5.6. Комплексно-легированные белые износостойкие чугуны

Наибольшей износостойкостью обладают чугуны, соответствующие принципу Шарпи, 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 обеспечивает не только высокие износостойкие свойства, но и прочность, вязкость, стойкость против теплосмен и т.д.

Чугунами с инвертированной структурой являются ванадиевые, хромованадиевые и комплексно-легированные высокохромистые чугуны. Их химический состав и свойства представлены в табл. 5.4 и 5.5.

Структура данных чугунов состоит из аустенита и продуктов его распада, карбидов и эвтектик (см. рис. 5.2), которая определяется составом чугуна, условиями кристаллизации, обусловливающими особенности строения и взаиморасположения формирующихся фаз.

Например, в чугуне марки ИЧ300Х16Ф8 присутствуют сложные карбиды переменного состава (Fe,Cr,V)_xC_y, содержащие 26,0 – 48,0 % железа, 41,0 – 52,0 % хрома, 9,0 – 22,0 % ванадия (рис. 5.3 и 5.4), и карбид ванадия VC, который ограниченно растворяет железо (до 2,0 – 5,0 %), несколько больше – хром (8,0 – 16,0 %).

Таблица 5.4

Химический состав чугунов

Марка чугуна	Химический состав, масс. %
	C	Si	Mn	Cr	V	Ti	прочие
ИЧ310Х24М2Ф4ТР	2,9-3,2	0,4-0,6	0,4-0,6	20-24	3,0-4,0	0,5-0,8	Mo 1,5-2,0 B 0,01-0,02
ИЧ300Ф7ДТР	2,8-3,0	0,4-0,6	0,4-0,6	-	6,7-7,4	0,3-0,4	Cu1,0-1,2 B 0,01-0,02
ИЧ300Х16Ф8	3,0-3,2	0,4-0,6	0,4-0,6	14-17	7,5-9,0	-	-
ИЧ240Х25ТБР	2,2-2,6	0,2-0,5	0,2-0,5	20-28	-	0,2-0,5	Nb0,3-0,6 B 0,01-0,03
ИЧ300Х24МФДР	2,9-3,2	до 0,6	0,1-0,5	21-26	0,3-0,7	-	Mo 0,4-1,0 Cu 0,4-0,8 B 0,005-0,017 Sb 0,01-0,018
ИЧ280Х25ГНТД	2,5-3,0	до 1,0	0,6-1,5	24-28	-	0,3-0,8	Ni 0,4-1,2 Cu 0,4-1,5 Sb 0,01-0,018
ИЧ300Х24ТР	2,8-3,2	до 0,5	0,2-0,6	20-26	-	0,6-1,0	Ca 0,005-0,01 B 0,005- 0,017

а б

в г

Рис.5.2. Микроструктура чугунов, х1000: а - ИЧ310Х24М2Ф4ТР, б - ИЧ300Ф7ДТР, в - ИЧ300Х16Ф8, г - ИЧ250Х23ТБР

Рис.5.3. Спектрограмма химического состава карбида хрома

Рис.5.4. Спектрограмма химического состава карбида ванадия

Эти карбиды в сочетании с аустенитом образуют при кристаллизации двойные эвтектики А + VC и А + (Fe, Cr, V)_xC_y и тройную эвтектику А + (Fe, Cr, V)_xC_y + VC. Преобладающей фазой в тройной эвтектике является карбид (Fe, Cr, V)_xC_y. Карбиды ванадия располагаются на эвтектических карбидах хрома.

Износостойкость данных чугунов зависит от карбидной составляющей (природы, морфологии, степени дисперсности). Именно карбиды определяют специфические свойства этих белых износостойких чугунов.

Дополнительное легирование молибденом, медью, титаном, ниобием и бором повышают свойства чугунов.

Обладая большим сродством к углероду, чем хром, титан при кристаллизации расплава образует многочисленные карбиды. Образование специальных карбидов титана приводит к увеличению концентрации хрома в твердом растворе. Это способствует повышению износостойкости.

Кроме того, титан с ванадием образует комплексный карбид (рис. 5.5). Образование в структуре чугунов комплексных карбидов (Ti, V)C компактной формы приводит к повышению износостойкости. Микротвердость карбидов ванадия 20000-22000 МПа, у комплексных карбидов микротвердость выше до 27500 МПа. Кроме того, повышение износостойкости происходит за счет выделения устойчивых карбидов титана, размеры которых меньше размеров карбидов хрома, и они находятся, в основном, в виде изолированных включений.

Рис.5. 5. Спектрограмма химического состава карбида (Ti, V)C

Присутствие бора в чугунах повышает его прокаливаемость, измельчает зерно. Совместное присутствие титана и бора позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации чугуна.

Ниобий в данных чугунах образует собственные карбиды. Карбиды ниобия мелкодисперсные, имеют твердость 3480 HV. Также они способны оказывать инокулирующее влияние на процесс кристаллизации и инвертирующее влияние на строение эвтектик.

Термическая обработка отливок занимает существенную долю в цикле изготовления деталей из специальных чугунов. Это довольно трудоемкая операция и требует дополнительного времени и энергетических затрат. Данные чугуны не требуют сложной термической обработки, достаточно лишь отпуска для снятия внутренних напряжений в отливках, это возможно благодаря высоким исходным свойствам чугунов в литом состоянии, достигаемым за счет оптимально подобранного легирования. В результате снижения затрат на термическую обработку себестоимость деталей из предложенных чугунов снижается.