Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 5, стр. 477-483
Изучение влияния добавок ванадия на микроструктуру и механические свойства свежелитого и аустенитизированного высокопрочного чугуна
Х. Бахшинежад a, А. Хонарбахшрауф a, *, Х. Абдолла-Пур a
a Факультет материалов и металлургии, Семнанский университет
Семнан, Иран
* E-mail: ahonarbakhsh@semnan.ac
Поступила в редакцию 12.07.2017
После доработки 08.09.2018
Принята к публикации 10.12.2018
Аннотация
Присутствие ванадия как легирующего элемента по-разному сказывается на свойствах литейных чугунов. Изучено влияние различного объема добавок ванадия, включая 0, 0.87 и 1.45 вес. %, на микроструктуру, на формирование различных фаз и на механические свойства свежелитого и аустенитизированного высокопрочного (АВП) чугуна. После отливки, приготовления и определения химического состава образцов были проведены их термообработка (ТО) по аустенитизации при 900°C в течение 45 мин и TO, состоящая в закалке с изотермической выдержкой в бейнитной области в течение 60 мин при 350°C. Тесты на растяжение и ударную вязкость, а также рентгеноструктурный анализ (РСА) и металлографические (ОМ) исследования были проведены с целью изучить механические свойства и структуру АВП чугуна. Микроструктура образцов включала карбиды в аусферритной матрице. Результаты показали, что с ростом содержания ванадия, прочность на растяжение и работа ударного разрушения высокопрочного чугуна (с шаровидным графитом) уменьшаются, тогда как ТО может улучшить эти показатели.
ВВЕДЕНИЕ
Аустенитизированный высокопрочный чугун (АВПЧ) был создан как перспективный конструкционный материал с уникальным сочетанием таких свойств, как хорошая деформируемость, прочность [1–4], износостойкость [5–7], усталостная прочность [8–10] и вязкость разрушения [11–14].
Привлекательные и выдающиеся свойства АВПЧ относят на счет его уникальной микроструктуры. Когда термообработка (TO), состоящая в закалке с изотермической выдержкой в бейнитной области (ЗВБО), проводится на высокопрочном чугуне (ВПЧ), возникает микроструктура, состоящая из феррита (α) и высокоуглеродистого аустенита (γВУ) с шаровидным графитом в матрице, совершенно отличная от микроструктуры, формирующейся в сталях после ЗВБО и состоящей из феррита и карбида (бейнита). По этой причине продукт ЗВБО реакции в ВПЧ чаще называют аусферритом, чем бейнитом [2, 15].
Превращение в ВПЧ при ЗБВО проходит в два этапа (по двухступенчатой реакции). На первом этапе первичный аустенит (γ) распадается на игольчатый феррит и высокоуглеродистый аустенит [2, 3, 16]:
Если литье осуществляется при ЗБВО температуре в течение продолжительного времени, будет происходить вторая реакция. На этом этапе высокоуглеродистый аустенит может распадаться на феррит и карбид:
Наилучшие свойства АВПЧ достигаются после завершения первого этапа (1-ой реакции) и перед стартом 2-ой реакции (второго этапа). Этот промежуток времени между моментом окончания 1-ой реакции и началом второго этапа превращения получил название “технологического окна”. Для того чтобы увеличить протяженность “технологического окна”, осуществляют добавку таких химических элементов, как никель, молибден и медь. Эти элементы предотвращают дальнейший распад аустенита в перлит и феррит при охлаждении [15–19].
Указанные легирующие добавки в чугуне имеют огромное влияние на микроструктуру и свойства АВПЧ. Контролируя химический состав и параметры ТО, можно получить различный размер, форму и пространственное распределение гранул шарового графита, а также обеспечить контроль за микроструктурой матрицы. Такие легирующие элементы, как кремний, медь, никель, молибден, хром, ванадий и титан находят в этом случае обычное применение [20].
Во многих статьях показано, что добавка ванадия сказывается на микроструктуре матрицы чугуна. Поскольку ванадий является стабилизатором карбида, его добавка сказывается и на улучшении затвердевания метастабильной подсистемы аустенит–цементит, и как следствие, она обнаруживает тенденцию способствовать формированию эвтектического карбида [21–25].
Было установлено, что добавка ванадия вплоть до 0.5 вес. % слегка снижает количество глобулярного графита. Подобно многим другим элементам, ванадий ограничивает формирование аустенита в железе за счет сужения области существования аустенита на равновесной диаграмме состояний системы Fe–C. Это означает, что ванадий отчасти способствует увеличению образования феррита, и, следовательно, температура превращения возрастает. Когда ванадий добавляют в чугун, в микроскопе можно наблюдать маленькие светлого контраста включения. Также улучшаются предел текучести и прочности на растяжение, а вместе с ними и износостойкость материала [23–25].
Итак, в этой работе мы исследовали влияние добавки 0.87 или 1.45 вес. % ванадия вместе с ЗВБО термообработкой на механические свойства, микроструктуру и колебания фазового состава ВП чугуна.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Формы для литья были изготовлены в песке с привлечением натриевого жидкого стекла в качестве связующего компонента и углекислого (CO2) газа, для получения Y-образных отливок размером 55 × 150 × 180 мм (согласно рекомендациям ASTM стандарта A897/A897M-16). Для противодействия эффекту давления, возникающему из-за увеличения удельного объема графита при затвердевании, все изложницы были изготовлены за 24 ч до начала процедуры литья, с целью достижения требуемой прочности конструкции. Расплавы высокопрочного чугуна были приготовлены из слитков доменного чугуна и ферросплавов с использованием индукционной 3-кГц плавильной печи с объемом загрузки 25 кг и номинальной мощностью 60 кВт. Ванадий добавляли в расплав в форме феррованадия при 1550°C перед разливкой. После удаления шлака каждая порция расплава была разлита в льячку, предварительно нагретую до 1570°C. Затем плунжерным методом была проведена сфероидизирующая обработка расплава отливки, с использованием достаточного количества Fe–Si–5% Mg. Для того чтобы вызвать кристаллизацию расплава, в нее окончательно добавляли Fe–75% Si-сплав.
Все объемы плавок были разлиты в изложницы при температурах 1350–1370°C. Их итоговый химический состав определяли электроискровым оптикоэмиссионным спектроскопическим методом (см. табл. 1).
Таблица 1.
Материал | C | Si | Mn | S | P | Mg | V | Fe |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ВПЧ | 3.67 | 2.41 | 0.03 | 0.018 | 0.023 | 0.03 | – | Ост. |
ВПЧ с 0.87% V | 3.65 | 2.43 | 0.06 | 0.015 | 0.021 | 0.03 | 0.87 | Ост. |
ВПЧ с 1.45% V | 3.65 | 2.44 | 0.07 | 0.016 | 0.023 | 0.03 | 1.45 | Ост. |
Образцы были приготовлены с прицелом на проведение тестов на растяжение и разрывных испытаний по методу Шарпи из нижней части Y‑блоков (в соответствии с рекомендациями ASTM, по стандартам A897 и ASTM E23 соответственно).
ТО по аустенитизации была проведена при 900°C в течение 45 мин в муфельной печи, а затем в течение 60 мин в соляной ванне температурой 350°C была осуществлена ЗВБО термообработка. Микроструктура образцов была исследована методом оптической микроскопии после их полировки и травления 2%-ным раствором Ниталя (раствор азотной кислоты в спирте) при комнатной температуре.
Для изучения морфологии матрицы были использованы РСА-методы, позволившие оценить объемную долю аустенита, а также размеры ячейки феррита. Рентгеновская съемка проведена в CuKα-излучении при 35 кВ и силе тока 30 мA, в диапазоне углов дифракции 2θ от 35° до 85°, скорость сканирования 1°/мм. Полученные дифракционные профили были изучены для установления положения пиков интенсивности рассеяния и фазовой структуры с помощью компьютерной программы X’Pert High Score. Для феррита были рассмотрены рефлексы от плоскостей (110), (200) и (211) ОЦК решетки, а для аустенита – рефлексы от плоскостей (111), (200) и (220) ГЦК-решетки.
Для определения объемной доли аустенита Vγ в матрице высокопрочного чугуна, прошедшего ЗВБО термообработку, было использовано следующее уравнение:
где Iα –пик интенсивности (110) от феррита (α), Iγ – пик интенсивности (111) от аустенита (γ), R – константа, характерная для проведенных измерений, величиной 0.85.Для определения размера ферритного зерна (d) было использовано уравнение Шерера:
где λ – длина волны падающего рентгеновского излучения, β – ширина (211) пика от феррита на половине высоты в радианах, θ – угол Брэгговского отражения [26–28].РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В работе были исследованы образцы различного состава – с ванадием и без него, а также прошедшие или не прошедшие ЗВБО термообработку. На рис. 1 представлены изображения микроструктуры свежелитых образцов после травления. Как видно на рис. 1a, микроструктура свежелитого образца ВП чугуна без ванадия содержит гранулы шарового графита в ферритной и перлитной матрице. На рис. 1б, в представлены изображения микроструктуры свежелитых образцов с ванадием. Фазовая структура была проанализирована РСА методами.
Рентгеновские дифрактограммы свежелитых образцов представлены на рис. 2. Рентгеновская дифрактограмма свежелитого образца ВПЧ без ванадия (рис. 2a) показывает, что ферритная фаза (α) фиксируется при 2θ углах 44°, 65° и 82°, что соответствует (110), (200) и (211) плоскостям, наряду с присутствием карбидной фазы Fe5C2. На рис. 2б, в показано, что с добавкой ванадия появляется карбид V4C3, вдобавок к ферритной (α) и карбидной (Fe3C)-фазам.
Во время затвердевания расплава ванадий способствует формированию эвтектического карбида железа, что объясняется снижением стабильной эвтектической температуры наряду с увеличением соответствующей метастабильной температуры. Также ванадий в некоторой степени способствует формированию перлита во время эвтектоидного превращения. Наблюдается и тот факт, что добавка ванадия приводит к формированию в микроструктуре дополнительной фазы [23–25]. В твердом состоянии растворимость легирующего элемента уменьшается с падением температуры. Таким образом, когда аустенит насыщается ванадием, дальнейшее его охлаждение приводит к выпадению карбида ванадия. Растворение легирующих элементов в жидких и твердых фазах железа приводит к изменениям в равновесной диаграмме состояний системы Fe–C.
В общем случае элементы, добавка которых приводит к увеличению разницы между эвтектическими стабильной и метастабильной температурами, способствуют формированию графита, тогда как элементы, добавка которых приводит к сокращению указанной разницы, увеличивают формирование карбида. Ванадий принадлежит к числу тех легирующих элементов, которые снижают “зазор” между эвтектическими стабильной и метастабильной температурами и тем самым способствует карбидообразованию [29–31].
Микроструктура образцов после их ЗВБО термообработки представлена на рис. 3. Видно, что в объеме матрицы, наряду с игольчатым ферритом также наблюдается аустенит (аусферрит) с дисперсными гранулами шарового графита. С ростом величины добавки ванадия, оказалось, что количество игольчатого феррита в матрице снижается. Присутствие ванадия привело к формированию грубых эвтектических карбидов пластинчатой, блочной и ячеистой морфологии. Это отмечается и в работах других авторов [32, 33].
Можно утверждать, что присутствие в микроструктуре обогащенных ванадием грубых частиц есть результат эвтектической реакции во время затвердевания в межячеистых областях, которые обогащены по ванадию и углероду.
По дифрактограммам можно судить и о кристаллической структуре образцов после их ЗВБО термообработки. Результаты РСА представлены на рис. 4. Рентгеновская дифрактограмма образцов после их ЗВБО термообработки, представленная на рис. 4a, показывает, что ферритная и аустенитная фазы с ГЦК кристаллической решеткой фиксируются при 2θ углах в 43°, 50° и 74°, с отвечающими им плоскостями
(111), (200) и (220), соответственно. На рис. 4б, в присутствие в наших образцах карбида ванадия V4C3 (на 37° съемки, а также присутствие карбида железа Fe3C на 40° и 49°) подтверждается этими рентгенограммами.
После ЗВБО термообработки интенсивность карбидных пиков ослабевает. Для проведения сравнения пиков интенсивности рассеяния от феррита и аустенита возьмем пик (110) для феррита и пик (111) для аустенита. Интенсивности обоих пиков снижаются при возрастании содержания ванадия. В образцах свежелитого высокопрочного чугуна максимум интенсивности пика рассеяния от феррита наблюдается на образце, содержащем 1.45 вес. % ванадия. На ЗВБО образцах ВП чугуна максимум интенсивности пиков рассеяния от феррита и аустенита наблюдается на образцах, нелегированных ванадием. С ростом содержания ванадия, интенсивности пиков рассеяния от феррита и аустенита уменьшаются по высоте. Из сравнения ВПЧ и АВПЧ образцов следует, что максимальная интенсивность пика рассеяния от феррита наблюдается на образце, содержащем 1.45 вес. % ванадия.
О том, как сказывается добавка ванадия на величину объемной доли аустенита, можно судить по данным табл. 2. Результаты показывают, что объемная доля аустенита уменьшается с ростом содержания ванадия. Добавка ванадия приводит к формированию карбидов ванадия, которые вполне могут сохраняться нерастворенными в процессе ЗВБО термообработки.
Таблица 2.
Тип чугуна | Объемная доля аустенита, % | Размер зерна феррита, нм | Прочность на растяжение, Н/мм2, ±10% | Энергия ударного разрушения, Дж, ±5% |
---|---|---|---|---|
ВПЧ | – | 72.9 | 532 | 10 |
АВПЧ | 28 | 77.1 | 968 | 12 |
ВПЧ с 0.87% V | – | 58.3 | 404 | 4 |
АВПЧ с 0.87% V | 22 | 62.5 | 639 | 5 |
ВПЧ с 1.45% V | – | 45.5 | 374 | 2.4 |
АВПЧ с 1.45% V | 17 | 53.5 | 621 | 3 |
Результаты измерения размера зерна феррита на различных образцах также приведены в табл. 2. Отмечено, что частицы карбида ванадия выступают в качестве центров зарождения феррита. Tем самым увеличение числа таких центров зарождения во время аустенит–ферритного превращения приводит к снижению размера зерна феррита [30, 34]. Основываясь на теориях роста зерен, в материалах с частицами вторичных фаз [35] на росте зерен должны сказываться эффекты пиннинга межзеренных границ на таких частицах. Поэтому размер ферритного зерна уменьшается по мере увеличения объемной доли этих частиц. С другой стороны, наша термообработка привела к росту ферритного зерна, что можно объяснить сокращением при ней числа центров зарождения феррита, а также уменьшением объемной доли выделений карбида.
О том, как сказывается добавка ванадия на прочности на растяжение наших образцов, можно судить по данным табл. 2. В свежелитых образцах рост содержания ванадия сопровождается монотонной убылью прочности на растяжение. После ЗВБО термообработки ВПЧ образцов прочность на растяжение достигает своего максимального значения 968 Н/мм2, и затем, с ростом добавки ванадия, она снижается по мере уменьшения количества игольчатого феррита. Таким образом, проводя ЗВБО термообработку, мы снижаем эффективное влияние ванадия на рост температуры вязко-хрупкого перехода, улучшаем структуру и увеличиваем прочность на растяжение.
Результаты измерений энергии ударного разрушения (ЭУР) образцов ВПЧ с разным содержанием ванадия также представлены в табл. 2. С ростом добавки ванадия, ЭУР образцов снижается за счет возрастания хрупкости. Для АВПЧ образцов значения ЭУР слегка выше в сравнении с ВПЧ образцами, что может быть связано с более высокой способностью аусферритной матрицы к деформированию.
Карбидная фаза зарождается и растет на оксидных бимолекулярных пленках. Эти бимолекулярные пленки (БМП) представляют собой окисленные “обломки” поверхности расплава, которые наслаиваются, наезжая друг на друга во время помешивания или разливания расплава, и каждая, испытывая всестороннюю компрессию, оказывается в объеме расплава во взвешенном состоянии (как в суспензии) [36]. Эти БМП могут действовать в роли трещин внутри карбидов, вырастающих с включением БМП в себя и оказывающихся в хрупком состоянии. Эти БМП в ВПЧ могут приводить к сокращению объема пор и к возникновению поверхностей хрупкого (откольного) разрушения, являющихся большими, гладкими и в основном состоящих из фасеток хрупкого разрушения и, следовательно, приводящих к снижению механических свойств. Аустенитизация может оказывать позитивный эффект, так что она может приводить к упрочнению на оксид-оксидных интерфейсах в центральной части БМП, и как результат, БМП уже не могут всегда выступать в роли зародышей трещин.
ВЫВОДЫ
1. Рост содержания ванадия приводит к уменьшению размера ферритного зерна, объемной доли аустенита, прочности на растяжение и энергии ударного разрушения. С ростом содержания ванадия, количество карбидов возрастает, что и сказывается на отмеченных выше свойствах.
2. Аустенитизация образцов при 900°C в течение 45 мин и последующая закалка с изотермической выдержкой в бейнитной области при 350°C в течение 60 мин (ЗВБО обработка) приводят в итоге к увеличению размера ферритного зерна, прочности на растяжение и энергии ударного разрушения в сравнении с образцами, не подвергавшимися указанной комплексной термообработке.
Список литературы
Harding R.A., Gilbert G.N.J. Why the properties of ductile irons should interest engineers // Br. Foundrym. 1986. V. 79. P. 489–496.
Dodd J. High strength, high ductility ductile irons. // Mod. Cast. 1978. V. 68(5). P. 60–66.
Gundlach R.B., Janowak J.F. Development of a ductile iron for commercial austempering // AFS Trans. 1983. V. 94. P. 377–388.
Johansson M. Austenitic bainitic ductile iron // AFS Trans. 1977. V. 85. P. 117–122.
Schmidt I., Schuchert A. Unlubricated wear of austempered ductile cast iron // Z. Metall. 1987. V. 78. P. 871–875.
Sahin Y., Erdogan M., Kilicli V. Wear behavior of austempered ductile irons with dual matrix structures // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 444. P. 31–38.
Bartosiewicz L., Krause A.R., Alberts F.A., Iqbal Singh, Putatunda S.K. Influence of microstructure on high cycle fatigue behavior of austempered ductile cast iron // Mater. Charact. 1993. V. 30(4). P. 221–234.
Shanmugam P., Rao P.P., Udupa K.R., Venkataraman N. Effect of microstructure on the fatigue strength of an austempered ductile Iron // J. Mater. Sci. 1994. V. 29(18). P. 4933–4940.
Bartosiewicz L., Krause A.R., Sengupta A., Putatunda S.K. Relationship between fatigue threshold and fatigue strength in austempered ductile cast iron // Int. Symp. Test. Fail. Anal. 1990. V. 16. P. 323–336.
Bartosiewicz L., Duraiswamy S., Sengupta A., Putatunda S.K. Near threshold fatigue crack growth behavior of austempered ductile cast iron // Morris Fine Symp. 1991. 135–138.
Rao P.P., Putatunda S.K. Influence of microstructure on fracture toughness of austempered ductile cast iron // Met. Mater. Trans. A. 1997. V. 28. P. 1457–1470.
Janowak J.F., Norton P.A. A guide to mechanical properties possible by austempering, 1.5% Ni, 0.3% Mo iron // AFS Trans. 1985. V. 88. P. 123–135.
Putatunda S.K., Singh I. Fracture toughness of unalloyed austempered ductile cast iron // J. Test. Eval. 1995. V. 23. P. 325–332.
Doong J.L., Chen C. Fracture toughness of bainitic-nodular cast iron // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1989. V. 12. P. 155–165.
Putatunda S.K., Kesani S., Tackett R., Lawes G. Development of austenite free ADI (austempered ductile cast iron) // Mater. Sci. Eng. A 2006. V. 435–436. P. 112–122.
Moore D.J., Rouns T.N., Rundamn K.B. The effect of heat treatment, mechanical deformation, and alloying element additions on the rate of bainite formation in austempered ductile irons // J. Heat Treat. 1985. V. 4(1). P. 7–24.
Janowak J.F., Gundlach R.B., Eldis G.T., Rohrting K. Technical advances in cast iron metallurgy // AFS Int. J. Cast Met. 1982. V. 6. P. 28–42.
Eric O., Sidjanin L., Miskovic Z., Zec S., Jovanovic M.T. Microstructure and toughness of Cu–Ni–Mo austempered ductile iron // Mater. Lett. 2004. V. 58. P. 2707–2711.
Yang J., Putatunda S.K. Improvement in strength and toughness of austempered ductile cast iron by a novel two-step austempering process // Mater. Des. 2004. V. 25. P. 219–230.
Kiani-Rashid A.R. The bainite transformation and the carbide precipitation of 4.88% aluminium austempered ductile iron investigated using electron microscopy // J. Alloy. Compd. 2009. V. 477. P. 490–198.
Ohide T., Ikawan K. Effect of vanadium on the as-cast and isothermally transformed structures of spheroidal graphite cast iron // J. Jpn. Foundrym. Soc. 1985. V. 57. P. 522–527.
Maselenkov S.B., Teikh V.A., Silman G.I., Thomas V.K. Distribution of V, Mo, Cu, and W in cast iron // J. Rus. Cast. Prod. 1969. P. 375–377.
Filippov A.S., Blank E.M., Ivelier V.S. Influence of vanadium additions on the structure and properties of irons // J. Rus. Cast. Prod. 1969. P. 289–291.
Barton R. The influence of alloying elements in cast iron // J. Br. Cast Iron Res. Assoc. 1960. V. 8. P. 567–585.
Dawson J.V. Vanadium in cast iron // Uk Inter. Exch. Pap. 1982. P. 1–16.
Myszkaa D., Gietka T. Comparing the possibilities of austenite content determination in austempered ductile iron // Arch. Found. Eng. 2011. V. 11. P. 135–140.
Gietka T., Dymski S. The attempt at evaluation of the ADI microstructure with the use of the image analysis // Arch. Found. Eng. 2010. V. 10. P. 57–62.
Cullity B.D. Elements of X-ray diffraction, 2nd edn., 1974.
Rezvani M., Harding R.A., Campbell J. The effect of vanadium in as-cast ductile iron // Int. J. Cast Met. Res. 1997. V. 10. P. 1–15.
Todd J.A., Li P. Microstructure mechanical properties relationships in isothermally transformed vanadium steels // Met. Trans. A. 1986. V. 17. P. 1991–1202.
Ubhi H.S., Baker T.N. The influence of manganese and silicon on the precipitation of vanadium carbide in steel // Mater. Sci. Eng. 1988. P. 189–199.
Laino S., Sikora J.A., Dommarco R.C. Development of wear resistant carbidic austempered ductile iron (CADI) // Wear. 2008. V. 265. P. 1–7.
Sun X., Wang Y., Li D.Y., Wang G. Modification of carbidic austempered ductile iron with nano ceria for improved mechanical properties and abrasive wear resistance // Wear. 2013. V. 301. P. 116–121.
Crooks M.J., Garrate-Reed A.J., Van der Sande J.B., Owen W.S. The isothermal austenite ferrite transformation in some deformed vanadium steels // Met.Trans. A. 1982. V. 13. P. 1347–1353.
Fan D., Chen L., Ping S.P. Numerical simulaton of Zener pinning with growing second-phase particles // J. Am. Ceram. Soc. 1998. V. 81. P. 526–532.
Campbell J. Castings. 2nd edn., Butterworth, 2003.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физика металлов и металловедение