Особенности кристаллизации, формирования структуры и свойств износостойких и жаростойких чугунов в различных условиях охлаждения

Белый чугун все более широко применяют как материал для инструмента и деталей машин и механизмов, подвергающихся интенсивному изнашиванию и окислению. Хотя традиционно его относили 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 представления об их свойствах и возможных сферах применения.

Современные белые чугуны — сложнолегированные многокомпонентные сплавы, различные по структуре и специальным свойствам. Они представляют собой отдельную группу промышленных чугунов, при затвердевании которых формируется композиционная структура. Именно она определяет специфические свойства белых чугунов в литом состоянии.

Несмотря на обилие литературных данных по оптимизации составов комплексно-легированных белых чугунов функционального назначения, достаточно и систематически не исследовано влияние легирующих элементов на процессы кристаллизации и структурообразования, механические и эксплуатационные (жаростойкость, износостойкость) свойства этих чугунов в литом и термически обработанном состояниях. Особенно это касается условий формирования различных эвтектик и карбидной фазы при наличии в составе чугуна нескольких карбидообразующих элементов и модификаторов.

Для решения этих проблем требуется изыскание новых принципов создания комплексно-легированных белых чугунов с высоким комплексом механических и разнообразных специальных характеристик. Постановка цели и задач настоящего исследования основывалась на имеющихся к началу работы достижениях в области комплексно-легированных белых чугунов (КЛБЧ) и была направлена на дальнейшее развитие представлений и принципов создания литых композиционных материалов с волокнистыми, стержневыми и диспергированными упрочняющими фазами.

Цель диссертационной работы состоит в установлении закономерностей формирования структуры, механических и специальных свойств комплексно-легированных белых чугунов в зависимости от химического состава, условий охлаждения при затвердевании, термической обработки и разработке принципов создания литейных износостойких и жаростойких чугунов.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Определение закономерностей влияния химического состава, температурных режимов охлаждения металла в литейной форме и при термической обработке на структуру, морфологию, химический состав фаз, механические свойства, износостойкость и жаростойкость комплексно-легированных белых чугунов.

2. Выявление особенностей влияния первичной литой структуры комплексно-легированных белых чугунов на изменение их структуры и свойств после различных видов и режимов термической обработки.

3. Установление закономерностей влияния первичной литой структуры на защитные свойства, структуру, химический и фазовый состав оксидных слоев жаростойких комплексно-легированных белых чугунов.

4. Разработка принципов легирования и составов новых комплексно-легированных белых чугунов для отливок различного функционального назначения, сочетающих высокие износостойкость и жаростойкость.

5. Внедрение в производство новых износостойких и жаростойких сплавов, режимов термической обработки, разработанных в результате исследования.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что в чугунах исследованных систем Бе-У-С, Ре-С-У-Сг, Ре-С-У-Си-ТьВ, Бе-С-О-Тл-У, Ре-С-Сг-Мп-М-Т1, Ре-С-Сг-Мп-М-ТьА!, Ре-С-Сг-Мп-М-ТьМэ формируется структура литого композита с двойными и тройными эвтектиками оригинального строения и формы, в которых армирующим каркасом являются специальные карбиды различного типа, морфологии, дисперсности и взаимной ориентации.

Изучены закономерности формирования строения эвтектических композиций, образования двойных и тройных эвтектик. Выявлены основные типы структур (структурные классы) чугунов.

2. Сформулированы основные закономерности формирования механических и специальных свойств КЛБЧ различных структурных классов в зависимости от химического состава, температурных режимов охлаждения металла в литейной форме, видов и режимов термической обработки.

3. Показаны возможности управления составом, строением и формой сложных эвтектик с учетом химического состава и скорости охлаждения чугунов при первичной и вторичной кристаллизации.

4. Определены принципы легирования износостойких чугунов с базовыми композициями Бе-У и Ре-Сг-У в зависимости от температурных режимов охлаждения металла в литейной форме. Показана возможность снижения критического содержания ванадия в ванадиевых чугунах, управления содержанием в двойных и тройных эвтектиках количества, типа и морфологии карбидной фазы, строением металлической основы варьированием условий кристаллизации (заливка в различные типы форм: сухие и сырые песчано-глинистые (ПГФ) и кокиль) и дополнительным их микролегированием и модифицированием малыми добавками меди, титана, бора. Заливка в кокиль ванадиевых чугунов способствует снижению критического содержания ванадия (до 5%), количества бора и меди, обеспечивающих полную инверсию структуры, увеличение плотности эвтектики у + УС и дисперсность фаз, образующих ее. Структура металлической основы ванадиевых чугунов, залитых в кокиль, и хромованадиевых (ПГФ и кокиль) мартенситно-аустенитная с метастабильным по отношению к деформационному мартенситному превращению аустенитом.

Показано, что в процессе изнашивания исследуемых белых чугунов и по периклазу, и по корунду метастабильный аустенит превращается в мартенсит деформации, в зависимости от состава сплава, условий охлаждения в форме и вида термической обработки распадается до 25% аустенита, что оказывает положительное воздействие на абразивную износостойкость.

5. Определено, что первичная литая структура жаростойких аустенитных чугунов определяет строение оксидных слоев. При этом обнаруживается эффект наследования от исходной структуры чугуна строения оксидных слоевэффект наследования состава оксидной пленки в зависимости от распределения легирующих элементов в поверхностном слое литых чугунов. Таким образом, окалиностойкость зависит не только от химического состава сплава, но и от особенностей его структуры (литье в кокиль и ПГФ), т. к. изменение скорости охлаждения при затвердевании влияет на количество и плотность эвтектики, химический состав металлической основы дендритов и эвтектик.

Установлены основные принципы, которыми следует руководствоваться при создании новых литейных хромоникельмарганцевых жароизносостойких чугунов с учетом условий охлаждения в литейной форме. Жаростойкие чугу-ны должны иметь стабильные аустенитную структуру металлической основы и карбидную фазу. Содержание марганца должно быть минимальным (не более 4%), обеспечивающим получение стабильной аустенитной структуры. Увеличение содержания марганца свыше указанного отрицательно влияет на окалиностойкость чугуна.

Дополнительное легирование ниобием и алюминием обеспечивает формирование стабильной структуры металлической основы с карбидным упрочнением, оксидных фаз шпинельного типа и более высокий уровень окалино-стойкости, ростоустойчивости, износостойкости. Наличие феррита при температурах эксплуатации допустимо в ограниченных количествах (не более 1519%), при необходимости легирования ниобием и алюминием. Поэтому содержание алюминия должно быть не более 2% при заливке чугунов в сухую ПГФ и 2,5% - в кокиль. Количество ниобия не должно превышать 1,5−2,0% (сухая ПГФ) и 3,0% (кокиль).

6. Получены математические зависимости между свойствами, параметрами микроструктуры и химическим составом КЛБЧ в различных условиях охлаждения, по которым провели оптимизацию химических составов по наибольшей износостойкости, окалиностойкости и ростоустойчивости. Предложены оптимальные для различных условий изнашивания (по механизму микрорезания и пластического оттеснения) составы КЛБЧ.

7. В результате системного исследования влияния термической обработки на особенности формирования структуры, фазового состава, механических свойств и износостойкости КЛБЧ установлено определяющее влияние первичной литой структуры на структуру и свойства после термической обработки. Обоснован выбор оптимальных режимов термообработки КЛБЧ для достижения максимальной износостойкости в различных условиях абразивного изнашивания.

8. Предложена классификация белых чугунов по следующим структурным признакам: по строению металлической основыпо типу эвтектикпо количеству эвтектик и фаз, образующих еепо морфологии эвтектикпо морфологии образующих эвтектику фаз.

9. На основе обобщения результатов исследований разработаны новые составы износостойких и жароизносостойких чугуны.

На защиту выносятся:

1. Выявленные закономерности формирования структуры металлической основы, карбидной фазы, двойных и тройных эвтектик в комплексно-легированных белых чугунах в зависимости от условий охлаждения в различных типах литейных форм, видов и режимов термической обработки.

2. Взаимосвязь износостойкости и жаростойкости комплексно-легированных белых чугунов с морфологией карбидной фазы, типом двойных и тройных эвтектик, фазовым и химическим составами металлической основы и оксидных слоев на поверхности отливок.

3. Особенности перераспределения легирующих элементов между металлической основой, карбидной фазой, эвтектиками в КЛБЧ при их охлаждении в литейной форме и при термической обработке.

4. Результаты рентгенографического, количественного металлографического, дилатометрического, термического, микрорентгеноспектрального анализов, исследований распределения химических элементов по глубине оксидных слоев, испытаний на износостойкость и жаростойкость (окалиностойкость и ростоустойчивость), механические свойства КЛБЧ.

5. Предложена классификация КЛБЧ по строению металлической основыпо типу и количеству эвтектикпо морфологии эвтектикпо морфологии фаз, образующих эвтектику.

6. Новые составы износостойких и жароизносостойких чугунов.

Достоверность и обоснованность результатов и научных выводов работы обеспечены применением комплекса стандартных и современных методов исследования: сканирующей микроскопии, количественного анализа с применением статистической обработки данных, спектроскопии тлеющего разряда, дилатометрии и термографии, рентгенои электронографии, микрорентгеноспектрального анализа, измерений микротвердости, испытаний на твердость, растяжение, износостойкость и жаростойкостьсогласованностью результатов лабораторного и промышленных экспериментовбольшим объемом выполненных экспериментальных данных с их статистико-вероятностной обработкой и воспроизводимостью результатов экспериментапроведением опытных и промышленных плавок чугунов разработанных составов и внедрением их в производство отливок различного функционального назначения. Выводы базируются на современных достижениях металловедения, теории литейного производства и термической обработки и не противоречат их положениям.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование полученных теоретических и практических разработок позволило установить пути управления структурой, механическими и эксплуатационными свойствами литейных износостойких и жаростойких чугунов за счет выбора легирующих элементов и их комплексов в литом и термообработанном состояниях.

1. Разработаны методами математического планирования экспериментов оптимальные химические составы КЛБЧ:

— для производства деталей и инструмента, эксплуатируемых только в условиях абразивного изнашивания, предложены четыре оптимальных состава КЛБЧ. Например, для деталей «шайба валковая» мелкосортно-проволочного стана сортового цеха ОАО «ММК», масс.%: 3,0−3,2 С- 7,5−9,0 V- 14,0−17,0 Сг. При этом он должен содержать технологические добавки 81 и Мп (0,4−0,6%). Твердость данного чугуна 58−62,5 ед. и износостойкость 11−12,6 ед. Жидкоте-кучесть 600 мм при температуре 1400 °C. Линейная усадка 1,7%;

— для производства деталей, работающих при невысоких температурах (до 600°С) в условиях абразивного изнашивания, предложены два состава чугуна. Например, для изготовления броневых плит желобов агломерационных машин в условиях горно-обогатительного производства ОАО «ММК», масс.%: 2,82,9% углерода, 15,0−16,0% хрома, 2,4−3,0% ванадия, 0,65−0,8% титана;

— для изготовления деталей, эксплуатируемых при одновременном воздействии высоких температур (до 800−1000°С) и абразивной среды, например, колосники для грохотов агломерационных машин из чугуна марки ИЧ230Х16Г4НТ. Эксплуатационная стойкость новых колосников превысила срок службы колосников из высоколегированной стали 75Х24ТЛ более чем в 3 раза. Годовой экономический эффект на стоимости колосников составил более 2,2 млн руб. в год.

2. Получены патенты на исследуемые чугуны: износостойкий (патент РФ на изобретение № 2 272 086) — жароизносостойкий (патент РФ на изобретение № 2 262 546).

3. Материалы диссертационных исследований используются в учебном процессе в виде учебного пособия, лекционных курсов, методических указаний, научно-исследовательской работе, курсовом и дипломном проектировании при подготовке бакалавров, магистров, специалистов по направлениям «Металлургия», «Материаловедение, технология материалов и покрытий», «Материаловедение и технология материалов» (прил. 1).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: XXI, XIX и XVIII Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, 2012 г.- Екатеринбург, 2008 г.- Тольятти, 2006 г.), школах-семинарах «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Магнитогорск, 2001, 2003, 2005, 2008 г.), 6-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2004 г.), Международных научно-практических конференциях «Шлифабразив» (Волжский, 2001;2008 гг.), VII съезде литейщиков (Новосибирск, 2005 г.), XIII, XV Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2007, 2009, 2011 гг.), Региональной школе-семинаре «Цифровая микроскопия» (Екатеринбург, 2001 г.) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в т. ч. 3 монографии, 2 учебных пособия, 16 статей в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ, получено 2 патента на изобретение.

Личный вклад автора. Общая стратегия и постановка работ выполнена совместно с В. М. Колокольцевым. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором и при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи в определении цели, научной постановке задач исследования, анализе и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов. Диссертант осуществлял научное руководство группой аспирантов и соискателей, которыми были защищены 2 кандидатских диссертации. Организация промышленного внедрения разработанных сплавов в технологию изготовления литых деталей различного функционального назначения проводилась в равной степени с соавторами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и 17 приложений. Работа изложена на 309 страницах, включая 137 рисунков и 76 таблиц. Список использованной литературы содержит 242 наименования.