Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Условия эксплуатации и стойкость деталей горно-металлургического оборудования, работающих при повышенных температурах в агрессивных средах и подверженных абразивному изнашиванию 10
1.2. Жаростойкие износостойкие сплавы, применяемые для отливок с специального назначения 15
1.3. Факторы, влияющие на жаростойкость. Строение и тип оксидных пленок 17
1.3.1. Внутренние факторы, влияющие на жаростойкость 17
1.3.2. Внешние факторы, влияющие на жаростойкость чугуна 19
1.3.3. Строение и тип оксидных пленок 22
1.4. Основные закономерности абразивного изнашивания 24
1.5. Чугуны, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания 27
1.6. Влияние легирующих элементов и примесей на структуру, жаростойкость и износостойкость 29
1.7. Требования к структуре и свойствам жароизносостойких чугунов 38
1.8. Постановка задачи исследования 40
Глава 2. Материалы и методика исследований 41
2.1. Материал исследования 41
2.2. Методика проведения качественного и количественного металлографического анализа КЛБЧ 42
2.3. Определение износостойкости и механических свойств КЛБЧ 42
2.4. Методика определения жаростойкости
железоуглеродистых сплавов 44
2.5. Исследование химического и фазового состава железоуглеродистых сплавов и оксидных слоев 45
2.6. Методики построения математических моделей, оптимизация химического состава сплава 45
Глава 3. Исследование особенностей формирования структуры и свойств сплавов системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti 46
3.1. Выбор базового легирующего комплекса 46
3.2. Изучение фазового состава, микроструктуры и свойств КЛБЧ
в литом состоянии 48
3.3. Исследование оксидных слоев, образующихся на поверхности отливок из КЛБЧ во время испытаний на окалиностойкость 52
3.4. Оптимизация состава чугуна. Исследование твердости, износостойкости и жаростойкости чугуна оптимального состава 58
3.5. Выводы 65
Глава 4. Исследование влияния алюминия и ниобия на формирование структуры, механические и специальные свойства комплексно-легированных белых чугунов 67
4.1. Исследование влияния легирования алюминием на фазовый состав, структуру и свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в литом состоянии 67
4.2. Исследование механических и специальных свойств КЛБЧ, легированных алюминием 71
4.3. Изучение структуры, свойств и оксидных слоев чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, легированного алюминием после испытаний на окалиностойкость 74
4.4. Исследование влияния легирования ниобием на фазовый состав, структуру, механические и специальные свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в литом состоянии 78
4.5. Исследование механических и специальных свойств чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, легированного ниобием 82
4.6. Изучение структуры, свойств и оксидных слоев чугуна ИЧ220Х18Г4НТ, легированного ниобием после испытаний на окалиностойкость 83
4.7. Исследование влияния совместного легирования ниобием и алюминием на фазовый состав, структуру и свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ
в литом состоянии 88
4.8. Исследование оксидного слоя, образующегося в процессе испытаний на окалиностойкость на чугуне ИЧ 220X18Г4Ю2Б2НТ 95
4.9. Выводы 100
4.10. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунов нового химического состава 101
Основные выводы 103
Библиографический список
- Жаростойкие износостойкие сплавы, применяемые для отливок с специального назначения
- Методика проведения качественного и количественного металлографического анализа КЛБЧ
- Исследование оксидных слоев, образующихся на поверхности отливок из КЛБЧ во время испытаний на окалиностойкость
- Исследование влияния легирования ниобием на фазовый состав, структуру, механические и специальные свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в литом состоянии
Введение к работе
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
-
-
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 (а- и у- твердые растворы), карбидов TiC и аустенитохромистокарбидной эвтектики Установлено, что при легировании ниобием происходит выделение вторичных карбидов типа M7C3 при охлаждении в форме.
-
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.
-
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.
-
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,
-
-
-
г.); ХХІ Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Магнитогорск,
-
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.
Жаростойкие износостойкие сплавы, применяемые для отливок с специального назначения
Выбор материалов для быстроизнашивающихся деталей, работающих при повышенных температурах, зависит обычно от конструкции и назначения узла, технологии изготовления детали, условий её эксплуатации, требований к общей прочности деталей, сроку их службы при учете стоимости материала и его дефицитности, расходов на изготовление деталей из данного материала и эксплуатационных расходов [1].
Для изготовления деталей горно-обогатительного оборудования, работающего в различных условиях абразивного изнашивания, широко применяется высокомарганцовистая сталь 110Г13Л [2].
Из этой стали изготавливают футеровки мельниц, брони и молотки дробилок и др. Броневые плиты желобов агломерационных машин, используемые в горно-обогатительном производстве в условиях ООО «Буруктальский металлургический завод» (г. Светлый), также изготавливаются из стали 110Г13Л. В литом состоянии сталь 110Г13Л имеет аустенитную структуру и включения карбидов. Износостойкость деталей определяется наклепываемостью стали, которая тем больше, чем выше удельная нагрузка [3]. Однако при изнашивании без больших удельных нагрузок сталь 110Г13Л показывает низкую износостойкость уже при температуре 500С [4].
Микроструктура такого чугуна в литом состоянии состоит из аустенита, мартенсита, феррита, карбида хрома М7С3 и карбида хрома М2зС6 Такой чугун обладает сравнительно хорошей износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Преимуществом такого чугуна является также хорошо отработанная технология его изготовления вследствие его широкой распространенности. Основ ным недостатком ИЧХ28Н2 является его достаточно высокая стоимость из-за большого содержания в нем хрома и дорогостоящего никеля.
В связи с этим, повышение стойкости деталей горно-обогатительного оборудования (броневых плит желобов агломерационных машин), работающих в условиях абразивного изнашивания и высоких температур, является актуальной задачей.
На предприятии ЗАО «Южуралвтормет» (г. Челябинск) используются колосники спекательных тележек, которые изготавливают из высокохромистой стали 75Х24ТЛ. Колосники работают в условиях высоких температур (до 900 С), агрессивных газовых сред, абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Колосники должны обладать высокой жаростойкостью, жаропрочностью и износостойкостью.
Структура образца стали 75Х24ТЛ состоит из равноосных зерен феррита и эвтектической составляющей, которая располагается в виде сплошной (рис. 1.1, а) или частично разорванной сетки (рис. 1.1, б) по границам зерен феррита. Оксикарбонитриды титана образуют скопления по границам зерен феррита и в эвтектике, а также располагаются в виде разрозненных мелких кристаллов в объеме зерен феррита.
Ферритные стали, вследствие их большой склонности к охрупчиванию при повышенных температурах, применяются очень редко в качестве жаростойкого материала. Кроме того, при температурах выше 800 С ферритные хромистые стали настолько теряют жаропрочность, что часто прогибаются под собственным весом. Поэтому при использовании этих сталей для работы при высоких температурах необходимо ставить специальные дополнительные опоры [5].
Присадка титана в литье препятствует росту зерна при нагреве, но эффективность действия титана сказывается только тогда, когда весь углерод переводится в карбиды титана. Поэтому, несмотря на положительное влияние титана, нагрев стали до повышенных температур (800 С) значительно снижает ударную вязкость и несколько меньше прочностные характеристики Микроструктура образца стали 75Х24ТЛ: а - сплошная и б - частично разорванная сетка эвтектической составляющей, х 500
Замеры твердости колосников после эксплуатации показали, что места наибольшего износа имеют наименьшую твердость, т.е. в этих местах колосники при эксплуатации нагреваются в наибольшей степени, что влечет за собой изменение структуры и, соответственно, снижение прочностных свойств и износостойкости.
В среднем, срок службы колосников из высокохромистой стали 75Х24ТЛ составляет 2-9 мес. Увеличение срока эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления колосников (за счет лучших литейных свойств и отсутствия термической обработки), а также сокращение количества ремонтов спекательных тележек является актуальной задачей.
В условиях коксохимического производства ОАО «Гайский ГОК» раскаленный до 1050 С кокс транспортируется до тушильной башни в тушильных вагонах (рис. 1.2). Внутреннюю поверхность вагона и рельсовый путь от воздействия раскаленного кокса защищают облицовочными плитами, которые подвергаются абразивному изнашиванию.
В таких же условиях работают коксовозы и в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Облицовочные плиты должны обладать высокой жаростойкостью, жаропрочностью и износостойкостью. Рис. 1.2. Тушильный вагон
Облицовочные плиты изготавливают из чугунов марок СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, потому что эти чугуны обладают низкой стоимостью и хорошими литейными свойствами.
Жаростойкость и износостойкость в значительной мере определяются структурой сплава. Структура чугунов, используемых для изготовления облицовочных плит, представляет собой феррит, перлит и пластинчатый графит. Чем больше феррита в структуре серого чугуна, тем меньше его износостойкость [6]. На темп износа влияет распределение графита, которое характеризуется средним расстоянием между пластинами графита.
Окалиностойкость серого чугуна с пластинчатым графитом низкая, поскольку по границам графитовых включений идет окисление чугуна. Рост в результате графитизации при нагреве и выдержке заметен при температуре свыше 400 С и достигает максимума при 700 С. При этом окисление значительно меньше, чем графитизация, влияет на рост чугуна, т.е. процесс 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.
Высокохромистые чугуны с карбидами М7С3 и М2зСб могут использоваться как жаростойкие. По износостойкости они уступают хромомолибдено-вым и хромованадиевым чугунам с мартенситной структурой. Тем не менее, хромоникелевый износостойкий чугун ИЧХ28Н2 до настоящего времени очень широко применяется.
Перспективным для увеличения срока службы деталей машин и инструмента, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию при высоких температурах, является изготовление их из высокохромистых комплексно-легированных белых чугунов.
Хромистые комплексно-легированные чугуны с композиционным и дисперсионным упрочнением легированной металлической основы имеют высокую жароизносостойкость и повышенные механические свойства при высоких температурах и могут успешно применяться в промышленности в виде жароиз-носостойкого, жаропрочного литья для изготовления печного оборудования, колосников, облицовочных и броневых плит и других видов деталей.
При разработке новых составов износостойких чугунов целесообразно исследовать влияние добавок легирующих и модифицирующих элементов, которые способны повысить механические и служебные свойства отливок из белых чугунов [6-8].
Методика проведения качественного и количественного металлографического анализа КЛБЧ
В качестве износостойких сплавов для отливок специального назначения широко применяют белые чугуны.
Износостойкие белые чугуны - это группа хромистых, марганцово-хромистых, никель-хромистых, ванадиевых, хромованадиевых чугунов, основной особенностью которых является наличие в микроструктуре легированных карбидов железа и (или) карбидов легирующих элементов, обеспечивающих высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания.
По характеру микроструктуры и типу карбидов износостойкие чугуны подразделяются на три группы [31, 57, 59]:
Перлитные и мартенситные чугуны. Сравнительно мягкая металлическая основа таких чугунов снижает их износостойкость. Большей износостойкостью, чем белый перлитный чугун, обладает белый мартенситный чугун типа нихард с содержанием 3—5% Ni и 1,5—2,5% Сг. В литом состоянии чугун нихард имеет мартенситную матрицу с участками остаточного бейнита или аустенита и сложные доэвтектические и эвтектические карбиды железа и хрома. Присутствие хрома в этом сплаве стабилизирует карбид и подавляет графитизацию, повышает твердость карбидов и стабилизирует аустенит. Оптимальное соотношение никеля и хрома в нихарде примерно 3:1.
Никель — основной элемент в нихарде — определяет твердость и прочность матрицы. Его недостаток обусловливает образование низкотемпературных продуктов распада аустенита-троостита или даже перлита, а избыток - появление остаточного аустенита, но в обоих случаях происходит снижение износостойкости. Молибден, как и никель, предотвращает образование перлита при охлаждении в форме, но в отличие от никеля не является графитизатором. 2. Белые чугуны с карбидами МС и М7С3 постепенно вытесняют на мировом рынке чугуны типа нихард благодаря большей износостойкости и вязкости, а также технологическим преимуществам, облегчающим производство деталей из них. В таких чугунах увеличено содержание хрома до 10% и более, что обусловливает образование в их структуре первичного карбида (Fe, Сг)7С3. При кристаллизации эти карбиды не формируют непрерывную фазу, а располагаются в виде изолированных тригональных карбидов в аустенитной основе. Микротвердость этих карбидов составляет 12-15 ГПа, что выше микротвердости кварца (10 ГПа). К таким материалам относятся чугуны марок ИЧ290Х12М, ИЧ3006МТ, ИЧ210Х12Г5 и др.
В условиях абразивного изнашивания в нейтральной среде максимальной износостойкостью обладают хромомолибденовые чугуны марок ИЧ3006МТ и ИЧ290Х12М.
Хромомарганцевые износостойкие чугуны с карбидами М7С3 в наибольшей степени удовлетворяют противоречивым требованиям к условиям получения высокой износостойкости и экономичности. Подавление перлитного превращения и высокая прокаливаемость обеспечиваются в этих чугунах за счет введения марганца. Широко применяют хромомарганцевый чугун марок ИЧ210Х12Г5, ИЧ300Х18ГЗ и др.[6].
Ванадиевые и хромованадиевые чугуны имеют в структуре специальные карбиды, которые в сочетании с аустенитом образуют при кристаллизации двойные эвтектики A+VC и A+(Fe,Cr)7C3 и тройную эвтектику A+(Fe,Cr)7C3+VC [60].
Данные чугуны обладают высокой износостойкостью и используются для деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (сухое трение, абразивная среда, высокие статистические и динамические нагрузки).
Высокохромистые чугуны с карбидами М7С3 первоначально использовались как жаро- и коррозионностойкие. По износостойкости они уступают хро-момолибденовым и хромованадиевым чугунам с мартенситной структурой. Тем не менее, хромоникелевый износостойкий чугун ИЧХ28Н2 до настоящего вре мени очень широко применяется для изготовления многих быстроизнашивающихся деталей различного оборудования.
Из проведенного анализа существующих марок жаростойких и износостойких чугунов видно, что они разрабатывались на высокий показатель какого-то одного специального свойства. Однако вопросу износостойкости жаростойких сплавов до недавнего времени не придавалось значения. В последнее время намечена тенденция к разработке комплексно-легированных белых чугунов, которые специально разрабатываются для отливок, условия эксплуатации которых требуют от сплава высоких показателей нескольких специальных свойств. Новые составы комплексно-легированных белых чугунов в различных условиях эксплуатации показали увеличение стойкости отливок из них от 2 до 5 раз по сравнению со стандартными марками чугунов. Однако для более успешной разработки и использования новых составов КЛБЧ необходимо провести дополнительные исследования, так как недостаточно изучено влияние легирующих элементов на свойства в различных комплексах, не выяснен вопрос о количествах вводимых элементов, недостаточно изучены условия эксплуатации отливок, чтобы дать рекомендации по выбору легирующего комплекса.
Большинство методов защиты металлов от окисления при высоких температурах основано на их легировании. На основании законов газовой коррозии были выдвинуты две наиболее обоснованные теории жаростойкого легирования в зависимости от предлагаемого механизма действия легирующей добавки [61,62, 120].
Первая теория предполагает, что легирующий компонент образует на поверхности металла защитный окисел из чистого легирующего компонента, препятствующий окислению более легко окисляющегося основного металла. Вторая теория исходит из того, что легирующий компонент с основным металлом дает смешанные окислы, обладающие повышенными защитными свойствами по сравнению с окислами из чистых компонентов.
Принцип повышения жаростойких свойств железных сплавов, согласно второй теории, можно свести к двум основным положениям. 1. Структура вюстита (FeO) оказывает меньшее защитное действие при газовой коррозии, чем структура других окислов железа (Fe3C 4, Fe203). 2. Защитными являются окислы, обладающие шпинельной структурой типа Fe304 и у - Fe203. Еще более защитными будут сложные шпинели типа FeOMe203 или Fe203MeO.
Исследование оксидных слоев, образующихся на поверхности отливок из КЛБЧ во время испытаний на окалиностойкость
Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили на оптических микроскопах: «МЕТАМ-ЛВ31», «Epiquant», МЕШ-2700 при увеличении от 100 до 1000 крат. Исследование методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) осуществлялось с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6490LV при ускоряющем напряжении 30 KV. Исследование микроструктуры проводилось на микрошлифах, используемых для оптической металлографии, в режимах вторичных и отраженных электронов при увеличениях от 30 до 10000 крат. Для микроанализа по стандартной методике изготавливались микрошлифы.
Микроструктуру образцов из исследуемых чугунов выявляли травлением в реактиве Марбле (50 мл НС1, 2 г CuS04, 50 мл спирта, 50мл Н20). Такое травление позволило четко выявить границы различных структурных составляющих.
Количественный металлографический анализ и автоматизированную обработку результатов измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 проводили на промышленной системе обработки и анализа изображений SIAMS и анализаторе изображений Thixomet Standart PRO. Измерение осуществляли в режиме визуального слежения на поперечных и продольных шлифах до и после травления, в литом состоянии и после испытаний на жаростойкость.
Определение износостойкости и механических свойств КЛБЧ
Испытание на абразивную износостойкость проводилось в соответствии с ГОСТ 23.208-79. Сущность используемого метода состоит в том, что при одинаковых условиях производится трение (изнашивание) образцов исследуемого и эталонного материалов об абразивные частицы, подаваемые в зону трения и прижимаемые к образцу вращающимся роликом. Измеряется износ образцов исследуемого и эталонного материалов, а износостойкость испытываемого материала оценивается путем сравнения его износа с износом эталонного образца.
Эксперименты по оценке износостойкости выполнялись на установке, схема которой представлена на рис. 2.1. Взвешивание образцов проводили на аналитических электронных весах фирмы Acculab с точностью ± 0,0001 г. Испытание проводили не менее трех раз. Если потеря массы образца после изнашивания составляла менее 5 мг, то цикл оборотов ролика удваивался. Твердость образцов по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59 вдавливанием алмазного конуса с нагрузкой 1457 Н.
Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 (ТУ 3-3.1377-83) по ГОСТ 9450-76 внедрением в поверхность правильной четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями 136 при нагрузке 50 и 100 г.
Окалиностойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки образцов в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (800 С) в среде атмосферного воздуха весовым методом по увеличению массы образца. Размер образцов 35x35x10 мм.
Количественную оценку окалиностойкости определяли по весовому пока-зателю, выраженному в г/м ч, за данный период времени по формуле
Ростоустойчивость оценивали по ГОСТ 7769-82. Определение ростоустой-чивости исследуемых сплавов проводили на трех образцах для каждого сплава длиной 100-150 мм и диаметром от 20 до 25 мм по изменению длины в процентах за 150 ч испытания при температуре 800С.
Взвешивание образцов проводили на аналитических электронных весах фирмы Acculab с точностью ± 0,0001 г. Испытание проводили не менее трех раз. 2.5. Исследование химического и фазового состава железоуглеродистых сплавов и оксидных слоев
Фазовый состав чугунов и оксидных слоев исследовали с помощью рентгенографического (в кобальтовом Ка-излучении) метода. Химический состав оксидных слоев определяли методом локального микрорентгеноспектрального анализа на растровом электронном микроскопе TESCAN 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).
Химический состав образцов определяли на эмиссионном спектрометре фирмы «Бэрд» и на спектрометре OBLF QSG 750 по ГОСТ 18895-97 в лабораториях ОАО «ММК».
Межфазное распределение легирующих элементов на окисленной поверхности определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа фирмы «JEOL» JSM-6460 LV в условиях лаборатории Южно-Уральского государственного университета, химический состав оксидных и подоксидных слоев исследовали на спектрометре тлеющего разряда.
Построение регрессионных уравнений проводилось по стандартным статистическим методикам корреляционно-регрессионного анализа и с использованием стандартных пакетов электронных таблиц программы «EXCEL». Оптимизация осуществлялась при помощи метола крутого восхождения (Бокса-Уилсона)[84-88].
Выбор системы легирования в значительной мере обусловливает количество, тип и морфологию карбидной фазы, структуру металлической основы, а следовательно, жароизносостойкость сплава в целом.
Оптимальное сочетание твердости, износостойкости и жаростойкости в комплексно-легированных белых чугунах обеспечивает инвертированная структура с высокотвердыми карбидами, вызывающими композиционное и дисперсионное упрочнение сплава [89].
Отличительной особенностью этих чугунов является наличие однофазной аустенитной структуры матрицы, не испытывающей фазовых превращений, и образование на поверхности устойчивой защитной пленки, легко восстанавливающей свои пассивирующие характеристики в процессе износа при повышенных температурах. Получение однофазной стабильной в условиях эксплуатации структуры в КЛБЧ достигается дополнительным легированием Mn, Ni, Ті.
С целью определения рационального содержания углерода, хрома, марганца, никеля и титана, обеспечивающего максимальную жароизносостойкость, были исследованы чугуны системы Fe-C-Cr-Mn-Nii, содержащие технологические добавки Si в количестве 0,4-0,6%. Для этого был спланирован и прове-ден дробный факторный эксперимент типа ДФЭ 2 " при следующем изменении факторов, масс. %: XI (углерод, 1,9; 2,5); Х2 (марганец, 3,5; 5,0); ХЗ (хром, 15,0; 19,0); Х4 (никель, 0,4-1,0); титан Х5 (0,2-0,6), матрица планирования представлена в табл. 3.1. Для исследования скорости охлаждения опытные чугуны заливали в сухую и сырую песчано-глинистые формы (ПГФ) и чугунный кокиль, это определяло различные условия охлаждения при затвердевании.
Исследование влияния легирования ниобием на фазовый состав, структуру, механические и специальные свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в литом состоянии
Внешний слой оксидных слоев сильно обогащен марганцем, он оказывает отрицательное влияние на окалиностойкость. Марганец, имеющий более высокое сродство к кислороду, чем железо, обладает большей диффузионной подвижностью в у-железе, чем хром. Он в больших количествах попадает в окалину, но не образует на поверхности чугуна собственных оксидов, которые обладают защитными свойствами. Входя в состав образующихся в оксидной пленке фаз типа шпинели, марганец увеличивает параметр кристаллической решетки, ослабляет силы межатомной связи и, таким образом, увеличивает проницаемость окалины, которая не обладает защитными свойствами уже при не слишком высоких температурах и снижает сопротивление металла окислению.
1. Наибольшее влияние на свойства чугунов оказывают углерод, хром и марганец вследствие того, что именно они являются главными регуляторами изменения объема карбидной фазы и типа формирующихся оксидных пленок. С увеличением скорости охлаждения (заливка в кокиль) растет объемная доля карбидов в эвтектике от 17-20 до 20-35%, уменьшается средний размер карбидов от 4,2-5,7 до 2,1-2,6 мкм, максимальный размер карбидов от 251-1321 до 88-230 мкм, снижается количество (от 52 до 30%) и размеры (от 105 до 54 мкм) дендритов первичного аустенита, что приводит к увеличению износостойкости. Падение окалиностойкости с увеличением скорости охлаждения связано с тем, что растет доля карбидов в структуре, а следовательно, происходит обеднение твердого раствора хромом.
2. Определено, что химический состав и структура оксидной пленки зависят от распределения легирующих элементов между структурными составляющими сплава. В структуре оксидной пленки присутствуют участки, соответствующие эвтектике, металлической основе и карбидам.
3. Установлено, что на чугунах образуются 3 типа оксидных пленок. Марганец оказывает отрицательное влияние на окалиностойкость. При повышении концентрации Мп 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. Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, твердости, износостойкости, окалиностоикости и ростоустоичивости высокохромистых чугунов, дополнительно легированных Mn, Ni, Ті, которые могут использоваться в качестве базы данных для выбора и разработки новых жароизносостойких сплавов. Разработан эффективный состав чугуна при следующем изменении компонентов масс. %: 2,1-2,2 С; 4,5-5,0 Мп; 18,0-19,0 Сг; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,5 Ті, который может быть аппроксимирован маркой ИЧ220Х18Г4НТ.
Исследование влияния легирования алюминием на фазовый состав, структуру и свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ в литом состоянии
Основная роль алюминия как элемента, повышающего сопротивление окислению, заключается в изменении защитных свойств оксидов других элементов (хрома, железа, марганца). Алюминий замещает часть ионов железа (или марганца) в фазе типа шпинели М304, уменьшая параметр кристаллической решетки этой фазы и, следовательно, ее проницаемость, диффузия через такую шпинель протекает гораздо медленнее, чем в оксидах железа. Растворяясь в фазе типа М2Оз, алюминий улучшает сцепление этой фазы с фазой типа шпинели и, вследствие этого, уменьшает развитие процесса отслаивания и осыпания ее при охлаждении [107].
По данным работ В.И. Архарова [20], легирование алюминием в количестве 1-2% способствует смещению температуры появления вюстита в область более высоких температур. Алюминий при окислении образует сложный оксид шпи-нельного типа, обладающий высокими защитными свойствами, обеспечивающий хорошую жаростойкость сплава [108].
Для изучения влияния алюминия на свойства комплексно-легированного белого чугуна ИЧ220Х18Г4НТ было отлито 4 состава в 3 типа литейных форм. Содержание алюминия менялось от 1,5 до 3% с шагом 0,5%.
Фазовый состав чугунов представляет собой а-фазу (феррит) и у-фазу (ау-стенит), комплексные карбиды типа М7Сз и карбиды типа МС. При содержании алюминия 1,5 и 2% в структуре металлической основы преобладает у-твердый раствор, а при содержании 2,5 и 3,0%) А1 металлическая основа на 11-92% состоит из а-твердого раствора (табл. 4.1). Таблица 4.1 Фазовый состав металлической основы чугунов с алюминием
Все сплавы являются доэвтектическими. После завершения кристаллизации во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендритов твердого раствора (а и у-твердые растворы), карбидов TiC и ау-стенитохромистокарбидной эвтектики [109]. Микроструктура сплавов с различным содержанием алюминия в зависимости от условий охлаждения представлена на рис. 4.1.
Повышение содержания алюминия вызывает увеличение его концентрации как в аустените, так и в феррите, а содержание углерода в твердом растворе снижается, поэтому увеличивается объемная доля карбидов типа М7Сз, но снижается количество дендритов аустенита. Такое изменение структуры наблюдается для сплавов, залитых во все типы форм [110].
Количественный металлографический анализ карбидов TiC проводили на шлифах до травления, (Fe, Сг, Мп)7С3 - после травления в растворе: 5 мл HN03+ 50 мл НС1 +50 мл Н20 по ГОСТ 5639-82 (табл. 4.2, 4.3).
Похожие диссертации на Выбор состава и исследование структуры, свойств жароизносостойких комплексно-легированных белых чугунов
-
-
-
