Исследование строения и свойств чугунов типа “Ni-Resist” (нирезист), обладающих повышенной твердостью.
Панов А.Г.

Доклад на 5-й ММК «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов», Москва, 2007.

Были исследованы опытные образцы чугунов типа нирезист с аустенитной матрицей и четырьмя различными вариантами специальных карбидов. Вариант 1 отличался от всех вариантов по химическому составу и совпадал с вариантом 3 по способу модифицирования. Варианты 2 и 3 не отличались между собой по химическому составу, а отличались по способу модифицирования. Варианты 2 и 4 не отличались по способу модифицирования, но отличались по содержанию карбидообразующего элемента вольфрама, в 4-м варианте его было больше на 0,3 %.

Результаты испытаний твердости опытных образцов чугунов по Бринеллю в соответствии с ГОСТ 9012 приведены в табл.1. Полученные данные свидетельствуют о том, что твердость чугуна состава № 1 существенно отличается от твердости экспериментальных чугунов других вариантов, кроме того, она даже превышает требуемые значения. Чугуны экспериментальных вариантов № 2,3,4 имеют хорошие значения твердости, находящиеся на среднем уровне требований.

Таблица 1

Результаты испытаний твердости

№ варианта состава чугуна	1	2	3	4	Требования
Среднее значение твердости по сечению отливки Д40 мм, НВ	250	220	190	200	190 – 240

Исследования микроструктуры и элементного состава фаз и микрообъемов образцов экспериментальных чугунов проводили при помощи сканирующего электронного микроскопа японской фирмы JEOL модели JSM-6460 LV. Исследовали строение как шлифов, так и изломов чугунных отливок.

Микроструктура шлифа чугуна варианта 1 представляет собой дендритную аустенитную основу сложного состава. Графит присутствует, в-основном, в пластинчатом виде. Пластинки тонкие и короткие, в-основном, междендритного распределения. Находящиеся в плоскости сечения шлифа пластины имеют толщину не более 1 мкм и длину от 10 до 100 мкм. Встречаются отдельные включения междендритного графита шарообразной формы с диаметром до 10 мкм. Такое распределение графита не благоприятно из-за ухудшения антифрикционных свойств чугуна. Карбиды практически все имеют состав, близких стехиометрической формуле Ме₃C, где основную долю Ме занимают атомы Fe (порядка 65 %), меньше – Cr (порядка 25 %) и в небольших количествах (порядка 3 %) – Mn. Не исключено, что эти карбиды образуют скелет, хотя и недостаточно жесткий, имеющий большое количество разрывов, что способствует повышению прочности и износостойкости с одной стороны, но приводит к склонности к задиру, повышению до не допустимого уровня твердости, понижению пластичности и обрабатываемости с другой. В плоскостях шлифов имеется значительное количество неметаллических включений, в-основном, шарообразной формы на основе сульфидов марганца, а также кальция размерами до 5 мкм.

Микроструктура шлифа чугуна варианта 2 представляет собой дендритную аустенитную основу сложного состава. Дендриты по виду более короткие и толстые, чем в структуре чугуна 1, так же имеют равноосный характер. Графит присутствует в двух видах: вермикулярный, собранный в розетки и шаровидный. Графит так же достаточно мелкий, в плоскости шлифа размеры графита шаровидной формы имеют диаметр от 10 до 30 мкм, длина сечений графита вермикулярной формы доходит до 50, редко – до 100 мкм.

Карбидов состава Ме₃C, содержащих Fe,Cr и Mn, меньше, они не соединены в жесткий каркас, распределены изолированно и равномерно. Эти включения карбидов кроме Mn содержат дополнительно W порядка 0,5 %. Кроме карбидов Ме₃C в структуре чугуна присутствуют карбиды, близкие по составу к стехиометрической формуле МеС, содержащие в основном Nb, а также – W, Ti, Cr. Эти карбиды в большинстве представляют собой кристаллы с гранями правильной гексагональной формы с размером в плоскости сечения до 10 мкм, они распределены изолированно и очень равномерно. Такие карбиды в условиях абразивного и кавитационного воздействия должны выкрашиваться и, таким образом, не должны повышать стойкость изделия.

Кроме того, присутствующих в структуре чугуна сульфидов значительно меньше по количеству. Сульфиды имеют шаровидную форму размером до 1 мкм и представляют собой соединения серы с РЗМ (преимущественно – церия).

Микроструктура шлифа чугуна варианта 3 представляет собой дендритную аустенитную основу сложного состава. Графит присутствует в основном в пластинчатом виде, кроме этого встречаются включения графита компактной (вермикулярной и шаровидной) формы. Распределение графита менее равномерное, чем в предыдущих вариантах. Пластины в сечении шлифа имеют длину от 50 до 150 мкм, компактные включения графита – до 50 мкм. Имеющиеся в структуре чугуна включения карбидов состава Ме₃C так же распределены и так же кроме Fe,Cr и Mn содержат дополнительно W.

Кроме карбидов Ме₃C в структуре чугуна, как и в чугуне варианта 2, присутствуют карбиды МеС на базе NbС, содержащие W, Ti, Cr. Однако из-за использования другого метода модифицирования, они имеют другую морфологию. В отличие от чугуна варианта 2, в чугуне варианта 3 эти карбиды представляют собой не шарообразные кристаллы с гранями правильной гексагональной формы, а фрактальные кусты, дающие в сечении шлифа вид, похожий на снежинку (рис.1.), с размером в плоскости сечения до 100 мкм. Кусты карбидов распределены так же изолированно и очень равномерно. Такие карбиды в условиях абразивного и кавитационного воздействия не должны выкрашиваться и, таким образом, должны значительно повышать стойкость изделия.

Рис. 1. Изображение микростроения куста карбида Nb,
содержащего W, Ti, Cr в плоскости шлифа чугуна вариантов 3,4 (х500)

Микроструктура шлифа чугуна варианта 4 отличается от чугуна варианта 3 незначительно. Отличие заключается в более равномерном распределении графита, чуть большем количестве карбидов на базе карбида ниобия, содержащих вольфрам, наличии вместо сульфидов марганца сульфидов РЗМ. Однако эти отличия должны привести к более высоким эксплуатационным свойствам рабочих органов насосов. Кроме того, анализ микроструктуры излома чугуна позволяет сделать предположение, что в структуре чугуна имеются карбиды типа Ме₃C, поверхность которых покрыта сложными карбидами, имеющих повышенное содержание хрома, ниобия и вольфрама. Такая морфология карбидов должна еще больше повысить износостойкость чугуна.

Таким образом, исследования твердости и прочности экспериментальных чугунов твердого нирезиста показали, что вариант 1 не удовлетворяет необходимым требованиям по значению твердости. Такая твердость может привести к значительным сложностям при механической обработке. Чугуны 2 – 4 вариантов имеют примерно одинаковую твердость, соответствующую требованиям.

Анализ строения экспериментальных чугунов позволяет сделать прогноз о том, что все варианты чугунов должны обладать примерно одинаковой стойкостью по отношению к абразивному и кавитационному износу благодаря примерно одинаковому строению. Однако наибольшей стойкостью должен обладать чугун состава 4 благодаря более равномерному распределению графита, наличию в структуре чугуна сложных карбидов типа Ме₃C, поверхность которых покрыта сложными карбидами хрома, вольфрама и ниобия. Такая морфология карбидов в структуре чугуна должна повысить эксплуатационные свойства рабочих органов насосов.

Испытания образцов промышленных отливок, изготовленных из чугунов варианта 4, на износостойкость в масле с абразивом показало повышение стойкости при нагрузке 0,2 МПа в среднем в 1,9, а при нагрузке 0,4 МПа – в 2,5 раза по сравнению с износостойкостью базового чугуна-нирезиста. Достигнутый уровень эксплуатационных свойств не уступает уровню свойств чугунов, легированных молибденом.

Автор: Панов А.Г.
Название статьи: Исследование строения и свойств чугунов типа “Ni-Resist”, обладающих повышенной твердостью.
Доклад на 5-й ММК «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов», Москва, 2007.

[на главную] | [новости] | [конференция] | [книги] | [статьи] | [патенты] | [вопрос-ответ] | [экология] | [персоны] | [предприятия] | [выставки] | [справочник] | [ссылки] | [реклама] | [галерея] | [форум] | [контакты]