Установление регрессионной зависимости содержания хрома в металлической основе от химического состава C-Fe-Cr-Mn-Ni чугуна. Оценка содержания легирующих элементов для чугунов, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде.
При помощи метода математического планирования эксперимента установлены регрессионные зависимости, описывающие содержание хрома в металлической основе от химического состава C-Fe-Cr-Mn-Ni чугуна. Рекомендовано оптимальное содержание легирующих элементов для чугунов работающих в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионной среде.Содержание хрома в металлической основе определяет коррозионные свойства этих сплавов. Влияние легирующих элементов определяется в зависимости от их влияния на растворимостьуглерода ваустенитеина процессыкар-бидообразования. Поэтому изучение особеннос-тейлегирования белыхчугунов, с цельюоптимизации химического состава сплавов является актуальной задачей имеющей практическую ценность. Хром, связанный в карбиды, не участвует в повыше-нииантикоррозионных свойств. Никель, с одной стороны является аустенитообразующим элементом, с другой стороны снижает растворимость углерода в аустените, что приводит к увеличению количества карбидов хрома и соответственно к снижению содержанияхрома в твердом растворе.Для деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионных средах, может быть рекомендован чугун, имеющий содержа-ниехромавметаллическойосновенеменее 13 %,следу-ющегосостава: 2,9…3,3 % С; 3,5…5,4 % Mn;1,5…2,5 % Ni и 23…26 %Cr. Влияние марганца на процессы структурообразования износостойких высокохромистых чугунов / Волчок И. П., Нетребко В. В. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron /Belikov S.,Volchok I., Netrebko V. Основы металлографии чугуна / Бунин К. П., МАЛИНОЧКАЯ. Н., Таран Ю. Н. Рекомендовано оптимальний вміст легованих елементів для чавунів, які працють в умовах гідроабразивного зношування в корозійному середовищі.
Введение
Многие детали оборудования горнодобывающей и металлургическойпромышленности (насосы, запорная арматура, трубопроводыидругиемеханизмы) работа-ютвусловияхгидроабразивногоизнашивания вкорро-зионныхсредах. Большаядоляэтихдеталейизготавли-вается из легированных белых чугунов типа C-Fe-Cr-Mn-Ni. Содержание хрома в металлической основе определяет коррозионные свойства этих сплавов. Ос-новноевлияние насодержаниехрома вметаллической основе оказывает углерод. Влияние легирующих элементов определяется в зависимости от их влияния на растворимостьуглерода ваустенитеина процессыкар-бидообразования. Вработах К. П. Бунина, Я. Н. Мали-НОЧКИИЮ. Н. Таранаотмечалось, чтовлегированных белыхчугунахприродаизакономерности ростакарби-довмогутзначительноизменятьсявприсутствиилеги-рующих примесей [1]. Поэтому изучение особеннос-тейлегирования белыхчугунов, с цельюоптимизации химического состава сплавов является актуальной задачей имеющей практическую ценность.
Визносостойкихчугунахсодержаниеуглероданахо-дитсявпределах 2,4…3,6 %,чтообеспечивает 20…40 % карбидов в структуре. Для коррозионностойких чугу-новсодержаниеуглеродапонижаетсядо 0,5…1,6 % [2]. Хром, связанный в карбиды, не участвует в повыше-нииантикоррозионных свойств. ПОДАННЫМА. Гереки Л. Байка [3] 1%углеродаможетсвязать 6…16%хрома. Взависимостиотсодержанияуглеродаихрома вчугу-нах образуются карбиды Me С , Me С и Me С. При образованиикарбидов в твердом раствореобразуются обедненные хромом зоны, что приводит к снижению коррозионной стойкости.
23 6 7 3 3
Содержаниевметаллическойосновеболее 12 % Cr делает ее коррозионностойкой в атмосфере и некото-рыхпромышленных средах. Всистеме C-Fe-Cr введе-ниехрома снижаетрастворимостьуглерода ваустени-те. При введениивсплав 24 % Cr растворимостьуглерода ваустенитеснижаетсядо0,4 % [4].
Марганец, обладаябольшим сродствомкуглероду, замещает железо в цементите и карбидах хрома, при этом образуютсякарбидыхрома, легированныежеле-зом и марганцем [5-7]. Особенностью этого процесса являетсято, чтомарганецусиливаетобеднениехромом металлическойосновывзонах, прилегающих ккарби-дам, чтоприводиткснижению коррозионнойстойкос-ти. Анализ МАРОКЧУГУНОВПОГОСТ 7769-82 [2],применяемых для изготовлениядеталей, работающихв коррозионных средах, показывает, что содержание марганца ограничиваетсядо 0,8 %, ав отдельныхмар-ках иниже. Сплавы, содержащиемарганец до 2,0 % и более, применяются для деталей, эксплуатируемых в нейтральныхислабоагрессивных средах. Особенность легирования белых чугунов марганцем связана с тем, чтомарганец являетсяаустенитообразующим элементом и повышает содержание углерода в аустените.
Никель повышает вязкость разрушения и является незаменимым компонентом материалов, работающих в условиях ударных нагрузок. Содержание никеля ог-раничиваютв связисеговысокой стоимостью, однако оноказываетбольшоевлияниенаизносостойкиеикор-розионностойкие свойства белых чугунов. Никель, с одной стороны является аустенитообразующим элементом, с другой стороны снижает растворимость углерода в аустените, что приводит к увеличению количества карбидов хрома и соответственно к снижению содержанияхрома в твердом растворе.
Условия, прикоторыхвметаллическойосновелеги-рованных белых чугунов обеспечивается необходимое содержание хрома, обеспечивающее коррозионную стойкость, изученынедостаточно. Действиеэлементов, прикомплексномлегировании, проявляетсяоченьслож-но, а иногдапротиворечиво. Влияниекаждогоэлемента зависит от наличия и концентрации остальных компонентов сплава и ряда других факторов. Оценить комплексное влияние элементов на расширение области ?- железа можноприменив ФОРМУЛУГИРШОВИЧ Н.Г. [8]
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2014 109
для определения содержания углерода в насыщенном АУСТЕНИТЕСЕ (в%) = 2,03 -0,11Si - 0,3P 0,04(Mn -1,7S) - 0,09Ni -0,07Cr.
Литературные данные [9-11] не позволяют объективно оценить влияние легирующих элементов на процессы структурообразования и свойства коррозионностойких белых чугунов в системе C-Fe-Cr-Mn-Ni.
Цель работы заключалась в определении регрессионной зависимости содержания хрома в металлической основе от химическогосостава чугуна всистеметипа C-Fe-Cr-Mn-Ni.
Материалиметодикиисследований
Дляпостроенияматематической моделииспользо-вали метод активного планирования эксперимента. Матрица планирования дробного многофакторного экспериментапредставлена втаблице 1.Чугунвыплав-лялся в индукционной печи с основной футеровкой, емкостью 60кг.
Температуражидкогочугунасоставляла 1410…1440 °С. Опытные чугуны исследовали в литом состоянии без термической обработки. Для выявления структурных составляющих применяли травитель Марбле. После травления ?- фаза имела черныйцвет, а ?- фаза - светлый. Анализ структуры, выполнялина оптических микроскопах МИМ-8 и Sigeta MM-700 при увеличении 100…400.Химическийсоставкарбидовиметаллической основы определялина микроскопе РЕМ 106И в локаль-ныхточках, наопределенномрасстоянииоткарбидов.
Теорияианализполученныхрезультатов
Впроцессе остывания литых образцов в литейных формахв металлическойосновечугуна снижаласьра-створимость углерода и происходило выделение карбидов из твердого раствора, в которых, при дальней-шемохлаждении, атомыжелеза, входящие вкарбиды, замещались на атомы хрома и марганца, имеющие большее химическое сродствок углероду, чем железо. Диффузионные процессы были затруднены изза большого количества легирующих элементов и постоянно снижающейся температуры, поэтому выравнивание концентрации легирующих элементов непроисходило. Аналогичныеизмененияпроисходили и внутри эвтектических колоний. Процессы, вызывающие перераспределение элементов между карбидами и металлической основой приводили к значительной химической неоднородности металлическойосновы. Разница всодержаниихрома в металлической основе (на расстоянии 15…20 мкм от карбидов) и околокарбидных зонах (на расстоянии 1,5...2,5мкм) составляла от 1,5 до 4 % (дляразличных составов). Отношение минимального содержания хрома в металлическойосновек общемусодержанию хрома в сплавеизменялосьот 0,37 до 0,6.
Зоныизмененногохимическогосостава травились быстрееинаблюдались ввидечернойоторочки вобла-стях, примыкающих к карбидам и внутри карбидных колоний (рис. 1, а). Структура исследуемых чугунов состоялаизлегированнойметаллическойосновыикар-бидов. Металлическаяоснова, взависимостиотсодер-жания С, Mn, Ni, Cr, изменялась от ферритной (в т. ч. мартенситной) до аустенитной. В зависимости от со-держанияуглерода ихромавчугунахнаблюдалиськар-биды (Cr,Fe,Mn) С, (Cr,Fe,Mn) С ,(Cr,Fe,Mn) С .
3 7 3 23 6
Типкарбида зависелототношенияхрома куглеро-ду. При отношении Cr/Свпределах 3…10образовыва-лисьпреимущественнокарбиды (Cr,Fe,Mn) С (рис.1, б), при отношении Cr/С 7…15 образовывались карбиды (Cr,Fe,Mn) С (рис.1, в), при отношении Cr/С более 15 образовывалиськарбиды (Cr,Fe,Mn) С (рис. 1, б, г).
3
7 3
23 6
Присодержанииуглерода 1,09…2,45 %наблюдались эвтектоидные (рис.1, а) и эвтектические карбиды (рис.1, д).Приболеевысокихсодержанияхуглеродана-блюдались в основном эвтектические колонии карби-довизаэвтектическиекарбиды (рис. 1,е).Содержание углерода соответствующее эвтектическому сплаву зависело от общего содержания компонентов сплава и примесей. Для определения концентрации углерода в чугуне при которой образуются только эвтектические карбиды применили ФОРМУЛУН. Г. Гиршовича [8] для определения содержания углерода в эвтектике Сс (в %) =4,3 - 0,3(Si P) - 0,4S 0,03Mn- 0,07Ni- 0,05Cr. Врезультатематематической обработки проведенного эксперимента получена регрессионная зависи-мостьостаточногосодержания хрома вметаллической основеотсодержания ВСПЛАВЕС, Cr, Mn, Ni: Сг ,% = 3,711 - 0,806C 0,313Cr 0,009Cr2 - 0,054Ni2 -0,082CMN- 0,139CNI 0,011MNCR 0,028CRNI осн
Физический смысл приведенного выше регрессионного уравнения состоит в том, что содержание хрома в металлической основе зависит от общего содер-жаниякомпонентов и ихвзаимноговлияния.
Графическое отображение этой функции при 1,6 % Niи 3,0 % Mn представленона рис. 2.
Приповышениисодержанияуглеродадо 3,9%увели-чениесодержаниемарганцасжижаетсодержаниехрома в металлической основе за счет изменения распределения хрома между основой и карбидами. Марганец спо-собствовалповышениюсодержанияхромавкарбидах.
Увеличение содержания никеля, при 3,9 % углерода, снижаетсодержаниехромав металлическойоснове за счет снижения растворимости углерода в аустените и образовании эвтектики при меньшем содержании углерода в сплаве, что вызывает образование высоко-хромистыхзаэвтектических карбидов.
Рис. 1. Структура чугунов, ? 400: а - черная оторочка возле арбидов; б - карбиды типа (Cr,Fe,Mn) С; в - карбиды типа (Cr,Fe,Mn) С
3 7 3;
г - карбиды типа (Cr,Fe,Mn) С д - эвтектические карбиды, аустенитная металлическая основа; е - эвтектические и заэвтектические карбиды, ферритная металлическая основа
23 6;
Рис. 2. Зависимость содержания хрома в основе от содержания Cr и C в чугуне при 3,0% Mn и 1,6% Ni
Увеличениесодержанияхрома всплавеувеличива-ет его содержание в металлической основе с учетом измененийтипакарбидов, котороеподтверждаетсяиз-менением наклона прямой рис. 3, а. При содержании до 14 % хрома наблюдались, в основном карбиды (Cr,Fe,Mn) С, от 14 до 23 % хромапреобладаликарбиды (Cr,Fe,Mn) С ,свыше 23 % хрома присутствоваликар-биды (Cr,Fe,Mn) С .
3
7 3
23 6
Увеличение содержания марганца или никеля при содержании 1 % углеродаспособствовалоувеличению содержанияхрома вметаллическойоснове, за счетрас-ширения области ?- железа иувеличения растворимо-стиуглеродаваустените, иуменьшенияколичествакар-бидов.
а - 3,0% Mn и 1,6% Ni
б - 18,5% Cr и 1,6% Ni
в - 18,5% Cr и 3,0% Mn
Рис. 3. Зависимость содержания Сг от содержания C, Cr, Mn и Ni в чугуне осн
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2014 111
Вывод
1. Полученное уравнение регрессии позволяет оптимизировать составычугунов применяемыхв раз-личныхусловиях эксплуатации.
3. Для деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания в коррозионных средах, может быть рекомендован чугун, имеющий содержа-ниехромавметаллическойосновенеменее 13 %,следу-ющегосостава: 2,9…3,3 % С; 3,5…5,4 % Mn;1,5…2,5 % Ni и 23…26 %Cr.
Списоклtrialтуры
5. Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / Чейлях А. П. - Харьков : ННЦ ХФТИ. - 2003. - 212 с.
6. Волчок И. П. Влияние марганца на процессы структурообразования износостойких высокохромистых чугунов / Волчок И. П., Нетребко В. В. // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. тр. -Вып. 64. - Дн-вск, ПГАСА, 2012. - С. 301-304.
7. Belikov S. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron /Belikov S.,Volchok I., Netrebko V. // Archives of Metallurgy and Materials. -Vol. 58. 3/2013. - Р. 895-897.
8. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в оливках / Гиршович Н. Г. - М.-Л. : Машиностроение, 1966. - 564 с.
9. Гарбер М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов / Гарбер М. Е. - М. : Машиностроение, 1972. - 112 с.
1. Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / Бунин К. П., МАЛИНОЧКАЯ. Н., Таран Ю. Н. - М. : Металлургия. 1969. - 416 с.
2. ГОСТ 7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки.
3. Герек А. Легированный чугун конструкционный материал / Герек А., Байка Л. - М. : Металлургия. - 1978. - 208 с.
4. Гуляев А. П. Металловедение / Гуляев А. П. - М. : Металлургия. 1978. - 648 с.
10. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / Цыпин И. И. - М. : Металлургия. 1983. - 176 с.
11. Капустин М. А. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров / Капустин М. А., Шестаков И. А. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1999. - № 2. - С. 32-33.
Задопомогоюметоду математичногоплануванняекспериментувстановленарегресивназалежністьвмісту хрому в металевій основі відхімічного складу чавуну у системі C-Fe-Cr-Mn-Ni. Рекомендовано оптимальний вміст легованих елементів для чавунів, які працють в умовах гідроабразивного зношування в корозійному середовищі.
Netrebko V. Peculiarities of alloying of corrosion-resistant white cast irons
By means of mathematical planning method of experiment regression dependence of chromium content in a metal matrix from a chemical composition of cast ironof C-Fe-Cr-Mn-Ni system is established. Optimum content of alloying elements for wear proof and corrosion-resistant cast iron is recommended.
Key words: cast iron, alloying, chromium, metal basis.
112
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
