автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Формирование структуры заэвтектических хромистых чугунов при ускоренном охлаждении и повышение служебных свойств износостойких отливок

- 3 МАР" 1597

На правах рукописи

тынг сини

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ ХРОМИСТЫХ ЧУГЭТЮВ ПРИ УСКОРЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ И ПОВЫШЕНИЕ. СОТЕННЫХ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ ОТЛИВОК

Специальность 05. ТО. 04 "Литайноо производство"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном институте стаж и сплавов ( технологическом университете ).

Научный руководитель доктор технических наук.профессор Л-М.РОМАНОВ

Официальные оппоненты.-

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

В. С. Шуляк

В. Л. Коган

Ведущее предприятие; НИИПТуглемаш

Защита диссертации состоится -¿О " ФЗ" 1997 г.

на заседании диссертационного совета К-05Э. 08. 01 в Московском государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936. Москва. ГСП-1. Ленинский пр. .дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов-

Автореферат разослан " 0199/г-Справки по телефону: Й37-84-45

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук профессор

и.ф. КУРУНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность- Пзрспективы экономического-роста королевства Камбол^са связаны о созданием технической базы дан строительной индустрии, топливно-энергетическогсг''и освоением рудных мэсторовдэ-ний в северо-западиопс провинциях страны.

Эффективная работа тохншг в условиях интенсивного абразивного взноса достигается за счет широкого применения литых наделяй из сплавов на основе системы Ге-сг-с .

Значительные резервы повышения служебных свойств этих отливок имеются на пути увеличения в йх структуре разветвленных, прочно

связанных с металлической основой . карбидов м7с3 эвтектического *

типа ■ Однако достичь этого за счет легирования хромом или дополнительного'введения углерода не удается из - за появления, в струн, туре сплавов первичных карбидов м^ , игольчатой формы.

Хромистые чугуны относятся к сплавам с аномальным типом эвте-ктик . критерий Джексона для которых существенно выше 2 (Дж=4.2). Это означает, что развитие переохл-ядеяий при кристаллизации мокет вызвать положительные изменения в морфологическом строении карбидной фазы и существенно повысить их износостойкость-

Развитие переохлаждений зависит от условий теплоотвода в форма. а также от подготовки металлических расплавов а кристаллизации.

Сочетание физико-химических и тепло-физических методов воздействия на жидкие и кристаллизующиеся хромистые чугуны.открывает перспективы создания технологий производства литых изделий с повышенной износостойкостью.

Актуальность работы подтверждается тем;что значительный объем исследований выполнен в рамках тематик единого наряда - заказа и грантов по фундаментальным исследованиям в области строения метал-

лических и шлаковых расплавов Министерства образования и профес- ■ сновальной подготовки РФ. ,

Цель работы. Развитие теоретических представлений о морфологических осооенности роста карбидных включений при кристаллизации заэвтектичеысих хромистых чугунов в условиях ускоренного охлажде--. ния. разработка на этой основе подходов к созданию технологии производства отливок с повышенной износостойкостью.

Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: развитие существующих представлений о закономерностях формирования карбидов типа м7с3 при кристаллизации сплавов на основе системы Ге-сг-с в условиях ускоренного тешюот-вода; экспериментальное изучение влияния легирующих элементов, примесей и скорости охлаждения на формирование структуры хромистых чугунов ; исследование воздействия перегревов на характер затвердевания и структуру хромистых чугунов в различных условиях тепло-отво'да ; разработка и опробование технологии получения износостойких отливок с повышенным ( Солее <о %об. ) содержанием кароидов эвтектического типа.

Научная новизна. Развиты теоретические представления, раскрывающие механизмы образования аномальных эвтектических структур в отливках из хромистых чугунов заэвтектических составов, формирующихся под воздействием ускоренного охлаждения, перегревов, легирующих элементов п модификаторов.

Выявлена взаимосвязь между размерами, количеством, морфологией первичных кароидов хрома типа м^ и скоростью охлаждетия кристаллизующихся чугунов. Показано . что при скоростях охлаждения около г к/с и выше в структуре сплавов наряду с включениями стержневой формы появляются колонии кароидов дендритного типа • Строение колоний определяются особенностями дендритного роста тригонального

• - 5 -

колоний определяются особенностями дендритного роста тригонального карбида м7сз • — -- - - -- _ ■ -

Существенное влмше на количество выделений аномальных эв -тектик а дисперсность отдельных клрбилов оказывают легирующие элементы и примеси,изменяющие интервал кристаллизации чугунов- Показано. что в условиях ускоренного тёплоотвода, характер воздействия легирующих элементов на структуру заэвтектических тромистыг чугунов принципиально не изменяется . Добавкй Оора . ванадия ". меди увеличивающий/ температурный Интервал' крпстажшапян; сплавов, затрудняют трансформацию формы карбидов хрома . ' Совместное или раздельное легирование молибденом и ниобием существенно облегчает переход к эвтектическим структурам

Уточнен механизм негативного влияния на износостойкость заэвтектических чугунов первичных карбидов хрома при формировании от -.Шок в-условиях медленного тёплоотвода ■ Выделение значительной части карбидной фазы, образующейся в процессе эвтектического превращения. на первичных включениях м?с3 вызывает увеличение участков незащищенной металлической основы.

Экспериментально изучены особенности поведения азота в хромистых чугунах различной эвтектичности. Показан неоднозначный характер влияния его на структуру- чугунов с различным содержанием хрома и степенщоэвтектичности. Получены количественные оценки воздействия азота на углеродный эквивалент чугунов.

Важную роль- в процессах зароздепия и формирования кароидяой фазы играют кислород, азот и образуемые ими неметаллические включения. Твердые нашим неметаллические включения алюминия, титана и хрома . активно зарождают карбиды хрома . а возникающие при раскислении оксидные плены могут заметно менять морфологию, {размеры карбидов типа м су

Практическая значимость.

Разработаны подхода к созданию технологии получения особо износостойких отливок, содержащих в структуре свыше лоу. карбидов типа м^з из хромистых заэвтектических чугунов .

Сформулированы требования к составам сплавов и условиям охлаждения. позволяющие избежать повышенной хрупкости отливок из-за выделения хромистого ледебурита.

Показана целесообразность использования в процессе подготовки заэвтектических хромистых чугунов к кристаллизации высокотемпературных перегревов и раскисление элементами . формирующими жидкие или стеклообразные оксидные включения.

Выявлены количественные зависимости, позволяющие прогнозировать структуру отливок из заэвтектических хромистых чугунов в зависимости от скорости охлаждения, а также определять оптимальные добавки молибдена и ниобия для получения структур эвтектического типа при умеренных скоростях охлаждения порядка 1-ю к/с .'

Публикации. По материалам диссертации опубликовано г работы-

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения.з глав . е выводов, библиографического списка из иэ наименований. - приложений и содержит страниц машинописного текста . во иллюстраций. и таблиц -

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили хромистые чугуны. содержащие 1,6-5.8 % с . 12-34 % сг и 0.3-1,5 % которые дополнительно легировали ванадием, медью, молибденом, бором, азотом и ниобием. Выплавку чугунов осуществляли в открытой индукционной печи с магнезитовой футеровкой, а также в печи ТВВ-4 в атмосфере■гелия.

Параметры кристаллизации сплавов исследовали на установке дифференциального термического ант теза кафедры технологии литейных процессов МИСиС. позволяющей фиксировать разность температур между эталоном и образцом менее 0.04 °С. Скорость'охлаждения исследуемых образцов составляла -0.1 К>с . а их масса - 18-20 г.

Скорость охлаждения - сплавов в диапазоне от 0.1 до 2-2.5 К/с меняли путем управления мощностью печи ТВВ-4 по. заданной программе. Для реализации более высоких скоростей охлаждения чутуш заливали в песчаноглшгстне формы и медные массивные кокили высотой НО мм с отверстиями различного диаметра 6 - 32 мм. Перед заливкой в цетр формы устанавливала разовую термопару ВР 5^20. сигнал от которой записывали . на быстродействующем потенциометре Температура заливки составляла 1400 - 1450 °С .

Состав сплавов определяли с помощью химического и спектрального методов анализа. Содержание азота, кислорода и углерода контролировали на приборах фирмы 1.есо.

Структуру сплавов исследовали на микроскопе нвого!-гэ. а также на установках Л5М-35 И СатэЬах

Сравнительные испытания на износ проводили методом чашечного шлифования во влажном песке . а также в условиях сухого .трения о корундовую шкурку. Относительную абразивную стойкость к1 оценивали по отношению потери объемов эталона (Ст 3) и образца.

Было проведено несколько серий экспериментов.

В первой серии оиытов исследовали изменения структуры в хромистых чугунах. вызываемые ■ ускоренным теплоотводом в форме.

Вторая серия опытов включала изучение структуры сплавов легированных ниобием и молибденом.

Исследованию воздействия примесных элементов на особенности роста карбидов хрома и металлическую основу чутунов поовященя ,тро-

- в -

тья серия опытов.

В четвертой- исследовали влияние перегревов на условия перехода от стержневой к дендритной форме роста карбидов типа м7с3.

Пятая серия опытов была напралена. на реализацию комплексной технологии получения износостойких отливок из заэвтектических хромистых чугунов.

Термодинамические расчеты и обработку экспериментальных данных осуществляли на персональных компьютерах с использованием стандартных и специально разработанных пакетов прикладных программ-

I. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ ЧУГУНОВ В УСЛОВИЯ! УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается с образования карбидов хрома--

1/3 Сг7Сзтв = 7/ЗГСг1+ССЗ С 1 5

ив асрЭ* аС/аСг7С " "7170/"г + 7-38 саз

Помимо хрома в реакции участие принимает железо, а также ряд других элементов, способных замещать атомы сг и с с V , N. в, мп и др. С учетом данного обстоятельства темература ликвидус и интервал выделения первичных карбидов МуС3 {рис. I ) оказывается функцией не только активностей грома и углерода, но и фактического состава карбида, или иными-словами активности сг?с3 .

Поскольку ликвидус заэвтектического чугуна соответствует температуре равновесия реакции сп , то темп кристаллизации и интенсивность- тепловыделения при малых переохлаждениях оказываются ве-

сьма низкими- Это создает предпосылки для инициирования глубоких переохлаждений в. заовтектическЕ-чугунах :эа' счет' интенсификации теплоотвода в форме, приводящих к измельчению и изменению морфологии первичных карбидов.

Реальная картина структурных изменений оказалась сложнее. С увеличением скорости охлаждения и происходит уменьшение среднего размера о и объемной доли к ( % > первичных карбидов хрома- . Количественно эти изменения отражают слэдуюшле зависимости У

К = С.СЕ - 4.27 Э*С 32 - 12 5 С 3 3

ьеа = ьвао - о.те - о.за ьес и 1 . с л э

, где. се-углеродный эквивалент чугуна; <зо-средний размер кар- , Оидов при и= о,1 К^с.

согласно уравнению < з э охлаядаше эаовтектйчёских хромистых чугунов со скоростями свыше 4оо кус позволяет полностью подавить появление в структуре сплавов первичных карбидов м^.

Если уменьшение размеров перьлчных карбидов при увеличении скорости охлаждения происходит в соответствии с известной степенной зависимостью . то изменение объемной доли карбидов при относительно невысоких значениях и . которых явно недостаточны дая - • смещения кристаллизации 6 область выделения эвтэктик. потребовало " проведения более детального изучения.

Объемная доля к карбидов типа «7с3 в хромистых чугунах может быть найдена с помощью соотношения Маратрея:

К= 12. 33**5«С->-0. 55**?*Сг - 13. 2 С 3 3

Зная концентрацию углерода в чугуне чс л и в эвтектике

помощью соотношения с з э нетрудно рассчитать объемную долю первичных карбидов к3 :

Vе 12. зз*сисо0 - Св)'

Фактические значения к3 для заэвтектических чугунов ,охлажденных со скоростями 0,1-1.0 К/с. в 1.2- 1.5 раза больше рассчет-еых - Причиной расхождения данных является значительное развитие реакции с 1 э на границе раздела первичный карбид - расплав в температурном интервале выделения эвтектики. В результате этого увеличиваются размеры и объемная доля первичных карбидов хрома . а коли1: тство эвтег-ики уменьшается . Одновременно происходит- увеличение участков незащищенной металлической основы, что вызывает снижение износостойкости сплавов. Охлаждение со скоростями более. О.5 К/с позволяет в значительной мере исключить негативное воздействие данного фактора .

При скоростях охлаждения 2 Ю-*с и более в структуре заэвтекти-ческих чугунов возникают карбидные колонии (рис. 2 ). Они имеют форму равносторонних или равнобедренных треугольников . внутри которых присутствуют регулярно расположение отдельных карбида. Средние размеры колоний (треугольников) и. входящих в них карбидов, в чугунах с 18% сг и 3.7-4,0 % с при и = г к/с составляют 20 - 60 мкм. а мелких включений 4-8 мкм . С повышением концентрации углерода и. расширением температурного интервала кристаллизации отмечается тенденция к . увеличению размеров формирующих колонии карбидов. "

Более детальные исследования структуры сплавов, охлажденных со скоростями 2-40 к/с позволили обнаружить карбиды оаэвтектичео-кого происхождения, которые наряду с основным направлением роста вдоль оси <с> давали боковые ответвления по осям <а> и <ь>, раьпо-

ложенным в элементарной ячейке м?с3 под углом 60° друг к другу. Это позволяет- связать появление човых структурных образований с переходом от стержневой к дендритной форме роста; трагоналыгсго карбида хрома из-за усиления переохлаждений.

С увеличением скорости•охлаждения наблйдается постепенное возрастание объемной доли колоний аномальной эвтектики, их диспергирование и. соответственно уменьшение количества изолированных карбидных включений стержневой Форш. • ■ ■......1

Полученные ■ результаты позволили выявит^ механизмы изменения и

\

установить количественные зависимости , с помощью которых можно прогнозировать литую структзфу хромистых чугунов заовтектических хромистых чугунов при ускоренном охлаждении.

2. влияние легирующих элементов па структуру заэвтектических хромистых чугунов

Рассматривая легирование как способ управления структурой за-эвтектических чугунов . можно выделить группу элементов ( Мо, №>, Та, ш", V ), добавки которых сужают температурный интервал и, следовательно, сокращают время роста первичных карбидов хрома- В ряде случаев возможно достичь полного исчезновения включений М^Сд стержневой формы. - "

Однако часть элементов весьма активно образует -собственные карбида в расплаве. , члэ ограничивает возможности ы использования для улучшения структуры заэвтктических чугунов. Как показывают термодинамические расчеты, реальный эффект можно ожидать от легирования мо, мь которые способны существенно, снизить температуру равновесия реакции с 1 5 приблизив ее к началу эвтектического превращения . '

X 200

Рис.1

Карбидные колонии . в структура заэвтоктических чугунов, охлажденных со скоростью 2 К/с

Рис. 2

В условиях ускоренного охлаждения характер влияния легирующих элементов н& структуру заэзтектических чугунов принципиально не меняется ( рис.3). Увеличение содержания Сора, ванадия и меди, заметно расширяющих шхтарвал кристаллизации сплавов, приводит к возрастанию объемной доли зазвтектическиг включений М7С3 стержневой д.'рмы . Введение молибдена и ниобия- напротив препятствует образованию первичных карбидов хрома. Обработка экспериментальных данных позволила установить связь менду углеродными эквивалентами чугунов. скоростями охлаждения и минимальными добавками ниобия и молибдена, которые обеспечивают получение отливок с эвтектическими структурами--

'[Х№Ж>,Э*ХМо I = С СЕ - 4,27 5*С 7.3 - 2,7 Ь«Си+13] С 7 5

Согласно приведенной зависимости дои подавления первичных карбидов. Ме?сэ при повышенных скоростях охлаждения требуется существенно меньяее количество ниобия . чем в условиях ра! овесной кристаллизации. Например, при охлаждении со скоростью 50 Кус в чугун с с 18 % сг .имеющего се=4.65% достаточно ввести около 1% № вместо 2,6% . предсказываемых термодинамическими расчэтами. Важным в давно!. случае является то , что дооавки мь и мо меняют не только термодинамические ", но и кинетические условия, формирования карбидов хрома.

Вместе с . тем. легирование позволяет примерно, на порядок снизить скорости охлаждения, необходимые для получения структур эвтектического типа.

Следует отметить, что повыдаяие интенсивности теплоотвода позволяет предотвратить их появление и, таким образом расширить верхний концентрационный диапазон нь до 2,5 - 2.7% , обеспечивающий

улучшение морфологии карбидов в зазвтактических хромистых чугунах. р тех случаях, когда расчетное значение концентрации ниобия превышает указанные пределы, можно использовать частичную зквивалент-

{ ■

ную замену его молибденом-

Полученные результаты свидетельствуют о том. что разработка эффективной технологии получения износостойких отливок предполагает сочетание воздействий на термодинамические и кинетические условия формирования включений первичных карбидов хрома -

3. влияние азота и кислорода на структуру

' хромистых чушюв

I

Существенное влияние на развитие переохлаждений в сплавах оказывают примесные элементы, присутствующие как в растворенном, так и связайном состоянии.

В процессе плавки и заливки хромистые чугуны постоянно взаимодействуют с воздухом, что не исключает перехода в сплавы, азота, а также окисления хрома, кремния и других легирующих элементов.

Как показали металлографические исследования на оксидных, ни-тридных и карбонитридных включениях происходит зарождение заэвтек-ттескшх карбидов М^Сд . Поэтому их присутствие в жидких чугунах препятствует развитию переохлаждений . необходимых дня улучшения структуры отливок .

Сопоставление результатов расчетов температур равновесия реакции

3/4 Сгэ04ТВ- + ссз « 3/4[Сг1+СО; ЬвКр=-11520/Т + 7.84 С 8 3

и температур начала образования карбидов позволило выявить ряд

осойенностей ^"ЧВ'Щ . В чугунах. содержащих свыше 20% сг, образование карбидов начинается.после связывания,кислорода в оксиды хрома", которые можно обнаружить внутри и на поверхности карбидов М7С3. Присутствие этих частиц с высокой микротвердостью (бслзз ) создает дополнительные очаги, разрушения карбидов и негативно отражается на износостойкости отливок. .....

В чугунах с меньшим содержанием хрома восстановление сг3о4 растворенным углеродом может начинаться до начала или в процессе кристаллизации, что с одной стороны снижае.т загрязненность сплавов. а с другой- требует проведения раскисления. С этой целью использовали добавки алюминия, титана, церия, лантана и силшсоцир-кония. Полученные результаты показывают, что для улучшения связи карбидов с металлической основой . снижения вероятности их разрушения. а также для создания переохлаждений в заэвтектических чугунах особое внимание следует уделить.формированию продуктов раскисления" и удалению их из расплавов-

Отрицательные результаты были получены при использовании А1 и

Т1. Оба элемента образовывали компактные включения и плены, изолирующие карбиды от металлической основы-

Наиболее оптимальным для создания переохлаждений представляется наличие в кристаллизующихся чугунах гадких или аморфных оксидных включч-лий. которые возникали при использовании сильных раски-

слителей РЭМ и 2г. Добавки их в количествах 0,05-0.10 % по расчету

• : - * '

обеспечивали эффективную очистку сплавов и стимулировали появление набольших переохлаждений ( 5-12 К ) при кристаллизации заэвтектических чугунов.

Таким образом использование высокоактивных элементов для нейтрализации кислорода и изменения свойств оксидных включений можно рассматривать как один из дополнительных подходов к созданию уело-

вий. способствующих улучшению морфологии карбидной фазы в заэвтек- > тических хромистых чугунах-

Азот сильно повышает активность углерода в сплавах железа, изменяет свойства металлической основы, участвует в образовании фаз внедрения. Естественно, что влияние азота должно зависить от его концентрации в сплаве. Поэтому важный практический интерес представляет оценка максимального содержания его в жидких хромистых чугунах. Для определения растворимости азота использовали известное соотношение Чипмена-Коррдоана. Растворимость азота в сплавах с 10- -35 * сг и 1.8-5.0 у. с расчитывали при температурах 1300-1500 °С. ■

В сшивах для отливок . работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа, которые содержат примерно 2.0-3.6 Ж С и от 10 до 20 % сг растворимость азота не превышает. 0.3 % ■ В кор-розионностойких чугунах с 25'Ж сг и более азот можно рассматривать как легирующий элемент, поскольку его растворимость становиться весьма существенной- Результаты расчетов были подтверждены данными экспериментов . в которых образцы чугуна массой 0.2 -0.3 г, содержащего 22.4 X сг и 2.4 % с"обдували в потоке смесей аргона с азотом на установке "взвешенной капли".

! Увеличение концентрации азота от 0.06 до 0.34 % в чугунах фе-рритного класса о 23- 30% сг и 1.79-1.90 % с приводит к появлению в их структуре аустенита. Металлическая основа сплавов, содержащих свыше 0.3 % азота, становится чисто аустенитной.. В чугунах с 18-25Ж сг и Я.8-3.6Ж с присутствие 0.10-0.30 % N заметно увеличивало их эвтектичности- -Это позволило оценить влияние азота на углеродный эквивалент в хромистых чугунов. Для первой группы сплавов его значение близко к 4 . а для второй- около 1.

В составе ряда хромистых чугунов и легированного лома может

присутствовать титан, активно взаимодействующий с растворенным азотом. Выполненные термодщсмические расчеты показала. что при содержании азота и титана на уровне сотых долей процента выделение т1м может происходить до начала кристаллизации заэвтектических чу-гунов. Это является крайне нежелательным при формировании отливок со структурой аномальных эвтектик . поскольку на включениях нитридов активно зарождаются включения М^Сд . Поэтому технология подго-тоьки расплавов к кристаллизации должна предусматривать возможно более полное- удаление азота. . ■ ■

4. ПОЛУЧЕНИЕ ОТЛИВОК С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ

Технология получения отливок с повышенной износостойкостью из заэвтектических чугунов должна обеспечивать максимальные переохлаждения при возможно, меньшей интенсивности теплоотвода в-форме. -Для этого необходимо предусмотреть удаление или дезактивацию центров зарождения кароидов. сокращение интервалов кристаллизации сплавов за счет правильного выбора составов сплавов-

Таким образом, важной задачей технологии является гомогенизация и рафинирование расплавов от нежелательных примесей . решить которую позволяет использование высокотемпературных перегревов до

1600 °С и выше. ...........--......-

Оценочные термодинамические расчеты показывают, что в данной, области температур растворенный в чутунах углерод может частично

восстанавливать оксида ряда наиболее сильных раскислителей. вклю-

/

чая оксида алюминия, циркония и РЗМ- В частности, таким способом можно полупить содержание в хромистых чугунах .свыше 0.05 % растворенных.. РЗМ либо 2г, обеспечив их равномерное в объеме расплава. При,этом улучшается'морфология неметаллических фаз и включе-

еий . усиливаются переохлаждения сплавов . Повышение температуры снижает растворимость азота в высокохромистых расплавах железа, а развитие реакции ( в ) позволяет удалить значительную часть его

I ■ •

вместе с со .

Применение высокотемпературной обработки расплавов в сочетании с предварительным раскислением позволяет реализовать переход к структурам эвтектического типа ( рис. 4 ) при скоростях охлаждения 40-50 к--с вместо 100-200 кус, если не принимать специальных мер по подготовке расплавов к кристаллизации- Это является следствием повышения чистотч расплавов и дезактивации значительного количества центров зарождения карбидов хрома (см- таблицу).

В процессе высокотемпературной подготовки из расплавов удалялось 0.3-0.4 % углерода, что позволило заметно понизить содержание в них азота. Остаточное содержание в чугунах раскислителей было на уровне 0.005-0. ОЙО % .

В ряду проблем повышения служебных свойств отливок, из хромистых чугунов стоит получение карбидов требуемого типа. В соответствии с диаграммой ке-сг-с кристаллизация заэвтектических чугунов может заканчиваться появлением нежелательных карбидов цементитно-го тица- Ускоренное охлаждение в данном случае выступает в качестве фактора, провоцирующего их образование. Избежать этого можно одновременным повышением концентрации углерода и хрома, а также легированием элементами, формирующими фазы внедрения типа мс или м2с . к числу последних относятся мо и ль , добавки которых, как отмечалось выше, позволяют заметно снизить скорости охлаждения, необходимые для улучшения литой структуры чугунов.

.Для уточнения соотношения между хромом и углеродом были взяты две группы сплавов с 18 %Сг и 4.2-4.4Ж с . а также с 2856 сг и 4.6-4.8% с . которые легировали ниобием и молибденом.

„ Таблица

Содержание азота и кислорода в хромистых чугунах

N N Ц. П. Содержание легирующих см » примесей с Я *юэз Прймеч.

Сг - с Но ыь Се Ьа а- о N

М 1*4«

1. ЭО,1 Э. 00 О, . л - ■• - - 60/43' во .

17,3 3,94 О, .8 - - - 0/3 ез

3. 17.4 3.73 0, • в - - - 8/9 58

4. 27,6 3.70 о, .в - - - - 33/24 120

3. 22,0 3.94 0, ,9 - - - - 14 /Я 30

в. 18,1 4,42 1, ,3 2.0 3 - - 1/0.8 2в ВТОР

7. 27, в 4,40 4, ,3 1 .в 20 - - 2/2 . Зв ВТОР

8. 17,3 3,90 0, .в 2.3 - <11° - 0,в/0.в 24 ВТОР

3. 17,7 3,80 1 , .2 2,1 20 - 1/0.3 18 ВТОР

10. 17,2 3,70 2, 0 1.9 - <10 - 1,2/1 22 ВТОР

12. 17.9 4,00 1 , 8 1 .7 - - 19 0,0/0,6 30 ВТОР

13. 28.1 4.20 4, .3 1 .в - - 20 1 ,0/1 ,4 40 ВТОР

14. 27.8 4. 40 4, ,2 1 .8 20 - - 0,8/0,3 22 ВТОР

* - фактическая концентрация кислорода; «« - равновесная концентрация кислорода.

Влияние легирующих элементов размер заэвтектических включений МуСд в чугуне с 18 % Сг и 3,7-3,8 % С

d ,ШШ

150 100

50

0 40 80 120 и, К/МИН.

Рис.3

I- исходный сплав; 2- 0,2 % В, 3 - 4 % V .

Влияние скорости охлаждения и перегревов на объемную долю аномальной эвтектики в структуре чугунов С 17-18 5Н> и 3,8-4,0 ЖС

M^Cß f ж

/ / 1 1

1 1 1/

t 1 1 I 1

2 У // I

-10 I 2 3 LgUtR/C Рис. 4

I- без перегрева; 2- перегрев до 1650-1700 °С .

После переплава, объемная доля карбидов типа м^ в литых образцах составила 42-46Ж и 52-56 % соответственно .

Применение комплексной технологии . включающей высокотемпературную обработку и раскисление, раздельное и совместное легирование заэвтектических хромистых чугунов"ниобием'и молибденом позволяло сформировать оптимальные в условиях износа структуры овтсктичоско-го типа при скоростях охлаждения 2-2.5 к^с, реализуемых при лйтье в песчаииые я керэдческцо форш, Лтенспвность износа' оштшх' образцов оказалась в пределах 4.з-з,9ххо"3кг'Тлг«с . что соответствует уровню относительной абразивной стойкости 10-25 .

Таким образом, в результате выполненных исследований созданы предпосылки для создания реальной технологии, производства.отливок из зазвтектических хромистых чугунов. которые по уровню абразивной стойкости существенно превосходят лучшие.мировые аналоги, применяемо в промышленности-

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены закономерности формирования структуры хромистых чугунов заовтоктических составов в условиях ускоренного охлаждения, позволившие наметить пути создания технологии получения особо износостойких отливок .содержащих в структуре свыше ео ч карбидов .

2. Установлено, что развитие переохлаждений при кристаллизации хромистых чугунов позволяет реализовать переход от стержневой к дендритной форме роста первичных карбидов хрома типа м7с3 и сформировать аномальные эвтектические структуры, являющиеся оптимальными для отливок, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.

3 Исследованы особенности дендритного роста карбидов пер-

вичных карбидов м?с3 и строения аномальных эвтектических структур в заэвтектических чугунах. Переход от - стержневой к дендритной форме роста карбидов м?с3 реализуется при скоростях охлаждения свыше г к/с.

4. Показано . что минимальные скорости охлаздения. вызывающие смену формы роста карбидов м7сэ , а также обеспечивающие полный переход к эвтектическим структурам зависят от составов чугунов и подготовки расплавов к кристаллизации. Легирующие элементы и примеси V, тх. в , N. о,увеличивающие интервал1 кристаллизации заэвтектических хромистых чугунов и формирующие в расплавах твердые неметаллические включения, затрудняют реализацию дендритной формы.роста карбидов м7с3 . в то время, как введение мо и нь. понижающих температуры ликвидус сплавов, существенно облегчают ее возникновение.

I

Б. Получены количественные зависимости .позволяющие прогнозировать структуру заэвтектических хромистых чугунов в зависимости от скорости охлаждения, а также определять оптимальные добавки в них мо и иь .

6. Выявлены особенности поведения азоТа в хромистых чугунах до а заэвтектических составов. Показано . что неконтролируемое насыщение азотом, а также образование нитридных и карбонитридных включений, служащих подложками для зарождения карбидов типа м7сэ .препятствуют улучшению морфологии последних •

7. Положительное влияние на развитие переохлаждений при ускоренной кристаллизации заэвтектических чугунов и морфологию карбидов м7с3 оказывают перегревы расплавов до температур 1боо°с и выше в сочетании с глубоким раскислением, малыми

добавками РЗМ и 2г. 8. Применение высокотемпературной обработки расплавов заэа-

воляет снизить до 2 К/с минимальную скорость охлаждения, необходимую для получения аномальных эвтектических структур .обеспечивающих существенное повышение износостойкости отливок.

9. Показало, что использование высокотемпературной подготовка расплавов к кристаллизации в сочетании с ускоренным охлаждением в форме позволяют получать отливки из хромистых за-эвтектических чугунов с уровнем относительной абразивной стойкостью в 1.5 раза большей ; чем из сплавов на основе системы Рв-сг-с применяемых в промышлености •

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I- С. Тынг, Л.М.Романов. Л.Я.Козлов Влияние скорости охлаждения на формирование структуры заэвтектических хромистых чу-гунов Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1995. N 6 .

2. С.Тынг. Л.М.Романов. Л.Я.Козлов Влияние ниобия на формирование структуры заэвтектических хромистых чугунов при ускоренном

охлаждении Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1995. N 7 .

тектичеиши хромистых чугунов о легированием

Подписано в печать № заказа

Ус. нздат. листов Тираж ЮО

Московский институт стали и сплавов 117936, Москва, Ленинский проспект, 4

Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе 8/9