Особливості структуроутворення та розробка способів підвищення механічних властивостей та зносостійкості високохромистих чавунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

Кравченко Ганна Валеріївна

УДК 669.017.03

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Особливості структуроутворення та розробка способів підвищення механічних властивостей та зносостійкості високохромистих чавунів

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор КУЦОВА Валентина Зіновіївна, Національна металургійна академія України, завідуюча кафедрою матеріалознавства, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ВОЛЧОК Іван Петрович, Запорізький національний технічний університет, завідуючий кафедрою технології металів, м. Запоріжжя;

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Шаповалова Оксана Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, завідуюча лабораторією нових матеріалів і безвідходних технологій кафедри безпеки життєдіяльності, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "19" червня 2008 р. о 13⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.02 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий "14" травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Е.М. Кваша

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Білі зносостійкі чавуни по об'єму випуску займають одне з перших місць серед чавунів зі спеціальними властивостями. Це пояснюється підвищеним попитом на них у зв'язку з актуальністю проблеми підвищення стійкості деталей машин, що працюють в умовах інтенсивного абразивного та ударно-абразивного зносу. Особливості структуроутворення білих зносостійких чавунів, враховуючи первинну кристалізацію і перетворення у твердому стані, відіграють найважливішу роль у формуванні їх властивостей.

Високохромисті чавуни часто застосовуються для виготовлення відповідальних деталей, що працюють в умовах підвищених температур і ударно-абразивного зносу, таких як тіла для розмелу твердих матеріалів, литі валки для гарячої і холодної прокатки і т. ін. Аналіз вітчизняної та зарубіжної літератури та реальні умови роботи свідчать про те, що причиною виходу зазначених деталей з ладу в процесі експлуатації є руйнування від втомленості поверхневих шарів у результаті багаторазової ударної мікропластичної деформації. Збільшити термін служби цих виробів можна за рахунок формування структури матриці, яка має більш високу здатність акомодувати енергію мікроудару, але без значної пластичної деформації. Як показали дослідження Х. Бгадешиа, Ю.М. Тарана, В.І. Большакова та інших, такою структурною складовою є бейніт. Однією з найбільш передових технологій виготовлення прокатних валків є електрошлакове наплавлення (ЕШН) високохромистого чавуну на стальну вісь. Однак, в літературі відсутня інформація про структуроутворення і кінетику бейнітного перетворення в білих чавунах з вмістом хрому 21%. Відсутня також інформація про вплив типу матриці на механічні властивості, показники зносостійкості, структуру та властивості чавуну після повторного нагріву. Отже, для розробки режимів термічного зміцнення, що дозволяють підвищити термін служби виробів з високохромистих чавунів, необхідно вивчити особливості формування структури, кінетику перетворення переохолодженого аустеніту в бейнітній області температур у цих чавунах, їх механічні властивості та ударно-абразивну зносостійкість.

Дослідження, що присвячені вивченню закономірностей структуроутворення, кінетики бейнітного перетворення в білих високохромистих чавунах з метою підвищення їх зносостійкості, є актуальними, і мають велике практичне значення. Режими термічного зміцнення білих високохромистих чавунів, що включають аустенітизацію й ізотермічні витримки в бейнітній області температур, дозволяють підвищити комплекс механічних і експлуатаційних властивостей чавунів, скоротити витрати на основні легуючі і допоміжні матеріали й устаткування в умовах машинобудівних, ливарних і металургійних підприємств України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до напрямків науково-дослідних робіт кафедри матеріалознавства Національної металургійної академії України: №№ 0100U000771, 0100U000760 за темою "Розробка способів поліпшення механічних і експлуатаційних властивостей функціональних матеріалів, в яких реалізуються зсувні перетворення", №0103U003205 за темою "Підвищення механічних і експлуатаційних властивостей функціональних матеріалів за рахунок зсувних перетворень", №0106U010139 за темою "Розробка нових функціональних матеріалів з нанокристалічною матрицею для потреб машинобудування", №0106U009051 за темою "Розробка конкурентоспроможних способів збільшення зносостійкості композитних прокатних валків з високохромистого чавуну для станів гарячої прокатки".

Мета роботи: розробити склад та режими термічного зміцнення білого високохромистого економнолегованого чавуну для підвищення комплексу механічних і службових властивостей виробів, що працюють в умовах ударно-абразивного зносу.

Задачі дослідження:

- встановити закономірності формування структурно-фазового складу й розподілу легуючих елементів між фазами і структурними складовими в литому стані та в процесі термічного оброблення високохромистих чавунів;

- виявити кінетику розпаду переохолодженого аустеніту і побудувати ізотермічну діаграму розпаду для чавуну з вмістом хрому 21,0-21,4%;

- визначити закономірності формування бейнітної структури матриці в високохромистому чавуні;

- розробити режими термічного оброблення чавуну з 21,0-21,4% Cr і встановити взаємозв'язок між структурними параметрами і механічними властивостями в литому і термообробленому стані досліджуваного чавуну;

- встановити особливості структурно-фазових змін у процесі ударно-абразивного зносу та повторного нагріву чавуну з 21,0-21,4% Cr в литому і термообробленому стані;

- на основі отриманих даних запропонувати склад економнолегованого зносостійкого чавуну, розробити режими його термічного оброблення, які забезпечують високі показники механічних властивостей і зносостійкості, що призведе до здешевлення виробів і підвищення строку їх експлуатації.

Об'єктом дослідження є високохромистий чавун з вмістом хрому 21,0-21,4%, зразки якого відібрано від композитного валка, отриманого методом електрошлакового наплавлення та економнолегований чавун 280Х19ГНМ.

Предмет дослідження: закономірності формування мікроструктури високохромистого чавуну, характер розподілу легуючих елементів, механічні властивості та зносостійкість у литому і термообробленому стані.

Методи дослідження. При проведенні досліджень були використані сучасні методи: визначення хімічного складу чавуну та механічних випробувань; світлової мікроскопії для аналізу структури чавуну; карбідного, рентгеноструктурного і локального мікрорентгеноспектрального аналізів; вимірювання твердості та мікротвердості; просвічувальної та скануючої електронної мікроскопії для аналізу тонкої структури чавуну; дилатометричного і калориметричного дослідження; гравіметричного вагового аналізу; випробування на ударно-абразивне зношування.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Вперше встановлена кінетика розпаду переохолодженого аустеніту у чавуні з вмістом хрому 21,0-21,4%, побудована ізотермічна діаграма. Отримані дані є довідковими та базовими для розробки режимів термічного оброблення конкретних деталей з високохромистого чавуну;

- Вперше визначені кількісні параметри структурних складових та показана можливість формування бейнітної наноструктури в високохромистих чавунах. Ізотермічне оброблення на бейніт забезпечує мінімізацію ліквації в досліджуваному високохромистому чавуні, розвиток мікронапруг і збільшення щільності дислокацій в -фазі бейніту;

- Вперше встановлена залежність рівня твердості високохромистих чавунів від структурних параметрів та тривалості ізотермічної витримки. Це дозволило цілеспрямовано встановити оптимальний склад економнолегованого сплаву зі збереженням високих значень механічних властивостей та зносостійкості;

- Вперше експериментально виявлено, що в процесі бейнітної реакції в високохромистих чавунах в структурі металічної матриці формується два типи аустеніту, які відрізняються за параметром ґратки, вмістом вуглецю та легуючих елементів. Перший високовуглецевий аустеніт формується в наслідок перетворення, другий - метастабільний, розпад якого забезпечує поверхневе зміцнення виробів в процесі експлуатації. Це дозволило підтвердити існуючі уявлення про наявність «верхнього» безкарбідного бейніту, який забезпечує високі показники ударної в'язкості та зносостійкості;

- Вперше отримані кількісні параметри ударно-абразивного зносу досліджуваних чавунів при кімнатній і підвищеній температурі (200°). Зв'язок склад-структура-властивості дозволив вибрати найбільш ефективні режими термічного оброблення зі збереженням високих показників зносостійкості в цих умовах.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено склад і режими термічного оброблення на бейніт економнолегованого чавуну 280Х19ГНМ, встановлені кількісні залежності між структурними параметрами та механічними властивостями, які забезпечують підвищену зносостійкість виробів.

На основі сформульованих в роботі рекомендацій, виготовлена дослідно-промислова партія прокатних валків в умовах ВАТ „Дніпропетровський завод прокатних валків” (акт від 05.12.2007р.). Використання оптимізованого складу й режимів термічного оброблення високохромистого чавуну в умовах промислового виробництва забезпечує підвищення зносостійкості композитних прокатних валків і термін їх служби в 2 рази, що вже підтверджено актом дослідно-промислового випробування прокатних валків в умовах НПО «Трубосталь» від 15.02.2008р. Також було розраховано, що при впроваджені результатів роботи очікується економічний ефект 1750грн. на виробництво 1т придатних деталей.

Особистий внесок здобувача:

- встановлено характер перерозподілу легуючих елементів між фазами і структурними складовими в високохромистому чавуні;

- розроблено режими термічного оброблення для білого високохромистого чавуну, що дозволяє в промислових умовах одержати структуру бейніту з відповідним комплексом властивостей;

- встановлено тенденцію впливу повторного нагріву на структурно-фазові перетворення, а також властивості високохромистого чавуну;

- визначений комплекс механічних властивостей високохромистого чавуну з бейніто-мартенситною матрицею, що використовується для виготовлення прокатних валків;

- встановлено характер впливу ударно-абразивного зносу при кімнатній і підвищеній температурі (200°С) на структурно-фазові перетворення і властивості високохромистих чавунів;

- проведено основний обсяг експериментальних досліджень щодо даної науково-дослідної роботи;

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень апробовані в доповідях на: міжнародній конференції «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (м. Харків, 2004 р., 2005 р., 2006 р., 2007 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Строительство, материаловедение, машиностроение" (м. Дніпропетровськ, 2005 р., 2006 р., 2007 р.); міжнародній конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» (м. Варна, Болгарія, 2005 р., 2006 р., 2007 р.); міжнародній конференції «Education - Investments - Research & Development» (Davos, Switzerland, 2006); міжнародній конференції «Advances in metallurgical processes and materials» (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); міжнародній конференції "Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство" (м. Львів, 2007 р.); міжнародній конференції "Сучасні проблеми фізики металів" (м. Київ, 2007 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Строительство, материаловедение, машиностроение" (м. Ялта, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції «VIII Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых» (м. Єкатеринбург, Росія, 2007 р.); міжнародній науковій конференції «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (м. Оренбург, Росія, 2008 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в друкованих працях: 11 статей у спеціалізованих наукових виданнях, перелік яких затверджений ВАК України, 2 деклараційних патенти України та 2 статті у збірниках праць міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 143 найменувань і 4 додатків. Основний зміст роботи викладено на 144 сторінках машинописного тексту. Робота містить: таблиць - 34, рисунків - 90.

Робота виконана на кафедрі „Матеріалознавства ім. Ю.М. Тарана” Національної металургійної академії України під керівництвом доктора технічних наук, професора Куцової Валентини Зіновіївни, у науково-дослідній лабораторії «Ливарні конструкційні сплави».

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, приведені основні наукові положення, що виносяться на захист, а також практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ містить аналіз найбільш значимих робіт, присвячених науковій проблемі, що розв'язується в дисертаційній роботі: вивченню закономірностей структуроутворення, кінетики бейнітного перетворення в білих високохромистих чавунах, впливу легуючих елементів на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту, впливу складу і структури на зносостійкість білих високохромистих чавунів.

Вивчення робіт провідних вчених в області металознавства та матеріалознавства: І.І. Ципіна, М.Е. Гарбера, Н.М. Александрова, Ю.Г. Бобро, Х.Бгадешиа, Ю.М. Тарана, В.І. Большакова й інших показало, що вони присвячені, в основному, високохромистим сталям або чавунам з вмістом хрому не більше 16%. Особливості формування бейнітної структури в чавунах описані в роботах К.П. Буніна, Ю.М. Тарана й інших дослідників. Але уявлення про закономірності формування структури продуктів розпаду переохолодженого аустеніту в чавунах з вмістом хрому 19-21% в літературі досить обмежені.

У другому розділі наведені дані про матеріал і методики дослідження. Матеріалом служили зразки високохромистого чавуну (3,0-3,4%С, 21,0-21,4%Cr, 0,8-1,2%Ni, 1,2-1,6%Mo, 0,5-1,9%Mn, 0,6-1,0%Si), відібрані від композитного прокатного валку. Також економнолегований чавун з вмістом хрому 19,0-19,4% (280Х19ГНМ).

У роботі використані сучасні методи дослідження: мікроструктурний, рентгеноструктурний та локальний мікрорентгеноспектральний аналізи, електронна мікроскопія, дилатометричний та калориметричний аналізи, методи вимірювання твердості, мікротвердості та комплексу механічних властивостей, визначення ударно-абразивного зносу.

У третьому розділі наведено дані про структуру наплавленого шару композитних валків, отриманих методом ЕШН, у литому стані. В процесі досліджень виявлено наступне: структура високохромистого чавуну в литому стані являє собою карбідну евтектику аустеніт-карбід (Сr,Fе)₇С₃, виділення вторинних карбідів і залишковий аустеніт, що розташовується як на периферії дендритних гілок первинних кристалів аустеніту, так і в колоніях карбідної евтектики, продукти розпаду аустеніту (троостит, бейнітні агрегати, пакетний мартенсит).

Дані рентгеноструктурного аналізу свідчать про те, що в литій структурі високохромистого чавуну присутні тільки карбіди типу Ме₇С₃, утворення цементиту не встановлено. Виявлено також присутність -фази з різним ступенем досконалості кристалічної ґратки (_0.5), що свідчить про дифузійний або зсувно-дифузійний механізми її утворення у високотемпературному і низькотемпературному інтервалах перетворення переохолодженого аустеніту.

За допомогою локального рентгеноспектрального аналізу встановлено, що в досліджуваному чавуні формується дендритна ліквація за рахунок нерівномірного розподілу молібдену і хрому, що і приводить до неоднорідності структури продуктів розпаду аустеніту. Нікель і кремній в евтектичному карбіді не розчиняються і збагачують дендрити перетвореного аустеніту.

За допомогою калориметричного аналізу показано, що на термограмах нагріву досліджуваного чавуну зафіксовані ефекти, які відповідають перетворенню евтектоїду б+(Cr, Fe)₇C₃ в аустеніт, розчиненню карбіду (Cr, Fe)₇C₃ в аустеніті, плавленню евтектики г+(Cr, Fe)₇C₃.

Вперше вивчені закономірності кінетики і побудована ізотермічна діаграма розпаду переохолодженого аустеніту в високохромистому чавуні з вмістом хрому 21,0-21,4%.

Встановлено критичні температури Ac₁, Acm, Мн досліджуваного високохромистого чавуну. Легування високохромистого чавуну хромом, нікелем та молібденом приводить до того, що розширюється температурний інтервал існування перлітної області; температурний інтервал області існування стійкого аустеніту, так зване "часове вікно" практично не змінюється. Область існування бейніту зсувається убік більш тривалих витримок. Область нижнього бейніту сполучається з температурою початку мартенситного перетворення. Мартенсит і нижній бейніт важко морфологічно розрізнити. Температура початку мартенситного перетворення зі збільшенням вмісту хрому істотно не змінюється. Температура кінця мартенситного перетворення зсувається в область температур, яка знаходиться нижче нуля. Такий вплив легування на положення критичних точок, температури Мн, кінетику перетворень і лікваційні процеси приводить до формування різної структури досліджуваного чавуну. Розпад переохолодженого аустеніту в литому високохромистому чавуні частково відбувається як у перлітній області температур за дифузійним механізмом, так і в бейнітній області температур за зсувно-дифузійним механізмом. У зв'язку з цим в литій структурі чавуну присутня фаза з різним ступенем досконалості кристалічної ґратки (фаза евтектоїду; фаза бейніту; мартенсит), деяка кількість залишкового аустеніту і карбіди типу Ме₇С₃.

У четвертому розділі випробувані різні режими термічного оброблення (табл.1) для досліджуваного високохромистого чавуну, які розроблені на підставі побудованої ізотермічної діаграми розпаду переохолодженого аустеніту.

Табл. 1 Розроблені режими термічного оброблення

N режиму	Термічне оброблення
1	Тауст=950°С, ауст=1год, Тізот=350°С, ізот=1год30хв
2	Тауст=950°С, ауст=1год, Тізот=350°С, ізот=3год
3	Тауст=1050°С, ауст=1год, Тізот=350°С, ізот=1год30хв
4	Тауст=1050°С, ауст=1год, Тізот=350°С, ізот=3год

Ізотермічне оброблення в проміжній області температур забезпечує формування наноструктурної бейніто-мартенситної матриці, розмір феритних пластин в бейнітній структурній складовій зменшується у 3-4 рази в порівнянні з литим станом, що забезпечує підвищення зносостійкості і жаростійкості деталей з високохромистих чавунів (товщина пластин -фази в евтектоїді - 100нм, а в бейніті - 20-30нм).

В умовах підприємства-виробника прокатні валки з високохромистого чавуну піддано нормалізації. Ізотермічне гартування нормалізованого чавуну не приводить до повного усунення неоднорідності продуктів розпаду аустеніту. Максимально однорідні продукти розпаду формуються після термооброблення за режимом 1. Тому запропонований режим термічного оброблення рекомендується здійснювати без попередньої нормалізації. Це, у свою чергу, приведе до скорочення витрат на електроенергію при збереженні високого рівня механічних і експлуатаційних властивостей даного матеріалу.

Аналіз дифрактограм зразків, що були піддані ізотермічному гартуванню в бейнітній області при температурі 350°С, виявив наявність двох дифракційних максимумів, які відповідають лінії (111)г. Цей факт свідчить про наявність в структурі аустеніту різного генезису, що відрізняється по параметру ґратки та, відповідно, вмісту вуглецю та легуючих елементів. Перший максимум відповідає аустеніту, насиченому вуглецем в наслідок перетворення. А другий максимум, який розташований на великих кутах (51,5°С), відповідає аустеніту, якого не торкнулося перетворення, з концентрацією вуглецю близькою до вихідної.

Аустеніт з підвищеним вмістом вуглецю розташований між субкомірками -фази бейніту й у вигляді прошарків між пластинами феритного бейніту. Не перетворений аустеніт, збагачений легуючими елементами з вихідною концентрацією вуглецю, розташований між бейнітними агрегатами та по периферії дендритів аустеніту й в евтектиці.

Вивчено розподіл легуючих елементів між фазами і структурними складовими у чавуні з вмістом хрому 21,0-21,4%, що сформувався в результаті різних режимів термічного оброблення. Аналіз свідчить про те, що аустенітизація при температурі 950°С і ізотермічна витримка в бейнітній області температур приводять до збільшення суми легуючих елементів, розчинених у евтектичному карбіді, що і забезпечує підвищену мікротвердість, твердість і, відповідно, зносостійкість. Збільшення температури аустенітизації до 1050°С і ізотермічна витримка в бейнітній області при температурі 350°С приводить до зниження легованості залишкового аустеніту і збільшення ступеню легованості евтектичного карбіду. Це, у свою чергу, приводить до підвищення твердості досліджуваного чавуну.

Рівень твердості чавуну з вмістом хрому 21,0-21,4% після різних режимів ізотермічного оброблення визначається як ступенем легованості продуктів розпаду перетвореного аустеніту, особливо, кремнієм і марганцем у сумі, кількістю і ступенем легованості залишкового аустеніту, так і ступенем легованості хромом і молібденом евтектичного карбіду.

На основі статистичного аналізу отриманих даних по розподілу легуючих елементів між фазами та структурними складовими була встановлена залежність рівня твердості від структурних параметрів та тривалості ізотермічної витримки. Що дозволило розробити склад економнолегованогочавуну 280Х19ГНМ (2,6-3,0%С, 19,0-19,4%Cr, 0,7-1,1%Ni, 0,7-1,1%Mo, 0,8-1,2%Mn, 0,5-0,9%Si) зі збереженням високих значень твердості.

У п'ятому розділі вивчено структуру і властивості високохромистого чавуну з вмістом хрому 21,0-21,4% у литому і термічнообробленому станах після повторного нагріву при температурах 200°С, 480°С і 680°С. Температури нагріву вибирали відповідно до умов експлуатації прокатних валків. В процесі досліджень виявлено наступне: максимальний приріст маси після повторного нагрівання при температурі 480°С і 680°С спостерігається в термооброблених зразках за режимом 3. У литих зразках після нагріву при Т=480°С приріст ваги маси менше, ніж після нагріву при Т=680°С, а в термооброблених зразках навпаки.

За допомогою рентгеноструктурного аналізу встановлено, що оксидна плівка, що утворилася на поверхні зразків складається з оксидів Fe₂O₃, Fe₃O₄ і Cr₂O₃, CrO₃. В процесі нагрівання в чавуні реалізується відпуск бейнітної б-фази, спостерігається формування фериту, максимально близького за складом і станом до рівноважного, завершується розпад залишкового аустеніту, відбувається карбідне перетворення (Cr, Fe)₇C₃>(Cr, Fe)₃C, (Cr, Fe)₇C₃>Cr₂₃С₆, розвивається коалесценція і коагуляція вторинних надлишкових карбідів і їх графітизація. Дані локального рентгеноспектрального аналізу свідчать про те, що в процесі повторних нагрівів до температур 480 і 680°С в структурі литого і термообробленого досліджуваного чавуну виявлені включення, що розташовуються як в евтектичному карбіді, так і на границі розділу карбіди-продукти розпаду аустеніту. Ці включення за допомогою карбідного аналізу ідентифікували як карбід Mo₂С і інтерметаліди типу FeCr (-фаза), FeCr(Mo) в яких залізо може заміщатися марганцем і нікелем. Виникнення включень приводить до розвитку корозійних ушкоджень, зниження твердості і зносостійкості. Однак відсотковий вміст легуючих елементів у виявлених темних включеннях відрізняється між литим і термообробленим станами. У литих зразках вміст молібдену в темних ділянках більший на 34% і марганцю на 27% ніж в термооброблених. А в термооброблених зразках навпаки в цих ділянках вміст заліза більший на 55% і хрому на 15% ніж в литих.

Повторні нагріви приводять до посилення нерівномірного розподілу легуючих елементів в чавуні в литому стані. Однак термічне оброблення значно усуває структурну і хімічну неоднорідність. Таким чином, для підвищення експлуатаційних властивостей досліджуваного чавуну необхідно піддавати його зміцнюючому термічному обробленню на бейніт. Максимальні значення мікротвердості після повторних нагрівів зберігаються в чавуні, який термічно оброблений на бейніт за режимом 3.

У шостому розділі вивчені механічні властивості та зносостійкість чавуну з вмістом хрому 19,0-19,4 і 21,0-21,4% у литому і термообробленому станах в процесі випробувань на ударно-абразивний знос при кімнатній і підвищеній температурах (200°С). Температура 200°С відповідає температурі бочки валка при експлуатації.

Показано, що втрата маси зразків зі збільшенням часу випробувань в усіх випадках зростає. Відносна ударно-абразивна зносостійкість зі збільшенням часу випробувань зростає, а інтенсивність зношування зменшується. Максимальна втрата маси спостерігається в литих зразках, мінімальна - в зразках, які піддані термообробленню за режимом 1 при випробуваннях при кімнатній температурі і за режимом 2 при іспитах при підвищеній температурі. Відносна ударно-абразивна зносостійкість максимальна в зразках підданих термообробленню за режимом 1 і мінімальна у литих зразків. Інтенсивність зношування максимальна в литих зразках і мінімальна у зразків підданих термообробленню за режимом 1.

Випробування на ударно-абразивний знос приводять до змін як мікротвердості продуктів розпаду аустеніту, так і загальної твердості випробуваних зразків. В усіх випадках у процесі випробувань загальна твердість зразків зростає, тобто спостерігається зміцнення чавуну.

У литому стані, після випробувань спостерігається укрупнення надлишкових карбідів в продуктах розпаду аустеніту, що, ймовірно, зв'язано з процесами коалесценції, а також виявляються смуги деформації в евтектичних карбідах. Після термічного оброблення надлишкові карбіди укрупнюються, а залишковий аустеніт рекристалізується.

Аналіз поверхні зношених зразків, показує, що викрашування надлишкових і розтріскування евтектичних карбідів відбувається інтенсивніше в литих зразках. В зразках з бейнітною структурою деформаційні процеси розвиваються в меншому ступені.

В результаті ударно-абразивного зносу в чавунах в литому стані в структурі присутня -фаза, ступінь недосконалості ґратки якої мала. Поряд з цим у структурі чавуну після термічного оброблення й після ударно-абразивного зносу присутня -фаза, ступінь недосконалості ґратки якої є високою. Кількість залишкового аустеніту в структурі досліджуваних чавунів після ударно-абразивного зносу значно зменшується в порівнянні з вихідним станом.

Термічне оброблення призводить до того, що параметри тонкої структури фериту змінюються. Мікронапруги та щільність дислокацій у б-фазі зростають, а ударно-абразивне зношування також сприяє їхньому росту. Максимальні значення мікронапруг та щільності дислокацій у б-фазі чавуну з змістом хрому 21,0-21,4% спостерігаються після термооброблення за режимом 1, в економнолегованому чавуні (280Х19ГНМ) - за режимом 3.

Бейнітна матриця, що сформувалася в результаті ізотермічної обробки, максимально міцно втримує карбіди в умовах ударних навантажень або навантаження абразивними частками, забезпечує мінімальні деформації, не допускаючи розтріскування й викрашування карбідів.

Максимальні значення межі міцності економнолегованого чавуну 280Х19ГНМ спостерігаються при Т_ауст=1050°С (ф_ізот=1год30хв), а також при збільшенні тривалості ізотермічної витримки до 3-х годин при Т_ауст=950°С. Максимальні значення ударної в'язкості спостерігаються в зразках у литому стані. Чавун після термічного оброблення за режимом 4 характеризується підвищеними значеннями ударної в'язкості при досить високих значеннях міцності. У той же час, чавун після термічного оброблення за режимом 2 має надзвичайно високу міцність, при збереженні показників в'язкості.

Аналіз зламів зразків економнолегованого чавуну 280Х19ГНМ, показує, що переважає квазікрихкий (в'язкий) злам, у якому присутні ділянки як в'язкої (30%), так і крихкої (70%) складової. При квазікрихкому зламі робота руйнування є більшою, ніж при стандартному крихкому зламі. Дослідження загального характеру будови зламів показали, що в них присутні ямки й утяжки, фасетки і відколи.

Аналіз мікрофрактограм зламів зразків у термообробленому стані показав, що в цьому випадку структурні складові більш дрібні, структура більш дрібнодисперсна в порівнянні зі структурою зламів у зразках у литому стані. Після термооброблення характер зламу є більш однорідним, міжзереного руйнування не спостерігається.

Термооброблення чавуну 280Х19ГНМ за режимом 1 забезпечує високий комплекс властивостей при кімнатній температурі, а за режимом 2 - при підвищених.

Основні висновки

1. На основі вітчизняних і зарубіжних літературних даних встановлено, що розробка складу економнолегованого чавуну і режимів термічного зміцнення білих високохромистих чавунів є актуальною задачею з точки зору підвищення експлуатаційних характеристик композитних прокатних валків, збільшення терміну їх служби, а також економії дефіцитних дорогих легуючих елементів.

2. Виявлена макро- і мікроструктура наплавленої зони композитних валків, отриманих методом ЕШН. Металографічно і рентгеноструктурно показано, що в наплавленій зоні формується структура доевтектичного чавуну, яка складається з продуктів розпаду аустеніту (трооститу, бейнітних агрегатів і пакетного мартенситу) і евтектики на базі карбіду Cr₇C₃. Міжпластинчата відстань у колоніях пластинчастого перліту у вихідному литому стані складає ?100 нм, що відповідає трооститу. В литій структурі досліджуваного чавуну присутній ферит з різним ступенем досконалості кристалічної ґратки (б-фаза евтектоїду; б-фаза бейніту та мартенсит), деяка кількість залишкового аустеніту і карбіди типу Ме₇С₃.

3. З використанням рентгеноспектрального аналізу встановлено, що в литому стані формується дендритна ліквація за рахунок нерівномірного розподілу молібдену і хрому, яка відповідає за неоднорідність структури продуктів розпаду аустеніту.

4. Розроблено і випробувано режими термічного оброблення для високохромистого чавуну з 21,0-21,4% Cr. Після термічного оброблення чавуну за режимом 3 (Тауст=1050°С, фауст=1год, Тізот=350°С, фізот=1год30хв), який забезпечує найвищі показники твердості в порівнянні з іншими випробуваними режимами, спостерігається рекристалізація залишкового аустеніту, укрупнення вторинних карбідів і формування дрібноголчастого мартенситу в ділянках залишкового аустеніту; формується наноструктурна бейніто-мартенситна матриця (товщина пластин -фази в бейніті складає 20-30нм); присутня велика кількість метастабільного залишкового аустеніту і б-фази з високим ступенем недосконалості кристалічної ґратки.

5. Вперше встановлено, що рівень твердості високохромистого чавуну визначається як ступенем легованості продуктів розпаду аустеніту, особливо вмістом кремнію і марганцю, так і кількістю і ступенем легованості залишкового аустеніту, а також ступенем легованості хромом і молібденом евтектичного карбіду. Аналіз отриманих даних дозволив встановити оптимальне процентне співвідношення хрому і молібдену для даного чавуну: при зменшенні вмісту хрому з 21,0-21,4% до 19,0-19,4%, вміст молібдену можна зменшувати з 1,2-1,6% до 0,7-1,1% при збереженні високих значень твердості (65HRC). Це дозволило оптимізувати склад економнолегованого чавуну 280Х19ГНМ (2,6-3,0%С, 19,0-19,4%Cr, 0,7-1,1%Ni, 0,7-1,1%Mo, 0,8-1,2%Mn, 0,5-0,9%Si).

6. Визначено вплив повторного нагріву до температур 480°, 680°С на структурно-фазовий склад та властивості чавуну з вмістом хрому 21,0-21,4%. Показано, що в процесі нагріву:

- у чавуні в литому стані утворюються карбіди (Fe₃С, Cr₇С₃, Cr₂₃С₆, Мо₂С) та хімічні сполуки (FeCr (-фаза), FeCr(Mo)), наявність яких є причиною корозійних ушкоджень;

- корозійні поразки виникають на межі розділу фаз - евтектичний карбід Cr₇С₃/продукти розпаду аустеніту - і поширюються по мірі збільшення тривалості нагрівання в обєм як карбіду, так і продуктів розпаду аустеніту;

- реалізуються структурно-фазові перетворення: відпуск бейнітної б-фази; формування фериту, максимально близького до рівноважного; розпад залишкового аустеніту; карбідне перетворення (Cr, Fe)₇C₃(Cr, Fe)₃C, (Cr, Fe)₇C₃ Cr₂₃С₆; коалесценція і коагуляція вторинних надлишкових карбідів і їхня графітизація.

7. Випробуваннями на ударно-абразивний знос визначена зносостійкість чавунів з вмістом хрому 19,0-19,4 і 21,0-21,4% в литому і термообробленому станах. Показано, що:

- максимальні показники зносостійкості обох досліджуваних чавунів спостерігаються після термічного оброблення за режимом 1 (Тауст=950°С, фауст=1год, Тізот=350°С, фізот=1год30хв) при випробуваннях при кімнатній температурі і за режимом 2 (Тауст=950°С, фауст=1год, Тізот=350°С, фізот=3год) при випробуваннях чавуну 280Х19ГНМ при підвищеній температурі (200°С);

- мінімальні - в литому стані, проміжні - після термічного оброблення за режимом 3 (Тауст=1050°С, фауст=1год, Тізот=350°С, фізот=1год30хв) для обох чавунів;

- випробування на ударно-абразивний знос приводять до змін як мікротвердості, так і загальної твердості зразків. У всіх випадках у процесі випробувань при кімнатній температурі загальна твердість зразків зростає, тобто спостерігається зміцнення чавуну.

8. Встановлені механічні властивості економнолегованого чавуну 280Х19ГНМ у вихідному стані й після термічного оброблення. Побудовано залежності межі міцності й ударної в'язкості досліджуваного чавуну від температури аустенітизації й часу ізотермічної витримки. Після термічного оброблення переважає квазікрихкий (вязкий) злам, у якому присутні ділянки як в'язкої (70%), так і крихкої (30%) складової. Показано, що подовження ізотермічної витримки забезпечує найбільш сприятливе співвідношення механічних властивостей.

9. Встановлено залежність склад-структура-властивості економнолегованого чавуну (280Х19ГНМ). Виявлено, що термічне оброблення за режимом 1 (Тауст=950°С, фауст=1год, Тізот=350°С, фізот=1год30хв) забезпечує:

- формування наноструктурної бейніто-мартенситної матриці;

- мінімізацію ліквації;

- розвиток мікронапруг і підвищення щільності дислокацій в -фазі бейніту;

- задовільне поєднання механічних властивостей (627-652НВ, _В=2200МПа, КС=2 Дж/см²;

- максимальні показники зносостійкості (Р=0,086г, =669%, І_з=0,86*10^-3г/хв).

10. На основі отриманих в роботі експериментальних даних сформульовані рекомендації ВАТ „Дніпропетровський завод прокатних валків” (акт від 05.12.2007р.) з питань оптимізації хімічного складу і режимів термічного оброблення високохромистого чавуну, який використовується для виготовлення композитних прокатних валків. Проведено випробування дослідної партії прокатних валків на НПО «Трубосталь» (акт від 15.02.2008р.) Показано, що використання оптимізованого складу і режимів термічної обробки на бейніт дозволяє скоротити витрати на вихідні матеріали і підвищити зносостійкість і строк служби композитних прокатних валків у 2 рази. Також було розраховано, що при впроваджені результатів роботи очікується економічний ефект 1750грн. на виробництво 1т придатних деталей. Наукові результати також використовуються в навчальному процесі на кафедрі матеріалознавства Національної металургійної академії України при виконанні студентами лабораторних, практичних робіт, дипломних проектів та випускних магістерських робіт (акт від 20.02.2008р.).

основний зміст дисертації викладений у роботах

1. Влияние температуры аустенитизации на структуру, фазовый состав и свойства белых высокохромистых чугунов / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2005. - Вып. 32, Ч.1. - С. 44-56. (Автору належить критичний огляд існуючих в літературі режимів ізотермічного гартування в області бейнітного перетворення для високохромистих чавунів);

2. Ресурсосберегающие режимы термической обработки композитных валков, полученных методом ЭШН / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // Теория и практика металлургии. - 2005. - №6. - С. 38-42. (Автор визначив кількісне співвідношення фаз і структурних складових по перетину наплавленого шару з високохромистого чавуну);

3. Структура та властивості білих високохромистих чавунів для композитних валків / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, Г.В. Кравченко // МОМ. - 2006. - №1. - С. 42-46. (Автор виконав дослідження наплавленого шару композитного валку, отриманого методом електрошлакового наплавлення);

4. Влияние повторного нагрева на распределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко, А.В. Животович // МТОМ. - 2007. - №.1 - C. 11-30. (Автор приймав участь в проведенні термічних обробок за різними режимами для білих високохромистих чавунів);

5. Влияние режимов термической обработки на морфологию продуктов распада аустенита в высокохромистом чугуне / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко, А.В. Животович // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2007. - Вып. 41, Ч.1. - C. 75-84. (Автору належить підбір оптимальних параметрів термічного оброблення з метою отримання підвищеного комплексу властивостей високохромистого чавуну зі вмістом хрому 21,0-21,4%);

6. Влияние режимов термической обработки на перераспределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко, А.В. Животович // МТОМ. - 2007. - №3, Ч.2. - С. 33-51. (Автор приймав участь в дослідженні перерозподілу легуючих елементів між фазами і структурними складовими в термообробленому стані);

7. Формирование наноструктурной матрицы в высокохромистых чугунах путем термической обработки / В.З. Куцова, Л.И. Маркашова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2007. - Вып. 43. - С. 229-236. (Автор приймав участь в електронномікроскопічних дослідженнях структурних складових високохромистого чавуну зі вмістом хрому 21,0-21,4%);

8. Куцова В.З. Структура, фазовий склад і властивості високохромистого чавуну після різних режимів термічного оброблення / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, Г.В. Кравченко // МОМ. - 2007. - №4. - С. 19-23. (Автор дослідив закономірності структуроутворення при термічній обробці досліджуваного чавуну);

9. Куцова В.З. Влияние температуры нагрева на формирование структуры, фазовый состав и свойства высокохромистых чугунов в исходном и термообработанном состоянии / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // МТОМ. - 2008. - №1. - С. 35-50. (Автор дослідив взаємозв'язок впливу температури повторного нагрівання високохромистого чавуну зі вмістом хрому 21,0-21,4% з його структурним станом).

Додатково отримані результати відображені у публікаціях:

10. Пат. 59272 А, Україна, МКВ С 21 D 5/04. Спосіб термічної обробки високолегованого чавуну / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, Г.В. Мамченко; заявник та патентоволодар Національна металургійна академія України. - №20021210426; заявл. 23.12.02; опубл. 15.08.03, Бюл. №8. - 1 с. (Автору належить критичний огляд існуючих режимів термічного оброблення високохромистих чавунів).

11. Распределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне ИЧХ16НМФТ / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, А.В. Мамченко // Теория и практика металлургии. - 2003. - №5-6. - С. 97-105. (Автор дослідив прямий зв'язок між структурою, лікваційними процесами і властивостями досліджуваних чавунів);

12. Пат. 69795 А, Україна, МКВ С 21 D 1/78. Спосіб термічної обробки відливків / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, Г.В. Мамченко; заявник та патентоволодар Національна металургійна академія України. - №20031211118; заявл. 08.12.03; опубл. 15.09.04, Бюл. №9. - 2 с. (Автор приймав участь в проведенні термічного оброблення досліджуваного чавуну з метою підвищення його зносостійкості).

13. Структура и свойства композитных валков, полученных методом ЭШН / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: 5-й межд. конгресс, 27 сент. - 1 окт. 2004 г. тезисы докл. - Х., 2004. - Ч.2. - С. 109-115. (Автору належить зіставленні структури з властивостями досліджуваного чавуну).

14. Куцова В.З. Влияние температуры нагрева на структуру, фазовый состав и распределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне ИЧХ16НМФТ в литом состоянии / В.З. Куцова, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2006. - Вып. 36, Ч.2. - С. 69-82. (Автор приймав участь в дослідженнях впливу різних температур повторного нагрівання на структуру та властивості високохромистого чавуну);

15. Структура, фазовый состав и свойства высокохромистого чугуна для композитных валков после изотермической выдержки / В.З. Куцова, А.Ю. Куцов, М.А. Ковзель, А.В. Кравченко, Е.А. Герасименко // Education - Investments - Research & Development: AFES2006 Davos Forum July 4-10, 2006. - Davos (Switzerland), 2006. - C. 82-92. (Автору належить обробка даних фазового рентгеноструктурного аналізу).

АНОТАЦІЯ

Кравченко Г.В. Особливості структуроутворення та розробка способів підвищення механічних властивостей та зносостійкості високохромистих чавунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація спрямована на підвищення зносостійкості білих високохромистих чавунів, що працюють в умовах ударно-абразивного зносу.

Вперше для чавуну з вмістом хрому 21,0-21,41% вивчена кінетика і побудована ізотермічна діаграма розпаду переохолодженого аустеніту.

Встановлено, що в структурі матриці, що сформувалася при ізотермічному загартуванні в бейнітній області виявлено аустеніт різного генезису, що відрізняється за параметром ґратки і вмісту вуглецю. Термічне оброблення та ударно-абразивний знос призводять до того, що мікронапруги і щільність дислокацій в структурі фериту зростають.

Встановлено, що рівень твердості чавуну з вмістом хрому 21,0-21,41% визначається як ступенем легованості продуктів розпаду аустеніту, особливо, сумарним вмістом кремнію і марганцю, кількістю і ступенем легованості залишкового аустеніту, а також ступенем легованості хромом і молібденом евтектичного карбіду.

Данні по розподілу легуючих елементів, залежності рівня твердості від структурних параметрів та тривалості ізотермічної витримки, дозволили оптимізувати склад економнолегованого чавуну (280Х19ГНМ) зі збереженням високих значень твердості.

Вивчено вплив різних температур нагріву на структуру і властивості чавуну з вмістом хрому 21,0-21,41%. Повторний нагрів приводять до повного розпаду залишкового аустеніту; формуванню фериту, максимально близького до рівноважного; зниженню мікротвердості продуктів розпаду аустеніту і евтектичного карбіду.

Вивчено механічні властивості економнолегованого високохромистого чавуну 280Х19ГНМ у вихідному стані й після термічного оброблення.

Ключові слова: чавун, бейніт, -фаза, ізотермічна діаграма, розпад переохолодженого аустеніту, аустенітизація, ізотермічна витримка, повторний нагрів, ударно-абразивний знос, зміцнення.

АННОТАЦИЯ

Кравченко Г.В. Особенности структурообразования и разработка способов повышения механических свойств и износостойкости высокохромистых чугунов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2008.

Диссертация направлена на повышение износостойкости белых высокохромистых чугунов, работающих в условиях ударно-абразивного износа.

В работе выполнен анализ зарубежной и отечественной литературы по влиянию легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита, влиянию состава и структуры на эксплуатационные свойства, в частности, износостойкость и жаростойкость белых высокохромистых чугунов.

Изучены закономерности формирования структурно-фазового состава, распределения легирующих элементов между фазами и структурными составляющими в литом исследуемом высокохромистом чугуне. Впервые для чугуна с содержанием хрома 21,0-21,41% изучена кинетика и построена изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита.

Изучены закономерности структурообразования в промежуточной области температур распада переохлажденного аустенита в исследуемом высокохромистом чугуне. Установлена взаимосвязь между структурными параметрами и механическими свойствами в литом и термообработанном состоянии.

Показано, что в структуре матрицы, которая сформировалась при изотермической закалке в бейнитной области, выявлен аустенит разного генезиса, который отличается по параметру решетки и содержанию углерода.

Впервые показано, что уровень твердости и износостойкости высокохромистых чугунов определяется не только количеством и морфологией эвтектического карбида (Cr, Fe)₇C₃, как принято считать в современной научной литературе, но и в значительной степени структурно-фазовым составом, и степенью легированности продуктов распада переохлажденного аустенита (количеством и степенью легированности остаточного аустенита).

На основе статистического анализа данных по распределению легирующих элементов между фазами и структурными составляющими была установлена зависимость уровня твердости от структурных параметров и продолжительности изотермической выдержки. Что позволило разработать состав экономнолегированного чугуна (280Х19ГНМ) с сохранением высоких значений твердости.

Изучено влияние разных температур нагрева на структуру и свойства чугуна. Показано, что перераспределение легирующих элементов ведет к снижению твердости чугуна за счет изменения степени легированности превращенного аустенита и эвтектического карбида. Установлено, что в чугуне в литом состоянии после повторных нагревов образуются дополнительные карбиды и химические соединения, которые являются причиной коррозионных повреждений.

Изучена износостойкость чугунов с содержанием хрома 19,0-19,4 и 21,0-21,4% в литом и термообработанном состоянии в процессе испытаний на ударно-абразивный износ при комнатной и повышенной (200°С) температуре.

Изучены механические свойства экономнолегированного чугуна 280Х19ГНМ в литом состоянии и после термической обработки. Построены зависимости предела прочности и ударной вязкости исследуемого чугуна от температуры аустенитизации и времени изотермической выдержки. Показано, что увеличение длительности изотермической выдержки обеспечивает наиболее благоприятное соотношение механических свойств.

На основании проведенных сравнительных испытаний высокохромистых чугунов предложены рекомендации по оптимизации состава и режимов термической обработки на бейнит высокохромистых чугунов.

Ключевые слова: чугун, бейнит, -фаза, изотермическая диаграмма, распад переохлажденного аустенита, аустенитизация, изотермическая выдержка, повторный нагрев, ударно-абразивный износ, упрочнение.

ABSTRACT

Kravchenko A.V. Regularity of structure formation, phase transformations and development of ways of wear resistance increase of high-chromium cast irons. - Manuscript.

Thesis for degree of candidate of technical sciences by specialty 05.02.01 - material science. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovs'k, 2008.

The thesis is devoted to improvement of wear resistance of white high-chromium cast irons which work in shock-abrasive conditions.

The structure formation principles and peculiarities of decomposition kinetics of overcooled austenite are determined for the first time, the isothermal diagram of austenite decomposition for roll high-chromium cast iron with chromium content 21,0-21,4% is constructed, and optimum regimes of heat treatment are offered.

Regularities of structure formation in the intermediate area of super-cooled austenite decomposition temperatures of examined cast irons with chromium content 21,0-21,4% are studied.

It is established that the hardness level of researched cast iron is defined by alloying degree of decomposition austenite products, in particular, by total silicon and manganese content, quantity and alloying degree of residual austenite, and also by alloying degree of eutectic carbide with chromium and molybdenum.

The influence of different heating temperatures on the structure and properties of cast iron is studied. It is shown that redistribution of alloying elements leads to decrease of cast iron hardness at the expense of alloying degree change of transformed austenite and eutectic carbide.

The comparative tests of cast irons with chromium content 19,0-19,4% and 21,0-21,4% are carried out. The recommendations for composition optimization and conditions of heat treatment on bainite of high-chromium cast irons are proposed. бейнітний високохромистий чавун

...