Влияние легирования и модифицирования на сопротивление абразивному разрушению при высокотемпературной коррозии

Для работы в условиях абразивного изнашивания при высокотемпе-ратурном воздействии необходимо применение высоколегированных сплавов, где решающим фактором является уровень их легированности (С, Сr, Si, Ni). Установлено, что сплавы, содержащие углерод в свободном виде (графит) в условиях абразивного воздействия, имеют низкие показатели износостойкости ввиду минимальной твердости.

Широкое применение в промышленности находят сплавы, где угле-род образует дисперсные химические соединения, имеющие значительную твердость, сравнимую с твердостью абразивных материалов, применяемых в промышленности. Возрастающее количество углерода в стали до 1,2 % увеличивает прочность сплавов. Дальнейшее повышение содержания уг-лерода до 4 % приводит к снижению этого показателя, при котором спла-вы, будучи очень хрупкими, не находят применения. Однако в ряде напла-вочных материалов предельные концентрации углерода могут достигать 5,2 % [21, 22].

Определение концентрации углерода, обеспечивающей оптимальное соотношение абразивной износостойкости и длительной жаростойкости, является актуальной задачей науки и требует уточнения.

Хром вводится в износостойкие сплавы для получения необходимого уровня свойств и термически устойчивой структуры. С повышением содер­жания хрома (до 32 %) растворимость углерода в матрице сплава умень-шается, что облегчает выделение карбидных фаз и увеличивает степень ус-тойчивости твердого раствора высокохромистого феррита.

В дисперсионно-твердеющих сталях, изнашиваемых при температу-рах 500…850°С, содержание хрома рекомендуется 18…25 % при соотно-шении аустенит – феррит – 30/70; 50/50; 70/30 %.

Потери массы металла при высокотемпературном (до 1300°С) изна-шивании минимальны при содержании 35 % хрома и 0,5…2,5 % углерода. Структура такого сплава состоит из легированного хромистого феррита и комплексных карбидов типа М₂₃С_б и М₇С_з [23]. При изнашивании деталей в условиях высоких температур необходимо учитывать влияние дополни-тельно действующих факторов (окисление, насыщение продуктами корро-зии и т.д.). Исследование комбинированного абразивно-коррозионного изнашивания хромсодержащих сталей [24] показали, что при низкой час-тоте воздействия абразивных частиц повышенную стойкость имеют стали с пониженным содержанием хрома(до 14 %), а при высокой частоте – вы-сокохромистые (до 30 %).

Кремний применяют для износостойких сплавов в широком интерва-ле концентраций 0,4…15,0 %. Являясь элементом, который одновременно повышает прочность, твердость и улучшает защитные функции при окис-лении металла, кремний ограниченно растворяется в - и -железе, ак-тивно сужает область аустенита. При концентрациях более 3 % кремния наблюдается тенденция к выделению интерметаллидных соединений, ко-торые из-за высокойх рупкости ограничивают применение материалов в промышленности и могут использоваться только в специальных сплавах (ферросилиды, силалы, сендасты).

Кремний образует неустойчивые карбиды и, как правило, концентрируется в твердом растворе, позволяет при легировании в пределах 0,8…2,5 % решать проблемы прочности и износостойкости [24].

Работ о влиянии кремния на износостойкость выполнено относитель-но немного, особенно при высоких температурах. В жаростойких, жароп-рочных, износостойких сплавах с комплексами дисперсных карбидов концентрация кремния составляет 1,0…3,0 %. Обогащение кремнием околокарбидных зон затрудняет диффузию углерода, что препятствует коагуляции карбидов, обеспечивающих сопротивление изнашиванию.

Известна способность кремния усиливать склонность сталей к тепло­вой хрупкости [18], в связи с чем его содержание ограничивается до 2,7 %. Кремний усиливает перераспределение карбидной фазы при длительных высокотемпературных выдержках, где сосредоточение карбидов вблизи межзеренных границ приводит к потерям сплавами структурной стабиль-ности. В связи с этим вопрос оптимального содержания кремния при сов-местном легировании с углеродом и хромом требует уточнения.

Содержание никеля в большинстве износостойких сплавов по ГОСТ и ДЕСТ в пределах 0,8…25,0 %. Увеличение содержания никеля ста­билизирует аустенит в сплавах, которые при высокой прочности и плас-тичности после соответствующей термической обработки, обеспечиваю-щей дисперсионное твердение, могут рекомендоваться для условий абра-зивного изнашивания при температурах 550…850°С. При температурах более 850°С износостойкость сплавов снижается, что связано с процессами обратного растворения дисперсных образований (карбидов, интермета-ллидов) и переходом их в твердый раствор аустенита.

Таким образом, при разработке высокотемпературных абразивостой-ких сплавов применение никеля весьма перспективно при оптимизации состава многокомпонентной системы Fe-C-Cr-Si-Ni.

Одним из эффективных путей улучшения свойств разрабатываемых сплавов является введение малых добавок отдельных элементов и соедине­ний, то есть модифицирование. Изменение размеров зерна, повышение однородности структуры, увеличение твердости и прочности сплавов с ис-пользованием модификаторов позволяет улучшать параметры износостой-кости при высоких температурах.

Соединения титана представляют собой твердый раствор карбидов и нитридов друг в друге и действуют как инокулирующий модификатор. По-лучаемые соединения в комплексе с карбидами эвтектического типа хоро-шо сопротивляются воздействию абразивной среды в условиях высокотем-пературной коррозии.

Титан, в пределах 0,01…0,35 %, в белых чугунах способствует повы-шению абразивной износостойкости в 1,5…2,0 раза. Максимальные значе-ния отмечены при содержании 0,25 % титана. Твердость получаемых сое-динений карбонитридов составляет 2900…3200 МПа [22].

Для условий малонагруженного абразивно-коррозионного изнашива-ния при действии высоких температур 900...1100^оС целесообразно приме-нение износожаростойких сплавов со стабильными и стойкими структура-ми. Высокий уровень свойств износокоррозионной стойкости сплавов для деталей оборудования спекания материалов обеспечивается за счет рацио-

нальных вариантов легирования(С, Cr, Sі, Nі) и модифицирования (Al, Tі,

ЩЗМ, РЗМ) [3].