивной износостойкостью в процессе производства сплавов и отливок из них, что особенно важно в части повышения этого свойства для известных сплавов.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученных теоретических и технологических разработок позволило установить пути управления абразивной износостойкостью литейных сталей и чугунов, осуществляя выбор легирующих элементов, их комплексов, модификаторов на основе анализа характера изменения износостойкости для чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей.
Полученные математические модели могут использоваться для практических расчетов при выборе износостойких чугунов и сталей, исходя из требований к их химическому составу и структуре, а номограммы износостойкости позволяют оценивать ее по значениям нормированных механических свойств.
Разработаны новые технологические мероприятия, позволяющие управлять износостойкостью сплавов в процессе их производства и получения отливок.
По результатам работы с целью повышения износостойкости деталей насосов внесены изменения в состав чугуна в ТУ 26-06-1484-87 "Отливки из чугуна ИЧХ28Н2 для деталей насосов" (извещение об изменении ТУ 26-06-1484-87 №3 (53) от 18.09.91 г. НПО ВНИИ ГидроМаш). Новизна технических разработок подтверждена авторскими свидетельствами и 3 патентами на изобретения. Ряд выполненных разработок прошел широкую опытно-промышленную проверку и внедрен в производство в условиях ЗАО "МАРС" АО ММК, литейно-механического завода г. Волжска, ПО "Трубодеталь" г. Челябинска, Магнитогорского завода металлургического машиностроения с общим годовым экономическим эффектом около 200 млн. руб. в ценах 1996 г. Часть результатов исследований использована автором в учебном процессе при подготовке инженеров-литейщиков: поставлена и выполняется лабораторная работа "Изучение износостойкости белых легированных чугунов"; издано учебное пособие "Легирование и модифицирование литых сталей"; вы-
полняются курсовые и дипломные проекты и исследовательские работы; изданы три монографии: "Выплавка, легирование, модифицирование литейных сталей", "Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов", "Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии".
На защиту выносятся:
1. Связь абразивной износостойкости чистых металлов с их положением
в Периодической системе Д.И.Менделеева и комплексом важных физико-
механических свойств: параметрами атомно-кристаллической структуры,
прочностью, модулем упругости, пределом выносливости, твердостью, мик
ротвердостью.
2. Результаты исследований абразивной износостойкости двойных,
тройных и многокомпонентных литых железных сплавов, которые могут ис
пользоваться в качестве базы данных для создания новых износостойких
сплавов с требуемым уровнем основных механических свойств.
-
Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности формирования износостойкости двойных и тройных сплавов на основе железа, показывающие ее связь с диаграммой состояния; зависимости "состав - износостойкость" и "свойства - износостойкость" сплавов.
-
Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности о взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости двойных, тройных железных сплавов, ком-плекснолегированных чугунов и сталей, а также установленные общие закономерности влияния легирующих элементов на механизм износа и износостойкость.
-
Новые составы литейных износостойких сталей и чугунов с высоким уровнем служебных свойств.
-
Разработанные технологические решения по обеспечению необходимой износостойкости сплавов и отливок в процессе их производства.
Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ с предприятиями (1987 - 1992 гг.), тематика которых была включена в планы Академии наук и государственную научно-техническую программу "Разработка теории и технологии ресурсосберегающих и экологически безопасных процессов производства черных металлов", а также в рамках двух грантов (1993 - 1995 гг.) по фундаментальным проблемам в области металлургии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 16 международных, союзных, российских, республиканских научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях: г.Ленинград (1987, 1991 г.г.), г.Челябинск (1988, 1995 г.г.), г.Чебоксары (1990, 1992 г.г.), г. Красноярск (1990г.), г.Днепропетровск (1990 г.), г.Киев (1991 г.), г.Запорожье (1991г.), г.Ринница (1992 г.), г.Москва (1994 г.), г.Екатеринбург (1995 г.), г.Магнитогорск (1994 -1996 г.), на семинаре кафедры "Электрометаллургия и литейное производство" и на объединенном научном семинаре кафедр металлургического факультета Магнитогорской горно-металлургической акаде-
мий {г.Магнитогорск, 1996, 1998 г.г.), на семинарах кафедры "Физико-химия литейных сплавов и процессов" Санкт - Петербургского государственного технического университета в 1997-1998 г.г.
Публикации. По теме диссертации изданы 3 книги и опубликовано 46 статей, докладов, тезисов докладов, изобретений, учебных пособий. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и фантам, выполненным при участии и под руководством автора (номера госрегистрации 01880050741, 0189002199, 01890081067, 0190003212, 0191001835, 01960013204).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, перечня основных условных обозначений, 6 глав, заключения, общих выводов, библиографического списка из 247 наименований и приложения. Изложена на 427 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 45 таблиц.
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены результаты, полученные автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами и сотрудниками Магнитогорской горно-металлургической академии, При этом автору принадлежат постановка общей проблемы "Теория и практика управления абразивной износостойкостью и разработка литых износостойких железных сплавов" и решение частных задач: по обобщению и дополнению совокупных знаний о методах управления износостойкостью сплавов; выявлению связи этого свойства с положением элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева; изучению износостойкости двойных, тройных и многокомпонентных железных сплавов и оптимизации их составов на заданные свойства; разработке технологических методов- повышения износостойкости сплавов. Автор проводил исследования в лабораторных и промышленных условиях, участвовал в промышленных испытаниях и внедрении результатов в производство.
Теории абразивного знашивания
Процесс изнашивания определяется большим числом факторов. Поэтому в настоящее время имеется достаточно много различных гипотез по теории износа.
Основы теории о трении и износе были заложены М.В.Ломоносовым, который предложил "исследовать тела, особливо металлы, долгим стиранием" и изобрел для этого прибор, который явился прототипом современных установок для изучения износостойкости.
Проблеме изнашивания посвящены труды ученых Н.Н.Давиден-кова, И.В.Крагельского, Б.И.Костецкого, М.М.Хрущева, М.А.Бабичева, М.М.Тененбаума, Г.М.Сорокина, В.Н.Виноградова, С.П.Козырева и др. В них рассмотрены основные явления, протекающие в процессе изнашивания, дана их классификация, предложен механизм протекания, намечен ряд мероприятий по снижению вредного действия износа.
По гипотезе Г.М.Заморуева, соприкосновение двух твердых тел всегда происходит в отдельных точках, на очень малых площадках и характеризуется высокими удельными давлениями. В тех местах поверхности, где напряжения превысят предел текучести, возникают местные пластические деформации. Многократно повторяясь и суммируясь, они вызывают макроскопические изменения поверхности и ее разрушение.
И.В.Крагельский, В.Н.Виноградов, Г.М.Сорокин и др. также считают, что главной причиной изнашивания является многократное пластическое деформирование и передеформирование одних и тех же микрообъемов металла, приводящее к их усталостному разрушению [3-6, 16, 18, 28-30].
П.Н.Львов в результате многочисленных исследований изношенных поверхностей под микроскопом предложил следующую картину разрушения. Абразивное зерно выдавливает на поверхности изделия канавку, по обе стороны от которой вытесненный металл образует возвышенности (валики). Валики состоят из сильно деформированных зерен основы и разрушенных твердых зерен, менее прочны и легче срезаются последующими частицами абразива.
По гипотезе М.М.Хрущева и М.А.Бабичева все абразивные зерна, соприкасающиеся с металлом, можно разделить на две группы: зерна, вызывающие только деформирование металла в виде образования пластически выдавленных рисок - царапин, и зерна, непосредственно режущие металл. И те и другие зерна воспринимают нагрузку, но число первых значительно больше. В процессе повторного деформирования металл должен наклёпываться.
М.М.Тененбаум делит процессы абразивного изнашивания на простые, смешанные и сложные. Простые процессы изнашивания характеризуются разрушением какого-либо одного вида, при котором разупрочнения поверхности не происходит. При смешанном процессе изнашивания действуют одновременно несколько видов разрушения. Чаще всего процессы прямого и полидеформационного разрушений, прямого и усталостного разрушений и др. протекают одновременно. При этом происходит существенное разупрочнение поверхности.
Б.И.Костецкий объясняет явления трения и изнашивания такими различными процессами, как окисление, резание, усталостные разрушения и др. При любых условиях изнашивания имеется главный процесс, который протекает с наибольшей скоростью, вытесняет другие и становится лимитирующим.
Анализируя результаты теоретических и экспериментальных исследований, Б.И.Костецкий с сотрудниками предложил различать нормальный и патологический режимы трения и износа. При патологических режимах в зоне трения могут происходить процессы, порождающие макроскопические повреждения поверхности (смятие, сваривание, царапание, резание и т.п.). Нормальный режим характеризуется протеканием строго определенных механико-физико-химических процессов, локализованных в тонких поверхностных слоях (порядка десятков нанометров).
По мнению А.Е.Сучкова, износ вызывают механико-динамические и кинетические нагрузки, а также физико-химические факторы. При механико-динамической нагрузке наблюдаются явления деформации и резания в поверхностных слоях металла. При кинематических нагрузках преобладают явления усталости материала при воздействии на него постоянно повторяющейся или знакопеременной нагрузок.
В.В.Виноградов, Г.М.Сорокин, Б.А.Воинов и др. считают, что в условиях многочисленных ударов абразивных частиц проявляется малоцикловая усталость микрообъемов металлов и сплавов в результате многократного приложения динамической нагрузки при упругом и упругопластическом контактах.
В основе механизма ударно-абразивного изнашивания лежат прямое динамическое внедрение в металл абразивной частицы и связанная с ним деформация, разрушающая микрообъемы металла с образованием частиц износа. Твердая частица, внедряясь в поверхность изнашивания, стремится сдвинуть металл перемычек путем повторного деформирования или хрупкого выкрашивания в зависимости от его твердости. В таких условиях взаимодействия абразива с поверхностью изнашивания срез становится ведущим процессом образования частиц износа, а сопротивление срезу или обрыву - основным критерием износостойкости.
В условиях многочисленных ударов абразивных частиц изнашивание может происходить по следующим схемам [3-9, 13, 17, 28-31]:
- наклепанный металл периодически отделяется от поверхности детали в соответствии с расположением растягивающих напряжений;
- толщина отделяемого слоя уменьшается, если нарушение сплошности материала вызвано действием наибольших касательных напряжений;
- отделяемые частицы металла становятся весьма малыми и удаляются с поверхности наклепанного слоя вследствие циклического смятия и растяжения.
Таким образом, раскрытие закономерностей любого вида изнашивания должно связываться с необходимостью учета происходящих при этом сложных взаимосвязанных процессов:
- царапания, резания, сдвига и т.п.;
- упругопластической деформации;
- высокоскоростного нагрева и охлаждения;
- упрочнения и разупрочнения;
- фазовых и структурных превращений;
- развитием усталостных явлений и др.
В опубликованных работах по теориям и механизмам изнашивания встречаются весьма существенные противоречия и упрощенные толкования.
Износостойкость двойных железных сплавов
Сплавы железо - углерод
Изучали сплавы с содержанием углерода до 4,2% (рис. 4.3, а, табл. П2). Резкое повышение износостойкости наблюдается в интервале содержаний углерода 0,13-2,82%. Это связано с увеличением доли карбидов железа. Раздвоение кривой износостойкости после увеличения содержания углерода свыше 2,82% на восходящую (1) и нисходящую (2) ветви можно объяснить тем, что в первом случае весь углерод связан в карбиды (структура белого чугуна), во втором - выделяется свободный графит.
Изменение структуры при увеличении содержания углерода происходит следующим образом: до 0,8% С — феррито-перлитная и перлитная; 0,8-2,1% С — перлито-цементитная; 2,06-2,82-4,2% С — кривая 1 — перлито-ледебуритная, кривая 2 — перлито-ледебурито-графитовая.
Сопоставляя значения К , HRA, GB можно отметить, что в сплавах системы Fe-C износостойкость тем выше, чем выше прочностные характеристики. Полученные результаты хорошо согласуются с ранее известным влиянием углерода на износостойкость чугунов и сталей [3-7, 37, 75, 89, 90].
Сплавы железо - ниобий (рис. 4.3, а; табл. П2)
Ниобий имеет ОЦК решетку с атомными размерами, значительно отличающимися от атомных размеров железа, и образует с а - Fe ограниченные твердые растворы. Критерий растворимости (Ср) ниобия в a-Fe составляет 1,6% ат. или 2,63% масс. [109]. В системе Fe-Nb может выделяться s-фаза (Fe2Nb) при концентрации ниобия выше предела растворимости [165-167]. Ниобий повышает прочность, твердость железа.
Изучение износостойкости двойных железных сплавов с содержанием ниобия до 4,0% показало ее непрерывный рост. При содержании ниобия до 2,6% повышение Ки связано с увеличением легиро-ванности твердого раствора. Структура всех сплавов ферритная. При более высоких концентрациях этого элемента наблюдаются включения 8 - фазы (Fe2Nb). Это также способствует повышению Ки.
Таким образом, положительное влияние ниобия на износостойкость двойных сплавов Fe-Nb в изученном интервале концентраций связано как с увеличением легирования твердого раствора, так и с образованием интерметаллида Fe2Nb.
Сплавы железо - кремний (рис. 4.3, б; табл. П2, ПЗ)
Кремний во всем изученном интервале концентраций (0,48-12,3%) существенно повышает износостойкость. Это можно связать с увеличением твердости сплавов за счет резкого искажения решетки a-Fe. Микротвердость (Н50) феррита повышается с 1669 до 4178 МПа. Структура всех сплавов ферритная. В области концентраций кремния от 5,0 до 12,3% в сплавах присутствуют включения второй фазы Fe3Si в виде темных выделений по границам зерен. Увеличение ее количества вызывает хрупкость железа и снижает прочность. Однако износостойкость не снижается, что определяется высокой твердостью образцов.
Сплавы железо - марганец (рис. 4.3, б; 4.4, 4.5; табл. П2, ПЗ)
Марганец имеет ГКЦ решетку, расширяет область существования y-Fe. Его введение в железо оказывает сложное влияние на структуру и свойства двойных сплавов.
Легирование железа марганцем до 12,75% повышает износостойкость, а также общую твердость, микротвердость, прочность, что можно объяснить изменениями в структуре. Микроструктура сплавов с содержанием марганца до 1,6% представлена зернами а - фазы. Увеличение марганца до 3,0% приводит к образованию неоднородной микроструктуры, состоящей из неравновесных кристаллов ос-фазы типа видманштеттового феррита в сплаве Fe-C и аустенита. Введение марганца до 4,5% приводит к снижению температуры начала у-а превращения до 500 С. Вследствие этого структура представлена про дуктами промежуточного у-а превращения и остаточным аустенитом. В сплавах с содержанием марганца до 10,5% наблюдается протекание частичного мартенситыого превращения. При этом мартенсит имеет неоднородное строение. На границах зерен и близлежащих к ним участках он имеет форму игл, линз и пластин. В центре зерен - мартенсит в виде пластин. В целом, микроструктура состоит из марганцовистого мартенсита и аустенита. Увеличение содержания марганца до 12,75% приводит к появлению в структуре некоторого количества s-фазы. Дальнейшее легирование железа марганцем до 15,32% повышает устойчивость аустенита по отношению к образованию а-фазы и ее количество уменьшается. Соответственно этому снижаются прочность и твердость, а износостойкость остается на прежнем уровне.
Сплавы железо - молибден (рис. 4.3, б; табл. П2, Ш)
Молибден имеет ОЦК решетку. Атомные размеры его иные, чем у железа, поэтому молибден образует с a-Fe ограниченные твердые растворы. Критерий растворимости молибдена в a-Fe составляет 2,1% ат. или 3,55% масс [109]. Изучение взаимосвязи структуры и износостойкости двойных сплавов Fe-Mo при увеличении содержания молибдена до 10,2% показало, что увеличение износостойкости связано только с изменением свойств феррита, в частности за счет повышения его твердости HRA. с 38 до 58 единиц микротвердости Н л с 1350 до 2842 МПа прочности с 310 до 480 МПа.
Сплавы железо - вольфрам (рис. 4.3, б; табл. П2, ПЗ)
Вольфрам - мономорфный металл, имеет ОЦК решетку и образует с железом гомогенную ос-область. Критерий предельной растворимости вольфрама в а-железе составляет 1,7% ат. или 5,45% масс [109]. Атомные размеры железа и вольфрама существенно различаются, поэтому вольфрам, подобно молибдену, образует ограниченные твердые растворы с сс-железом.
Легирование железа вольфрамом в пределах изученных концентраций (до 10Д%) приводит к увеличению его износостойкости. В сплавах Fe-W с содержанием вольфрама до предела растворимости это происходит за счет увеличения легирования феррита и повышения его твердости, микротвердости, прочности.
В сплавах Fe-W с содержанием вольфрама сверх предела растворимости выделяется -фаза (Fe2W) с гексагональной решеткой. Это приводит к дополнительному дисперсионному твердению и увеличению износостойкости.
Сплавы железо - хром (рис. 4.3, в; 4.6, 4.7; табл. П2, ПЗ)
Хром имеет одну модификацию с ОЦК решеткой, изоморфной a-Fe, замыкает у-область и способствует образованию неограниченных твердых растворов с сс-железом.
Изучали сплавы железа с содержанием хрома до 38,7%. Исследования показали непрерывный рост износостойкости во всем интервале концентраций хрома. Также возрастают твердость и прочность. Микроструктура сплавов представлена ферритом и кристаллами a-фазы. Исключение составляют сплавы с содержанием Сг 14,3%. При дальнейшем увеличении концентраций хрома начинает выделяться а-фаза. В сплавах с хромом в пределах 14,3...27,9% количество ее невелико, распределение неравномерное, форма - в виде пластин и длинных полос. Такая морфология а-фазы связана, по-видимому, с локальным обогащением микрообъемов сплава хромом. Повышение износостойкости этих сплавов незначительное. При дальнейшем увеличении содержания хрома количество а-фазы растет. Она более равномерно распределяется в ферритной матрице. Выделение а-фазы происходит в виде крупных пластин неправильной формы, длинных полос и округлых частиц. При этом у сплавов с содержанием хрома 25% износостойкость резко возрастает.
Сплавы железо-кобальт (рис. 4.3, в; табл. П2)
Кобальт расширяет у-область и образует с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора. В исследованных сплавах Fe-Co с содержанием кобальта от 0,2 до 32% износостойкость, твердость, и прочность непрерывно возрастают. Наибольший прирост этих величин у сплавов с содержанием кобальта до 10%. Дальнейшее легирование несущественно изменяет все свойства.
Сплавы железо - никель (рис. 4.3, в; табл. ПЗ)
Никель имеет ГЦК решетку с параметрами, близкими к у-же-лезу, расширяет у-область и способствует образованию непрерывных твердых растворов с y-Fe. В a-Fe никель растворяется ограниченно с пределом 10% ат.
Изучали износостойкость сплавов с содержанием никеля до 32,6%. Зависимость Ки - %Ni носит экстремальный характер с максимумом при 20% NL Это связано с изменением структуры в процессе легирования, в частности, с образованием аустенита. Сплавы с содержанием никеля до 1,5% ферритные.
Дальнейшее увеличение концентраций никеля приводит к образованию двухфазной структуры oc-Fe + y-Fe, Ni, что повышает износостойкость, так как легированный никелем аустенит хорошо сопротивляется действию абразивных частиц. Дальнейшее легирование никелем свыше 20% смягчает сплавы. Общая твердость, микротвердость и прочность снижаются весьма существенно. Износостойкость при этом также уменьшается.
Влияние режимов выплавки чугунов, температуры заливки форм и скорости охлаждения отливок в формах
Как было отмечено выше, свойства износостойких отливок из белых высокохромистых чугунов определяются структурой металлической матрицы и карбидной фазой. Наилучшими служебными свойствами обладают износостойкие чугуны с мартенситной матрицей или мартенситно-аустенитной матрицей, в которой равномерно распределены карбиды типа М7С3, главные оси которых направлены к рабочей поверхности отливки. Присутствие в структуре карбидов цементит-ного типа М3С или карбидов типа М23Се снижает износостойкость. Кроме этого, отрицательное влияние оказывает и наличие в структуре первичных карбидов. Одним из источников первичных заэвтек-тических карбидов является еысокоуглеродистый феррохром, используемый для выплавки высокохромистых чугунов [183 207-212]. Поступающие в расплав из такой шихты крупные карбиды хрома по-видимому не успевают полностью раствориться в процессе плавки Ч РЛ/ТТЯ тт оста тотс я- в PTnvKTVDe постте затвеопевания сплава
С этой целью изучали влияние различных марок феррохрома на структуру и износостойкость нового состава высоколегированного чугуна марки ИЧ280Х25ГНТД. Сплавы получали в индукционной тигельной печи ИСТ-006 емкостью 60 кг с основной футеровкой по методике, описанной в главе 2. Химический состав чугунов был следующим, %: 2,8 - 3,0 С; 0,9 - 1,0 Мп; 0,32- 0,60 Si; 23,6 - 25,0 Сг; 0,4 - 0,5 N1; 0,3 - 0,4 Т1, 0,53 - - 0,61 Си. В табл. 5.12 представлены экспериментальные данные, которые показывают целесообразность использования при выплавке высокохромистых чугунов низкоуглеродистых марок феррохрома. Свойства такого чугуна выше по сравнению с чугуноМ выплавленным на феррохроме с более высоким содержанием углерода.
На фотографиях микроструктур (рис. 5.22) хорошо видно различие в строении и форме карбидной фазы (особенно заэвтектических первичных карбидов) у чугунов, выплавленных с применением только высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ800 и низкоуглеродистого марки ФХ025,
Однако использование феррохрома с низким содержанием углерода не всегда может быть экономически оправдано. В таком случае можно применять феррохром двух марок - низкоуглеродистый и выеокоуглеродистый. При использовании для приготовления белого чугуна высокоуглеродистых марок феррохрома ФХ650 и ФХ800 можно рекомендовать для улучшения свойств гомогенизирующую выдержку расплава при температуре 1500-1550 С в течение 5-15 мин. Это также снижает количество первичных карбидов и повышает износостойкость.
В табл. 5.13 показано влияние температуры и времени выдержки на количество первичных карбидов, твердость и износостойкость чугуна ИЧ280Х25ГНТД при использовании в шихте для плавки феррохрома марки ФХ800.
Немаловажным фактором в формировании структуры и свойств отливок является температура заливки чугуна в формы. Повышенная температура заливки может еще более усилить негативное влияние этого фактора. С этой целью провели исследование по определению рационального температурного интервала заливки форм. Результаты приведены в табл. 5.14.
Таким образом, можно рекомендовать температуру заливки форм в интервале 1350 - 1410 "С. Увеличение температуры заливки выше 1410 С приводит к появлению зоны столбчатых кристаллитов и нежелательной морфологии карбидов. Карбиды выделяются крупными, разветвленных форм и неравномерно распределяются в структуре. Появляются участки оголенной матрицы. Это снижает износостойкость.
Кроме этого, высокие температуры заливки способствуют образованию пригара, в ряде случаев трудноудалимого, и трещин.
В результате проведенных исследований разработана и внедрена в производство на Волжском литейно-механическом заводе технологическая инструкция на выплавку износостойких чугунов типа ИЧ280Х25ГНТД (прилагается).
Скорость охлаждения - наиболее существенный фактор, определяющий характеристики первичной литой структуры белых износостойких чугунов. Определяя переохлаждение, при котором начинается кристаллизация, скорость охлаждения отливки меняет кристаллизационные параметры - скорость образования центров и линейную скорость роста кристаллов. Скорость охлаждения отливки определяется главным образом приведенной толщиной отливки, типом литейной формы, температурой заливки и неодинакова на поверхности и в центре отливки, особенно массивной. Номенклатура отливок из износостойких высокохромистых чугунов по массе и толщине стенок достаточно широка. Соответственно широк и диапазон скоростей охлаждения реальных отливок в интервале кристаллизации. По данным [2, 48 49 67] 0,5-200 С/мин.
В настоящей работе влияние скорости охлаждения на структуру и свойства чугунов изучали через воздействие толщины стенки отливки, ее приведенный размер и тип литейной формы. Исследования проводили на двух новых износостойких чугунах следующего химического состава,
Опытные сплавы заливали в песчано-глинистые формы и чугунные кокили. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.15 и на рис. 5.23-5.25.
Увеличение толщины стенки отливки (снижение скорости охлаждения) приводит не только к укрупнению карбидов, но и к увеличению дендритов первичного аустенита и расстояния между карбидами в эвтектике. Это снижает свойства чугунов.
При анализе изменения свойств в зависимости от скорости охлаждения было установлено, что для небольших толщин отливок (до 300 мм) разница в свойствах и структуре невелика как для песчано-глинистых форм, так и для кокиля (рис. 5.23-5.25). При толщине отливки 10 мм и в том и другом случае структура представляет собой мартенситную или мартенситнотрооститную матрицу с раздробленными карбидами МуСд и МС небольших размеров. Увеличение толщины стенки приводит к снижению скорости охлаждения отливки и изменению строения металлической матрицы и карбидов, что особенно характерно при литье в песчано-глинистые формы. В структуре появляется остаточный аустенит и его доля тем больше чем массивнее отливка. Укрупняются, причем резко при толщине стенки 50 и более миллиметров, карбиды, переходя в веерообразную форму. Образуются участки оголенной матрицы. Износостойкость снижается. Рельеф поверхности износа неравномерный с рисками различной глубины, длины, ширины и ямками, вследствие выкрашивания крупных карбидов. Кроме этого для отливок с толщиной стенки более 50 мм характерно существенное различие в дисперсности литой структуры на поверхности и в центре, где структура более грубая. Но это менее заметно сказывается на износостойкости, так как интенсивному износу подвергаются поверхностные слои отливок.
Таким образом, обобщая полученные данные можно отметить, что влияние скорости охлаждения на абразивную износостойкость данных чугунов проявляется в основном через дисперсность литой структуры и возможность получения закалочных структур непосредственно после литья. Это оказалось возможным в результате правильно выбранного химического состава сплавов, в котором эффективно использованы возможности каждого из легирующих элементов для формирования необходимой структуры.
Химический состав и свойства аустенитных сталей
В качестве перспективной основы сталей для отливок, работающих при нагрузках в абразивной среде, является метастабильный марганцевый аустенит системы Fe-С-Mn-Cr. Динамическое действие абразива на деталь из такой стали вызывает в ее поверхностных слоях интенсивные деформационные мартенситные превращения. При этом резко возрастает сопротивление детали абразивному разрушению поверхности. Правильный выбор химического состава метастабильно-го аустенита способствует благоприятной кинетике деформационных мартенситных превращений и значительному упрочнению микрообъемов рабочей поверхности отливки.
Выбор пределов концентраций легирующих элементов был проведен на основе анализа влияния легирования на свойства и износостойкость двойных и тройных железных сплавов, литературно-патентных данных с учетом реальных условий работы деталей. Пределы их содержаний в опытных сплавах следующие, % масс: 0,5-1,3 С, 0,17-1,35 Si, 5,0-12,5 Мп, 1,0-5,9 Сг, 0,01-0,35 V, 0,01-0,31 Ті. В процессе подготовки расплавов сталей проводили их обработку в ковше силикокальцием из расчета 0,10% Са вводимого. Остаточное содержание этого элемента находилось в пределах 0,001...0,01%. Для получения чисто аустенитной структуры стали подвергали термической обработке по режиму: закалка от 1100 С, охлаждение в воде.
Углерод является одним из главных упрочнителей сталей, способствует образованию аустенитной структуры, повышению твердости, износостойкости, жидкотекучести. Последнее свойство важно при изготовлении тонкостенных отливок. Содержание углерода менее 0,5% не обеспечивает необходимых свойств, а выше 1,1% приводит к резкому увеличению карбидной фазы в данных хромо-марганцевых сталях с неблагоприятной морфологией. Карбиды довольно крупные, сильно разветвлены и располагаются по границам аустенитных зерен. Такие карбиды очень трудно растворяются в матрице при нагреве под закалку даже при температурах выше 1200 С и резко охрупчивают сталь.
Легирование марганцем позволяет получать как стабильные, так и метастабильные аустенитные стали с высокими значениями прочности, пластичности, износостойкости. При содержании марганца менее 5,0% сталь переходит в аустенитно-мартенситный класс с резким снижением пластичности и вязкости. При содержании марганца более 12,5% сталь становится стабильно аустенитной.
Получение технологичной метастабильной аустенитной стали на основе системы Fe-С-Мп без дополнительного легирования - задача сложная. В процессе выплавки неизбежны колебания содержаний углерода и марганца. Это приводит к изменению стабильности аустени-та и положению точки начала мартенситного превращения (Мц). Известно, что уменьшение концентрации марганца на 1% в стали с 1,0% углерода повышает температуру Мн на 50 С, а уменьшение содержания углерода на 0,1% - на 32 С [50]. Для устранения этого явления стали необходимо легировать хромом. Хром также снижает точку Мн, но влияние его примерно вдвое слабее, чем марганца.
Немаловажным является отношение Сг : С = 4 - 8, обеспечивающее хорошую износостойкость вследствие наличия в матрице тер-мообработанной стали карбидов (Ре, Сг)7Сз и мелкодисперсных вторичных карбидов того же типа.
С целью управления формированием первичной структуры сталей при кристаллизации в форме, а также вторичной структуры при термической обработке используется раскисляюще-легирующе-модифицирующий комплекс в составе титана, ванадия, кальция.
Положительное влияние титана и ванадия проявляется через процессы нитриде- и карбонитридообразования, так как высокомарганцевые стали электродуговой плавки обычно содержат азот в количествах до 0,03%. Кроме того, титан способствует очищению стали от неметаллических включений за счет флюсующего действия на них. Кальций является активным раскислителем и модификатором структуры и неметаллических включений. Сталь, обработанная кальцием, намного чище по включениям, особенно по таким вредным для высокомарганцевых сталей, как FeO, MnO, FeOMnО.
Исследовано более 30 составов хромо-марганцевых аустенитных сталей с различным содержанием легирующих элементов в вышеуказанных пределах (табл. П14, П15))
Для оценки взаимосвязи между износостойкостью, химическим составом, структурой и свойствами применяли регрессионный анализ по методу наименьших квадратов. Методика выполнения анализа и оценивания его результатов полностью соответствовала вышеизложенной. Результаты расчетов представлены в табл. 6.7-6.13 и на рис. 6.10-6.13.
Микроструктура всех сталей - хромо-марганцевый аустенит с карбидами (Fe, Cr)зС, (Fe, Мп,Cr)3C, (FeCr)7C3. В зависимости от содержания хрома и марганца и их соотношения меняется количество, тип и расположение карбидов. Негативную роль в морфологии карбидов играет кремний. В сталях с его содержанием более 0,4% в литом состоянии карбиды покрывают границы аустенита практически сплошной сеткой. Термическая обработка лишь частично устраняет эти пограничные выделения. Поэтому все основные свойства стали: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость и износостойкость при увеличении содержания кремния снижаются. Для обеспечения удовлетворительных свойств необходимо ограничить содержание кремния в хромомарганцевых сталях до 0,4%.
Углерод влияет на все свойства экстремально с максимумом значений в интервале 0,6...1,0%. Увеличение содержания марганца ведет к монотонному изменению свойств. Подобные зависимости характерны и для исследований других авторов.
Специфическим оказалось влияние хрома, отличное от результатов других исследований. Хром повышает прочность, твердость, износостойкость во всем интервале изученных концентраций. Ударная вязкость повышается при содержании хрома до 3%, затем резко падает.
Сложный характер носят зависимости свойств от введения в сталь ванадия и титана. При их содержании до 0,06% прочность, твердость и износостойкость снижаются, а при увеличении до 0,24% наблюдается резкий рост. Последующее увеличение концентраций титана и ванадия приводит к скачкообразному падению этих показателей. Обратная картина наблюдается для пластических свойств и ударной вязкости сталей, которые непрерывно возрастают до 0,18% содержания ванадия и титана, и лишь затем снижаются. Следует отметить идентичный характер влияния титана и ванадия на все свойства сталей.
Металлографические и микрофрактографические исследования позволили определить характер разрушения сталей и связать его с химическим составом. Характер разрушений сталей различный: вязкий, вязкохрупкий, хрупкий.