Навоийский государственный горный и технологический университет, Навои, Республика Узбекистан

А. А. Жумаев, доцент, докт. филос. наук, эл. почта: ahmadjon_jumayev@mail.ru
Х. И. Ахмедов, доцент, канд. техн. наук

Ташкентский государственный транспортный университет, Ташкент, Республика Узбекистан:

Ю. Н. Мансуров, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: yulbarsmans@gmail.com

Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова, Караганда, Республика Казахстан:
В. Ю. Куликов, профессор, канд. техн. наук

Исследованы твердость и микроструктура чугунов марок ИЧ280Х29НЛ и ИЧ330Х17Л, наиболее распространенных для изготовления деталей горно-металлургического оборудования, работающих в условиях износа. Проведен термодинамический анализ многокомпонентных систем Fe – 2,6 C – Cr – л.э. с целью изучения процессов кристаллизации сплавов, формирования в них структуры металлической основы, а также образования и трансформации карбидных фаз. В ходе исследования определены оптимальное количество и соотношение легирующих элементов (Cr, Mn, Si и Ti) в системе Fe – 2,6 C – Cr – л.э., необходимые для образования металлической матрицы и карбидной фазы, которые обеспечивают максимальную твердость сплава. Построены диаграммы состояния трех-, четырех- и мнокомпонентных систем типа Fe – C – Cr, Fe – C – Ni, Fe – C – Mn, Fe – C – V, Fe – C – Mo, Fe – C – Co, Fe – C – Cr – Ni, Fe – C – Cr – Mn, Fe – C – Cr – Mn, их изо- (при температуре 200 °C) и политермические сечения, позволившие расширить теорию диаграмм состояния — основы чугунов в области концентраций хрома (16–34 %), никеля (0,4–3 %), марганца (0,4–2 %), углерода (2,4–4 %), кремния (0,3–2 %), титана (0,4–5 %), молибдена (0,2–3 %) и ванадия (0,01–2 %). Определены точки фазовых равновесий, включая легированный твердый раствор на основе железа, многокомпонентные карбиды, смесь фаз на основе твердого раствора железа и карбидов. Создана экономичная марка износостойкого белого чугуна состава, %: 3,2–3,4 C; 0,4–0,6 Mn; 16–18 Cr; 0,4–0,6 Si; 0,4–0,6 Ni; <0,4–0,5 Mo; остальное — железо.

Авторы статьи выражают благодарность Н. О. Коротковой (НИТУ «МИСиС») за помощь в проведении исследований в части электронной микроскопии, результаты которых использованы в данной статье.

1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М. : Машиностроение, 2010. — 280 с.
2. Kopyciński D., Piasny S. Influence of tungsten and titanium on the structure of chromium cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2012. Vol. 12 (1). Р. 57–60.
3. Жумаев А. А., Барановский К. Э., Мансуров Ю. Н., Ахмедов Х. И. Результаты исследования структуры отливок из белых износостойких чугунов // Черные металлы. 2022. № 2. С. 4–10.
4. Pranav U., Agustina M., Mücklich F. A comparative study on the influence of chromium on the phase fraction and elemental distribution in as-cast high chromium cast irons: Simulation vs. experimentation // Metals. 2020. No. 12. P. 4–17.
5. Ponomareva A. V., Ruban A. V., Mukhamedov B. O., Abrikosov I. A. Effect of multicomponent alloying with Ni, Mn and Mo on phase stability of bcc Fe–Cr alloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 150. P. 117–129.
6. Mukhamedov B. O., Ponomareva A. V., Abrikosov I. A. Spinodal decomposition in ternary Fe–Cr–Co-system // Journal Alloys Compd. 2017. Vol. 695. P. 250–256.
7. Ali K., Ghosh P. S., Arya A. A DFT study of structural, elastic and lattice dynamical properties of Fe2Zr and FeZr2 intermetallics // Journal Alloys Compdounds. 2017. Vol. 723. P. 611–619.
8. Konar B., Kim J., Jung I. Critical systematic evaluation and thermodynamic optimization of the Fe – RE system: RE = La, Ce, Pr, Nd // Journal Phase Equilibria and Diffusion. 2016. Vol. 37, Iss. 4. P. 438–458.
9. Zhang Y., Li J., Shi C., Qi Y., Zhu Q. Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of nitrogen-alloyed high-Mn austenitic hot work die steel // Metals. 2017. Vol. 7. P. 94.
10. Abdel-Aziz Kh., El-Shennawy M., Omar A. A. Microstructural characteristics and mechanical properties of heat-treated high chromium white cast iron alloys // International Journal of Applied Engineering Research. 2017.
Vol. 12. P. 4675–4686.
11. Oh H. K., Kim I. W., Park S. M., Hong S. I. Stress-strain curves and crack formation in an ingot of stainless steel 21-4N under high-temperature compression // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. P. 24–29.
12. Ko J. Y., Hong S. I. Microstructural evolution and mechanical performance of carbon-containing Fe-Co-Cr- Mn-Ni-C high entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 743. P. 115–125.
13. Lu J., Hultman L., Holmstrom E., Antonsson K. H., Grehk M., Li W., Vitos L., Golpayegani A. Stacking fault energies in austenitic stainless steels // Acta Materialia. 2016. Vol. 111. P. 39–46.
14. Жумаев А. А., Мансуров Ю. Н., Маматкулов Дж. Дж., Абдуллаев К. С. Фазовые превращения в сплавах железа с углеродом, легированных редкоземельными и переходными металлами // Черные металлы. 2020. № 11. С. 22–29.
15. Kolokoltsev V. M., Petrochenko E. V., Molochkova O. S. Influence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heat- and wear-resistant white cast iron // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. P. 11–15.
16. Барановский К. Э., Мансуров Ю. Н., Жумаев А. А., Дувалов П. Ю. Повышение ресурса работы деталей из износостойких хромистых чугунов // Металлургия : республиканский межведомственный сборник научных трудов. 2019. Вып. 40. С. 78–83.
17. Abrikosov I. A., Ponomareva A. V., Steneteg P., Barannikova S. A., Alling B. Recent progress in simulations of the paramagnetic state of magnetic materials // Current Opinion Solid State Materials Science. 2016. Vol. 20. P. 85–106.
18. Ahmad J. K. Melting of a new carbon–free waxed sponge iron in Electric Arc Furnace (EAF) for steelmaking // International Journal of Materials Science and Applications. 2015. Vol. 4. No. 1-2. Р. 1–6.
19. Shamelkhanova N. A., Uskenbayeva A. M., Volochko A. T., Korolyov S. P. The study of the role of fullerene black additive during the modification of ductile cast iron // Materials Science Forum. Switzerland. 2017. Vol. 891. P. 235–241.
20. Ying Z., Hideo N. Influence of boron on ferrite formation in copper-added spheroidal graphite cast iron and its counteraction method // China Mat. Sci. Tech. Assoc. Iron Steel Technol. 2014. 11. P. 409–416.
21. Кудря А. В., Соколовская Э. А., Ахмедова Т. Ш., Пережогин В. Ю. Информативность морфологии структур твердых сплавов для прогноза качества наплавок // Цветные металлы. 2017. № 12. С. 78–83.
22. Жумаев А. А., Барановский К. Э., Мансуров Ю. Н. Анализ микроструктуры износостойких хромистых чугунов после термической обработки // Литье и Металлургия. 2021. № 1. С. 142–148.
23. Fava A., Montanari R., Richetta M., Varone A. Analysis of relaxation processes in HNS due to interstitial-substitutional pairs // Metals. 2017. Vol. 7. P. 246.
24. Pierce D. T., Jiménez J. A., Bentley J., Raabe D., Oskay C., Wittig J. E. The influence of manganese content on the stacking fault and austenite/ε-martensite interfacial energies in Fe–Mn–(Al–Si) steels investigated by experiment and theory // Acta Materialia. 2014. Vol. 68. P. 238–253.
25. Xiong R., Peng H., Si H., Zhang W., Wen Y. Thermodynamic calculation of stacking fault energy of the Fe–Mn–Si–C high manganese steels // Materials Science and Engineering A. 2014. Vol. 598. P. 376–386.
26. Konca E., Tur K., Kocx E. Effects of alloying elements (Mo, Ni, and Cu) on the austemperability of GGG-60 ductile cast iron // Metals. 2017. Vol. 7, Iss. 8. P. 320.
27. Seidu S., Owoeye S., Owoyemi H. Assessing the effect of copper additions on the corrosion behaviour of grey cast iron // Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies. 2015. Vol. 26. P. 49–58.
28. Kvon Sv. S., Kulikov V. Y., Filippova T. S., Omarova E. E. Using high-chromium iron as material for production of the equipping components of mine shafts // Metalurgija. 2016. Vol. 55, Iss. 2. P. 206–208.
29. Scheidhauer N., Dommaschk C., Wolf G. Oxidation resistant cast iron for high temperature application // In Materials Science Forum. 2018. Vol. 925. P. 393–399.
30. Matteis P., Scavino G., Castello A., Firrao D. High temperature fatigue properties of a Si–Mo ductile cast iron // Procedia Materials Science. 2014. Vol. 3. P. 2154–2159.
31. Elliott P. Choose materials for high–temperature environments // CORROSION/2000 (NACE International 55th Annual Conference and Exhibition: Mar. 26–31, 2000. Orlando, FL, USA.
32. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.