Ванадиевые чугуны
Характерной особенностью ванадиевых чугунов, особенно белых, является соответствие принципу Шарли, требующему полной инверсии расположения фаз, т. е. чтобы наиболее твердые структурные составляющие залегали в виде изолированных друг от друга включений, а наиболее вязкие образовывали сплошную матрицу, что в наилучшей степени обеспечивает не только высокие антифрикционные и износостойкие свойства сплавов, но и прочность, вязкость, стойкость в условиях теплосмен и т.д. Такая инверсия расположения фаз в составе аустенитно-карбидной эвтектики может быть достигнута легированием, сочетанием легирования и пластической деформацией.
Указанные ванадиевые чугуны обладают исключительно высокой стойкостью в условиях трения, в 2-7 раз превышающей стойкость стали ШХ15, закаленной и отпущенной на HRC 61, и практически равной износостойкости быстрорежущей стали марки Р18 с твердостью HRC 66. Эти данные относятся к ванадиевым чугунам в сыром состоянии, имеющим твердость НВ 388, сравнительно легко обрабатывающимся твердосплавным инструментом и дающим прочную витую стружку.
Свойства комплексно-легированных ванадиевых чугунов с инвертированной микроструктурой характеризуются следующими значениями: ов ≤ 100 кгс/мм2 (100 • 107 Па) и б < 2,5%. При температуре аустенитного состояния они приобретают высокую пластичность, которая обеспечивает возможность их пластической деформации. Последнее свойство, очевидно, также является следствием благоприятного взаимного расположения и формы твердой и мягкой фаз.
Инверсия микроструктуры может быть достигнута также путем высокотемпературной ТО доэвтектических БЧ с высоким содержанием Мп, который уменьшает количество цементита в составе эвтектики, что вызывает и изменения в ее морфологии. Эвтектика получает возможность расти в виде конгломерата фаз с преобладанием вязкого и пластинчатого аустенита при намечающейся изоляции карбидных включений.
Рис. 1.71. Микроструктура белого ванадиевого чугуна, содержащего 2,8% С и 11,1% V, с полной инверсией расположения фаз (Х600).
В процессе выдержки (5-6 ч) при 1000-1050° С карбидные включения полностью изолируются друг от друга, что приводит к формированию структуры, соответствующей принципу Шарпи, причем наилучшие результаты получены для чугунов, заливаемых в кокиль. Они имеют повышенную пластичность и вязкость и поддаются пластической деформации (изгибу) даже при приложении ударной нагрузки. Вместе с тем эти чугуны обладают повышенной твердостью и хорошо сопротивляются абразивному износу. В них обнаружена необычная структурная составляющая, подобная
перлиту, но с аустенитом вместо феррита, которая образуется из сильно пересыщенного аустенита.
При субкритических температурах, в частности при комнатной, аустенит частично претерпевает мартенситное превращение, и структура состоит из мартенситно-аустенитной матрицы и карбидов.
Поверхность, подвергаемая износу, при такой структуре легко наклепывается почти без ударного воздействия абразивных частиц, что, наряду с высокой исходной твердостью (HRC 57-65), обеспечивает высокую износостойкость.
Рис. 1.72. Микроструктуры марганцовых белых чугунов, залитых в кокиль (2,5% С; 31,2% Мп):
а - в сыром состоянии (Х900); б - после термической обработки (Х900); в - с участками перлитоподобной составляющей.
Такие ванадиевые чугуны могут быть рекомендованы для дробеметных лопаток, быстроизнашиваемых деталей землеройных машин и т. д. В обычных СЧ принцип Шарпи, как правило, не соблюдается: феррит обычно выделяется в центре эвтектических колоний и в осевой зоне дендритов избыточного аустенита. На начальных стадиях отбела СЧ включения ледебуритного цементита располагаются сеткой вокруг эвтектических аустенитно-графитных колоний или в виде прослоек в междуветвиях дендритной структуры. Вместе с тем известны определенные средства для инверсии такого неблагоприятного расположения структурных составляющих.
Рис. 1.73. Микроструктуры комплексно-легированных белых чугунов (Х300):
а-3,56% С; 4,0% Мп; 8,19% V; 4,21% Сг; б -; 2,5% С; 7,5% Сг; 1,5% Ti- 3,5% Мп
Примером этого могут служить ванадиевые чугуны, содержащие 1,6—3,5% Аl. В них формируется аустенитно-ферритная матрица, причем аустенит содержит повышенное количество Аl и кристаллизуется в виде дендритов. При охлаждении отливок эти дендриты претерпевают распад с образованием особого эвтектоида, содержащего вместо цементита у'-фазу (раствор внедрения углерода в упорядоченном растворе замещения Fe-Аl). Образуется характерная инвертированная феррито-перлитная структура обеспечивающая повышенную износостойкость сплавов этого типа.
Микролегирование таких чугунов церием повышает компактность графитных зерен и способствует сохранению у'- фазы в структуре без эвтектоидного распада включений. Это обеспечивает высокую износостойкость Аl- Се-чугунов в условиях сухого трения, повышенные механические свойства и высокую окалиностойкость. Несмотря на несколько повышенную твердость (НВ 285), они хорошо обрабатываются резанием, так как имеют сильно дифференцированную по твердости структуру - твердые включения у'-фазы в мягкой матрице из сильно обедненного алюминием феррита.
Примером структуры, соответствующей принципу Шарпи, могут служить также частично графитизированные ванадиевые чугуны, их значительная часть присутствует в виде ПГ или ШГ, а часть связана в карбидах ванадия. В сыром состоянии и особенно после отжига такие ванадиевые чугуны с ШГ имеют высокую пластичность (65 до 7,5%), пониженную твердость (НВ 250) и хорошо обрабатываются резанием. После закалки и отпуска они приобретают твердость HRC 56 - 60 и высокую износостойкость; их достигает 150 кгс/мм2 (150Х X 107 Па).