Разработка технологии получения комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов функционального назначения в литом и термообработанном состояниях

Увеличение срока службы современного оборудования, машин и механизмов тесно связано с повышающимися требованиями к качеству и эксплуатационным характеристикам чугунов, которые требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства. Борьба с изнашиванием, коррозией и окислением металлов и сплавов — один из важнейших резервов повышения долговечности изделий, уменьшения расходов материалов на запасные части, комплексного улучшения качества и надежности машин и механизмов. В этой связи важной является проблема повышения служебных свойств (износостойкости, жаростойкости и коррозионностойкости) чугунных отливок, которая актуальна для многих отраслей промышленности — машиностроительной, металлургической, горнодобывающей, химической и др.

Белый чугун все более широко применяют как материал для деталей машин и механизмов, подвергающихся интенсивному изнашиванию, окислению и коррозии, хотя традиционно относили его к хрупким и низкопрочным материалам, что существенно ограничивало области его использования. Достигнутые в последние годы успехи в области легирования и термической обработки белых чугунов значительно меняют наши представления об их свойствах и возможных сферах применения.

Разработка принципов композиционного упрочнения сплавов, а также сочетания нескольких видов упрочнения (например, композиционного и дисперсионного, композиционного и деформационного) значительно облегчили оптимизацию микроструктуры и химических составов белых чугунов в зависимости от условий их эксплуатации. Структуры чугунов с эвтектическими композициями на базе специальных карбидов обеспечивают сочетание необычно высоких механических и эксплуатационных свойств. Такие белые чугуны могут обладать повышенной пластичностью, вязкостью и удароустойчивостыо, но в то же время сохранять основные преимущества белых чугунов — высокую твердость и износостойкость, и проявление композиционного упрочнении при повышенных температурах и термоцоклировании.

Современные белые чугуны — сложнолегироваиные многокомпонентные сплавы, различные по структуре и специальным свойствам. Они представляют собой отдельную группу промышленных чугунов, при затвердевании которых формируется карбидная и иная интерметаллидная фаза. Именно они, в большинстве случаев, определяют специфические свойства белых чугунов в литом состоянии.

Несмотря на обилие литературных данных по оптимизации составов комплексно-легированных белых чугунов функционального назначения с различным углеродным эквивалентом (Сэ = 2,3.4,0%), достаточно и систематически не исследовано влияние легирующих элементов на строение жидкой фазы, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные (жаростойкость, износостойкость и коррозионностойкость) свойства низкоуглеродистого белого чугуна в литом и термообработанном состояниях.

Актуальность работы, которая выполнялась в рамках тематического плана по единому заказ-наряду Министерства образования РФ (с 2003 г.) «Исследование и разработка комплексно-легированного низкоуглеродистого белого чугуна функционального назначения», Гранта (№ 6/98 ГР, 01.01.98 — 2000 г.) «Исследование некоторых структурно-чувствительных параметров чугунов и установление корреляционной связи между их свойствами в жидком и твердом состояниях», определяется важной хозяйственной задачей повышения качества и свойств специальных белых чугунов.

Цель работы заключалась в исследовании влияния карбидообразующих легирующих элементов на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства и разработка на этой основе комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов функционального назначения влитом и термообработанном состояниях.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния легирующих элементов (Cr, W, Mo, Mn, V) на строение жидкого чугуна методами гамма-проникающих излучений.

2. Исследование влияния легирующих элементов (Mo, W, Cr, V, Мп) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические (плотность, электро-и теплопроводность, твердость HRC и микротвердость) и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства низкоуглеродистого белого чугуна в литом состоянии.

3. Исследование влияния термической обработки на структурообразование, твердость и износостойкость легированных чугунов и разработка оптимальных температурных режимов термообработки для достижения максимальных твердости и износостойкости.

4. Исследование комплексного влияния легирующих элементов на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства низкоуглеродистого белого чугуна в литом и термообработанном состояниях.

5. Оптимизация химических составов комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов функционального назначения в литом и термообработанном состояниях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые методами гамма-проникающих излучений установлено наличие критических температур перехода статистически разупорядоченной структуры ближнего порядка (^о) к статистической упорядоченной структуре (/]) при охлаждении жидких неи легированных низкоуглеродистых (2,0 — 2,1 мае. % С) белых чугунов (Жст—" Жщк):

— все легирующие элементы повышают температуры t0 и t\ W, Mo, Мп расширяют температурный интервал перехода Жст-* Жщк (/о — a Cr и V сужают егопо степени повышения этих температур и расширения температурного интервала статистического упорядочения расплава легирующие элементы располагаются в следующий ряд при их содержании 5,0 мае. %: to, °С: Cr, V (1540) —> W (1150) Мо, Мп (1600) — /Ь°С: Сг (1425) -> W (1450) Мо (1460) Мп (1475) V (1510) — /0-/ь°С: V (30) W (100) —> Cr (115) ^ Мп (125) Мо (140).

Эти данные позволяют определить оптимальные температурные режимы плавки чугунов и порядок ввода легирующих присадок в расплав для снижения температуры начала статистического разупорядочения расплава t0 [1]: все легирующие элементы расширяют температурную область существования статистически упорядоченной структуры ближнего порядка ЖГцк в интервале температур t -7Л (/лликвидус) — при 5,0 мае. % легирующие элементы располагаются в следующий ряд: h -/л, °С: Сг (50) W, Мо (100) V (125) — Мп (150) — степень уплотнения расплава AJ0 при переходе статистически разупорядо-ченного к упорядоченному состоянию в интервале температур t0 — h зависит от удельного веса легирующих элементов;

AJo-102, имп/с: V (5,44) Сг (6,0) Мп (10,02) — Mo (11,32) W (12,3). легирующие элементы уменьшают значения коэффициента термического сжатия упорядоченного расплава (Ж1Цк) c*i в интервале температур t — tA, при 5,0 мае. % легирующие элементы располагаются в следующий ряд: а, имп/с-°С: V (6,0) — Сг (4,0) Мп (3,8) Mo, W (3,0).

Следовательно, чем плотнее легирующий элемент, тем в меньшей степени сжимается жидкий сплав под воздействием температуры охлаждения.

2. Получены новые результаты по влиянию хрома и вольфрама (0.15,0 мае. %), марганца и молибдена (0.5,0 мае. %) и ванадия (0.7,0 мае. %) на кристаллизационные параметры (tA, t" (t" «), tA, гЛ, т» (т" п), гл, А/лэ", AJ3,.

AJ а, а2 и др.), физико-механические (плотность, электрои теплопроводность, твердость HRC микротвердость структурных составляющих чугуна Н50) и эксплуатационные (износостойкость, жаростойкость, коррозионностойкость) свойства низкоуглеродистого белого чугуна (мае. %: 2,0.2,15 С- 0,8. 1,05 Si- 0,4.0,5 Мп- 0,08 S- 0,15 Р) влитом состоянии: установлена концентрационная зависимость изменения кристаллизационных параметров легированных чугунов и дано научное обоснование установленным зависимостямв вольфрамовых (более 7,5 мае. %), молибденовых (более 1,5 мае. %) и ванадиевых (более 3,0 мае. %) чугунах на политермах интенсивности гаммапроникающих излучений зафиксированы перегибы, характеризующие температуры начала кристаллизации карбидных фаз [(Fe, W)6C, to — (Fe, Mo)23C6, VC]- причем с повышением концентрации Мо и W температура начала кристаллизации карбидных фаз tK снижается, а в ванадиевых чугунах эта температура повышается;

— выявлена концентрационная зависимость физико-механических и эксплуатационных свойств легированных чугунов и дано научное обоснование установленным зависимостям.

3. Обоснован выбор оптимальных температурных режимов термообработки легированных белых чугунов, заключающихся в закалке с последующим низкотемпературным отпуском для достижения максимальной твердости и износостойкости: оптимальными температурами закалки являются 850 °C для марганцевых, вольфрамовых и молибденовых чугунов, 850 — 900 °C для ванадиевых и низкохромистых (до 7,5 мае. %) и 1000 °C для высокохромистых (7,5. 15,0 мае. %);

— оптимальная температура отпуска соответствует 300 °C в течение 1 — 2 часов выдержки;

— после двойной термической обработки можно получить твердость 62 HRC при 2,5 мае. % Мо (К&bdquo- = 1,6), 2,0 мс. % Мп (К&bdquo- = 1,75), 7,5 мае. % Сг (К&bdquo- = 1,75), 2,5 мае. % W (Кц = 1,75) — между твердостью и износостойкостью существует прямая корреляция.

4. Установлено комплексное влияние легирующих элементов на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства хромистого (6,0 мае. %) белого чугуна в литом и термообработап-ном состояниях и дано научное основание установленным зависимостям: выявлена концентрационная зависимость изменения кристаллизационных параметров, структурообразования и физических свойств хромистого белого чугуна, легированного дополнительно W, Мо, V, Мпмаксимальная твердость и износостойкость хромистого чугуна в литом состоянии достигается при 3,0 мае. % Мо (56 HRC, Ки = 1,75), 5,0 мае. % Мп (55 IIRC, КП = 1,40), 10,0 мае. % W (56 HRC, Ки = 1,51) — ванадий отрицательно влияет на повышение твердости, при этом несущественно повышает износостойкость при 7,0 мае. % 44 HRC, Ки = 1,30- исходный хромистый чугун имеет 46 HRC, К" = 1,0- при оптимальных концентрациях легирующих элементов можно их расположить в следующий ряд по эффективности повышения твердости и относительной износостойкости:

HRC: V —> Мп —> W —> Мо;

К&bdquo-: V -> Мп -> W Мопосле воздушной закалки с 900 °C максимальная твердость и износостойкость хромистого чугуна наблюдается при 1,0 мае. % Мо (66,5 HRC, Кц = 1,5), 2.5 мае. % W (66 HRC, К&bdquo- = 1,5), 1,0 мае. % Мп (66,5 HRC, К&bdquo- = 2,8), 1,0 — 4,0 мае. %.

V (соответственно, 64.66 HRC, Ки = 1,3.2,7) — после воздушной закалки с последующим отпуском при 300 °C твердость хромистого чугуна незначительно снижается, а относительная износостойкость существенно повышается при 1,0 мае. % Мо (65 HRC, Ки = 3,0), 2,5 мае. % W (65 HRC, К&bdquo- = 2,2), 1,0 мае. % Мп (65 HRC, К&bdquo- = 3,5), 1,0 — 4,0 мае. % V (соответственно, 60.63 HRC, Ки = 1,25. 1,5) — по эффективности действия легирующих элементов на относительную износостойкость при их оптимальных концентрациях они могут быть расположены в следующий ряд:

V -> W -> Мо —>Мпс увеличением содержания легирующих элементов показатели коррозии (Am, Am', K0g. н2) хромистого чугуна в литом состоянии уменьшаются (возрастает коррозионностойкость) до 3,0 мае. % Мо, 10,0 мае. % W, 2,5 мае. % Мп, 2,0 мае. % Vпо эффективности повышения коррозиопностойкости при оптимальных концентрациях легирующие элементы располагаются в следующий ряд: V —> W —>Мп —> Мотермическая обработка (воздушная закалка или особенно воздушная закалка с последующим отпуском) способствует уменьшению коррозиопностойкости комплексно-легированных чугунов из-за измельчения структурных составляющих, приводящих к росту количества микрогальванических парна жаростойкость (окалиностойкость) хромистого чугуна (6,0 мае. %) легирующие элементы оказывают отрицательное влияние, кроме марганца: марганец снижает скорость окисления хромистого чугунаесли скорость окисления хромистого составляет 6−7 г/м2 при 1000 °C, то при оптимальных концентрациях марганца 1,5.2,5 мае. % она составляет 4−5 г/м2.

5. Методами математического планирования экспериментов разработаны оптимальные составы комплексно-легированных чугунов функционального назначения в литом и термообработаниом состояниях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные результаты исследования влияния легирующих кар-бидообразующих элементов (V, Cr, Mn, W, Мо) на строение расплава и процессы кристаллизации, структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства низкоуглеродистого белого чугуна.

2. Результаты обоснования выбора оптимальных режимов термообработки легированных белых чугунов.

3. Экспериментальные результаты комплексного влияния легирующих элементов на строение расплава, кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства хромистого чугуна в литом и термообработаниом (воздушная закалка) состояниях.

4. Результаты оптимизации составов комплексно-легированных чугунов функционального назначения влитом и термообработаниом состояниях.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивалась применением современных методов исследования структуры и свойств материалов, а также апробированием результатов работы в лабораториях научного центра прикладного материаловедения ХНЦ ДВО РАН.

Практическая значимость работы заключается в разработке оптимальных химических составов комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов функционального назначения в литом и термообработаниом состояниях. Предложены составы износостойких комплексно-легированных белых чугунов для производства отливок «Корпус насоса» (ЮГруЛВ), «Диск защитный» (Гру 800/40ГруЛ-8) взамен марки чугуна ИЧХ28Н2 и «Колесо рабочее» (Гру 800/40) взамен стали 35Л для предприятия ОАО «Алданзолото». Также рекомендованы составы комплексно-легированных чугунов для производства коррозионностой-ких и жаростойких отливок. Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Специальные чугуны» и при проведении лабораторных работ, а также докторантами и аспирантами кафедры «Литейное производство и технология металлов» ГОУ ВПО «ТОГУ».

Основные научные и практические результаты работы обсуждались на международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.), X Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург-Челябинск, 2001 г.), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Физико-химия литейных сплавов и процессов» «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2001 г.), Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Хабаровск, 2002 г.), Межрегиональной конференции, посвященной 70-летию ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2002 г.), Второй международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2002 г.), Дальневосточном инновационном форуме с международным участием «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2003 г.), на VI съезде литейщиков России (Новосибирск, 2005).

Работа выполнялась в лабораториях Тихоокеанского государственного университета, ОАО «КнААПО» и института материаловедения ДВО РАН (г. Хабаровск).

Автор выражает признательность научному консультанту профессору, д. т. н. Ри Хосену, сотрудникам кафедры «Литейное производство и технология металлов» ТОГУ и работникам Института материаловедения ДВО РАН, оказавшим содействие при выполнении данной диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Впервые методами гамма-проникающих излучений и термического анализа доказано наличие критических температур перехода статистически разупорядоченной структуры ближнего порядка /0 к статистически упорядоченной структуре t при охлаждении жидких неи легированных низкоуглеродистых белых чугунов (ЖСт—>Жщк), что позволяет научно обосновать выбор оптимального температурного режима плавки и легирования.

2. Получены новые результаты по влиянию легирующих элементов на кристаллизационные параметры, структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства низкоуглеродистого чугуна в литом состоянии, и дано научное обоснование установленным концентрационным зависимостям.

3. Научно обоснован выбор оптимальных режимов термообработки (закалки с последующим НТО) легированных чугунов для достижения максимальной твердости и износостойкости при соответствующих концентрациях легирующих элементов.

4. Комплексное легирование низкоуглеродистого хромистого белого чугуна существенно изменяет кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства.

5. Комплексно-легированные чугуны после воздушной закалки обладают более высокими твердостью и износостойкостью, чем исходный хромистый чугун.

6. Методами математического планирования экспериментов оптимизированы химические составы для получения износостойких комплексно-легированных чугунов в литом и термообработанном (воздушная закалка) состояниях. Также определен оптимальный состав коррозионностойких комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов.