МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ С МАРГАНЦЕМ

АННОТАЦИЯ

В ходе проведённого исследования было определено влияние марганца на формирование структуры и эксплуатационные свойства износостойких чугунов. Было выявлено, что оптимальное содержание химических элементов (C — 2,8%, Cr — 17%, Mn — 3,5%) способствует образованию карбидов типа M₇C₃, что, в свою очередь, обуславливает повышение износостойкости материала. Данные карбиды, ориентированные перпендикулярно поверхности износа, существенно увеличивают сопротивление к изнашиванию. Также было проанализировано влияние фазового состава на механические характеристики, включая твёрдость и ударную вязкость. Для этого были использованы методы металлографического анализа, электронной микроскопии и механических испытаний. Было установлено, что наличие стабилизированного аустенита положительно сказывается на совокупности прочностных и эксплуатационных показателей. Полученные результаты позволяют рекомендовать определённые параметры химического состава для получения чугунов с улучшенными свойствами.

ABSTRACT

This study investigates the effect of manganese on the structural formation and performance properties of wear-resistant cast irons. It was found that an optimal chemical composition—C: 2.8%, Cr: 17%, Mn: 3.5%—promotes the formation of M7C3 carbides and stabilizes austenite, improving wear resistance. Carbides oriented perpendicularly to the wear surface significantly enhance material durability. The relationships between phase composition and mechanical properties such as hardness and impact toughness were analyzed using metallography, electron microscopy, and mechanical testing. The findings support the selection of specific alloying parameters to develop cast irons with superior mechanical and operational characteristics.

Ключевые слова: износостойкий чугун, аустенит, карбид, износостойкость, абразивный износ, микрорезание.

Keywords:  wear-resistant cast iron, austenite, carbide, wear resistance, abrasive wear, microcutting.

Введение

На сегодняшний день около 6,2% мирового потребления энергии связано с добычей полезных ископаемых, включая горнодобывающую и перерабатывающую промышленность, при этом 50% этой энергии расходуется на преодоление трения. Также ежегодно тратится 555,6 ТWh энергии на восстановление и замену изношенных деталей машин. В горнодобывающей отрасли основная энергия расходуется на дробление руды (33%), транспортировку (24%) и вентиляцию (9%) [1].

Одной из главных задач машиностроения является увеличение срока службы быстроизнашиваемых деталей. В процессе добычи таких материалов, как золото, уголь и цемент, ежегодно теряются тонны металлов из-за абразивного износа. Абразивный износ включает механический износ, такие как ударно-абразивный, газоабразивный и гидроабразивный [2]. В особенности высокие темпы износа наблюдаются на горнодобывающем оборудовании [3]. Для борьбы с этим используются высокохромистые белые чугуны с высокой твердостью, которые применяются в условиях абразивного, гидроабразивного и кавитационного износа, например, для деталей, предназначенных для транспортировки и переработки смесей с твердыми частицами [4].

Износ рабочих элементов горного оборудования снижает их эффективность, а также требует значительных затрат на ремонт. Практика показала, что детали могут подвергаться нескольким видам абразивного износа одновременно. Современное машиностроение требует материалов с высокими эксплуатационными свойствами, такими как износостойкость, коррозионная стойкость и термостойкость, которые обеспечивают надёжную работу оборудования в различных условиях [5,6].

Материалы и методы исследования.

Для проведения исследования образцы были отлиты в индукционной печи марки ИСТ-004. Химический состав анализировали эмиссионной спектроскопии с использованием спектрометра SPECTROMAX (AMETEK, США). Заготовки для металлографического анализа были разрезаны на станке MECATOME T330. Микрошлифы подготавливали с применением шлифовально-полировального оборудования и абразивных бумаг различной зернистости, а также суспензии оксида кремния. Поверхность дополнительно очищалась химическим раствором при температуре 50–55 °C. В рамках исследования химический состав анализируемого материала приведён в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав материала

Микроструктура исследовалась с помощью оптических микроскопов Метам ЛВ-41 и Полам РП-1 с увеличением до 1000 крат, а также с применением сканирующего электронного микроскопа Apreo 2 (SEM+EDS+EBSD). Анализ проводился при напряжении 20 кВ и увеличении 200X–10kX, включая ионную полировку для улучшения качества изображений. Твердость измерялась по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) при нагрузке 1457 Н, а микротвердость - прибором Mitutoyo HM-200 при нагрузке 300–1000 г. Износостойкость оценивалась на лабораторной установке по ГОСТ 23.208–79.

Результаты и обсуждения. Микроструктура образца, содержащего 17,5% Cr и 3,5% Mn, представлена на рисунке 1. Как видно на изображении, структура состоит из аустенитных дендритов и карбидных включений.

Рисунок 1. Микроструктура износостойкого чугуна. а) оптический микроскоп. 100Х b) сканирующий микроскоп. 1000Х

Карбиды распределены по поверхности несколько неравномерно, однако их размеры довольно малы, что потенциально может способствовать улучшению эксплуатационных свойств материала.

Рисунок 1. EDS анализ износостойкого чугуна, 2500Х

На рисунке 2, показано распределение химических элементов по поверхности материала. Согласно данным, полученным из спектрального анализа, элементы Fe, C, Cr, Mn, Ni и Si равномерно распределены в металлической матрице в следующих соотношениях: Fe — 77%, C — 10,8%, Cr — 6,9%, Mn — 3,5%, Ni — 0,9%, Si — 0,7%. В спектрах 7 и 8 установлено, что в зоне карбидов типа (Fe, Cr, Mn)₇C₃ элементы распределены следующим образом: Fe — 45,1%, Cr — 36,8%, C — 14,2%, Mn — 3,6%, Si — 0,2%. Элементы Mn и V играют важную роль в контроле роста и формирования карбидов, способствуя микроструктурной стабильности, что, в свою очередь, положительно влияет на общие свойства материала в зависимости от условий эксплуатации. Твёрдость исследуемого образца составила 56HRC, а микротвёрдость матрицы - 610HV. По результатам испытаний в условиях абразивного износа установлено, что при нагрузке 5 кг в течение 1 часа материал потерял всего 0,03 грамма массы.

Марганец является важным элементом, добавляемым в различные сплавы, в том числе в чугун и сталь, для улучшения их эксплуатационных характеристик. Он способствует повышению прочности и износостойкости, а также улучшает механические свойства материала, такие как твердость и вязкость. Марганец помогает стабилизировать аустенитную фазу при высоких температурах, что особенно важно для материалов, подвергающихся высоким нагрузкам и температурным воздействиям.

Добавление бора способствует образованию мартенсита, увеличивает глубину закалки, а также улучшает объемную и микро-твердость. Оптимальное содержание бора в пределах 0,1-0,2% достигает максимальных значений износостойкости. При увеличении содержания бора до 0,2% практически не изменяются параметры твердости и износостойкости, но дальнейшее увеличение содержания бора приводит к ухудшению механических и эксплуатационных свойств. Добавление бора способствует улучшению характеристик износостойкости.

Заключение

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

• содержание марганца в пределах 3,0-4,5% расширяет область формирования аустенита в металлической матрице, а также приводит к снижению температуры эвтектической точки. Кроме того, уменьшение содержания хрома снижает температуру превращения γ→α, однако объемные доли этих фаз остаются неизменными.
• eстановлена тесная взаимосвязь между фазовым составом и механическими свойствами, такими как твёрдость и ударная вязкость, что свидетельствует о необходимости точного регулирования легирующих элементов для достижения оптимального сочетания прочности и эксплуатационных характеристик.

Список литературы:

1. Holmberg K. et al. Global energy consumption due to friction and wear in the mining industry // Tribology International. 2017. Vol. 115. P. 116–139.
2. Safarov I.I. et al. Own waves in a spatial viscoelastic cylinder with radial crack. // Theoretical & Applied Science. 2019. Vol. 80, № 12. P. 341–345.
3. Yakhshiev Sh.N et al. Accuracy evaluation of the output of the spindle assembly of the NT-250I lathe machine // Res. Eng. Struct. Mater. 2022.
4. Гарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. Москва: Машиностроение, 2010. 280 p.
5. Эгамбердиев И.П, Ҳамроев Н.Н., Ашуров Х.Х. Карбид фазаларининг ейилишга бардошлилик хусусиятига таъсирини таҳлил қилиш // Science and Innovative Development. 2024. Vol. 7, № 4. P. 37–45.
6. Khamroev N. et al. Exploring the influence of the casting process, structural components and heat treatment on the mechanical properties of high-chromium cast irons: A review. Samarkand, Uzbekistan, 2024. P. 060021.