Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Молочкова Ольга Сергеевна

ВЫБОР СОСТАВА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ

ЧУГУНОВ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Магнитогорск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова.

       

Научный руководитель  доктор технических наук, профессор

Емелюшин Алексей Николаевич

Официальные оппоненты:  Громов Виктор Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор,

ГОУ ВПО Сибирский государственный

индустриальный университет,

заведующий кафедрой физики

Покачалов Виктор Владимирович

кандидат технических наук, доцент

  ОАО Белорецкий металлургический комбинат

  заведующий лабораторией металловедения ЦЗЛ

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Тюменский государственный

нефтегазовый университет

Защита состоится л16 октября 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 на базе ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан л    2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Полякова Марина Андреевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В горно-обогатительном производстве существует множество деталей, работающих в условиях повышенных температур и абразивного износа (колосники спекательных тележек, броневые плиты, облицовочные плиты тушильных вагонов и т.д.). Основными причинами выхода из строя таких изделий являются разрушение рабочей поверхности в результате ее изнашивания, высокотемпературное окисление и растрескивание в результате необратимого увеличения объема. Вышеприведенные условия работы деталей горно-металлургического и коксохимического оборудования требуют повышения износостойкости и жаростойкости за счет разработки нового состава сплава, так как комплексное воздействие на структуру известных сплавов не дало желаемого повышения стойкости изделий.

Перспективным для увеличения срока службы деталей машин и инструмента, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию при повышенных температурах, является изготовление их из высокохромистых комплексно-легированных белых чугунов (КЛБЧ). Сплавы для изготовления таких изделий должны обладать повышенным комплексом механических и специальных свойств, таких как окалиностойкость, ростоустойчивость и износостойкость, а они, в свою очередь, во многом определяются свойствами пленок, образующихся на поверхности деталей, работающих при повышенных температурах (сцепление с основным металлом, защитные свойства, пористость и т.д.), стабильностью структуры при рабочих температурах, способностью металла сопротивляться изнашиванию.

Созданию новых жароизносостойких сплавов, изучению их структуры и свойств посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы: изучить влияние комплексного легирования и условий охлаждения при затвердевании в форме на особенности формирования структуры, механические свойства, жаростойкость и износостойкость отливок из белых чугунов, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- систематизировать и обобщить литературные данные для подготовки анализа состояния вопроса по теме исследования;

- изучить влияние химического состава на фазовый состав, структуру, механические свойства, износостойкость, жаростойкость КЛБЧ при различных условиях охлаждения в форме;

- исследовать структуры сплавов и оксидных слоев, формирующихся при повышенных температурах;

- провести опытно-промышленные испытания и внедрить в производство отливки из чугунов предложенных химических составов.

Научная новизна работы

1. Изучены основные закономерности формирования структуры КЛБЧ в зависимости от химического состава и условий охлаждения при затвердевании. У чугунов ИЧ220Х18Г4НТ формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики, присутствуют карбиды титана. После завершения кристаллизации чугунов, легированных алюминием и ниобием во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендритов твердого раствора (- и - твердые растворы), карбидов TiC и аустенитохромистокарбидной эвтектики Установлено, что при легировании ниобием происходит выделение вторичных карбидов типа М7С3 при охлаждении в форме.

2. Установлены взаимосвязи химического состава и условий охлаждения при затвердевании, структуры, износостойкости, жаростойкости и механических свойств КЛБЧ. При легировании чугуна ИЧ220Х18Г4НТ алюминием снижается ростоустойчивость, твердость и износостойкость, т.к. металлическая основа становится двухфазной, доля феррита в ней растет с увеличением содержания Al до 92 %. Окалиностойкость сплавов возрастает в 2-3 раза, потому что Al входит в состав оксидных слоев в количестве от 8 до 24 %, и от этого зависят защитные свойства оксидных пленок. При легировании чугуна ИЧ220Х18Г4НТ ниобием повышается твердость и износостойкость сплавов, т.к. ниобий образует твердые и прочные карбиды компактной формы, которые прочно удерживаются металлической основой при изнашивании. Увеличивается жаростойкость сплавов, потому что происходит дисперсионное твердение при охлаждении в форме, и при температуре испытаний не происходят фазовые превращения.

3. Определено, что химический состав и структура оксидной пленки, образовавшейся во время работы и испытаний чугунов при повышенной температуре (800С), зависят от распределения легирующих элементов между структурными составляющими сплава. Структура оксидной пленки наследует строение и химический состав эвтектики, металлической основы и карбидов комплексно-легированных белых чугунов.

4. Разработан состав жароизносостойкого чугуна при следующем изменении компонентов, масс. %: 2,1-2,2 C; 4,5-5,0 Mn; 18,0-19,0 Cr; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,6 Ti, 2,0 Nb; 2,0 Al. При совместном легировании высокохромистого белого чугуна алюминием и ниобием в количестве 2 % каждого удалось достичь повышения окалиностойкости в 9-10 раз по сравнению с чугуном ИЧ220Х18Г4НТ, износостойкость повысилась на 30%. Рост чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ равен нулю, потому что произошло дисперсионное твердение при затвердевании в форме, отсутствуют фазовые превращения при температурах испытаний.

Практическая значимость исследования заключается в том, что его результаты способствуют более глубокому пониманию влияния химического состава сплава, фазового состава, структуры и условий охлаждения при затвердевании на окалиностойкость, ростоустойчивость и износостойкость комплексно-легированных белых чугунов.

Полученные в работе данные о влиянии Cr, Mn, Ni, Ti, Al и Nb на структуру, механические и специальные свойства комплексно-легированных белых чугунов могут быть использованы для разработки новых составов сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах (до 800 С).

Рассмотренное влияние химического состава и структуры сплавов на тип формирующихся оксидных слоев может быть использовано в качестве способа получения оксидных пленок, обладающих высокими защитными свойствами для повышения стойкости деталей горно-металлургического и коксохимического оборудования.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 150400 Металлургия.

Реализация результатов состоит в том, что применение нового состава комплексно-легированного белого чугуна в качестве отливок для изготовления облицовочных плит тушильных вагонов, броней желоба агломерата и колосников спекательных тележек позволило значительно продлить (более чем в два раза) срок эксплуатации данных изделий, сократить количество текущих и капитальных ремонтов.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью поставленных задач, применением апробированных методик исследований и современного испытательного и исследовательского оборудования, необходимым и достаточным количеством экспериментальных данных для статистической обработки и сопоставления с данными других авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 18 международных и Российских научно-технических конференциях: всероссийской научно-технической конференции Молодежь и наука (г. Красноярск, 2002 г.); V, VI, VII и XII Международных научно-технических Уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2003, 2004, 2007, 2011 гг.); Международной молодежной научной конференции Туполевские чтения (г. Казань 2005 г.); Международной научно-технической конференции Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (г. Волжский, 2006 г.); Всероссийская научная конференция молодых ученых Наука. Технологии. Инновации (г. Новосибирск, 2006 г.); Международных научно-технических конференциях молодых специалистов ОАО ММК (г. Магнитогорск, 2005, 2007 гг.); Молодежь, наука, будущее (г. Магнитогорск, 2005 г.); Х, XI, XII Научно-технических конференциях молодых специалистов ЗАО МРК (г. Магнитогорск 2006, 2007, 2008 гг.); 65-й и 67-й научно-технических конференциях Актуальные проблемы современной науки, техники и образования ФГБОУ ВПО МГТУ (г. Магнитогорск 2007, 2009 гг.); Международном симпозиуме Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. Г.А. Горшкова (г. Ярополец, 2011 г.); ХХI Уральской школе металловедов-термистов Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов (г. Магнитогорск, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 научные статьи, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и выводов по работе, работа содержит 134 страницы, 40 рисунков, 29 таблиц, 9 приложений, список литературы из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована актуальность работы, дана её общая характеристика, сформулированы исследуемые проблемы, обозначены цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены факторы, влияющие на жаростойкость, влияние легирующих и модифицирующих элементов на жаростойкость и износостойкость. Обозначены требования к структуре и свойствам жароизносостойких чугунов. В работах А.Д. Шермана, А.А. Жукова, Ю.Г. Бобро, Н.Н. Александрова, Н.И. Клочнева, А.И. Малахова, О. Кубашевского, Б. Гопкинса, В.И. Архарова, Н.П. Жука, Г.М. Флориановича и др. рассмотрены закономерности формирования, строение и тип оксидных пленок, описаны условия реализации защитных свойств оксидных пленок. В работах И.И. Цыпина, Г.И. Сильмана, В.П. Гречина, А.Н. Емелюшина, В.М. Колокольцева и др. рассмотрены основные закономерности абразивного изнашивания, изучено влияние легирующих элементов и примесей на структуру и износостойкость чугунов.

На основании анализа литературных данных сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и методики исследования.

Исследования проводили на комплексно-легированных белых чугунах. Выплавку опытных чугунов осуществляли в индукционной тигельной печи с основной футеровкой. После выплавки опытных образцов проводили раскисление расплава в ковше и заливку его в сухие и сырые песчано-глинистые формы (ПГФ) и кокиль. Скорость охлаждения в интервале кристаллизации в сухой ПГФ составляет 3 - 10 град/мин, в сырой ПГФ - 8 - 12 град/мин, в чугунном кокиле - до 30 град/мин.

Химический состав образцов определяли на эмиссионном спектрометре фирмы Бэрд и на спектрометре OBLF QSG 750 по ГОСТ 18895-97 в лабораториях ЦЛК ОАО Магнитогорский металлургический комбинат.

Сравнительные испытания на износостойкость чугунов проводили на лабораторной установке по методике, регламентированной ГОСТ 23.208-79.

Структуру, фазовый состав чугунов и оксидных слоев исследовали с помощью металлографического и рентгенографического (в кобальтовом К - излучении) методов. Химический состав оксидных слоев определяли методом локального микрорентгеноспектрального анализа на растровом электронном микроскопе ТESCAN VEGA II XMU (Чехия), оснащенном системой рентгеновского энергодисперсионного (ЭДС) микроанализа INCA ENERGY 450 с ADD детектором фирмы OXFORD (Великобритания) и программным обеспечением INCA (г. Екатеринбург).

Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили на оптических микроскопах МЕТАМ-ЛВ31, Epiquant, MEIJI- 2700 при увеличении от 100 до 1000 крат и растровых электронных микроскопах Camscan и JEOL при увеличении от 50 до 160000 крат.

Количественный металлографический анализ, автоматизированную обработку результатов измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 проводили на промышленной системе обработки и анализа изображений SIAMS и анализаторе изображений Thixomet Standart, PRO.

Межфазное распределение легирующих элементов на окисленной поверхности определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа фирмы JEOL JSM-6460 LV в условиях лаборатории ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ), химический состав оксидных и подоксидных слоев исследовали на спектрометре тлеющего разряда.

Жаростойкость оценивали по двум показателям: окалиностойкость (ГОСТ 6130-71) и ростоустойчивость (ГОСТ 7769-82).

Третья глава посвящена исследованию структуры, механических и специальных свойств чугунов системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti в зависимости от химического состава сплава и условий охлаждения в форме, а также изучению оксидных слоев и структуры чугунов, образовавшихся в процессе испытаний на окалиностойкость и свойств, полученных после испытаний.

С целью определения оптимального содержания углерода, хрома, марганца, никеля и титана, обеспечивающих максимальную жароизносостойкость, были исследованы чугуны системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti. Для этого был спланирован и проведен дробный факторный эксперимент типа ДФЭ 25-2 при следующем изменении  факторов, масс. %: Х1 (углерод, 1,9; 2,5); Х2 (марганец, 3,5; 5,0); Х3 (хром, 15,0; 19,0); Х4 (никель, 0,4-1,0); титан Х5 (0,2-0,6), все чугуны содержат технологические добавки Si в количестве 0,4-0,6 %, матрица планирования представлена в табл. 1. Было отлито 9 составов в 3 типа литейных форм.

Таблица 1

Матрица планирования ДФЭ 25-2

№ состава	Содержание химических элементов, %
	С		Mn		Cr		Ni		Ti
	X1	%	X1	%	X1	%	X1	%	X1	%
1	-1	1,9	-1	3,5	-1	15	+1	1,0	-1	0,2
2	+1	2,5	-1	3,5	-1	15	-1	0,4	+1	0,6
3	-1	1,9	+1	5,0	-1	15	-1	0,4	+1	0,6
4	+1	2,5	+1	5,0	-1	15	+1	1,0	-1	0,2
5	-1	1,9	-1	3,5	+1	19	+1	1,0	+1	0,6
6	+1	2,5	-1	3,5	+1	19	-1	0,4	-1	0,2
7	-1	1,9	+1	5,0	+1	19	-1	0,4	-1	0,2
8	+1	2,5	+1	5,0	+1	19	+1	1,0	+1	0,6
9	2,2		4,25		17		0,7		0,4

Фазовый состав чугунов в литом состоянии представляет собой - фазу (аустенит), комплексные карбиды (Fe, Cr, Mn)7С3 и карбиды TiC. Все сплавы являются доэвтектическими. После завершения кристаллизации во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики, в структуре всех образцов присутствуют карбиды титана (рис. 1).

При увеличении содержания углерода и хрома растет дисперсность и объемная доля аустенитохромистокарбидной эвтектики (уменьшается расстояние между карбидами от 13,8 до 8,1 мкм (сухая ПГФ) и от 4,9 до 3,5 мкм (кокиль); растет число карбидов в квадратном миллиметре от 10,5 до 16 тыс. (ПГФ) и от 32,5 до 64 тыс. (кокиль); объемная доля карбидов увеличивается от 18 до 29 % (ПГФ) и от 20 до 35 % (кокиль)), снижается количество и размеры дендритов первичного аустенита. В результате происходит рост твердости и износостойкости.

   

а б в

Рис. 1. Микроструктуры исследуемых чугунов,

залитых в сухую ПГФ (а), сырую ПГФ(б) и кокиль (в), х 500

Объемная доля карбидов в эвтектике для образцов, залитых в сухую ПГФ - 17-29 %, средний размер карбидов 4,2-5,7 мкм, максимальный - 251-1321 мкм, микротвердость карбидов (Fe, Cr, Mn)7С3  составляет 13-15 ГПа. С увеличением скорости охлаждения (заливка в кокиль) растет объемная доля карбидов в эвтектике до 20-35 %, уменьшается средний размер карбидов до 2,1-2,6 мкм, максимальный размер карбидов до 88-230 мкм, снижается количество (с 52 до 30 %) и размеры (с 105,0 до 54,0 мкм) дендритов первичного аустенита, что приводит к увеличению износостойкости.

Было исследовано изменение износостойкости (Ки), твердости (HRC), окалиностойкости (m800), микротвердости металлической основы (HVосн), микротвердости эвтектики (HVэвт) и ростоустойчивости (L) в зависимости от условий охлаждения и химического состава, результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства исследуемых сплавов в зависимости от скорости охлаждения

№ п/п	Ки, ед	Твердость, HRC	m800, г/м2ч	HVосн, МПа	HVэвт, МПа	L, %
1	3,8/4,7/5,3*	42/42/45	0,035/0,038/0,048	4710/4881/6230	8821/9960/7988	0,24/0,23
2	5,2/6,2/8,1	46/46/47	0,025/0,039/0,039	4603/4772/6512	8750/9300/8139	0,25/0,24
3	4,5/4,8/4,9	43/42/47	0,036/0,02/0,035	4328/3581/5900	8686/9278/7865	0,21/0,16
4	3,8/4,8/6,5	47/44/50	0,035/0,043/0,024	4942/5065/4300	8501/9073/8586	0,29/0,27
5	3,5/5,5/9,2	44/42/47	0,02/0,014/0,021	4873/3811/6123	8559/7831/7750	0,26/0,25
6	4,3/4,7/9,0	48/51/53	0,035/0,019/0,039	5512/4047/6533	8505/10600/8828	0,24/0,22
7	3,6/5,1/6,9	45/44/47	0,02/0,013/0,028	5664/4175/6013	11433/8418/6965	0,28/0,25
8	3,4/5,3/8,4	47/49/52	0,021/0,014/0,029	5543/4213/6225	10200/10145/7923	0,28/0,26
9	3,6/5,6/8,9	46/46/51	0,028/0,032/0,047	5625/4125/4597	8634/9500/9275	0,42/0,4

* - сухая ПГФ/сырая ПГФ/кокиль

При заливке в кокиль происходит повышение микротвердости металлической матрицы, микротвердости эвтектики, твердости на 2-5 ед. и износостойкости на 2-5 ед. Этот рост обусловлен изменением объема карбидной фазы. Максимальной износостойкостью обладают чугуны, залитые в кокиль, так как карбиды измельчаются, более равномерно распределяются в матрице и при абразивном изнашивании прочно удерживаются ею.

Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в песчано-глинистые формы, в них размеры карбидов составляют 12-29 мкм, которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются, что приводит к снижению износостойкости. Падение окалиностойкости с увеличением скорости охлаждения связано с тем, что растет доля карбидов в структуре, а, следовательно, происходит обеднение твердого раствора хромом.

После испытания на окалиностойкость было исследовано состояние поверхности образцов. Было выявлено три типа оксидных слоев: а - плотный сплошной оксидный слой (образовался на чугунах составов 5, 7); б - рыхлый с трещинами и разрывами (образовался на чугунах составов 2, 3, 4, 6, 8) и в - разрушившийся оксидный слой, который не препятствует дальнейшему окислению поверхности металла (составы 1, 9).

Определили распределение элементов по глубине оксидных слоев. При содержании хрома в сплаве более 19 % в оксидной пленке его концентрация составляет более 30 %. В результате на поверхности образуется плотная сплошная оксидная пленка, а глубина проникновения коррозии снижается, увеличивается окалиностойкость m800 = 0,013-0,014 г/м2ч. При содержании в чугуне 15 % хрома в оксидном слое его содержание составляет около 15%. На поверхности таких чугунов формируется неплотная рыхлая оксидная пленка, что приводит к увеличению глубины проникновения коррозии и снижению окалиностойкости, m800 = 0,039 г/м2ч. При содержании хрома в оксидной пленке более 30 % формируется сплошная плотная с хорошим сцеплением с основным металлом оксидная пленка, предотвращающая дальнейшее окисление сплава.

В чугунах обнаружен эффект наследования состава оксидной пленкой в зависимости от распределения хрома в поверхностном слое. Оксидная пленка повторяет структуру сплава, в ней присутствуют участки игольчатой формы, они наследуют структуру эвтектики, также есть участки, соответствующие дендритам твердого раствора.

После обработки результатов дробного факторного эксперимента, получили адекватные математические зависимости свойств экспериментальных сплавов от химического состава (1-11).

HRCсух = 45,2+1,7 Х1+0,2 Х2+0,8 Х3-0,2 Х4-0,2 Х5; (3.1)

(F расч = 0,35, F табл = 3,63)

HRCсыр = 44,9+2,4 Х1-0,5 Х2+1,4 Х3-0,7 Х4-0,2 Х5; (3.2)

(F расч = 0,02, F табл = 3,63)

HRCкок = 48,6+2,1 Х1+0,4 Х2+1,3 Х3-0,1 Х4-0,3 Х5; (3.3)

(F расч = 0,028, F табл = 3,63)

Кисух = 4,01+0,16 Х1-0,18 Х2-0,31 Х3-0,39 Х4+0,14 Х5; (3.4)

(F расч = 0,04, F табл = 3,63)

Кисыр = 5,1+0,11 Х1-0,14 Х2-0,06 Х4+0,31 Х5;  (3.5)

(F расч = 0,05, F табл = 3,24)

Кикок = 7,3+0,71 Х1-0,6 Х2+1,1 Х3+0,06 Х4+0,36 Х5; (3.6)

(F расч = 0,63, F табл = 3,63)

m800сух = 0,028+0,0006 Х1-0,0004 Х2-0,004 Х3-0,0006 Х4-0,003 Х5;  (3.7)

(F расч = 0,23, F табл = 3,63)

m800сыр = 0,03+0,004 Х1-0,003 Х2-0,01 Х3+0,002 Х4-0,003 Х5;  (3.8)

(F расч = 0,23, F табл = 3,63)

m800кок = 0,029+0,004 Х1-0,0001 Х2+0,0001 Х3-0,006 Х4+0,002 Х5;  (3.9)

(F расч = 0,0,01, F табл = 3,63)

Lсух = 0,2+0,01 Х1+0,01 Х2+0,01 Х3+0,01 Х4-0,01 Х5;  (3.10)

(F расч = 0,61, F табл = 3,63)

Lсыр = 0,2+0,01 Х1+0,003 Х2+0,01 Х3+0,02 Х4-0,01 Х5; (3.11)

(F расч = 0,36, F табл = 3,63)

Оптимизацию химического состава проводили с помощью метода крутого восхождения. Для этого использовали регрессионные уравнения, полученные при проведении ДФЭ (1-11). В результате были получены 3 оптимальных химических состава чугуна по наибольшей износостойкости, окалиностойкости и ростоустойчивости. Для дальнейшего изучения был рекомендован следующий состав жароизносостойкого чугуна, масс. %: 2,1-2,2 C; 4,5-5,0 Mn; 18,0-19,0 Cr; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,6 Ti (ИЧ220Х18Г4НТ), учитывающий все 3 параметра оптимизации. При этом разработанный состав должен содержать технологические добавки кремния 0,4-0,6 %.

В процессе испытаний чугуна ИЧ220Х18Г4НТ на окалиностойкость происходит выделения высокодисперсных комплексных карбидов из пересыщенного твердого раствора аустенита, который в результате обедняется углеродом и легирующими элементами (рис. 2). Объемная доля комплексных карбидов увеличивается от 22 до 35 %, что свидетельствует о температурной неустойчивости карбидов данного типа предположительно за счет легирования сплава марганцем.

Оксидная пленка покрывает всю поверхность образца и имеет различную толщину, средняя толщина пленки 20,4 мкм. Структура оксидной пленки определяется структурой сплава, частицы карбидов хрома препятствуют росту пленки, там, где есть карбиды хрома, пленка тоньше.

Методом спектрального анализа определили распределение элементов по глубине оксидных слоев (табл. 3). Содержание элементов меняется от поверхности в глубину оксидного слоя, максимальные концентрации элементов находятся на разной глубине: содержание Mn в поверхности оксидного слоя на глубине 1,7 мкм - 17,7 %, на расстоянии 8,5 мкм от поверхности - 1,5 %. Это можно объяснить тем, что оксиды Mn участвуют в формировании внешних слоев оксидной пленки.

  а б 

Рис. 2. Микроструктура чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, залитого в сырую ПГФ в литом состоянии (а) и после испытаний на жаростойкость

при 800 С (б), х 500

Концентрация хрома в поверхности оксидной пленки - 26,8 %, на расстоянии от поверхности 8,5 мкм падает до 14,4 %, оксиды шпинельного типа формируют внешний слой пленки. Содержание Fe увеличивается от 53,3 % на поверхности (1,7 мкм) до 81 % на глубине 8,5 мкм. Начиная с глубины 20 мкм, содержание элементов выходит на постоянную концентрацию.

Таблица 3

Распределение химических элементов по глубине оксидных слоев

Глубина, мкм	Mn, %	Cr, %	Fe, %
1,7	17,7	26,8	53,3
3,5	3,63	24,2	70,8
5	1,6	16,6	80
8,5	1,5	14,4	81

Поверхность оксидных слоев существенно обогащена марганцем, что оказывает отрицательное влияние на окалиностойкость. Марганец, имеющий более высокое сродство к кислороду, чем железо, обладает большей диффузионной подвижностью в - железе, чем хром и в больших количествах попадает в оксидную пленку. Входя в состав образующихся в оксидной пленке фаз типа шпинели, марганец увеличивает параметр кристаллической решетки, увеличивает проницаемость окалины, которая не обладает защитными свойствами уже при не слишком высоких температурах и снижает сопротивление металла окислению.

Четвертая глава посвящена анализу влияния добавок ниобия и алюминия как по отдельности, так и совместно на фазовый состав, структуру и свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ (в литом состоянии и после испытаний на окалиностойкость), а также на химический состав образующихся оксидных пленок.

Для изучения влияния алюминия и ниобия по отдельности на свойства комплексно-легированного белого чугуна ИЧ220Х18Г4НТ было отлито 8 составов (4 с Al и 4 с Nb) в 3 типа литейных форм. Содержание алюминия и ниобия менялось от 1,5 до 3 % с шагом 0,5 %. Фазовый состав чугунов представляет собой -фазу (феррит) и - фазу (аустенит), комплексные карбиды типа М7С3 и карбиды типа МC. Структура состоит из избыточных дендритов твердого раствора (- и -), карбидов TiC и аустенитохромистокарбидной эвтектики.

В результате проведенных исследований установлено, что с повышением содержания алюминия от 1 до 3 % в чугуне ИЧ220Х18Г4НТ окалиностойкость сплавов возрастает (в 3 раза для чугунов, залитых в сухую ПГФ, и в 2 раза для чугунов, залитых в кокиль). Наилучшими механическими и специальными свойствами обладает чугун ИЧ220Х18Г4НТ с содержанием алюминия 2,5 %, потому что снижение концентрации Al приводит к падению окалиностойкости, а введение 3 % Al увеличивает рост чугуна.

С помощью рентгеновского картирования выявлены концентрационные неоднородности в различных участках оксидной пленки, образовавшейся на чугуне ИЧ220Х18Г4Ю2НТ. В участках, соответствующих дендритам аустенита, содержание алюминия более 20 %, Mn около 6 %, Cr 6 %, формируется плотная сплошная оксидная пленка. Поверхность оксидного слоя, соответствующая участкам эвтектики, обогащена марганцем, его содержится более 30 %, Al около 10 %, Cr 6 %. На этих участках оксидная пленка рыхлая.

В структуре чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, легированного ниобием, происходит дисперсионное твердение при охлаждении в форме, поэтому при температуре испытаний не происходят фазовые превращения. Наилучшими специальными свойствами обладает чугун ИЧ220Х18Г4НТ, содержащий 1,5 % Nb. Износостойкость у этого чугуна повысилась в 1,2 раза по сравнению с ИЧ220Х18Г4НТ, а окалиностойкость в 2 раза, рост равен нулю для чугунов, залитых в сухую ПГФ и 0,29 % для чугунов, залитых в сырую ПГФ.

Алюминий существенно повышает окалиностойкость исследуемых сплавов, при этом не снижает износостойкость, а ниобий - повышает износостойкость и окалиностойкость. Было решено изучить совместное влияние алюминия и ниобия на износостойкость и окалиностойкость комплексно-легированного белого чугуна ИЧ220Х18Г4НТ. Содержание алюминия и ниобия менялось от 1 до 3 %, количество C, Cr, Mn, Ni и Ti не изменялось. Было отлито 9 составов в 3 типа литейных форм.

Фазовый состав чугунов представляет собой -фазу (феррит) и - фазу (аустенит), комплексные карбиды типа М7С3 и карбиды типа МC. Все сплавы являются доэвтектическими. Структура состоит из карбидов (Nb, Ti)C, избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики и вторичных карбидов типа Cr7C3 (рис. 3).

   

а  б  в

Рис. 3. Фотография микроструктуры чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в травленом виде, содержащего а - 1 % Al, 1 % Nb; б - 1 % Al, 2 % Nb;

в - 1 % Al, 3 % Nb, х 100

На образцах исследуемых составов был проведен количественный металлографический анализ карбидов (Nb, Ti)C и комплексных карбидов (Fe, Cr, Mn)7C3. Исследовано изменение твердости, микротвердости металлической основы и эвтектики, износостойкости, ростоустойчивости и окалиностойкости в зависимости от условий охлаждения (заливка в сухую, сырую песчано-глинистые формы и чугунный кокиль) и химического состава.

Максимальными свойствами обладает жароизносостойкий чугун при следующем изменении компонентов, масс. %: 2,1-2,2 C; 4,5-5,0 Mn; 18,0-19,0 Cr; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,6 Ti, 2,0 % Nb; 2,0% Al (ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ).

Провели испытания чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ на жаростойкость, изучили микроструктуру, формирующуюся в процессе этих испытаний, фотографии представлены на рис. 4. В процессе испытаний на окалиностойкость происходит коагуляция вторичных карбидов типа М7С3. Рост чугуна равен нулю, потому что при совместном легировании хромом и ниобием происходит дисперсионное твердение в форме, и при температурах испытаний фазовых превращений не наблюдается.

Определили распределение элементов по глубине оксидных слоев. Содержание элементов меняется по глубине оксидного слоя следующим образом: содержание Mn составляет 34 % на глубине до 1 мкм; 13,8 % на глубине 2 мкм и 4,2 % на глубине 6 мкм. Таким образом, Mn участвует в формировании внешних слоев оксидной пленки. Концентрация хрома возрастает с 10 % на глубине до 1 мкм, до 17 % на глубине 6 мкм. Хрома меньше во внешних слоях пленки, основное количество хрома осталось в твердом растворе. Содержание Fe увеличивается с 30 % на глубине слоя 1 мкм до 71 % на глубине слоя 6 мкм. Концентрации элементов в оксидном слое выходят на уровень содержания их в сплаве, начиная с глубины 6 мкм. Концентрация алюминия в поверхности оксидной пленки достигает 20 %, на глубине 5-6 мкм его содержание снижается до 2,4 %, что соответствует его концентрации в сплаве.

 

а б

Рис.4. Микроструктура чугуна ИЧ 220Х18Г4Ю2Б2НТ:

а - до испытания на окалиностойкость, б - после испытаний, х 500.

Исследование топографии окисленной поверхности показало, что оксидная пленка состоит из 2 типов слоев: тип - плотный тонкий и тип - рыхлый наросший оксидный слой. В участках, соответствующих дендритам аустенита ( тип), Al содержится более 24 %, Mn - около 16 %, Cr - 12 %. Поверхность оксидного слоя, которая соответствует участкам эвтектики (тип ), обогащена Mn, его содержится более 65 %, Al - около 4 %, содержание Cr около 1 %. И в плотном, и в рыхлом слое оксидной пленки присутствует ниобий в количестве 3,5 %. Оксидная пленка покрывает всю поверхность металла и имеет различную толщину, средняя толщина пленки составляет 8,8 мкм. При окислении комплексных карбидов типа М7С3 первой образуется оксидная пленка М2О3 с высоким содержанием Mn (до 65 %), затем образуется шпинель типа М3О4 с высоким содержанием Al до 24 %, она более плотная, и процесс окисления замедляется.

Оксидная пленка, образовавшаяся в процессе испытаний на окалиностойкость на чугуне ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, в 2,3 раза тоньше, чем пленка, образовавшаяся на чугуне ИЧ220Х18Г4НТ.

При совместном легировании алюминием и ниобием в количестве 2 % каждого элемента удалось достичь повышения окалиностойкости в 9-10 раз по сравнению с чугуном ИЧ220Х18Г4НТ. Износостойкость повысилась на 30% по сравнению с чугуном ИЧ220Х18Г4НТ. Рост чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ равен нулю, потому что произошло дисперсионное твердение в форме и отсутствуют фазовые превращения при температурах испытаний.

В условиях ООО Буруктальский металлургический завод (г. Светлый) проводились производственные испытания экспериментальной брони желоба агломерата, изготовленной из легированного чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ (рис. 5, а). Опытная деталь была установлена на агломерационную машину для проведения испытаний.

 

Рис. 5. Внешний вид: а - отливки брони желоба агломерата,

б - облицовочные плиты тушильных вагонов

Проведенными испытаниями установлено, что к моменту планового ремонта агломерационной машины брони из ранее применяемых сплавов, имеют сквозные дыры, диаметром до 190 мм, а бронь, изготовленная из чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, оказалась более стойкой к износу при высоких температурах (600-800 С). При этом при начальной толщине брони 100 мм износ (прогар) составлял не более 45 мм в глубину.

В условиях предприятия ЗАО Южуралвтормет используются колосники спекательных тележек, изготовленные из нового состава комплексно-легированного белого чугуна ИЧ 220X18Г4Ю2Б2НТ. Колосники спекательных тележек работают при температуре до 600 С и повышенном абразивном износе. В среднем срок службы колосников из ранее использованной стали составляет 5 месяцев, применение нового состава чугуна для данного типа отливок увеличило срок их службы более, чем в 2 раза. Увеличение срока эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления колосников (за счет лучших литейных свойств и отсутствия термической обработки чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ по сравнению с ранее применяемой сталью), а так же сокращение количества ремонтов спекательных тележек позволило получить ожидаемый экономический эффект более 2 млн. рублей в год (в ценах 2008 года).

В условиях ОАО Гайский ГОК была отлита опытная партия облицовочных плит из белого жароизносостойкого чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, идущих на комплектацию тушильных вагонов для коксохимического производства (рис. 5, б). Облицовочные плиты, изготовленные из чугуна предложенного состава, позволяют сохранять свою работоспособность при температурах до 800 С и менее чувствительны к резкому перепаду температур, чем ранее использовавшиеся сплавы. Предложенный состав белого износостойкого чугуна значительно продлевает срок эксплуатации облицовочных плит (более чем в два раза) и позволяет сократить количество текущих и капитальных ремонтов самих тушильных вагонов.

Основные выводы

1. Исследованы особенности изменений фазового состава, структуры и свойств жароизносостойких чугунов в зависимости от химического состава и условий охлаждения. Установлено, что фазовый состав чугунов ИЧ220Х18Г4НТ представляет собой - фазу (аустенит), карбиды типа M7С3  и карбиды типа МC. У чугунов ИЧ220Х18Г4НТ, легированных Al и Nb, структура представляет собой -фазу (феррит) и - фазу (аустенит), комплексные карбиды типа М7С3 и карбиды типа МC.

2. Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, твердости, износостойкости и жаростойкости чугунов, которые могут использоваться в качестве базы данных для выбора и разработки новых жароизносостойких сплавов. Разработан оптимальный состав жароизносостойкого чугуна при следующем изменении компонентов, масс. %: 2,1-2,2 C; 4,5-5,0 Mn; 18,0-19,0 Cr; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,5 Ti (ИЧ220Х18Г4НТ).

3. Установлено, что после испытаний на окалиностойкость на чугунах ИЧ22Х18Г4НТ образуется три типа оксидных слоев. Методом спектрального анализа исследовано распределение химических элементов по глубине оксидных слоев. При содержании хрома в сплаве более 19 % в оксидной пленке его концентрация более 30 %, в результате на поверхности образуется плотная сплошная оксидная пленка, а глубина проникновения коррозии снижается. Марганец оказывает отрицательное влияние на окалиностойкость. При повышении содержания Mn в сплаве от 3,5 до 5 % происходит увеличение его концентрации в поверхности оксидной пленки от 20-30 до 35-45 %, при этом снижается окалиностойкость чугунов в 1,5-2,7 раз.

4. С помощью микрорентгеноспектрального количественного анализа определено, что химический состав и структура оксидных пленок зависят от распределения легирующих элементов между структурными составляющими и структуры сплава. В структуре оксидной пленки присутствуют участки, соответствующие эвтектике, металлической основе и карбидам.

5. Наилучшими свойствами обладает чугун при следующем изменении компонентов масс. %: 2,1-2,2 C; 4,5-5,0 Mn; 18,0-19,0 Cr; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,6 Ti, 2,0 % Nb; 2,0% Al. При легировании алюминием и ниобием в количестве 2 % каждого удалось достичь повышения окалиностойкости в 7-12 раз (для чугунов, залитых в сухую ПГФ и кокиль), износостойкость повысилась на 30 %  по сравнению с чугуном ИЧ220Х18Г4НТ. Оксидная пленка, образовавшаяся в процессе испытаний на окалиностойкость на чугуне ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, в 2,3 раза тоньше, чем пленка, образовавшаяся на чугуне ИЧ220Х18Г4НТ. Рост чугуна равен нулю, потому что при совместном легировании хромом и ниобием происходит дисперсионное твердение в форме, и при температурах испытаний фазовых превращений не наблюдается.

6. Установлено, что применение чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ в качестве материала деталей облицовочных плит тушильных вагонов (в условиях ОАО Гайский ГОК), броней желоба агломерата (ООО Буруктальский металлургический завод) и колосников спекательных тележек (ЗАО Южуралвтормет) значительно продлевает срок эксплуатации этих изделий, позволяет сократить количество текущих и капитальных ремонтов и получить технический и экономический эффекты от внедрения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емелюшин А.Н., Петроченко (Молочкова) О.С., Петроченко Т.С. Технология изготовления износостойких изделий из белых чугунов / Молодежь и наука. Сб. матер. межрегион. научн. фестиваля. Красноярск. 2002. С. 205.

2. Емелюшин А.Н., Петроченко (Молочкова) О.С., Петроченко Т.С., Баталов В.Г. Влияние состава на структуру и свойства высокохромистых чугунов / V Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых: Сб. тез. Екатеринбург. 2003. С. 55.

3. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С., Петроченко Т.С. Влияние легирующих элементов на свойства белых износостойких чугунов / V1 Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых: Сб. тез. Екатеринбург. 2004. С. 21.

4. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С. Исследование структуры и свойств комплексно- легированных чугунов / V1 Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых: Сб. тез. Екатеринбург. 2004. С.38.

5. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С. Выбор состава и исследование структуры и свойств тепло-, жароизносостойких чугунов / Международная научно-техническая конференция молодых специалистов, посвященная 100-летию со дня рождения директора комбината Г.И. Носова, ОАО ММК: Сб. тез. Магнитогорск. 2005. С.374-375.

6. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С., Петроченко Т.С. Выбор химического состава жароизносостойких белых чугунов / Молодежь, наука, будущее: Сб. науч. тр. студентов. Под ред. Л.В. Радионовой. Выпуск 4. Магнитогорск. 2005. С. 297-299.

7. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С., Юферева А.А., Извекова Е.И., Рыбакова О.В. Выбор состава и исследование структуры и свойств жароизносостойких чугунов / Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани. Казань, 10-11 ноября 2005 года: Материалы конференции. Том 1. Казань Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2005. С. 45-46.

8. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С., Шекунов Е.В. Новый состав износостойкого чугуна для деталей специального назначения / Абразивное производство: Сборник научных трудов под редакцией Б.А. Чаплыгина. Челябинск: Издательство ЮУрГУ. 2005. С. 11-14.

9. Петроченко Е.В., Петроченко (Молочкова) О.С., Петроченко Т.С., Романов С.В, Нефедьев С.П. Повышение стойкости отливок броневых плит для горно-обогатительного производства ОАО ММК / Х Научно-техническая конференция молодых специалистов ЗАО МРК: Сб. тезисов. Магнитогорск. 2006. С. 159-161.

10. Емелюшин А.Н., Молочкова О.С., Петроченко Т.С. Износостойкость различных сталей при изнашивании продуктами горно-обогатительного производства / ШЛИФАБРАЗИВ - 2006. Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Сборник статей международной научно-технической конференции. Волжский. 2006. С. 191-195.

11. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Петроченко Т.С. Исследование окалиностойкости комплексно-легированных белых чугунов / Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2006. Часть 2. С. 211-212.

12. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Петроченко Т.С., Романов С.В, Нефедьев С.П. Литейные износостойкие сплавы / ХI Научно-техническая конференция молодых специалистов ЗАО МРК: Сб. тезисов. Магнитогорск. 2007. С.81.

13. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Исследование структуры и свойств жароизносостойких чугунов / Материалы 65-й научно-технической конференции Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Сборник докладов. Том 1. Магнитогорск. 2007. С. 37-39.

14. Емелюшин А.Н., Молочкова О.С. Исследование влияния фазового состава, структуры на износостойкость отливок из белого чугуна / Сборник рефератов научно-исследовательских работ студентов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. 2007. С. 142-143.

15. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Анализ оксидных слоев жароизносостойких чугунов / VII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых: Сборник трудов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2007. С. 235-237.

16. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Романов С.В. Особенности структурообразования жароизносостойких белых хромистых чугунов / ХII Научно-техническая конференция молодых специалистов ЗАО МРК: Сб. тезисов. Магнитогорск. 2008. С. 92-93.

17. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Романов С.В. Влияние углерода на специальные свойства комплексно-легированного высокохромистого чугуна / Технологическая механика материалов. Межвузовский сборник научных трудов. Под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2008. С. 67-72.

18. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Миронов О.А. Исследование влияния параметров карбидной фазы на механические и специальные свойства комплексно-легированных белых чугунов / Материаловедение и термическая обработка металлов. Междунар. сб. науч. тр. Под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко. Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2009. С. 238-242.

19. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Изыскание составов жароизносостойких комплексно-легированных белых чугунов / Известия ВУЗов. Черная металлургия. № 8. 2009. С. 31 - 34. (издание из перечня ВАК)

20. Колокольцев В.М., Воронков Б.В., Гольцов А.С., Шевченко А.В., Молочкова О.С. Повышение срока службы деталей из жароизносостойких чугунов / Литейщик России. №6. 2009. С. 9-12. (издание из перечня ВАК)

21. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Разработка перспективных материалов для изготовления жароизносостойких литых изделий / Материалы XVII международного симпозиума "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред" им. Г.А. Горшкова. Ярополец. 2011. С.147-149.

22. Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Князева И.В. Новые жароизносотойкие материалы на основе железа / ХII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых: сб. науч. тр. УрФУ Институт физики металлов УрО РАН. Екатеринбург. 2011. С. 253-255.

23. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Анализ взаимосвязи химического состава, условий охлаждения при затвердевании с особенностями строения сплавов, окисленной поверхности и свойствами комплексно-легированных белых чугунов / Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. № 4 (36). С. 50-53. (издание из перечня ВАК)

24. Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Повышение свойств жароизносостойких чугунов дополнительным легированием ниобием / ХХI Уральская школа металловедов-термистов Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: сб. науч. тр. ФГБОУ ВПО МГТУ. Магнитогорск. 2012. С. 261-262.

  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям