ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського
національного університету залізничного транспорту, 2017, № 4 (70)

матеріалознавство

Введение

Применение комплексного легирования высокохромистых чугунов позволяет формировать в них структуры, состоящие из заданного типа карбидов и соответствующей металлической основы, что существенно повышает эксплуатационные свойства литых деталей [16–18, 20]. В период кристаллизации и охлаждения в этих чугунах образуются неравновесные структуры, вследствие чего при термической обработке содержание хрома в карбидах повышается, а в металлической основе – снижается [3, 5, 10, 11]. Особенно сильные изменения химического состава металлической основы протекают в локальных объемах возле карбидов [19]. Гомогенизация металлической основы затруднена из-за сильного легирования твердого раствора.

Высокохромистые чугуны, легированные марганцем и никелем, подвергаются отжигу для снятия напряжений или придания им необходимых свойств. По ГОСТ 7769–82 [4] рекомендуется для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок из высокохромистых чугунов проводить отжиг (высокого отпуска) при 963–1023 °К (690–750 °С) с выдержкой в течение 6–12 часов и последующим охлаждением с печью.

Перераспределение элементов между структурными составляющими в процессе отжига связано с формированием карбидов различных типов. Хром и марганец являются элементами, которые распределяются между карбидной фазой и металлической основой [3, 11, 15]. В легированных хромом чугунах введение марганца сопровождается перераспределением атомов хрома между матрицей и карбидами. Увеличение Mn, способствуя повышению концентрации хрома в карбидах, приводит к снижению его содержания в локальных объемах матрицы вблизи карбидов [19]. При концентрации хрома менее 12 % снижается коррозионная стойкость изделий [5, 6, 8, 13]. Поэтому возникает необходимость обеспечения заданной концентрации хрома в металлической основе, особенно, вблизи межфазных (карбид-матрица) границ.

Никель, способствуя образованию аустенита, снижает растворимость углерода, особенно при высоких температурах [6]. Одновременно с этим, атомы никеля практически отсутствуют в карбидной фазе, в основном легируя твердые растворы хромсодержащих сплавов [3, 11].

В работах [2, 7, 9] исследовалось распределение элементов в высокохромистых чугунах и их перераспределение при термической обработке, однако не было уделено должного внимания процессам, протекающим в околокарбидных зонах.

В процессе кристаллизации чугунов и охлаждении отливок в литейной форме образуются карбиды неравновесного состава, что связано с непрерывным охлаждением и неполным выравниванием состава фаз. В процессе отжига происходит перераспределение элементов между фазами с образованием более равновесных структур, обладающих минимумом свободной энергии при температуре обработки. Повышение содержания хрома стабилизирует карбиды. Особенностью процесса формирования карбидов в твердом состоянии является переменная растворимость в них хрома и марганца, зависящая от температуры [3, 5, 12].

Одним из основных видов термической обработки литья является отжиг. Его применяют для улучшения обрабатываемости отливок, эксплуатируемых в условиях коррозионного воздействия среды. В процессе отжига содержание хрома в карбидах повышается, а в локальных зонах возле карбидов снижается [3, 11], что негативно влияет на коррозионную стойкость изделий.

Анализ работ [2, 7, 9, 13–15] свидетельствует о необходимости проведения дополнительного изучения межфазного распределении хрома в высокохромистых чугунах.

Цель

Цель работы – анализ влияния химического состава высокохромистых чугунов на межфазное распределение хрома в течение отжига при 690 °С.

Методика

Серию высокохромистых чугунов состава: 1,09–3,91 % С; 11,43–25,57 % Cr; 0,6–5,4 % Mn; 0,19–3,01 % Ni и 0,8–1,2 % Si выплавляли в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Температура разливки чугуна составляла 1390–1410 °С. Образцы исследовались в литом состоянии и после отжига в течение 9 часов при 690 °С. Структурный анализ проводили с использованием методик количественной металлографии [1]. Химический состав металлической основы и карбидов определяли в локальных точках на микроскопе РЕМ 106И.

Для построения математической модели распределения хрома в системе Fe–C–Cr–Mn–Ni использовали метод активного планирования эксперимента (табл. 1).

Таблица 1

Матрица планирования дробнофакторного
эксперимента 2^4-1

Table 1

Matrix of fractional factorial experiment
planning 2^4-1

Уровень варьирования факторов		Фактор, масс. %
				С	Cr	Mn	Ni
Основной	0	2,5	18,5	3,0	1,6
Интервал	Δ	1,0	5,0	1,7	1,0
Звездное плечо	1,414Δ	1,41	7,07	2,4	1,41
Верхние	+1	3,5	23,5	4,7	2,6
	+1,414	3,91	25,57	5,4	3,01
Нижние	–1	1,5	13,5	1,3	0,6
	–1,414	1,09	11,43	0,6	0,19

Коэффициент распределения хрома (КР_Cr⁶⁹⁰) определяли как отношение содержания хрома в карбидах (Cr_к⁶⁹⁰) к его содержанию в основе (Cr_о⁶⁹⁰).

Результаты

В процессе отжига при 690 °С α↔γ превращений не наблюдалось. Металлическая основа чугунов была ферритной, ферритоаустенитной и аустенитной (в зависимости от его состава). В течение выдержки при отжиге наблюдалось перераспределение химических элементов между карбидами и основой с образованием равновесных фаз.

Протекание диффузионных процессов обеспечивало снижение химической неоднородности чугуна. Как показали исследования, никель практически полностью отсутствовал в карбидах. Одновременно с этим, пропорционально увеличению содержания углерода в чугуне, возрастала концентрация никеля в основе, что, в свою очередь, оказывало влияние на распределение атомов марганца и хрома. Более того, формируемое структурное состояние металлической матрицы влияло на состояние межфазных границ. Так, в чугунах c ферритной основой наблюдалось значительное растравливание границ раздела фаз (рис. 1). В противоположность этому, в чугунах с аустенитной основой растравливание границ раздела фаз практически не обнаружено (рис. 2).

а – a                                                       б – b

Рис. 1. Структуры чугунов с ферритной основой после травления:

а – 1,5 % С; 18,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni; б – 2,5 % С; 23,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni

Fig. 1. Structures of cast iron with ferritic base after etching:

а – 1,5% С; 18,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni; б – 2,5% С; 23,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni

В результате математической обработки экспериментальных данных получены регрессионные зависимости содержания хрома в карбидах, основе, а также коэффициента его межфазного распределения от содержания в чугуне C, Cr, Mn и Ni:

Cr_к⁶⁹⁰ = 5,082C – 3,867Mn + 2,261Cr + 24,334Ni + 0,033Mn² – 2,696Ni² + 0,906CMn –

– 0,245CCr – 3,736CNi + 0,106MnCr – 0,338MnNi – 0,314CrNi + 3,459 (1)

Cr_о⁶⁹⁰ = – 2,238C + 1,525Cr + 1,776Ni + 0,365C² – 0,022Cr² – 0,721Ni² – 0,041CCr +

+ 0,116CNi – 0,006MnCr – 5,224 (2)

КР_Cr⁶⁹⁰ = 3,078C + 0,108Mn + 0,026Cr + 3,029Ni – 0,306C² – 0,011CCr – 0,156MnNi –

– 0,110CrNi + 0,196(Cr/C) – 3,509 (3)

Данные уравнения являются математически вероятностными (в соответствии с критериями Стьюдента, Фишера и Кохрена). Минимальные и максимальные значения полученных функций и соответствующие им составы представлены в табл. 2.

а – a                                                                                 б – b

в – c                                                                                       г – d

Рис. 2. Структуры чугунов с аустенитной основой после травления:

а – 3,5 % С; 18,5 % Cr; 5,4 % Mn и 2,6 % Ni; б – 3,5 % С; 18,5 % Cr; 5,4 % Mn и 0,2 % Ni;

в – 2,5 % С; 18,5 % Cr; 1,3 % Mn и 3,0 % Ni; г – 2,5 % С; 11,5 % Cr; 1,3 % Mn и 1,6 % Ni

Fig. 2. Structures of cast iron with austenitic base after etching:

а – 3,5% С; 18,5% Cr; 5,4% Mn и 2,6% Ni; b – 3,5% С; 18,5% Cr; 5,4% Mn и 0,2% Ni;

c – 2,5% С; 18,5% Cr; 1,3% Mn и 3,0% Ni; d – 2,5% С; 11,5% Cr; 1,3% Mn и 1,6% Ni

Таблица 2

Минимальные и максимальные значения
функций: Cr_кар⁶⁹⁰, Cr_осн⁶⁹⁰ и КР_Cr⁶⁹⁰

Table 2

Minimum and maximum values of functions: Cr_кар⁶⁹⁰, Cr_осн⁶⁹⁰ and КР_Cr⁶⁹⁰

Функция	Уровень	Величина	Состав, масс. %
			С	Mn	Cr	Ni
Crк690	min	26,5	1,09	5,4	11,43	0,19
	max	73,3	1,09	0,60	25,57	2,22
Crо690	min	3,9	3,23	5,4	11,43	3,01
	max	17,4	1,09	0,60	25,57	1,32
КРCr690	min	2,1	1,09	0,60	11,43	0,19
	max	9,4	3,91	0,60	11,43	3,01

Анализ функции Cr_кар⁶⁹⁰ показывает, что максимальное количество хрома в карбидах 73,3 % имело место при максимальном содержании в чугуне Cr, минимальном количестве C и Mn и 2,2 % Ni. При этом химическом составе, после отжига при 690 °С, в чугуне образовывались высокохромистые карбиды Cr₂₃C₆, содержащие минимальное количество углерода (5,5 %) и железа. Увеличение содержания никеля до 1,32 % не оказало существенного влияния на растворимость углерода в аустените, что позволило достигнуть максимальной концентрации хрома в металлической основе. При 2,2 % никеля наблюдали максимальное количество хрома в карбидах (см. табл. 2), что связано со снижением растворимости углерода в основе и трансформацией карбидной фазы в высокохромистые карбиды (Cr,Fe)₇C₃. Это подтверждает ранее полученные результаты [10].

Минимальное содержание хрома в основе (см. табл. 2) наблюдали при минимальном количестве Cr в чугуне и максимальном количестве Mn и Ni при 3,2 % C. Повышение концентрации углерода свыше 3,2 % способствовало образованию карбидов Ме₇С₃, легированных хромом с большим содержанием углерода (8,8 %), что уменьшило количество карбидной фазы и незначительно повысило содержание хрома в основе.

Наименьшее значение коэффициента КР_Cr⁶⁹⁰ (2,1) установлено при минимальном содержании в чугуне С, Cr, Mn и Ni (см. табл. 2). В процессе отжига цементит трансформировался в карбиды Fe₇C₃, содержащие большее количество хрома.

Максимальное значение коэффициента КР_Cr⁶⁹⁰ (9,4) наблюдали при максимальной концентрации углерода и никеля при минимальном количестве Mn и Cr, что связано с образованием большого количества карбидов Fe₇C₃, стабилизированных хромом при отжиге, и значительным обеднением металлической основы на хром.

Зависимости содержания хрома в карбидах от количества в чугуне С, Сr, Mn и Ni на разных уровнях плана представлены на рис. 3.

Увеличение содержания Mn и Ni в чугуне изменяло металлическую основу от ферритной до аустенитной. При формировании основы в виде аустенита растворимость углерода резко повышалась. Дальнейшее легирование чугуна марганцем способствовало возрастанию, а никелем – снижению растворимости углерода в аустенитной основе.

Как показано в [17], соотношение Cr / C определяет тип образующегося карбида. При снижении концентрации атомов активного углерода наблюдается образование низкоуглеродистых хромсодержащих карбидов Ме₂₃С₆ (5,5 % С), которые в процессе отжига трансформируются в Ме₇С₃. При возрастании доли активного углерода происходит образование Ме₃С (6,7 % С), Ме₇С₃ (8,8 % С) и Ме₃С₂ (12,5 % С) [10]. При 0,2 % Ni и 5,4 % Mn растворимость углерода в основе повысилась, а количество активного углерода снизилось. В целом, увеличение количества углерода в чугуне вызвало в процессе отжига образование высокохромистых карбидов Cr₇С₃ (9,0 % С) и Cr₃С₂ (13,3 % С) (см. рис. 3).

Рис. 3. Влияние С, Сr, Mn и Ni на содержание Cr_к⁶⁹⁰

Fig. 3. Influence of С, Сr, Mn and Ni
on the content Cr_к⁶⁹⁰

В чугунах, содержащих 11,5 % Cr, 0,6 % Mn и 0,2 % Ni, после отжига наблюдались карбиды Ме₃С и Ме₇С₃, стабилизированные хромом. Повышение содержания углерода в этом чугуне увеличило содержание хрома в карбидах (см. рис. 3) из-за увеличения доли карбидов Ме₇С₃ в результате трансформации цементита, что согласуется с данными [3, 10, 11]. Легирование чугуна марганцем увеличивало растворимость углерода в основе и повышало концентрацию хрома в карбидах.

Рост содержания хрома в чугуне повышал его концентрацию в карбидах, а увеличение углерода снижало. Таким образом, процессы, протекающие в карбидной фазе, должны оказывать влияние и на содержание хрома в основе (рис. 4).

При увеличении содержания хрома в чугуне, формирование карбидов различных типов приводит к нарушению пропорционального прироста его концентрации в металлической основе.

С повышением содержания углерода в чугуне наблюдается снижение концентрации Cr в его основе. Это связано с приростом при отжиге количества карбидов с высоким содержанием хрома, не зависимо от содержания марганца и никеля. Наиболее сильное влияние углерода на Cr_осн⁶⁹⁰ проявлялось при увеличении его концентрации до 2,5 % (см. рис. 4).

Рис. 4. Влияние С, Сr, Mn и Ni
на содержание Cr_о⁶⁹⁰

Fig. 4. Influence of С, Сr, Mn and Ni
on the content Cr_о⁶⁹⁰

Влияние никеля проявлялось в стабилизации им аустенита и изменении растворимости углерода в основе.

Специфическое влияние марганца на содержание хрома в карбидах и основе, после отжига чугуна, связано с двойственной природой марганца и его распределением между фазами. При низких концентрациях марганца до 1,0 % в высокохромистом чугуне Mn преимущественно сосредотачивается в металлической основе. Доля марганца в карбидах увеличивается при повышении содержания марганца в чугуне или снижении в нем количества хрома [3].

Совместное влияние C, Cr, Mn и Ni на коэффициент распределения хрома (КР_Cr⁶⁹⁰) показано на рис. 5.

Влияние углерода на распределение хрома связано с изменением количества и типа образующихся карбидов. Хром, обладая большим сходством с углеродом, чем железо, марганец и никель, вступает с ним во взаимодействие, однако, в процессе охлаждения образуются неравновесные структуры. В процессе термической обработки наблюдалось формирование равновесных структур при используемой температуре отжига.

Рис. 5. Влияние С, Mn, Сr и Ni на межфазное
распределение хрома – КР_Cr⁶⁹⁰

Fig. 5. Influence of С, Mn, Сr and Ni on the interphase distribution of chromium – КР_Cr⁶⁹⁰

В чугунах, содержащих 11,5 % Cr, 1,1 % С, 0,6 % Mn и 0,2 % Ni, образовывались карбиды Ме₇С₃. Рост содержания хрома в чугуне повышал его количество в карбидах и соответственно увеличивал значение КР_Cr⁶⁹⁰ (см. рис. 5). При увеличении содержания углерода в чугуне одновременно протекали процессы увеличения количества карбидов и постепенного замещения карбидов Ме₇С₃ карбидами цементитного типа. Преобладание процесса образования карбидов существенно снижало концентрацию хрома в основе и увеличивало значение КР_Cr⁶⁹⁰, несмотря на то, что карбиды Ме₃С содержали меньшее количество хрома, чем Ме₇С₃.

При содержании в чугуне хрома более 18,5 % процесс образования карбидов Ме₃С не наблюдался. Увеличение количества карбидов Ме₇С₃, со значительно большей концентрацией хрома, чем в цементите, способствует обеднению металлической основы по хрому и повышает неравномерность его распределения (см. рис. 5).

Рост количества марганца в чугуне, с одной стороны, увеличивает растворимость углерода в основе и снижает количество карбидов. С другой стороны, вызывает повышение концентрации хрома в карбидах вследствие процессов замещения атомов марганца атомами хрома при формировании равновесных фаз с более низким уровнем свободной энергией. Так, при содержании 0,2 % Ni марганец практически не оказывал влияния на распределение хрома после отжига. Неравномерность распределения хрома в чугуне оставалась неизменной при содержании никеля вплоть до 1,6 % (см. рис. 5).

При 3,0 % Ni увеличение содержания марганца в чугуне снижало коэффициент КР_Cr⁶⁹⁰, что связано с образованием устойчивого аустенита с высокой растворимостью углерода. Влияние марганца, способствуя растворимости углерода в основе, преобладало над качественно противоположным влиянием никеля.

Увеличение количество карбидов повышало концентрацию никеля в основе и неравномерность распределения хрома в основе. Особенно сильное влияние никеля проявлялось в чугунах, содержащих 11,5 % Cr. Прирост концентрации никеля в чугуне с 0,2 % до 3,0 % при содержании 1,1 % С повысил значение коэффициента КР_Cr⁶⁹⁰ с 2,1 до 6,8, а при 3,9 % С с 4,6 до 9,4 (см. рис. 5).

Анализ областей, содержащих различный уровень хрома в основе после отжига при 690 °С (рис. 6), позволил определить оптимальные составы чугунов для различных условий эксплуатации. Для изделий из чугуна, эксплуатируемых в коррозионной среде, при содержании хрома в основе не менее 12 %, оптимальное содержание элементов должно составлять 1,0–1,6 % Ni, до 1,0 % Mn, до 2,5 % С при 19,5–25,5 % Cr (см. рис. 6).

Для изделий, эксплуатируемых в условиях абразивного изнашивания, химический состав регламентируется ГОСТ 7769-82 и составляет 2,4–3,6 % С, 1,5–2,5 % Mn и 19–25 % Cr. Твердость этого чугуна после его нормализации и низкого отпуска составляет 330–610 HB [4], а после отжига при 690 °С 41–54 HRC, что соответствует требованиям ГОСТ 7769-82. Содержание хрома в основе этого чугуна, после термической обработки, составляет 9,8–12,2 %, что не обеспечивает коррозионной стойкости.

Рис. 6. Влияние С, Mn, Сr и Ni
на содержание Cr_о⁶⁹⁰

Fig. 6. Influence of С, Mn, Сr and Ni
on the content Cr_о⁶⁹⁰

Научная новизна и практическая значимость

Установлено, что основными факторами, определяющими величину коэффициента межфазного распределения хрома в системе Fe–C–Cr–Mn–Ni, являются: количественное содержание элементов и их взаимное воздействие на процессы карбидообразования.

Полученные регрессионные зависимости позволяют спрогнозировать содержание хрома в металлической основе и могут быть использованы при разработке новых составов чугунов и режимов их термической обработки.

Выводы

1. Характер влияния марганца на содержание хрома в металлической основе чугуна неоднозначен. Марганец, повышая концентрацию хрома в карбидах, способствует его снижению в основе. Одновременно с этим, повышая растворимость углерода в металлической матрице, марганец содействует растворению в ней карбидов и увеличивает содержание хрома.

2. После отжига чугуна в течение 9 часов при 690 ºС максимальная концентрация хрома в основе достигается при 1,3 % никеля, минимальных количествах углерода и марганца.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Вакуленко, І. О. Структурний аналіз в матеріалознавстві / І. О. Вакуленко. – Дніпропетровськ : Маковецький, 2010. – 124 с.

2. Влияние режимов термической обработки на перераспределение легирующих элементов в высокохромистом чугуне / В. З. Куцова, М. А. Ковзель, А. В. Кравченко, А. В. Животович // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2007. – № 3, ч. 2. – С. 33–51.

3. Волчок, И. П. Влияние легирования и термической обработки на распределение элементов и свойства высокохромистых чугунов / В. В. Нетребко, И. П. Волчок // Науч. вестн. Донбас. гос. машиностр. акад. : сб. науч. тр. / Донбас. гос. машиностр. акад. – Краматорск, 2015. – № 3 (18Е). – С. 52–59.

4. ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки. – Введ. 1983–01–01. – Москва : Изд-во стандартов,1982. – 15 с.

5. Гудремон, Э. Специальные стали / Э. Гудремон. – Москва : Металлургия, 1966. – Т. 1. – 736 с.

6. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. – Москва : Металлургия, 1978. – 648 с.

7. Куцова, В. З. Влияние температуры нагрева на формирование структуры, фазовый состав и свойства высокохромистых чугунов в исходном и термообработанном состоянии / В. З. Куцова, М. А. Ковзель, А. В. Кравченко // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2008. – № 1. – С. 35–50.

8. Малахов, А. И. Основы металловедения и теории коррозии / А. И. Малахов, А. П. Жуков. – Москва : Высш. шк., 1978. – 192 с.

9. Межфазное распределение химических элементов в комплексно-легированном белом чугуне /
   В. Г. Ефременко, А. П. Чейлях, Т. В. Козаревская, К. Шимидзу, Ю. Г. Чабак, А. В. Ефременко // Вісн. Приазов. держ. техн. ун-ту. Серія: Технічні науки : зб. наук. пр. / Приазов. держ. техн. ун-т. – Маріуполь, 2014. – Вип. 28. – С. 89–99.

10. Нетребко, В. В. К вопросу образования карбидов Fe₃C и Fe₇C₃ в высокохромистых чугунах / В. В. Нетребко // Наука та прогрес транспорту. – 2016. – № 3 (63). – С. 138–147. doi: 10.15802/stp2016/74736.

11. Нетребко, В. В. Особенности термической обработки высокохромистых чугунов легированных Mn
    и Ni / В. В. Нетребко, И. П. Волчок // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2016. – № 1. – С. 53–57.

12. Сильман, Г. И. Диаграмма состояния сплавов системы Fe–C–Mn и некоторые структурные эффекты
    в этой системе. Ч. 1. Межфазное распределение марганца / Г. И. Сильман // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2005. – № 2. – С. 11–15.

13. Структурно и неструктурно чувствительные свойства хромистых чугунов / А. А. Кириллов, В. Д. Белов, Е. В. Рожкова, А. Ю. Дядькова, И. Е. Зуев // Черные металлы. – 2007. – № 9 – С. 7–13.

14. Чабак, Ю. Г. Структурные изменения в комплекснолегированном белом чугуне при дестабилизирующем нагреве / Ю. Г. Чабак, В. Г. Ефременко, Р. Р. Станишевский // Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дніпропетровськ, 2011. – Вип. 38. – С. 229–232.

15. Чейлях, А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. – Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. – 212 с.

16. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства / И. И. Цыпин. – Москва : Металлургия, 1983. – 176 с.

17. Цыпин, И. И. Белые износостойкие чугуны – эволюция и перспективы / И. И. Цыпин //Литейное пр-во. – 2000. – № 9. – С. 15–16.

18. Analysis of the Structure and Abrasive Wear Resistance of White Cast Iron With Precipitates of Carbides / D. Kopyciński, M. Kawalec, A. Szczęsny, R. Gilewski, S. Piasny // Archives of Metallurgy and Materials / Institute of metallurgy and materials science of Polish academy of sciences. – 2013. – Vol. 58. – Iss. 3. – P. 973–976. doi: 10.2478/amm-2013-0113.

19. Belikov, S. Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron / S. Belikov, I. Volchok, V. Netrebko // Archives of Metallurgy and Materials / Institute of metallurgy and materials science of Polish academy of sciences. – 2013. – Vol. 58. – Iss. 3. – Р. 895–897. doi: 10.2478/amm-2013-0095.

20. Gierek, A. Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne / A. Gierek, L. Bajka. – Katowice : Slask, 1976. –
    230 p.

В. В. НЕТРЕБКО^1*, І. П. ВОЛЧОК²

^1*Каф. «Обладнання та технологія зварювального виробництва», Запорізький національний технічний університет,
вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69063, тел. +38 (050) 486 27 40, ел. пошта olgavvn@ukr.net,
ORCID 0000-0003-3283-0116
²Каф. «Композиційні і порошкові матеріали та технології», Запорізький національний технічний університет,
вул. Жуковського, 64, Запоріжжя, Україна, 69063, тел. +38 (061) 769 83 51, ел. пошта tmzntu@gmail.com,
ORCID 0000-0003-1580-0556

ВПЛИВ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЧАВУНУ НА РОЗПОДІЛ

Cr ПОМІЖ ФАЗАМИ ПІСЛЯ ВІДПАЛУ ПРИ 690 °С

Мета. У науковій роботі необхідно встановити вплив хімічного складу Fe–C–Cr–Ni–Mn чавуну на вміст хрому в металевій основі та карбідах, а також коефіцієнт розподілу хрому поміж фазами після відпалу при 690 °С (КР_Cr⁶⁹⁰). Методика. Досліджували чавуни, які містили 1,09–3,91 % С; 11,43–25,57 % Cr; 0,6–5,4 % Mn; 0,19–3,01 % Ni та 0,8–1,2 % Si. Аналіз розподілу хрому виконували з використанням методів математичної статистики. Чавун плавили в індукційній печі ємністю 60 кг. Результати. Використання методу активного планування експерименту з матрицею 2^4-1 дозволило визначити регресійні залежності концентрації хрому в основі та карбідах, а також коефіцієнт його розподілу поміж фазами від вмісту в чавуні С, Cr, Mn та Ni. Хром після відпалу переважно концентрувався в карбідах. Вміст хрому в основі змінювався від 3,94 % при 3,23 % С, 5,4 % Mn, 11,43 % Cr та 3,01 % Ni – до 17,43 % при 1,09 % С, 0,60 % Mn, 25,57 % Cr та 1,32 % Ni. Найменше значення коефіцієнту розподілу КР_Cr⁶⁹⁰ дорівнювало 2,1 в чавуні, який містив 1,09 % С, 0,6 % Mn, 11,43 % Cr та 0,19 % Ni, а найбільше – 9,4 при 3,91 % С, 0,6 % Mn, 11,43 % Cr та 3,01 % Ni. Розподіл хрому визначався кількістю та типом карбідів, що утворювались. Під час відпалу склад карбідів змінювався внаслідок конкурування елементів, що утворюють карбіди, і заміщенням атомів заліза та марганцю на атоми хрому. Наукова новизна. Авторами отримані регресивні залежності вмісту хрому в основі, карбідах та коефіцієнт його розподілу поміж фазами від хімічного складу Fe–C–Cr–Ni–Mn чавуну після відпалу при 690 °С. Практична значимість. Отримані залежності дозволяють прогнозувати вміст хрому в металевій основі та можуть бути використані при розробці нових складів зносостійких чавунів, а також при виборі режимів термічної обробки.

Ключові слова: чавун; хром; розподіл; карбід; металева основа

V. V. NETREBKO^1*, I. P. VOLCHOK²

^1*Dep. «Equipment and Technology of Welding Production», Zaporizhzhia National Technical University,
Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (050) 486 27 40, e-mail olgavvn@ukr.net,
ORCID 0000-0003-3283-0116
²Dep. «Composite and Powder Materials and Technologies», Zaporizhzhia National Technical University,
Zhukovskyi St., 64, Zaporizhzhia, Ukraine, 69063, tel. +38 (061) 769 83 51, e-mail tmzntu@gmail.com,
ORCID 0000-0003-1580-0556

INFLUENCE OF THE CAST IRON’S CHEMICAL COMPOSITION

ON THE INTERPHASE DISTRIBUTION OF Cr AFTER ANNEALING

AT 690 °C

Purpose. The article is aimed to determine effect of the chemical composition of Fe-C-Cr-Mn-Ni cast iron on the chromium content in the metallic base, carbides and the coefficient of interphase distribution of chromium after annealing at 690 ° С (КР_Сr690). Methodology. Cast irons containing 1.09–3.91% C; 11.43–25.57% Cr; 0.6–5.4% Mn; 0.19–3.01% Ni and 0.8–1.2% Si were investigated. The analysis of chromium distribution was carried out using mathematical statistics methods. Cast iron was melted in induction furnace with a capacity of 60 kg. Findings. The use of methods of active planning of the experiment 2^4-1 allowed us to establish regression dependencies of the chromium concentration in the base and carbides, as well as its interphase distribution coefficient on the С, Mn, Cr and Ni content in the cast iron. Chromium, after annealing, was mainly concentrated in carbides. The chromium content of the base varies from 3.94% at 3.23% C, 5.4% Mn, 11.43% Cr and 3.01% Ni to 17.43% at 1.09% C, 0.60% Mn, 25.57% Cr and 1.32% Ni. The minimum value of the distribution coefficient of CRC690 was 2.1 in cast iron, of composition 1.09% C, 0.6% Mn, 11.43% Cr and 0.19% Ni, maximum 9.4 at 3.91% C, 0, 6% Mn, 11.43% Cr and 3.01% Ni. The distribution of chromium was determined by the amount and type of carbides formed. During annealing, the carbides’ composition was formed as a result of carbide-forming elements contention and replacement of iron and manganese atoms by chromium atoms. Originality. Authors obtained regression dependences of the chromium content in the base, carbides and its interfacial distribution coefficient on the chemical composition of Fe-C-Cr-Mn-Ni cast iron after annealing at 690 ° C. Practical value. The obtained dependencies allow predicting the chromium content in the metallic base and may be used during the elaboration of the new wear resistant cast irons compositions, as well as in the choice of heat treatment regimes.

Keywords: cast iron; chromium; distribution; carbide; metallic base

REFERENCES

1. Vakulenko, I. O. (2010). Strukturnyi analiz v materialoznavstvi. Dnipropetrovsk: Makovetskyi.

2. Kutsova, V. Z., Kovzel, M. A., Kravchenko, A. V., & Zhivotovich, A. V. (2007). Vliyaniye rezhemov termicheskoy obrabotki na raspredeleniye legiryshchekh elementov v vysokokhromistom chugune. Metal Science and Heat Treatment, 3 (2), 33-51.

3. Volchok, I. P., Netrebko, V. V. (2015). Effect of alloying and heat treatment on the distribution of the elements and properties of high chrome cast iron. Scientific bulletin of DSEA, 3 (18Е), 52-59.

4. Alloy cast iron for castings of special properties. Grades, State Standard 7769-82 (1982).

5. Gudremon, E. (1966). Spetsialnyye stali (Vol. 1). Moscow: Metallurgiya.

6. Gulyaev, A. P. (1978). Metallovedeniye. Moscow: Metallurgiya.

7. Kutsova, V. Z., Kovzel, M. A., & Kravchenko, A. V. (2008). Vliyaniye temperatury nagreva na formirovaniye struktury, fazovyy sostav i svoystva vysokokhromistykh chugunov v iskhodnom i termoobrabotannom sostoyanii. Physical Metallurgy and Heat Treatment of Metals, 1, 35-50.

8. Malakhov, A. I., & Zhukov, A. P. (1978). Osnovy metallovedeniya i teorii korrozii. Moscow: Vysshaya shkola.

9. Еfremenko, V. G., Cheiliakh, О. P., Kozarevska, T. V., Shimizu, K., Chabak, Y. G., & Efremenko, О. V. (2014). Phase chemical elements distribution in complex-alloyed white cast iron. Reporter of the Priazovskyi state technical university. Section: Technical sciences, 28, 89-99.

10. Netrebko, V. V. (2016). About the issue of carbides Fe₃C and Fe₇C₃ formation in high-chromium cast irons. Science and Transport Progress, 3 (63), 138-147. doi:10.15802/stp2016/74736

11. Netrebko, V. V., Volchok, I. P. (2016). Peculiarities of heat treatment of high-chromium cast irons alloyed by Mn and Ni. Innovative materials and technologies in metallurgy and mechanical engineering, 1, 53-57.

12. Silman, G. I. (2005). Diagramma sostoyaniya splavov sistemy Fe-C-Mn i nekotoryye strukturnyye effekty v etoy sisteme. Mezhfaznoye raspredeleniye margantsa. Metal Science and Heat Treatment, 2, 11-15.

13. Kirillov, A. A., Belov, V. D., Rozhko, Y. V., Diadkova, A. Y., & Zueva, I. E. (2007). Strukturno i nestrukturno chuvstvitelnyye svoystva khromistykh chugunov. Stahl und Eisen, 9, 7-13.

14. Chabak, Y. G., Еfremenko, V. G., & Stanishevskiy, R. R. (2011). Structure changes in the complex-alloyed white cast iron during destabilizing heating. Bulletin of Dniproperovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 38, 229-232.

15. Cheylyakh, A. P. (2003). Ekonomnolegirovannye metastabilnyye splavy i uprochnyayushchiye tekhnologii. Kharkov: National Science Center Kharkov Institute of Physics and Technology.

16. Tsypin, I. I. (1983). Belyye iznosostoykiye chuguny. Struktura i svoystva. Moscow: Metallurgiya.

17. Tsypin, I. I. (2000). Belyye iznosostoykiye chuguny – evolyutsiya i perspektivy. Foundry, 9, 15-16.

18. Kopyciński, D., Kawalec, M., Szczęsny, A., Gilewski, R., & Piasny, S. (2013). Analysis of the Structure and Abrasive Wear Resistance of White Cast Iron with Precipitates of Carbides. Archives of Metallurgy and Materials, 58 (3), 973-976. doi:10.2478/amm-2013-0113

19. Belikov, S., Volchok, I., & Netrebko, V. (2013). Manganese influence on chromium distribution in high-chromium cast iron. Archives of Metallurgy and Materials, 58 (3), 895-897. doi:10.2478/amm-2013-0095

20. Gierek, A., & Bajka, L. (1976). Zeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne. Katowice: Slask Publ.

Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. И. А. Вакуленко (Украина); д.т.н., проф.
А. А. Митяевым (Украина)

Поступила в редколлегию: 15.03.2017

Принята к печати: 12.07.2017

doi 10.15802/stp2017/109583 © В. В. Нетребко, И. П. Волчок, 2017