Введение

Высокохромистые чугуны (ХС) представляют собой важный класс материалов, обладающих выдающимися механическими свойствами и уникальными структурами. В рамках сравнительного исследования структуры и свойств высокохромистых чугунов можно выделить несколько ключевых аспектов.

Во-первых, химический состав: высокий уровень хрома (от 10 до 30%)[7]

Обеспечивает повышенную коррозионную стойкость и износостойкость. Применение различных легирующих добавок, таких как никель и молибден, может значительно изменить свойства сплавов.

Во-вторых, микроструктура: высокохромистые чугуны характеризуются наличием карбидов хрома, что влияет на их твердость и прочность. Сравнение микроструктур, полученных при различных способах термообработки (закалка, отпуск), позволяет выявить оптимальные условия для достижения нужных свойств.

В-третьих, механические свойства: высокохромистые чугуны часто используются в условиях высоких нагрузок и абразивного износа.

Таким образом, сравнение структуры и свойств высокохромистых чугунов позволяет оптимизировать их применение в различных отраслях, включая машиностроение и горнодобывающую промышленность.[2]

В-четвертых, термическая обработка: процесс закалки и последующего отпуска высокохромистых чугунов оказывает значительное влияние на их физико-механические характеристики. Оптимизация параметров термообработки может привести к улучшению сочетания твердости и вязкости, что крайне важно для эксплуатации в условиях ударных нагрузок. Исследования показывают, что варьирование температурных режимов и времени обработки позволяет контролировать размер и распределение карбидов, что, в свою очередь, влияет на конечные свойства материала.

В-пятых, легирующие добавки: использование никеля, молибдена и других легирующих элементов в высокохромистых чугунах даёт возможность модифицировать их характеристики под конкретные требования эксплуатации. Например, никель может улучшить коррозионную стойкость и пластичность, что важно для изделий, подверженных агрессивным средам.

Наконец, применение высокохромистых чугунов в промышленных условиях также зависит от их способности сохранять прочностные характеристики при высоких температурах. Исследования показывают, что специальные композиции могут обеспечить стабильность структуры и свойств даже в условиях термического воздействия.

Классификация и структура высокохромистых чугунов

Высокохромистые чугуны можно классифицировать по содержанию хрома и другим легирующим элементам. Наиболее важные группы включают:

1.      Хромистые чугуны с низким содержанием никеля — 12-18% хрома, применяются в производстве резцов и инструментов.

2.      Автохромистые чугуны — 20-30% хрома, используются для изготовления деталей, подверженных сильному износу, таких как детали конвейеров и машин.

Изучение их структуры показывает, что высокое содержание хрома приводит к образованию карбидов хрома, которые увеличивают жесткость и прочность чугуна. Основные структурные компоненты включают аустенит, феррит и различные виды карбидов (M7C3, M23C6 и др.).

Механические свойства высокохромистых чугунов

Механические свойства высокохромистых чугунов[6], такие как твердость, прочность на сжатие и ударная вязкость, значительно варьируются в зависимости от марки и содержания легирующих элементов.

 

·               Твердость: Высокохромистые чугуны демонстрируют высокие значения твердости (при использовании закаливания) и могут достигать уровня до 65 HRC, что делает их идеальными для производств, где необходима высокая износостойкость.

·               Прочность на сжатие: Сжимаемая прочность высокохромистых чугуна составляет примерно 1600-2500 МПа, что свидетельствует о их способности выдерживать значительные нагрузки.

·               Ударная вязкость: Необходимость эффективной работы при ударных нагрузках определяет интерес к изучению этой характеристики. В зависимости от структуры, чугун может демонстрировать как низкую, так и высокую ударную вязкость.

Сравнение марок высокохромистых чугунов

Для иллюстрации различий в структуре и свойствах высокохромистых чугунов можно рассмотреть два типа: СХ15 (с содержанием хрома до 15%) и СХ30 (с содержанием хрома до 30%).

1.      СХ15:

o    Структура[9]

: Устойчивый аустенит с небольшим количеством карбидов.

o    Свойства: Высокая коррозионная стойкость, хорошая дуктивность, но пониженная износостойкость по сравнению с СХ30.

2.      СХ30:

o    Структура: Преобладание карбидов хрома, кристаллическая решётка более расположена к образованию прочных фаз.

o    Свойства: Наивысшая износостойкость и прочность, но сниженная директивность и хрупкость, что ограничивает область применения.

Химический состав и струкутра высокохромистых чугунов

Таблица 1. Химический состав экспериментальных плавок высокохромистого чугуна

 

 

 

Основными структурными составляющими металлической основы этого чугуна являются сорбито- образный перлит, имеющий микротвердость 389–429 HV, аустенит и феррит (189–214 HV). Микротвер- дость первичных (тригональных) карбидов находится в пределах 1150–1340 HV, а их размер достигает 150 мкм. Общая твердость чугуна плавки 1156 составляет 46 HRC.

 

а                                                                   б                                                                       в

 

 

                г                                                                   д                                                         е

Рис. 1. Микроструктура высокохромистого чугуна плавок:

а, б – 1156; в, г – 1169; д, е – 1051. а, в, е – х 200; б, г, д – х 1000

 

                               а                                                                        б

Рис. 2. Диск (Гра 1800/67 массой 400 кг):

а – пораженный микротрещинами (плавка 1156); б – без микротрещин (плавка 1051)

 

Благодаря легированию и модифицированию чугуна плавки 1169 конгломераты аустенитно- карбидной эвтектики в его металлической основе отсутствуют, хотя крупные карбиды тригонального типа размером от 10 до 80 мкм присутствуют. Основными структурными составляющими являются сор- битообразный перлит и аустенитно-ферритная смесь (рис. 1, в, г), имеющая микротвердость в пределах 389 HV. Твердость чугуна плавки 1169 составляет 56 HRC.

 

Закалка

Исследовано влияние температуры нагрева под закалку на твердость и износостойкость в условиях абразивного изнашивания. По мере повышения температуры закалки во всем изученном интервале (900–1170 °С), несмотря на закономерное снижение исходной твёрдости из-за насыщения аустенита углеродом и легирующими элементами и значительного объёма деформационных мартенситных превращений (ДМП), износостойкость возрастает. Повышение температуры увеличивает степень растворения специальных карбидов и легирования твердого раствора углеродом, хромом и молибденом, что приводит к понижению температуры начала мартенситного превращения и, как следствие, – к закономерному увеличению количества остаточного аустенита, особенно выше температуры нагрева 1000 °С.

Характер структуры металлической основы играет ведущую роль в обеспечении износостойкости при абразивном изнашивании чугунов. После низкотемпературной закалки мартенсит охлаждения с меньшим количеством

углерода не обеспечивает максимальной относительной износостойкости. Это подтверждается измерением микротвёрдости рабочей поверхности после высокотемпературной закалки и изнашивания – микротвёрдость чугуна 260Х16М2 возрастает до 11,5 ГПа при повышении температуры закалки от 900 до 1170 °С(Таблица 2).

Таблица 2 – Результаты испытания на абразивное изнашивание исследуемых чугунов

 

Поскольку количество эвтектических карбидов в результате повышения температуры закалки сплавов не изменяется (общее количество карбидной фазы в этих сплавах 28–30 %), целенаправленное воздействие на регулируемый структурный фактор – химический состав металлической основы сплавов – производится за счёт растворения некоторого количества вторичных карбидов. С использованием специальной программы для прогнозирования фазового состава и структуры наплавочных сплавов с карбидным упрочнением расчётным путём оценили химический состав основы исследуемых сплавов. Результаты реализации данной программы для изученных сплавов показали, что металлическая основа чугуна 260Х16М2 соответствует по химическому составу, стали 70Х12МЛ (температура М_н находится в интервале 80–85 °С), количество остаточного аустенита 53 %, общее количество карбидов преимущественно (Сг, Fе)₇С_з – около 27 %, а чугуна 250Х25МФТ –  составу стали 60Х18МЛ, температура М_н = 125–130°С, количество остаточного аустенита 50 %, общее количество карбидов, преимущественно (Сг, Fе)₂₃С₆ – около 30 %. Результаты расчёта углерода, хрома и молибдена в металлической матрице были проверены с помощью микроанализатора, что показало их хорошее совпадение (Рисунок 3).