Влияние церия на механические свойства хромистых сталей и чугунов

Хромистые стали широко применяются для деталей узлов трения, работающих в условиях коррозионного воздействия среды. Износостойкость материалов во многом зависит от их механических свойств.

Существенное повышение механических и специальных свойств хромистых сплавов можно получить модифицированием добавками редкоземельных металлов (РЗМ). Известно, что добавки РЗМ повышают прочностные и пластические свойства малоуглеродистых хромистых сталей. Объясняется это в основном влиянием РЗМ на формирование макро- и микроструктуры сплава, удалением из металла вредных примесей или нейтрализацией их отрицательного влияния.

Учитывая, что в узлах трения применяются хромистые материалы с высоким содержанием углерода, были проведены исследования влияния добавок церия на механические свойства высокоуглеродистых хромистых сталей и хромистых чугунов.

Модифицирование хромистого чугуна производили ферроцерием, вводимым в специальном металлическом колокольчике после раскисления расплава алюминием при температуре 1580° С.

Сталь модифицировали ферроцерием в ковше. В расплав при температуре 1610—1620° вводили силикокальций 0,15%. Для получения достоверных результатов, исключающих влияние химического состава, использовали метод фракционной разливки. Металл выплавляли в высокочастотной печи емкостью 60 кг и разливали в жидкостекольные формы при температуре для чугуна 1510°, для стали 1580°.

Отлитые заготовки подвергали термической обработке по следующим режимам (табл. 2).

Механические свойства материалов определяли по стандартным методикам. Испытание на разрыв выполняли на коротких образцах (тип III (d₀=6) ГОСТ 1497-61), а на ударную вязкость — на образцах с надрезом (тип I ГОСТ 9454-60). Количество образцов на одно испытание не менее трех. Твердость замеряли при помощи алмазного конуса с углом 120±1,5° и радиусом закругления 0,2±0,02 мм, а микротвердость — на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,490 н (50 г).

Результаты испытаний по влиянию церия на механические свойства материалов представлены на рис. 1 и 2. С увеличением количества введенного церия в хромистый чугун прочностные свойства увеличиваются, а затем снижаются (рис. 1).

Более высокая прочность хромистого чугуна (σ_b = 83 кГ/мм²) достигается при вводе церия 0,15—0,25%. Твердость и микротвердость чугуна при увеличении содержания церия изменяется незначительно. Ударная вязкость чугуна повышается при вводе церия 0,15—0,25%.

Использование радиоизотопного метода позволило установить, что церий в хромистом чугуне распределяется равномерно как по телу зерна металла, так и по их границам с незначительным обогащением границ.

Более резко выражено влияние церия на содержание растворимых газов в хромомолибденовольфрамовой стали (табл. 3).

Из рис. 2 видно, что прочность стали и ее ударная вязкость повышается по мере увеличения добавок церия до 0,2—0,25%.

Последующее увеличение приводит к падению как прочности, так и ударной вязкости. На твердость и микротвердость количество введенного церия существенного влияния не оказывает.

Металлографические исследования показали, что цериевые добавки измельчают основную структуру стали. Изменяется также форма и расположение сульфидных включений — вместо пленочных включений по границам появляются глобулярные, расположенные в зерне.

Выводы

1. Введение в хромистый чугун добавок церия повышает его механические свойства. Оптимальное количество введенного церия составляет 0,15—0,25%. При этом предел прочности чугуна σ_b=83 кГ/мм², а ударная вязкость α_k=0,55 кГм/см².


2. Оптимальное количество введенного церия для стали 6Х15М2В2Л составляет 0,15—0,2%. При этом σ_b=128 кГ/мм², α_k = 0,88 кГм/см².


3. Введение церия значительно (в 2 раза и более) снижает остаточное содержание кислорода и азота в хромистых сталях и чугунах.


4. Добавки церия не оказывают существенного влияния на изменение твердости и микротвердости хромистых сталей и чугунов.