Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1. Условия эксплуатации и стойкость деталей горно-обогатительного оборудования 10
1.2. Износостойкость различных материалов при абразивном изнашивании 14
1.2.1. Основные закономерности абразивного изнашивания 14
1.2.2. Чугуны, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания 18
1.2.3. Влияние химического состава на структуру и износостойкость 20
1.2.4. Влияние структуры на износостойкость 28
1.2.5. Влияние термической обработки на структуру и износостойкость 35
1.3. Факторы, влияющие на жаростойкость 37
1.4. Постановка задачи исследования 43
Выводы по первой главе 43
Глава 2. Методика проведения исследований. оборудование и материалы 45
2.1. Материалы, используемые для выплавки 45
2.2. Определение износостойкости и механических свойств 45
2.3. Методика металлографического анализа 47
2.4. Методика рентгеноструктурного анализа 47
2.5. Методика определения окалиностоикости и ростоустойчивости 48
2.6. Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов 49
Глава 3. Исследование структуры, фазового состава и свойств хромотитановых чугунов 50
3.1. Исследование параметров микроструктуры и фазового состава хромотитановых чугунов 50
3.2. Твердость и износостойкость хромотитановых чугунов 61
3.3. Исследование жаростойкости хромотитановых чугунов 70
3.4. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства оптимизированного состава хромотитанового чугуна 74
Вы воды по третьей главе 78
Глава 4. Исследование структуры, фазового состава и свойств чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном 81
4.1. Выбор легирующего комплекса 81
4.2. Исследование микроструктуры и фазового состава чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном 84
4.3. Исследование износостойкости и механических свойств чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном 95
4.4. Исследование жаростойкости чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном 103
4.5. Исследование поверхности изнашивания чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном 108
4.6. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства оптимизированного состава чугуна, легированного хромом, ванадием и титаном 112
Выводы по четвертой главе 117
Глава 5. Опытно-промышленное опробование разработанного состава чугуна 119
Основные выводы 125
Библиографический список 128
Приложения 138
- Чугуны, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания
- Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов
- Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства оптимизированного состава хромотитанового чугуна
- Исследование микроструктуры и фазового состава чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном
Введение к работе
Современная промышленность предъявляет все более жесткие требования к служебным характеристикам используемых материалов. Так, в связи с увеличением удельных нагрузок на детали машин и агрегатов износостойкость последних имеет очень большое значение.
Многие детали агрегатов горно-обогатительного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», такие как броневые плиты желобов агломерационных машин (разгрузочной части агломерационной машины), работают в условиях абразивного изнашивания. Кроме абразивного изнашивания, броневые плиты желобов агломерационных машин подвергаются воз-
действию периодически изменяющихся рабочих температур (400 - 800 С). Броневые плиты изготавливают из стали 110Г13Л на ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «ММК». Их стойкость в настоящий момент составляет 3-8 месяцев. Однако сталь 110Г13Л предназначена для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания. При безударном изнашивании ее износостойкость не высока. Броневые плиты желобов агломерационных машин работают в условиях безударного абразивного изнашивания при значительных температурах. В связи с этим применение стали 110Г13Л для изготовления этих изделий нецелесообразно.
В условиях износа, не связанных с большими ударными нагрузками, хорошо зарекомендовали себя белые износостойкие чугуны с высокой исходной твердостью и значительным содержанием упрочняющей фазы.
С развитием современной техники к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам белых износостойких чугунов предъявляются все более высокие требования, что вызывает необходимость постоянного совершенствования их состава, т.к. от этого зависит увеличение срока службы деталей. В этой связи важной является проблема повышения механических и специальных свойств деталей.
6 В настоящее время в литературе представлены результаты многочисленных исследований, посвященных общим закономерностям абразивного изнашивания, разработке новых составов чугунов, предназначенных для работы в различных условиях изнашивания, и технологии их изготовления. Однако ряд проблем в этой области остается не решенным. Недостаточно проработаны вопросы взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости различных легированных чугунов, влияния скорости охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства. Практически отсутствуют систематические данные о специальных свойствах износостойких белых чугунов, таких как окалиностойкость и ростоустойчивость. Отсутствие таких данных не позволяет достаточно обоснованно разрабатывать составы чугунов, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах.
Цель работы заключается в разработке составов износостойких белых чугунов для деталей горно-обогатительного производства, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах, взамен применяемых в настоящее время сталей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Исследование влияния комплексного легирования на особенности формирования структуры белых чугунов.
Исследование свойств комплексно-легированных чугунов и построение математических моделей, отражающих влияние углерода, хрома, ванадия и титана на структуру, механические и специальные (окалиностойкость, ростоустойчивость) свойства, а также влияние параметров микроструктуры на твердость и износостойкость.
3. Исследование влияния скорости охлаждения при затвердевании на
структуру и свойства износостойких белых комплексно-легированных чугунов.
4. Изучение изменений на поверхности трения исследуемых чугунов в про
цессе изнашивания.
Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства износостойких белых комплексно-легированных чугунов.
Оптимизация химических составов износостойких белых комплексно-легированных чугунов для условий абразивного изнашивания.
Опытно-промышленное опробование деталей из новых составов чугунов в производственных условиях.
Научная новизна работы
1. Изучены основные закономерности формирования структуры белых
комплексно-легированных чугунов в зависимости от химического состава и ус
ловий охлаждения при затвердевании.
Установлены взаимосвязи химического состава, структуры, износостойкости, жаростойкости и механических свойств белых комплексно-легированных чугунов.
Разработаны оптимальные составы износостойких белых комплексно-легированных чугунов, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах.
Изучено влияние термической обработки на структуру и свойства оптимизированных составов белых комплексно-легированных чугунов.
Практическая ценность и реализация результатов работы Установлено, что изученные комплексно-легированные чугуны обладают высоким комплексом свойств, обеспечивающим возможность их применения для изготовления деталей горно-обогатительного производства. Разработаны составы хромотитанового чугуна, предназначенного для работы в условиях абразивного изнашивания при температурах до 800 С, и чугуна, легированного хромом, ванадием и титаном, предназначенного для работы в условиях интенсивного абразивного изнашивания при температурах до 600 С, а также режимы их термической обработки.
8 Из разработанного состава чугуна, легированного хромом, ванадием и титаном, изготовлена опытно-промышленная партия броневых плит желобов агломерационных машин. Броневые плиты прошли испытания на агломерационной машине № 8 горно-обогатительного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Срок службы броневых плит из предложенных чугунов в 1,5 - 1,75 раза больше базовых и составил 12-14 месяцев. В настоящее время броневые плиты агломерационных машин из разработанного состава износостойкого белого чугуна внедрены в производство.
Основные результаты, выносимые на защиту
Результаты исследования механических свойств, износостойкости и жаростойкости белых комплексно-легированных чугунов.
Закономерности влияния химического состава и скорости охлаждения при затвердевании на структуру и свойства белых комплексно-легированных чугунов.
Результаты исследования влияния термической обработки на структуру и свойства оптимизированных составов белых комплексно-легированных чугунов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг. (Магнитогорск, 2004 г.), 1-й международной конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века» (Москва, 2005 г.), 8-й международной научно-практической конференции «Наука и образование - 2005» (Днепропетровск, 2005 г.), 4-й межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2005 г.), 9-й научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» (Магнитогорск, 2005 г.), международной научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной 100-летию со дня рождения Г.И. Носова (Магнитогорск, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Процессы
абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Волжский, 2005 г.), 10-й научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» (Магнитогорск, 2006 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка и 4 приложений. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, иллюстрирована 43 рисунками, содержит 38 таблиц, библиографический список включает 109 наименований.
Чугуны, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания
В качестве сплавов, применяемых для изготовления износостойких отливок, широко используют белые чугуны. По характеру микроструктуры и типу карбидов износостойкие чугуны подразделяются натри группы [1, 5, 24]: 1. Перлитные и мартенситные чугуны. Сравнительно мягкая металлическая основа перлитных чугунов снижает их износостойкость. Большей износостойкостью, чем белый перлитный чугун, обладает белый мартенситный чугун типа нихард с содержанием 3 - 5 % никеля и 1,5 - 2,5 % хрома. В литом состоянии нихард имеет мартенситную матрицу с участками бейнита или остаточного аустенита и сложные карбиды железа и хрома. Присутствие хрома в этом сплаве стабилизирует карбид и подавляет графитизацию, повышает твердость карбидов и стабилизирует аустенит. Оптимальное соотношение никеля и хрома в нихарде примерно 3:1. Никель, основной элемент в нихарде, оказывает большое влияние на твердость и прочность металлической основы. При недостаточном количестве никеля в нихарде возможно образование продуктов диффузионного распада аустенита (троостит, перлит), а при избыточном содержании никеля увеличивается количество остаточного аустенита, однако, в обоих случаях происходит снижение износостойкости. Молибден, как и никель, предотвращает образова ниє перлита при охлаждении в форме, но в отличие от никеля не является гра-фитизатором. Для нихарда рекомендуется сравнительно низкое (0,3 - 0,5 %) содержание кремния в связи с его влиянием на устойчивость аустенита. Этот чугун широко распространен в Западной Европе. 2. Белые чугуны с карбидами МС и М7С3 постепенно заменяют чугуны типа нихард благодаря большей износостойкости и вязкости.
В таких чугунах увеличено содержание хрома до 10 % и более, что обусловливает образование в их структуре тригонального карбида (Fe, Сг Сз. При кристаллизации доэвтек тического чугуна эти карбиды располагаются в виде изолированных включений в металлической основе. Микротвердость этих карбидов составляет 12-15 ГПа, что выше микротвердости кварца (10 ГПа). К таким материалам относятся чу гуны марок ИЧ290Х12М, ИЧ300Х16МТ, ИЧ210Х12Г5 и др. Хромомарганцевые износостойкие чугуны с карбидами М7С3 в наибольшей степени удовлетворяют противоречивым требованиям к условиям получения высокой износостойкости и экономичности. Подавление перлитного превращения и высокая прокаливаемость обеспечиваются в этих чугунах за счет введения марганца. Широко применяют хромомарганцевый чугун марок ИЧ210Х12Г5, ИЧ300Х18ГЗ и др. [3, 24]. Ванадиевые и хромованадиевые чугуны имеют в структуре специальные карбиды, которые в сочетании с аустенитом образуют при кристаллизации двойные эвтектики A+VC и A+(Fe,Cr)7C3 и тройную эвтектику A+(Fe,Cr)7C3+VC. Такие чугуны обладают высокой износостойкостью и используются для деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (сухое трение, абразивная среда, высокие статистические и динамические нагрузки) [2, 3]. В настоящее время эти чугуны являются перспективным материалом для отливок специального назначения, эксплуатирующихся в сложных условиях износа. 3. Высокохромистые чугуны с карбидами М7С3 и МгзСб первоначально использовались как жаро- и коррозионно-стойкие. По износостойкости они уступают хромомолибденовым и хромованадиевым чугунам с мартенситной структурой. Тем не менее, хромоникелевый износостойкий чугун ИЧХ28Н2 до настоящего времени очень широко применяется. Можно отметить, что для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания под воздействием нагрузок, наибольший интерес вызывают чугуны, относящиеся ко второй группе, а именно высокохромистые чу-гуны, дополнительно легированные сильными карбидообразующими элементами.
Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов
Построение математических моделей проводилось по стандартным методикам и с использованием стандартных пакетов электронных таблиц программы "EXCEL 2000".
Оптимизация состава нового износостойкого чугуна осуществлялась при помощи метода крутого восхождения (Бокса-Уилсона) [95-97].
Коэффициенты влияния легирующих элементов на свойства чугуна определяли с помощью нейросетевой программы «Модель». 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 (метод множителей Лагранжа) и метод сопряженных градиентов.
Программа «Модель» разработана в Институте биофизики СО РАН (г. Красноярск) и прошла успешное опробование во многих областях науки и техники [98].
Для работы в различных условиях абразивного изнашивания широкое применение в промышленности нашли белые высокохромистые чугуны. Изделия из этих чугунов имеют высокие механические свойства, износостойкость и жаростойкость.
Морфологические особенности микроструктуры высокохромистых износостойких чугунов в значительной степени зависят оттого, какая из карбидных фаз при кристаллизации выделяется из жидкости первой.
Кристаллизация с образованием карбидов типа (Fe, Сг)зС определяется закономерностями роста цементита и формирования ледебурита при эвтектической кристаллизации нелегированного белого чугуна. Механические свойства чугунов с карбидами цементитного типа в значительной степени определяются хрупкостью цементита и тем, что цементит является матричной фазой в леде-буритной колонии [5,99, 100].
Кристаллизация с образованием карбидов типа (Fe, СгЬСз резко меняет структуру чугуна. Карбид (Fe, Сг Сз обладает выраженной анизотропией, поэтому первичный кристалл карбида приобретает форму длинной шестигранной призмы.
Аустенито-хромистокарбидная эвтектика аустенит + (Fe, Сг Сз имеет розеточное строение, причем матричной фазой является аустенит, а разветвленной - карбид [99-101], и её можно рассматривать как естественный композиционный материал. Этими особенностями аустенито-хромистокарбидной эвтектики определяется скачкообразное изменение свойств износостойких белых чугунов, содержащих 10-12 % хрома, по сравнению с низкохромистыми чугунами с эвтектикой ледебуритного типа [5]. Кроме того, твердость карбида (Fe, Сг Сз по сравнению с цементитом более высокая, что также положительно сказывается на износостойкости чугуна.
Для обеспечения высоких жаростойких свойств высокохромистых чугу-нов необходимо, чтобы поверхность отливки была покрыта плотной окисной пленкой, которая образуется при содержании в чугуне 13,0 - 15,0 % хрома. Таким образом, для исследуемых чугунов содержание хрома принимаем в интервале 10,0 - 14,0 %.
Углерод является регулятором количества карбидной фазы чугунов. При большом содержании углерода в высокохромистом чугуне возможно образование заэвтектических карбидов, что отрицательно сказывается на свойствах. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к увеличению содержания карбидной фазы и соответственно обеднению металлической основы чугуна хромом, что, в свою очередь, ведет к снижению износостойкости металлической основы и ухудшению жаростойких свойств высокохромистого чугуна. С другой стороны, недостаток углерода в высокохромистых чугунах приводит к уменьшению количества карбидной фазы, что отрицательно сказывается на износостойкости. Также недостаток углерода способствует образованию феррита в металлической основе, за счет чего снижается износостойкость высокохромистого чугуна. С учетом содержания хрома в исследуемых чугунах количество углерода принимаем равным 2,0 - 2,5 %.
Кроме хрома и углерода целесообразно введение в высокохромистый чугун титана как элемента, повышающего механические свойства. Кроме того, титан способен образовывать высокотвердый карбид TiC (HV = 3200), который, равномерно располагаясь в структуре чугуна, благоприятно влияет на его износостойкость. Также карбид титана оказывает на структуру чугуна модифицирующее воздействие, измельчая структурные составляющие, что повышает износостойкость. Необходимо также учитывать, что титан является сравнительно недорогим и доступным материалом.
Для оптимизации состава чугуна на максимальную износостойкость был спланирован и проведен полный факторный эксперимент типа ПФЭ 23 (табл. С целью изучения влияния скорости охлаждения при затвердевании на структуру и свойства исследуемые образцы заливали в сухую и сырую ПГФ и чугунный кокиль. Для получения каждого из экспериментальных значений проводились по три параллельных опыта. Микроструктуру и свойства чугунов исследовали в литом состоянии.
Металлографический анализ микроструктуры хромотитановых чугунов позволил определить, что все исследуемые составы доэвтектические. Микроструктура состоит из дендритов бывшего аустенита и аустенито-хромистокарбидной эвтектики (рис. 3.1). Также в структуре всех образцов присутствуют дисперсные оксикарбонитриды титана (рис. 3.2).
Благодаря достаточному легированию чугуна хромом была достигнута частичная инверсия микроструктуры чугуна путем замены ледебуритной эвтектики на базе цементита на разветвленную аустенито-хром исто карбидную эвтектику на базе карбида (Cr, Fe C. , что благоприятно сказывается на износостойкости чугунов.
Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства оптимизированного состава хромотитанового чугуна
Оптимизацию составов хромотитановых чугунов для условий абразивного изнашивания корундом проводили с помощью метода крутого восхождения [95, 96, 103]. Для этого использовали математические модели (зависимости износостойкости от химического состава для сухой, сырой ПГФ и кокиля), полученные при проведении ПФЭ. Оптимизацию химических составов проводили по наибольшей износостойкости. Оптимизированный состав получен следующий: 2,2 -2,45 % углерода, 13,8 -14,0 % хрома, 0,4-0,5 % титана. Твердость оптимизированного состава хромотитанового чугуна в литом состоянии составляет 56,5 - 61,8 HRC, износостойкость при изнашивании электрокорундом - 5,6 - 6,45 ед. (см. гл. 5). Для дополнительного повышения твердости и износостойкости отливок из хромотитанового чугуна необходимо увеличить твердость металлической основы за счет увеличения количества мартенсита в структуре основы чугуна в результате правильного выбора режима термической обработки. Оптимизированный состав хромотитанового чугуна подвергали термической обработке, представляющей собой закалку в масло с последующим низким отпуском. Температура нагрева под закалку варьировалась в диапазоне 900 - 1050 С, температура отпуска после закалки в масло составляла 180 - 200 С.
Проведенная термическая обработка позволила повысить твердость чугуна до 60 - 66,5 HRC (в зависимости от скорости охлаждения при затвердевании), т.е. увеличение твердости произошло на 8,0 - 18,0 % (рис 3.8). Также в результате термической обработки произошло увеличение износостойкости при изнашивании электрокорундом оптимизированного состава хромотитанового чугуна до 5,6 - 8,64 ед. Повышение износостойкости составило 6,0 - 30,0 % (рис. 3.9). Рис. 3.9. Зависимость износостойкости чугуна ИЧ230Х14Т, кристаллизовавшегося с различными скоростями, от температуры нагрева под закалку: а - охлаждение в сухой ПГФ; б - охлаждение в сырой ПГФ; в - охлаждение в кокиле Зависимости твердости и износостойкости хромотитанового чугуна от температуры нагрева под закалку представляют собой кривые с максимумом. Восходящие ветви кривых обусловлены возрастанием концентрации углерода в мартенсите вследствие растворения в аустените карбидов, а нисходящие - увеличением количества остаточного аустенита [46, 54]. Увеличение количества остаточного аустенита при закалке с высоких температур происходит вследствие увеличения его легированности из-за растворения карбидов, что повышает устойчивость аустенита и понижает мартенситную точку. Увеличение количества остаточного аустенита приводит к снижению твердости и износостойкости за счет того, что его твердость значительно ниже твердости мартенсита. Кроме того, увеличение твердости и износостойкости хромотитанового чугуна произошло за счет исключения из структурных составляющих продуктов диффузионного распада аустенита. Полученные зависимости твердости и износостойкости от температуры нагрева под закалку наглядно демонстрируют, что наибольших значений твердости и износостойкости можно добиться, если проводить закалку с температуры 950 С. Таким образом, наиболее благоприятным режимом термической обработки оптимизированного состава хромотитанового чугуна является закалка в масло с температуры 950 С. Для снижения напряжений, возникающих в детали в результате закалки, необходимо проводить низкий отпуск при 180 - 200 С. Микроструктура хромотитанового чугуна, термообработанного по такому режиму, приведена на рис. 3.10.
Твердость оптимизированного состава чугуна, закаленного с температуры 950 С, составляет (в зависимости от скорости охлаждения при затвердевании) 65,0 - 66,5 HRC, а износостойкость - 7,71 - 8,64 ед. 1. Легирование хромистых чугунов титаном приводит к образованию высокотвердых карбидов титана TiC, которые оказывают модифицирующее воздействие на микроструктуру, увеличивая дисперсность эвтектики, уменьшая размеры карбидов хрома (Cr,Fe)7C3 и дендритов металлической основы, что обеспечивает получение высокой твердости и износостойкости. 2. Увеличение скорости охлаждения при кристаллизации хромотитановых чугунов (заливка в кокиль) предотвращает распад аустенита в диффузионной области, обеспечивая получение в отливках мартенсито-аустенитной металлической основы. 3. Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава с параметрами микроструктуры, механическими свойствами и износостойкостью хромотитановых чугунов, кристаллизовавшихся с различными скоростями. Также получены коэффициенты весового влияния легирующих элементов на параметры микроструктуры, механические свойства и износостойкость хромотитановых чугунов и коэффициенты влияния параметров микроструктуры на твердость и износостойкость. На основе полученных зависимостей и коэффициентов проведена оптимизация состава и разработан новый состав хромотитанового чугуна при следующем соотношении компонентов: 2,2 -2,45 % углерода, 13,8 - 14,0 % хрома, 0,4-0,5 % титана. 4. В процессе изнашивания хромотитановых чугунов происходит уве личение микротвердости поверхностных слоев, обусловленное как наклепом, возникающим в результате трения, так и превращением метастабильного ау стенита в мартенсит деформации. 5. Проведенные испытания по определению жаростойкости (окалино-стойкости и ростоустойчивости) позволили получить математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава и показателей жаростойкости, и коэффициенты влияния легирующих элементов на показатели жаростойкости. Исследованные хромотитановые чугуны имеют плотную оксидную пленку на поверхности отливок, предотвращающую чугун от дальнейшего окисления под действием высоких температур, и удовлетворяют требованиям ГОСТ по окалиностойкости и ростоустойчивости. 6. Показана возможность дополнительного увеличения твердости и износостойкости хромотитановых чугунов путем термической обработки. Наибольшее увеличение твердости и износостойкости достигается после термической обработки, представляющей собой нагрев до температуры 950 С, охлаждение в масле и последующий отпуск при температуре 180 - 200 С. Твердость оптимизированного состава чугуна, закаленного с температуры 950 С, составляет 65,0 - 66,5 HRC, а износостойкость - 7,71 - 8,64 ед.
Исследование микроструктуры и фазового состава чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном
Металлографическим анализом в исследуемых чугунах выявлено четыре типа структуры. Структура доэвтектических чугунов состоит из дендритов бывшего аустенита и эвтектики, заэвтектических - из первичных карбидов хрома и эвтектики. В структуре эвтектических сплавов присутствуют два вида эв-тектик - двойная, состоящая из аустенита (или продуктов его распада) и карбида хрома, и тройная, состоящая из аустенита, карбида хрома и карбида ванадия. Также во всех образцах присутствуют мелкие и равномерно распределенные комплексные карбиды титана и ванадия - (Ті, V)C [83, 104].
Микроструктуры чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном представлены на рис. 4.1 - 4.4. достаточно большое количество карбидов, в зависимости от состава чугуна от 30 до 50 %, что положительно сказывается на их твердости и износостойкости.
При сравнении микроструктур образцов, залитых в различные типы литейных форм, видно, что дисперсность структурных составляющих возрастает от сухой ПГФ к кокилю, т.е. при увеличении скорости охлаждения. В кокиле процесс кристаллизации идет значительно быстрее в отличии от сухой и сырой ПГФ, поэтому образуется более дисперсная структура и подавляется выделение крупных кристаллов первичных карбидов (рис. 4.5).
Аустенито-хромистокарбидная эвтектика в поперечном сечении имеет форму розетки, а в продольном - веера (строение эвтектики в изломе представлено на рис. 4.6). Это связано с тем, что начальным этапом эвтектической кристаллизации служит образование аустенитного слоя, в междуветвиях которого появляются ответвления карбидных колоний вначале в виде вытянутой розетки, а затем превращаются в слегка расходящийся пучок прутков. Выделений леде-буритоподобной составляющей не наблюдается. У образцов, залитых в сухую ПГФ, эвтектика более разряженная, чем в сырой ПГФ и кокиле, что сказывается на увеличении прочностных показателей образцов, отлитых в сухую ПГФ.
Как показали результаты рентгеноструктурного анализа (табл. П.2.1), металлическая основа чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном, состоит из мартенсита и аустенита, что обеспечивает наибольший уровень износостойкости этих чугунов по корунду [83, 104-106].
При изнашивании чугунов с преимущественно мартенситной структурой основы разрушение поверхности связано с образованием на ней микротрещин, перпендикулярных направлению трения. Наличие аустенита в структуре благоприятно ещё и потому, что замедляет рост трещины и повышает сопротивление разрушению поверхности чугуна [24].
Из результатов металлографического анализа видно, что чугуны с содержанием углерода 2,8 % и хрома 15 % представляют собой доэвтектические сплавы. После завершения кристаллизации в них образуется структура, состоящая из дендритов аустенита и аустенито-хромистокарбидной эвтектики. Внешний вид дендритов аустенита в изломе представлен на рис. 4.7. Кристаллизация сплава эвтектического состава 2,8 % углерода и 20 % хрома начинается с эвтектики А + (Fe, Сг)7Сз и заканчивается образованием тройной эвтектики А + (Fe, Сг)7Сз + (Ті, V)C [2, 39], металлографически эти эвтектики почти неразличимы.
С увеличением содержания хрома до 20 % и углерода до 3,4 % структура чугуна становится заэвтектической, в эвтектике появляются крупные первичные карбиды (Cr, Fe)7C3 размером до 126 мкм, которые растрескиваются при изнашивании, выкрашиваются и увеличивают износ. Пороговое значение размеров карбидов 7-8 мкм (увеличение размеров карбидов от 8 мкм и крупнее отрицательно сказывается на износостойкости) связано с локализацией напряжений в объеме карбидного включения при воздействии абразивных частиц, приводящей к образованию трещины в карбиде с последующим выкрашиванием и быстрым износом поверхности детали [5].
Оценка микроструктуры, измерения микротвердости, гранулометрический анализ включений карбида хрома, измерения объёмной доли эвтектической составляющей микроструктуры и межчастичного расстояния опытных образцов в литом состоянии проводились на травленых микрошлифах. Гранулометрический анализ комплексного карбида ванадия и титана осуществлялся на нетравленых микрошлифах, рентгеноструктурный анализ - на специально приготовленных для этого образцах. Результаты проведенных исследований приведены в прил. 2 (табл. П.2.1 - П.2.6).
По данным рентгеноструктурного анализа количество мартенсита в металлической основе составляет 25 - 85 %, аустенита - 15 - 75 % (см. табл. П.2.1). Ввиду того, что количество фаз зависит от химического состава и скорости охлаждения при затвердевании, в разных типах форм содержание этих фаз меняется, что сказывается на изменении свойств чугуна [99, 104-106].
Количество аустенита в металлической основе чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном, возрастает с увеличением скорости охлаждения отливок, в связи с ростом напряжений в отливках, происходящем при увеличении скорости охлаждения и снижению мартенситнои точки, что препятствует протеканию мартенсито-аустенитного превращения.
При сравнении данных рентгеноструктурного анализа со значениями износостойкости чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном (табл. 4.4), видно, что максимальными значениями износостойкости обладают образцы, отлитые в сырую ПГФ. Содержание аустенита в металлической основе этих чугунов составляет 25-35 %. Минимальный уровень износостойкости - у образцов, отлитых в кокиль. Содержание аустенита в металлической основе этих чугунов - 35-45 %. При большом содержании аустенита из-за его пластичности и малой прочности появляются значительные деформации поверхностного слоя, происходит разрушение малопластичных карбидов и, следовательно, снижение износостойкости.
Микротвердость металлической основы чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном составляет 5200 - 9200 МПа, микротвердость эвтектики -6300 - 12700 МПа, микротвердость карбидной фазы - 12500 - 16900 МПа (см. табл. П.2.2). Значения микротвердости подтверждают данные рентгеноструктурного анализа, о том, что карбидная фаза чугунов, легированных хромом, ванадием и титаном состоит из карбида хрома (Сг, їїе Сз, а металлическая основа - из мартенсита и аустенита.
