Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов
Исследовано влияние химического состава и параметров закалки при 950 и 1100 °С с различными выдержками от 5 до 100 мин, а также отпуска при 600 °С с выдержками от 1 до 6 часов после закалки с разных температур от 920 до 1120 °С на структуру, изменение фазового состава и свойства износостойких чугуно...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Металл и литье Украины |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2017
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/163236 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов / Я.А. Чейлях, А.П. Чейлях // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 70-77. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-163236 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Чейлях, Я.А. Чейлях, А.П. 2020-01-26T15:59:06Z 2020-01-26T15:59:06Z 2017 Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов / Я.А. Чейлях, А.П. Чейлях // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 70-77. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2077-1304 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/163236 621.789-034.13 Исследовано влияние химического состава и параметров закалки при 950 и 1100 °С с различными выдержками от 5 до 100 мин, а также отпуска при 600 °С с выдержками от 1 до 6 часов после закалки с разных температур от 920 до 1120 °С на структуру, изменение фазового состава и свойства износостойких чугунов на Fe-Cr-Mn-C основе с метастабильной аустенитной составляющей структуры. Показано существенное повышение износостойкости чугунов при формировании оптимальной микроструктуры с реализацией деформационных и термодеформационных фазовых превращений в процессе изнашивания после рациональных режимов термической обработки. Досліджено вплив хімічного складу і параметрів загартування при 950 і 1100 °С з різними витримками від 5 до 100 хв, а також відпуску при 600 °С з витримками від 1 до 6 годин після гартування з різних температур від 920 до 1120 °С на структуру, зміну фазового складу і властивості зносостійких чавунів на Fe-Cr-Mn-C основі з метастабільною аустенітною складовою структури. Показано істотне підвищення зносостійкості чавунів при формуванні оптимальної мікроструктури з реалізацією деформаційних і термодеформаційних фазових перетворень в процесі зношування після раціональних режимів термічної обробки. It has been investigated the effect of the chemical composition and quenching parameters at 950 and 1100 °C with various holding from 5 to 100 minutes, as well as tempering at 600 °C with holding of 1 to 6 hours after quenching at different temperatures from 920 to 1120 °C on structure, a change in the phase composition and properties of wear-resistant cast iron on Fe-Cr-Mn-C basis with a metastable austenite component of the structure. A significant increase in the wear resistance of cast irons during the formation of an optimal microstructure with the realization of deformation and thermodeformation induced phase transformations in the process of wear after rational heat treatment regimes is shown. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Металл и литье Украины Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов Вплив складу та режимів термічної обробки на структуру, метастабільність аустеніту і властивості зносостійких чавунів Effect of the composition and heat treatment regimes on the structure, the austenite metastability and the properties of wear resistant cast irons Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| spellingShingle |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов Чейлях, Я.А. Чейлях, А.П. |
| title_short |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| title_full |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| title_fullStr |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| title_full_unstemmed |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| title_sort |
влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов |
| author |
Чейлях, Я.А. Чейлях, А.П. |
| author_facet |
Чейлях, Я.А. Чейлях, А.П. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Металл и литье Украины |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вплив складу та режимів термічної обробки на структуру, метастабільність аустеніту і властивості зносостійких чавунів Effect of the composition and heat treatment regimes on the structure, the austenite metastability and the properties of wear resistant cast irons |
| description |
Исследовано влияние химического состава и параметров закалки при 950 и 1100 °С с различными выдержками от 5 до 100 мин, а также отпуска при 600 °С с выдержками от 1 до 6 часов после закалки с разных температур от 920 до 1120 °С на структуру, изменение фазового состава и свойства износостойких чугунов на Fe-Cr-Mn-C основе с метастабильной аустенитной составляющей структуры. Показано существенное повышение износостойкости чугунов при формировании оптимальной микроструктуры с реализацией деформационных и термодеформационных фазовых превращений в процессе изнашивания после рациональных режимов термической обработки.
Досліджено вплив хімічного складу і параметрів загартування при 950 і 1100 °С з різними витримками від 5 до 100 хв, а також відпуску при 600 °С з витримками від 1 до 6 годин після гартування з різних температур від 920 до 1120 °С на структуру, зміну фазового складу і властивості зносостійких чавунів на Fe-Cr-Mn-C основі з метастабільною аустенітною складовою структури. Показано істотне підвищення зносостійкості чавунів при формуванні оптимальної мікроструктури з реалізацією деформаційних і термодеформаційних фазових перетворень в процесі зношування після раціональних режимів термічної обробки.
It has been investigated the effect of the chemical composition and quenching parameters at 950 and 1100 °C with various holding from 5 to 100 minutes, as well as tempering at 600 °C with holding of 1 to 6 hours after quenching at different temperatures from 920 to 1120 °C on structure, a change in the phase composition and properties of wear-resistant cast iron on Fe-Cr-Mn-C basis with a metastable austenite component of the structure. A significant increase in the wear resistance of cast irons during the formation of an optimal microstructure with the realization of deformation and thermodeformation induced phase transformations in the process of wear after rational heat treatment regimes is shown.
|
| issn |
2077-1304 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/163236 |
| citation_txt |
Влияние состава и режимов термической обработки на структуру, метастабильность аустенита и свойства износостойких чугунов / Я.А. Чейлях, А.П. Чейлях // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 70-77. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT čeilâhâa vliâniesostavairežimovtermičeskoiobrabotkinastrukturumetastabilʹnostʹaustenitaisvoistvaiznosostoikihčugunov AT čeilâhap vliâniesostavairežimovtermičeskoiobrabotkinastrukturumetastabilʹnostʹaustenitaisvoistvaiznosostoikihčugunov AT čeilâhâa vplivskladutarežimívtermíčnoíobrobkinastrukturumetastabílʹnístʹaustenítuívlastivostíznosostíikihčavunív AT čeilâhap vplivskladutarežimívtermíčnoíobrobkinastrukturumetastabílʹnístʹaustenítuívlastivostíznosostíikihčavunív AT čeilâhâa effectofthecompositionandheattreatmentregimesonthestructuretheaustenitemetastabilityandthepropertiesofwearresistantcastirons AT čeilâhap effectofthecompositionandheattreatmentregimesonthestructuretheaustenitemetastabilityandthepropertiesofwearresistantcastirons |
| first_indexed |
2025-11-26T17:57:41Z |
| last_indexed |
2025-11-26T17:57:41Z |
| _version_ |
1850766783751913472 |
| fulltext |
70 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
ной эволюции в процессе изнашивания до сих пор
остаются дискуссионными. Поэтому задачи разра-
ботки экономнолегированных износостойких сплавов
и оптимизации режимов их термической обработки, с
точки зрения управления фазовыми и структурными
превращениями для повышения износостойкости,
требуют дальнейших исследований.
Целью настоящей работы1 является оптимиза-
ция режимов термической обработки литых эконом-
нолегированных износостойких Fe-Cr-Mn-C чугунов
разных составов с учетом реализации эффекта са-
моупрочнения в процессе изнашивания для повыше-
ния их износостойкости.
Материал и методики исследований. Объектами
исследования являлись экономнолегированные изно-
состойкие чугуны ЧХ13Г6Т, ЧХ15Г4ТЮ, ЧХ16Г3ТЮР,
с различным содержанием углерода, хрома, марган-
ца, что обеспечивает получение разного количества и
метастабильности аустенита. Дополнительно чугуны
модифицированы титаном, алюминием и бором в раз-
ных сочетаниях для измельчения структуры за счет
образования дисперсных частиц, что также способ-
ствует дополнительному повышению износостойко-
сти. Химический состав чугунов приведен в таблице.
В работе использовали методы микроструктурных
исследований с применением оптических микроскопов
«Neophot-21» и ММР-6, фазового рентгеноструктур-
ного анализа на дифрактометре ДРОН-3 в железном
В
ведение. Проблема повышения износостойкости
литых изделий из износостойких белых чугунов
при их рациональном экономном легировании
остается весьма актуальной. Данные чугуны при-
меняются для изготовления деталей машин и метал-
лургического оборудования – футеровочных плит
агломерационных машин, футеровок тракта подачи
шихтовых материалов, эксплуатирующихся в услови-
ях интенсивного абразивного и ударно-абразивного
изнашивания, зачастую в сочетании с сильным разо-
гревом поверхности изделий.
Важно также, что для указанных условий эксплу-
атации детали обычно изготавливаются из сплавов,
содержащих в своем составе остродефицитные и до-
рогие для Украины легирующие компоненты (Ni, Mo,
W, V) [1–7], а разработка и применение новых эконом-
нолегированных чугунов позволит решить проблему
экономии дорогостоящих материалов без снижения
необходимых свойств. Эту задачу можно решить
благодаря использованию чугунов с метастабильной
структурой, способных к самоупрочнению в процессе
изнашивания за счет реализации деформационных и
термодеформационных фазовых превращений (мар-
тенситного, выделения и трансформации твердых
упрочняющих фаз) [8].
При этом вопросы оптимизации исходной микро-
структуры и ее твердости (после обработок до экс-
плуатации), а также интерпретации фазово-структур-
УДК 621.789-034.13
Я. А. Чейлях, канд. техн. наук, нач. упр.
А. П. Чейлях*, д-р техн. наук, проф., e-mail: cheylyakh_o_p@pstu.edu
ЧАО «Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича», Мариуполь
*ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», Мариуполь
Влияние состава и режимов термической обработки
на структуру, метастабильность аустенита и свойства
износостойких чугунов
Исследовано влияние химического состава и параметров закалки при 950 и 1100 °С с различными выдержками
от 5 до 100 мин, а также отпуска при 600 °С с выдержками от 1 до 6 часов после закалки с разных температур
от 920 до 1120 °С на структуру, изменение фазового состава и свойства износостойких чугунов на Fe-Cr-Mn-C
основе с метастабильной аустенитной составляющей структуры. Показано существенное повышение
износостойкости чугунов при формировании оптимальной микроструктуры с реализацией деформационных
и термодеформационных фазовых превращений в процессе изнашивания после рациональных режимов
термической обработки.
Ключевые слова: чугун, метастабильный аустенит, мартенсит деформации, твердость, износостойкость.
Химический состав исследованных износостойких чугунов
Марка чугуна
Содержание элементов, %мас.
C Cr Mn Si Ti Al В Са
ЧХ13Г6Т 2,86 12,7 6,02 0,66 0,13 – – –
ЧХ15Г4ТЮ 2,54 14,14 4,2 1,4 0,28 0,11 – –
ЧХ16Г3ТЮР 3,09 16,25 3,54 0,69 0,24 0,15 0,2 0,005
Примечание: содержание серы ≤ 0,016 %; фосфора ≤ 0,18 %
1 В исследованиях принимала участие В. Н. Квасова
71ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
нита (бесструктурного мартенсита). В виде дисперс-
ных частиц по зерну выделены включения карбони-
тридов титана, бориды и нитриды алюминия.
Твердость всех исследованных марок чугунов
изменяется под влиянием содержания углерода и
хрома в составе, а также с количеством карбидной
фазы: чем больше содержится углерода, тем вы-
ше твердость этого сплава (рис. 1). Таким образом,
чугун ЧХ16Г3ТЮР имеет достаточно высокую твер-
дость (61 HRC), а чугун ЧХ15Г4ТЮ – более низкую
(52 HRC). По износостойкости наблюдается обрат-
ная зависимость (см. рис. 1), что объясняется при-
сутствием в структуре метастабильного аустенита,
претерпевающего деформационные и термо-дефор-
мационные фазовые превращения (ДФП и ТДФП) в
поверхностных слоях испытуемых образцов в про-
цессе изнашивания под ударно-абразивным воздей-
ствием и локального разогрева изнашивающей сре-
дой. К ним относятся деформационное мартенсит-
ное g→a' превращение при изнашивании (ДМПИ),
динамическое деформационное и термо-деформа-
ционное старение (ДДС и ДТДС), связанные с вы-
делением дисперсных частиц упрочняющих твердых
фаз. Эти превращения вызывают эффект деформа-
ционного самоупрочнения – постепенное повышение
твердости и износостойкости изнашиваемой поверх-
ности в ходе испытаний или эксплуатации. При этом
значительная часть механической энергии абразив-
ных частиц расходуется на реализацию указанных
выше фазовых превращений и связанных с ними
положительных структурных изменений. Следова-
тельно, благодаря перераспределению затрат меха-
нической энергии [8] меньшая ее доля остается на
разрушение такого метастабильного материала, что
может служить эффективным фактором повышения
износостойкости и общей долговечности деталей.
Таким образом, в литом состоянии (без термиче-
ской обработки) наибольшей ударно-абразивной из-
носостойкостью характеризуется чугун ЧХ15Г4ТЮ,
что объясняется, с одной стороны, более высоким
карбонитридным упрочнением, ввиду большего со-
держания титана и дополнительного легирования
алюминием, с другой, – более эффективной реали-
зацией механизма деформационного самоупроч-
нения в процессе испытаний на изнашивание. Не-
сколько меньшую (но все же достаточно высокую)
износостойкость имеет чугун ЧХ16Г3ТЮР с карбони-
тридным и карбоборидным упрочнением в сочетании
с эффектом самоупрочнения, благодаря развитию
механизмов деформационных фазовых превраще-
ний при испытаниях (ДФПИ).
В качестве упрочняющей термической обработки
для многих износостойких чугунов обычно применя-
ется нормализация (по сути, закалка с охлаждением
на воздухе) и отпуск [1–6]. Однако мнения ученых
относительно оптимальности температуры нагрева
под закалку противоречивы: по мнению авторов [1,
9], это невысокие температуры (850–900 °С), обе-
спечивающие формирование преимущественно мар-
тенситно-карбидной структуры наибольшей твердо-
сти (HRC 60–65). По данным других исследователей
[2, 4], – это, напротив, повышенные температуры
Кa-излучении. Измерение микротвердости проводи-
ли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76), твердости –
на приборе Роквелла (ГОСТ9013-59), испытания на
ударную вязкость производились в соответствии с
требованиями ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре
МК-30 на образцах без надреза сечением 10×10 мм.
Испытания на ударно-абразивное изнашивание про-
водили на специально сконструированной установке
[8] на образцах размером 10х10х27 мм, вращавших-
ся в среде чугунной литой дроби фракции 1,5–3 мм
со скоростью 2850 мин-1. В качестве эталона приме-
няли образец, выполненный из отожженной стали 45
твердостью НВ 190 в соответствии с ГОСТ 27674-88.
Через каждые 20 минут изнашивания производили
взвешивание образцов на аналитических весах с по-
грешностью ± 0,0001 г. Общее время испытания со-
ставляло 100 мин.
Результаты исследований и их обсуждение. В
исследованных износостойких чугунах содержится
различное количество углерода: от 2,5 до 3,1 %, со-
держание хрома находится в пределах: 12,7–16,25 %,
марганца: 3,54–6,02 %. Различное сочетание углеро-
да и хрома в значительной степени влияет на струк-
турообразование, в частности, на тип образовавших-
ся первичных карбидов с различной кристаллической
решеткой – ортогональной (Fe, Cr)3C, тригональной
(Cr, Fe)7С3 и выделения вторичных карбидов хрома с
кубической решеткой (Cr, Fe)23С6, которые могут быть
дополнительно легированы марганцем. Количество
карбидов в структуре исследованных материалов
зависит главным образом от содержания углерода,
они находятся в структуре эвтектик, а также в виде
отдельных выделений расположенных по границам
зерен, что сильно охрупчивает чугун.
Структура чугуна ЧХ13Г6Т состоит из преимуще-
ственно аустенитной металлической основы и про-
дуктов его распада – бесструктурного мартенсита и
феррито-карбидной смеси (ФКС), первичных карби-
дов хрома (Cr, Fe)7С3, (Cr, Fe)23С6, обрамляющих ден-
дриты первичного аустенита. Внутри зерен располо-
жены дисперсные частицы карбонитридов титана.
В составе чугуна ЧХ15Г4ТЮ содержится не-
сколько большее количество хрома, титана, мень-
шее – углерода и марганца, чем в ЧХ13Г6Т, но по-
вышенное количество кремния. Он дополнительно
легирован алюминием, что способствует упрочнению
нитридами. В его структуре присутствуют карбиды
(Cr, Fe)7С3 и большое количество вторичных карби-
дов (Cr, Fe)23С6, образовавшихся уже в процессе ох-
лаждения чугуна. Структура матрицы также состоит
из первичного аустенита и продуктов его распада –
бесструктурного мартенсита и ФКС, внутри зерен вы-
делены дисперсные частицы карбонитридов титана.
В составе чугуна ЧХ16Г3ТЮР содержится еще
большее количество хрома и углерода, и меньшее
количество марганца, что приводит к получению в
структуре первичных карбидов (Cr, Fe)7С3 и эвтекти-
ческой смеси колоний карбидов (Cr, Fe)7С3, (Fe, Cr)3C
и эвтектического аустенита повышенной степени ста-
бильности, а также небольшие выделения вторичных
карбидов (Cr, Fe)23С6. Его структура преимуществен-
но состоит из продуктов распада первичного аусте-
72 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
(1100–1150 ºС), обусловливающие получение пре-
имущественно аустенитно-карбидных структур с не-
большим количеством мартенсита, характеризую-
щихся меньшей твердостью (~HRC 45–50).
В работе исследовано влияние температуры на-
грева под закалку (950 и 1100 ºС), с варьированием
времени выдержки при каждой температуре на фор-
мирование микроструктуры, фазовые превращения и
свойства чугунов. После закалки проводился отпуск
при 250 °С, позволяющий снизить уровень напряже-
ний. Исследовано также влияние режимов отпуска
при 600 °С с разными выдержками от 1 до 6 часов,
приближенных к условиям эксплуатации футеровоч-
ных плит разгрузочного желоба агломерационных
машин, с целью анализа процессов, протекающих в
рассматриваемых сплавах.
После закалки при Тз = 950 °С образцов чугу-
на ЧХ13Г6Т с выдержками в интервале 5–50 минут
(рис. 2, а) наблюдается увеличение количества мар-
тенсита и ФКС по сравнению с литым состоянием, в
результате обеднения первичного аустенита углеро-
дом и хромом с выделением дисперсных вторичных
карбидов (Cr, Fe)23C6. После выдержки 100 минут
(рис. 2, б) структура чугуна состоит из участков мар-
тенсита, равномерно распределенного в аустенитной
матрице с выделенными дисперсными карбидами
(Cr, Fe)23C6.
С увеличением температуры нагрева под закал-
ку до 1100 °С в структуре чугунов увеличивается со-
держание аустенита (рис. 2) вследствие растворения
вторичных карбидов и понижения точки Мн, однако
труднорастворимые карбонитриды титана Ti(C, N)4
сохраняются. С увеличением времени выдержки в
диапазоне 12,5–50 минут происходит частичное рас-
творение первичных карбидов (Cr, Fe)7C3 в аустените,
а из первичного аустенита более интенсивно выде-
ляются вторичные карбиды (Cr, Fe)23C6, вызывающие
обеднение аустенита углеродом и хромом и образо-
вание мартенсита закалки или ФКС (см. рис. 2, в).
Структура чугуна ЧХ15Г4ТЮ в меньшей степени
склонна к распаду при этой температуре вследствие
меньшего содержания углерода и дополнительного
легирования алюминием (см. таблицу).
Максимальное образование мартенсита закалки
в ЧХ13Г6Т происходит после выдержки 25 мин при
1100 °С (рис. 2, в), внутри зерен первичного аустени-
та наблюдаются крупные выделения вторичных кар-
бидов (Cr, Fe)23C6. Также в чугуне ЧХ15Г4ТЮ после
выдержек 5, 12,5 и 25 мин в структуре присутствуют
достаточно крупные вторичные карбиды (Cr, Fe)23C6,
вследствие того, что они не успели раствориться в
указанные временные интервалы. После выдержки
50 мин при 1100 ºС растворяются литейные вторич-
ные карбиды (Cr, Fe)23C6 и происходит интенсивное
выделение дисперсных вторичных карбидов. А при
выдержке 100 мин в обоих чугунах развивается про-
цесс коагуляции – растворение мелких вторичных
карбидов (Cr, Fe)23C6 в аустените и укрупнение круп-
ных частиц карбидов того же состава (рис. 2, г).
Результаты рентгеноструктурного анализа чугуна
ЧХ13Г6Т после закалки с Тз = 1100 °С показали, что с
увеличением времени выдержки с 5 до 100 мин воз-
растает количество аустенита с 53 до 100 %.
Микроструктура чугуна ЧХ16Г3ЮТР после закал-
ки представляет собой смесь мартенсита, карбидов
и остаточного аустенита, количество которых зависит
от температуры нагрева. При относительно невысо-
ких температурах нагрева – 920–970 °С происходит
почти полное растворение карбидов цементитного
типа (Fe, Cr)3C, частичное растворение первичных
карбидов (Cr, Fe)7С3 и выделение из зерен первично-
го аустенита карбидов хрома (Cr, Fe)23C6. В результате
Твердость и износостойкость исследованных чугунов в литом состоянииРис. 1.
e
73ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
а в
б г
Микроструктура чугуна ЧХ13Г6Т после закалки при Тз = 950 °С (а, б) и 1100 °С (в, г) с разными выдержками (×170):
а, в – 25 мин; б, г – 100 мин
Рис. 2.
его обеднение углеродом и хромом сопровождается
повышением точки Мн и наиболее полным превраще-
нием аустенита в бесструктурный мартенсит при ох-
лаждении до комнатной температуры. Содержание
остаточного аустенита при этом составляет 26–41 %.
В результате этого с увеличением температуры на-
грева под закалку до 920 °С возрастает твердость об-
разцов до HRC 62. При дальнейшем повышении тем-
пературы нагрева до 1100 ºС происходит снижение
твердости с HRC 62 до HRC 53, причиной которого
является увеличение содержания аустенита вслед-
ствие растворения вторичных карбидов хрома Cr23C6.
Параметрами закалки регулировались фазово-
структурный состав и степень метастабильности ау-
стенита, характеризующаяся кинетикой и полнотой
развития фазово-структурных превращений (ДМПИ,
ДДС и ТДДС) в процессе изнашивания, как результат
– количеством мартенсита деформации, образующе-
гося в поверхностных слоях в зоне изнашивания, и
выделением дисперсных частиц карбидов хрома.
С целью выяснения процессов, протекающих в
структуре чугунов в условиях, максимально при-
ближенных к условиям эксплуатации футеровочных
плит разгрузочной части агломашин (постепенный
локальный разогрев до температур 450–600 °С при
интенсивном ударно-абразивном изнашивании), по-
сле закалки с разных температур проводился отпуск
образцов из чугуна ЧХ16Г3ТЮР при 600 ºС, в тече-
ние 1,5; 3 и 6 часов.
С увеличением температуры закалки и продолжи-
тельности отпуска при 600 °С, наблюдается измене-
ние морфологии первичных карбидов (Cr, Fe)7С3: они
приобретают преимущественно сферическую форму,
увеличивается количество вторичных дисперсных
карбидов (Cr, Fe)23C6, равномерно распределенных в
матрице, состоящей из бесструктурного мартенсита,
ФКС и аустенита. В процессе длительной выдержки
при отпуске наблюдается увеличение размеров вто-
ричных карбидов (Cr, Fe)23C6.
Изменение микроструктуры исследованных чугу-
нов в выбранных условиях закалки и отпуска отража-
ется на механических и эксплуатационных свойствах.
Влияние режимов закалки на изменение твердо-
сти чугунов приведено на рис. 3. Твердость чугунов
ЧХ13Г6Т, ЧХ15Г4ТЮ в зависимости от времени вы-
держки при температуре закалки изменяется по по-
линомиальным кривым с максимумом при темпера-
туре закалки 950 °С с выдержкой 80 мин.
Это можно объяснить выделением вторичных
дисперсных карбидов (Cr, Fe)23C6, а также некоторым
уменьшением количества остаточного аустенита.
После закалки при температуре 1100 °С в течение
всех интервалов выдержек наблюдается снижение
твердости чугунов ЧХ13Г6Т и ЧХ15Г4ТЮ. При этом
для чугуна ЧХ13Г6Т значения твердости на 3–4 HRC
меньше во всем интервале выдержек по сравне-
нию с чугуном ЧХ15Г4ТЮ. Это связано с тем, что в
структуре чугуна ЧХ15Г4ТЮ содержится большее
количество первичных и вторичных карбидов хрома,
в связи с большим (на ~2 %) содержанием хрома.
Причина снижения твердости при температуре за-
калки 1100 °С обусловлена увеличением количества
аустенита и ростом размеров вторичных карбидов
(Cr, Fe)23C6 с повышением времени выдержки.
Относительная ударно-абразивная износостой-
кость (e) чугунов ЧХ13Г6Т, ЧХ15Г4ТЮ в зависимо-
сти от времени выдержки при температуре нагрева
под закалку изменяется по зависимостям, приведен-
ным на рис. 4. Набольшую износостойкость имеет
чугун ЧХ15Г4ТЮ после закалки при температуре
1100 °С. С увеличением продолжительности вы-
держки с 12,5 до 25 мин чугуна ЧХ15Г4ТЮ и с 12,5
до 50 мин чугуна ЧХ13Г6Т износостойкость пада-
ет вследствие коалесценции дисперсных частиц
74 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
карбидов (Cr, Fe)23C6. Наибольшая износостойкость
чугуна ЧХ15Г4ТЮ достигается при выдержке 50 мин,
так как в структуре присутствует повышенное коли-
чество метастабильного аустенита, диспергирован-
ного частицами карбидов (Cr, Fe)23C6, а также наи-
более полно протекает g→a' ДМПИ. С увеличением
продолжительности аустенитизации до 100 мин при
последующем отпуске 600 ºС процесс коалесценции
приводит к укрупнению этих карбидов, при этом сни-
жается степень метастабильности аустенита и акти-
визируется g→a' ДМПИ. Образцы из чугуна ЧХ13Г6Т,
закаленные от 950 и 1100 °C, имеют меньшую изно-
состойкость, чем из чугуна ЧХ15Г4ТЮ вследствие
различий химического состава (см. таблицу), доля
дисперсных вторичных карбидов (Cr, Fe)23C6 у них
меньше.
Данные рентгеноструктурного анализа образ-
цов чугуна ЧХ13Г6Т, закаленных при 1100 °С до и
после испытаний на изнашивание, показывают об-
разование мартенсита деформации (рис. 5) вслед-
ствие протекания g→a' ДМПИ. Этот фактор, а также
соответствующий прирост твердости в результате
протекания g→a' ДМПИ в поверхностных слоях, в
значительной степени обуславливают повышение
относительной ударно-абразивной износостойкости.
Износостойкость и увеличение твердости поверх-
ности максимальны при наибольшем количестве
мартенсита деформации (~48 %), образующегося
в поверхностном слое, что соответствует выдержке
25 мин при аустенитизации.
Влияние температуры закалки (в интервале
920-1120 ºС) и времени выдержки (1,5–6 ч) при по-
следующем отпуске 600 °С на твердость чугуна
ЧХ16Г3ТЮР приведено на рис. 6. При нагреве 600 °С
с выдержками 1,5 и 3 часа с увеличением темпера-
туры закалки с 920 до 1070 °С наблюдается неболь-
шое снижение твердости с HRC 47–48 до HRC 46,
что можно объяснить конкурирующим действием
альтернативных по результату процессов. С одной
стороны, в условиях отпуска при 600 °С происходит
распад мартенсита закалки на ФКС, что сопровожда-
ется снижением твердости. С другой – выделение
частиц карбидов из остаточного аустенита, повы-
шение точки Мн и превращение в мартенсит закалки
при охлаждении с 600 °С до комнатной температуры.
Это сопровождается повышением твердости. В слу-
чае отпуска при 600 °С с выдержками 1,5 и 3 часа с
увеличением температуры закалки с 920 до 1070 °С
превалирующим является первый из рассмотренных
процессов. При увеличении температуры закалки
до 1120 °С (когда сохраняется значительное коли-
чество аустенита) превалирует второй процесс, что
характеризуется повышением твердости до HRC 49
(см. рис. 6).
С увеличением температуры закалки в диапазо-
не 970–1120 °С, в результате отпуска при 600 °С, с
выдержкой 6 часов обнаруживается непрерывное
повышение твердости с HRC 45 до HRC 49. Это
Влияние времени выдержки при закалке с разных
температур (отпуск 250 °С) на твердость чугунов
Зависимость относительной износостойкости от
времени выдержки при температурах закалки (Тз) иссле-
дованных чугунов
Зависимость относительной износостойкости (e),
количества образовавшегося мартенсита деформации
(ΔМ) и приращение твердости (ΔHRC) в процессе изнаши-
вания от времени выдержки (t) при температурах закалки
1100 °С чугуна ЧХ13Г6Т
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.
Тз
Тз
Тз
Тз
Тз
Тз
ΔHRC
ΔМe
e
75ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
объясняется превалирующим механизмом вторично-
го твердения за счет выделения вторичных карбидов
хрома из остаточного аустенита, с последующим пре-
вращением в мартенсит закалки при охлаждении с
температуры отпуска.
Зависимость относительной ударно-абразивной
износостойкости чугуна ЧХ16Г3ТЮР от различных
температур закалки после отпуска при 600 °С с раз-
ными выдержками в течение 1,5; 3 и 6 часов при-
ведена на рис. 7. Из него следует, что наименьшая
износостойкость соответствует температурному
интервалу закалки 970–1070 °С. Анализ кривых из-
менения ударно-абразивной износостойкости чугуна
ЧХ16Г3ТЮР под влиянием температуры закалки и
продолжительности высокого отпуска обнаруживает
два пути ее повышения – при относительно невысо-
ких температурах аустенитизации порядка 920 °С и
напротив, повышенных температур – 1070–1120 °С.
Причем обнаруживается некоторая корреляция по-
вышенной износостойкости с твердостью чугуна по-
сле указанных режимов термической обработки.
Высокая износостойкость образцов, закаленных
от 920 °С после отпуска при 600 °С, связана с гетеро-
генностью структуры, которая при такой температуре
закалки не успевает устраняться, неравномерность
превращения аустенита при выдержке 600 °С при-
водит к выделению дисперсных вторичных карбидов
(Cr, Fe)23C6 и образованию мартенсита в процессе из-
нашивания. Снижение износостойкости с увеличением
температуры закалки в интервале 970–1070 °С связа-
но с частичным устранением гетерогенности структу-
ры, как следствие, выделяются дисперсные вторичные
карбиды (Cr, Fe)23C6, что, в свою очередь, при выдержке
600 °С способствует снижению устойчивости аустенита
к распаду на ФКС и мартенсит. Дальнейшее повыше-
ние износостойкости образцов после высокотемпера-
турной закалки с 1120 °С связано с перенасыщением
аустенита легирующими элементами, повышением его
степени стабильности. Однако в процессе отпуска при
600 °С он склонен к дестабилизации за счет выделения
дисперсных вторичных карбидов (Cr, Fe)23C6 и активи-
зации ДФП в процессе изнашивания.
Следует заметить, что после закалки с температу-
ры 920 °С и низкого отпуска 250 °С чугун имеет мак-
симальную относительную износостойкость e = 7,55
при достаточно высокой твердости HRC 62,5. Однако
в условиях интенсивного ударно-абразивного воз-
действия и локального разогрева в условиях эксплу-
атации (например, футеровочных плит агломашин)
наиболее вероятны процессы отпуска мартенсита
закалки и мартенсита деформации, что сопровожда-
ется разупрочнением поверхностных слоев деталей
и становится причиной постепенного снижения из-
носостойкости и долговечности. Поэтому режимы за-
калки и отпуска реальных деталей из исследованных
марок износостойких чугунов необходимо подбирать
дифференцированно, с учетом температурно-на-
пряженных условий эксплуатации. Для условий с
умеренным разогревом поверхностных локальных
зон для повышения износостойкости необходима
мартенситно-аустенитно-карбидная структура с низ-
кой стабильностью аустенитной составляющей, что
достигается применением закалки с 900–920 °С и
низкого отпуска (250–270 °С). Для условий интенсив-
ного ударно-абразивного изнашивания с локальным
разогревом поверхностных зон – преимущественно
аустенитно-карбидная структура повышенной ста-
бильности, что достигается закалкой с повышенных
температур 1100–1120 °С (отпуск 250, либо 600 °С)
имея ввиду, что локальный разогрев в процессе экс-
плуатации будет вызывать процессы дисперсионного
твердения и дестабилизации аустенита, что активи-
зирует реализацию ДФПИ.
Таким образом, показано, что исследованные чу-
гуны с метастабильной структурой под ударным воз-
действием абразивной среды и локального разогре-
ва в процессе эксплуатации способны в поверхност-
ном слое деталей претерпевать описанные выше
ДФПИ (ДМПИ, ДДС и ДТДС), которые обеспечивают
эффект самоупрочнения – постепенное повышение
твердости и износостойкости в ходе эксплуатации.
Зависимость твердости чугуна ЧХ16Г3ТЮР от тем-
пературы закалки (выдержка 40 мин) после различных вы-
держек при последующем отпуске при 600 °С
Изменение относительной износостойкости чугуна
ЧХ16Г3ТЮР от температуры закалки и продолжительности
отпуска при 600 °С
Рис. 6.
Рис. 7.
e
76 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
Выводы
Параметрами закалки и высокотемпературного
отпуска (температура и время выдержки) можно в
широких пределах регулировать фазово-структурное
состояние (мартенсит закалки, аустенит, карбиды,
карбонитриды, карбобориды) и степень метаста-
бильности аустенита для управления механически-
ми и эксплуатационными свойствами износостойких
экономнолегированных чугунов.
Повышение ударно-абразивной износостойко-
сти экономнолегированных (безникелевых) чугу-
нов достигается оптимизацией фазово-структурно-
го состояния аустенитно-мартенситной структуры
металлической основы, метастабильности g-фазы
в сочетании с карбонитридным и карбоборидным
упрочнением, обеспечивающими эффект деформа-
ционного и термо-деформационного самоупрочне-
ния в процессе изнашивания.
Возможность повышения ударно-абразивной из-
носостойкости экономонолегированных чугунов в
результате термической обработки (закалки и от-
пуска) разновариантна формированием разных ко-
личественных вариаций твердых структурных фаз и
метастабильного аустенита, а затем и образующе-
гося из него мартенсита деформации при изнаши-
вании, что достигается при разных параметрах за-
калки и отпуска.
Для условий эксплуатации чугуна ЧХ16Г3ТЮР,
характеризующихся ударно-абразивным изнашива-
нием без разогрева поверхности деталей (либо с
умеренным разогревом до 200 °С) в качестве опти-
мальной, можно рекомендовать закалку с темпера-
тур 920 °С (отпуск 250 °С), а с разогревом поверх-
ности деталей предпочтительной является закалка
с повышенных температур 1120 °С (отпуск 250 °С)
с учетом самоповышения износостойкости в про-
цессе работы за счет дестабилизации аустенитной
составляющей структуры.
1. Гарбер М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов. – М.: Машиностроение, 1972. – 112 с.
2. Использование модифицированного хромистого чугуна для повышения долговечности деталей узлов уплотнения ги-
дромашин / Б. А. Кириевский, В. И. Тихонович, С. С. Затуловский и др. // Литые износостойкие материалы. – Киев:
Наукова думка, 1969. – С. 87–101.
3. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны. – М.: Металлургия, 1983. – 176 с.
4. Бобро Ю. Г. Легированные чугуны. – М.: Металлургия, 1976. – 288 с.
5. Восстановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин: Учебное пособие / А. Г. Александров,
С. П. Бережный, И. М. Билоник, Н. Н. Брыков и др.; Под ред В. С. Попова. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2000. –
394 с.
6. Карпенко М. И., Марукович Е. И. Износостойкие отливки / Под ред. Г. А. Анисовича. – Мн.: Наука и техника, 1984. –
216 с.
7. Герек А., Байка Л. Легированный чугун – конструкционный материал / Перевод с польского. – М.: «Металлургия»,
1978. – 208 с.
8. Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии. – Мариуполь: ПГТУ, 2009. –
483 с.
9. Комаров О. С., Садовский В. М., Урбанович М. И. Связь микроструктуры со свойствами высокохромистых чугунов // Ме-
талловедение и термическая обработка металлов. – 2003. – № 7. – С. 20–23.
10. Попов В. С., Брыков Н. Н. Металловедческие основы износостойкости сталей и сплавов. – Запорожье: ВПК
«Запоріжжя», 1996. – 180 с.
1. Garber M. E. (1972). Otlivki iz belykh iznosostoikih chugunov [Castings from white wear-resistant cast irons]. Мoscow:
Mashinostroenie, 112 p. [in Russian].
2. Kirievskiy B. A., Tikhonovich V. I., Zatulovskiy S. S. et al. (1969). Ispol’zovanie modifitsirovannogo khromistogo chuguna dlia
povyshenia dolgovechnosti detalei uzlov uplotnenia gidromashyn [Use of modified chromium cast iron to improve the durability
of parts of hydraulic machine compaction units]. Litye iznosostoikie materialy, Kiev: Naukova dumka, pp. 87–101 [in Russian].
3. Tsypin I. I. (1983). Belye iznosostoikie chuguny [White wear resistant cast irons]. Moscow: Metallurgiia, 176 p. [in Russian].
4. Bobro Yu. G. (1976). Legirovannye chuguny [Alloyed cast irons]. Moscow: Metallurgiia, 288 p. [in Russian].
5. Aleksandrov A. G., Berezhnyi S. P., Bilonik I. M., Brykov N. N. et al. (2000). Vosstanovlenie i povyshenie iznosostoikosti i
sroka sluzhby detalei mashyn [Restoration and increase of wear resistance and durability of machine parts Textbook] Ed. by
V. S. Popov, Zaporozh’e: OAO Motor Sich, 394 p. [in Russian].
6. Karpenko M. I., Marukovich E. I. (1984). Iznosostoikie otlivki [Wear resistant casting]. Ed. by G. A. Anisovich, Minsk: Nauka i
tekhnika, 216 p. [in Russian].
ЛИТЕРАТУРА
REFERENCES
77ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
7. Gerek A., Baika L. (1978). Legirovannyi chugun – konstruktsionnyi material [Alloyed cast iron – structural material]. Transl.
from polish, Moscow: Metallurgia, 208 p. [in Russian].
8. Cheiliakh A. P. (2009). Ekonomnolegirovannye metastabilnye splavy i uprochniaiushchie tekhnologii [Cost saving alloyed
metastable alloys and strengthening technologies]. Mariupol’: PGTU, 483 p. [in Russian].
9. Komarov O. S., Sadovskii V. M., Urbanovich M. I. (2003). Sviazi mikrostruktury so svoistvami vysokokhromistykh chugunov
[Relationship of microstructure with properties of high-chromium cast iron]. Metallovedenie i termicheskaia obrabotka metallov,
no. 7, pp, 20–23 [in Russian].
10. Popov V. S., Brykov N. N. (1996). Metallovedcheskie osnovy iznosostoikosti stalei i splavov [Metallurgical foundations of wear
resistance of steels and alloys]. Zaporozh’e: VPK Zaporizhzhia, 180 p. [in Russian].
Досліджено вплив хімічного складу і параметрів загартування при 950 і 1100 °С з різними витримками від 5 до 100 хв,
а також відпуску при 600 °С з витримками від 1 до 6 годин після гартування з різних температур від 920 до 1120 °С
на структуру, зміну фазового складу і властивості зносостійких чавунів на Fe-Cr-Mn-C основі з метастабільною
аустенітною складовою структури. Показано істотне підвищення зносостійкості чавунів при формуванні оптимальної
мікроструктури з реалізацією деформаційних і термодеформаційних фазових перетворень в процесі зношування
після раціональних режимів термічної обробки.
Чейлях Я. О., Чейлях О. П.
Вплив складу та режимів термічної обробки на структуру,
метастабільність аустеніту і властивості зносостійких чавунів
Анотація
Ключові слова Чавун, метастабільний аустеніт, мартенсит деформації, твердість, зносостійкість.
Cheiliakh Ya., Cheiliakh A.
Effect of the composition and heat treatment regimes on the structure, the
austenite metastability and the properties of wear resistant cast irons
Summary
It has been investigated the effect of the chemical composition and quenching parameters at 950 and 1100 °C with various
holding from 5 to 100 minutes, as well as tempering at 600 °C with holding of 1 to 6 hours after quenching at different
temperatures from 920 to 1120 °C on structure, a change in the phase composition and properties of wear-resistant cast iron
on Fe-Cr-Mn-C basis with a metastable austenite component of the structure. A significant increase in the wear resistance
of cast irons during the formation of an optimal microstructure with the realization of deformation and thermodeformation
induced phase transformations in the process of wear after rational heat treatment regimes is shown.
Cast iron, metastable austenite, deformation martensite, hardness, wear resistance.Keywords
Поступила 04.12.17
|