Результаты исследования структурного состояния износостойких белых чугунов

Износостойкие белые чугуны относятся к числу широко применяемых литейных материалов, используемых в условиях интенсивного абразивного и ударного воздействия. Их эксплуатационные характеристики напрямую зависят от химического состава, фазового состояния и формируемой микроструктуры, а целенаправленное управление этими параметрами позволяет существенно повысить срок службы и надежность изделий. В последние годы развитие износостойких белых чугунов связано с совершенствованием их легирования и оптимизацией структурно-фазового состояния. Формирование карбидных фаз, их морфология, распределение в металлической матрице и взаимодействие с легирующими элементами играют ключевую роль в обеспечении высокой твердости, прочности и сопротивления износу [1-3]. Особенно актуально применение белых чугунов в горнодобывающей, металлургической и перерабатывающей промышленности, где детали оборудования - элементы шаровых мельниц, насосы, классификаторы и другие узлы - работают в условиях повышенных механических и абразивных нагрузок. В связи с этим оптимизация структуры и улучшение эксплуатационных свойств износостойких белых чугунов является важной научной и практической задачей современного материаловедения [4-5]. Методы исследования и использованные материалы. Для исследования образцы размерами 25х20х20 мм были отлиты из белых износостойких чугунов марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ в индукционной печи ИЧТ-2,5 (производство Россия). Такой подход обеспечивает комплексный анализ за счет включения образцов как местного, так и зарубежного производства. Химический состав образцов анализировали эмиссионным спектральным методом на спектрометре Spectro-Lab-M (производство Германия). Этот метод обеспечивает точное определение элементарных компонентов, присутствующих в образцах, предоставляя подробные данные о составе, необходимые для оценки свойств и характеристик их материалов. Микроструктурную подготовку проводили на шлифовально-полировальной машине NERIS (производство Латвия). Подготовка заключалась в последовательном шлифовании наждачной бумагой с зернистостью от 180 до 1500 мкм. Затем поверхность была отполирована методом микрошлифовки с использованием пасты Diamond WC. Этот тщательный процесс обеспечивает высококачественную обработку поверхности, необходимую для точного металлографического анализа и оценки микроструктурных характеристик материала. Для выяснения микроструктурных характеристик образцы подвергали травлению раствором реагента, состоящим из 15 мл азотной кислоты, 15 мл соляной кислоты и 15 мл глицерина. Процедура травления проводилась в течение 10 минут при температуре реагента Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 49 Texnika, texnologiya va jihozlar 60-65 °С. Такая химическая обработка способствует усилению структурных особенностей, делая их более отчетливыми и наблюдаемыми при микроскопическом исследовании [22]. Результаты исследования и их анализ. В качестве исследуемого материала были выбраны износостойкие белые чугуны 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ химический состав которых приведен в таблице 1. Таблица 1. Химический состав износостойких чугунов 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ Маркa Элементы, % C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti Cu 280Х29НЛ 2,92 0,51 0,57 0,067 0,032 28,86 1,54 0,057 - 0,2 300Х32Н2М2ТЛ 2,67 1,13 0,57 0,043 0,018 31,58 1,93 0,37 0,3 0,07 Высокохромистые износостойкие белые чугуны марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ относятся к многокомпонентным системам типа Fe–C–Cr–X, в которых формирование структуры определяется закономерностями фазового равновесия и кинетикой кристаллизации. Их структурное состояние характеризуется наличием металлической основы (матрицы) и карбидных фаз различного типа, при этом определяющую роль играют карбиды M₇C₃ и M₂₃C₆. Формирование данных фаз носит температурно-зависимый характер и подчиняется как термодинамическим условиям устойчивости, так и диффузионным механизмам перераспределения элементов. Кристаллизация расплава начинается при температурах порядка 1450–1500°С. На начальной стадии происходит выделение первичных дендритов γ-аустенита. Снижение температуры сопровождается изменением химического состава жидкой фазы вследствие обогащения её углеродом и хромом. При достижении эвтектической температуры (примерно 1250–1200°С) реализуется реакция: L → γ + M₇C₃ где M₇C₃ представляет собой преимущественно (Cr,Fe)₇C₃. В условиях содержания хрома выше 20% именно эта карбидная фаза является термодинамически наиболее устойчивой в высокотемпературной области диаграммы состояния Fe–Cr–C. Образующиеся карбиды M₇C₃ формируют пространственный эвтектический каркас и обладают высокой микротвёрдостью (до 1500–1800 HV), что обусловливает повышенную абразивную износостойкость материала. Морфология карбидов определяется скоростью охлаждения и может быть пластинчатой, игольчатой либо столбчатой. Их объёмная доля в структуре достигает 30–45%, что существенно влияет на механические характеристики. По мере дальнейшего охлаждения (в интервале 1000–800°С) аустенит становится пересыщенным по углероду и хрому. В диапазоне 800–600°С начинается диффузионное выделение вторичных карбидов M₂₃C₆ по реакции: γ (пересыщенный Cr и C) → γ + M₂₃C₆ Фаза M₂₃C₆ (преимущественно (Cr,Fe)₂₃C₆) является более устойчивой в области средних температур и формируется преимущественно по границам зёрен аустенита или вблизи эвтектических карбидов. В отличие от M₇C₃, она образуется диффузионным путём и характеризуется мелкодисперсной морфологией. Выделение M₂₃C₆ способствует дополнительному упрочнению матрицы за счёт дисперсионного механизма, однако избыточное образование данной фазы может привести к локальному снижению пластичности и повышению хрупкости. При дальнейшем понижении температуры до 300–400°С в зависимости от химического состава и скорости охлаждения часть аустенита может превращаться в мартенсит. В результате формируется аустенитная или аустенитно-мартенситная “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 50 Technique, technology and equipment металлическая основа. Данное фазовое превращение дополнительно увеличивает твёрдость и прочность матрицы, усиливая комплексное упрочнение «карбидный каркас + упрочнённая матрица». Для марки 280Х29НЛ основным упрочняющим элементом структуры является эвтектический карбид M₇C₃, тогда как образование M₂₃C₆ зависит преимущественно от условий охлаждения и последующей термической обработки. Структура данной марки характеризуется выраженным эвтектическим карбидным скелетом и относительно стабильной аустенитно-мартенситной матрицей. В марке 300Х32Н2М2ТЛ, содержащей повышенное количество хрома и дополнительные легирующие элементы (Ni, Mo, Ti), фазовые процессы усложняются. Никель стабилизирует аустенит, снижая температуру мартенситного превращения, тогда как молибден повышает карбидообразующую способность системы и способствует формированию более устойчивых карбидных комплексов. Однако при этом в высокотемпературной области основным эвтектическим карбидом остаётся M₇C₃. При последующем охлаждении также возможно образование M₂₃C₆, что усиливает дисперсионное упрочнение структуры. Таким образом, в данной марке реализуется многостадийный механизм упрочнения, включающий эвтектическое образование M₇C₃, диффузионное выделение M₂₃C₆ и мартенситное превращение матрицы. В целом, формирование карбидов M₇C₃ и M₂₃C₆ определяется термодинамическими условиями устойчивости фаз в системе Fe–Cr–C и кинетикой диффузионных процессов при охлаждении. Соотношение этих фаз, их морфология, пространственное распределение и взаимодействие с металлической основой являются ключевыми факторами, определяющими твёрдость, износостойкость, прочность и эксплуатационную надёжность высокохромистых белых чугунов. Для изучения микроструктуры образцов (Рис. 1) применён электронный микроскоп SEM EVO Carl Zeiss MA 10. Рис.1. Структура чугуны, при увеличениях ×2000, а) 280Х29НЛ, б) 300Х32Н2М2ТЛ, Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 51 Texnika, texnologiya va jihozlar В целом, формирование карбидов M₇C₃ и M₂₃C₆ определяется термодинамическими условиями устойчивости фаз в системе Fe–Cr–C и кинетикой диффузионных процессов при охлаждении. Соотношение этих фаз, их морфология, пространственное распределение и взаимодействие с металлической основой являются ключевыми факторами, определяющими твёрдость, износостойкость, прочность и эксплуатационную надёжность высокохромистых белых чугунов. Микроструктурный анализ показал, что структура обеих марок формируется в условиях многостадийной кристаллизации и характеризуется наличием аустенитной металлической основы и карбидных фаз типов M₇C₃, M₂₃C₆ и M₃C. Формирование фаз носит температурно-зависимый характер и определяется как термодинамической устойчивостью карбидов в системе Fe–Cr–C, так и кинетикой диффузионных процессов при охлаждении. Для марки ИЧ300Х32Н2М2ТЛ объемная доля аустенита составляет около 64%. Повышенное содержание никеля стабилизирует γ-фазу и снижает температуру мартенситного превращения, что обеспечивает формирование преимущественно аустенитной или аустенитно-мартенситной матрицы. На стадии эвтектической кристаллизации при температуре порядка 1250–1200°С реализуется реакция L→γ+M₇C₃. Карбиды M₇C₃ образуют относительно мелкодисперсную эвтектическую структуру. Их доля составляет около 12%, однако благодаря равномерному распределению они формируют эффективный карбидный каркас. В интервале температур 800–600°С происходит диффузионное выделение вторичных карбидов M₂₃C₆, объемная доля которых достигает 18%. Эти карбиды локализуются преимущественно по границам зерен и обеспечивают дополнительное дисперсионное упрочнение матрицы. Наличие TiC (образующихся на более ранних стадиях кристаллизации, около 1350–1400°С) способствует измельчению дендритной структуры за счет гетерогенного зародышеобразования. В результате формируется многоуровневая упрочняющая система: эвтектические карбиды M₇C₃ + вторичные M₂₃C₆ + упрочненная аустенитная матрица. Для марки ИЧ280Х29НЛ структура несколько отличается. Объемная доля аустенита составляет около 63%. Карбиды M₇C₃ занимают примерно 20% объема и формируют более выраженный и относительно крупный эвтектический каркас. Более высокая доля M₇C₃ обусловлена меньшим влиянием стабилизирующих элементов и особенностями химического состава. Вторичные карбиды M₂₃C₆ (около 14%) также выделяются при охлаждении в интервале 800–600°С, однако их дисперсность несколько ниже по сравнению с маркой ИЧ300Х32Н2М2ТЛ. Доля цементита M₃C невелика (около 3%), что связано с высоким содержанием хрома, стабилизирующего преимущественно карбиды типа M₇C₃ и M₂₃C₆. Кристаллизация в обеих марках начинается при температуре 1450–1500°С с образования первичных дендритов аустенита. Далее при достижении эвтектической температуры формируется основной упрочняющий карбид M₇C₃. При последующем охлаждении реализуются диффузионные процессы, приводящие к выделению M₂₃C₆. При температурах порядка 300–400°С возможно частичное мартенситное превращение, дополнительно увеличивающее твердость матрицы. Сравнительный анализ показывает, что в структуре ИЧ300Х32Н2М2ТЛ карбиды распределены более равномерно и обладают меньшими размерами, что снижает концентрацию напряжений и повышает структурную стабильность. В ИЧ280Х29НЛ эвтектический карбидный каркас более выражен и крупнее, что обеспечивает высокую твердость, но потенциально повышает склонность к хрупкому разрушению. Таким образом, формирование карбидов M₇C₃ и M₂₃C₆ в данных марках происходит последовательно в процессе кристаллизации и последующего охлаждения. Соотношение их объемных долей, морфология и распределение в аустенитной матрице определяют уровень твердости, износостойкости и эксплуатационной надежности высокохромистых белых чугунов. “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 52 Technique, technology and equipment Выводы. Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы: 1. В обеих марках основную роль в обеспечении износостойкости играет карбид M₇C₃, который формируется на стадии эвтектической кристаллизации и образует карбидный каркас структуры. 2. Вторичные карбиды M₂₃C₆ выделяются при более низких температурах и дополнительно упрочняют металлическую основу за счёт дисперсионного механизма. 3. Марка ИЧ300Х32Н2М2ТЛ отличается более равномерным и мелкодисперсным распределением карбидов, что повышает структурную стабильность и снижает склонность к хрупкому разрушению по сравнению с ИЧ280Х29НЛ. 4. Соотношение аустенитной матрицы и карбидных фаз (M₇C₃ и M₂₃C₆), а также их морфология напрямую определяют уровень твёрдости, износостойкости и эксплуатационной надёжности рассматриваемых чугунов. Библиографический список 1. Гарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М.: Машиностроение, 2010. — 280 с. 2. 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. -Минск: БНТУ, 2019. –Вып. 40. -С. 78-83. 3. А.А. Жумаев, Ю.Н. Мансуров, Дж.Дж. Маматкулов, К.С. Абдуллаев. Фазовые превращения в сплавах железа с углеродом, легированных редкоземельными и переходными металлами. // Черные металлы, № 11 (1067). 2020. – С.22 – 29. 4. А.А. Жумаев, Ю.Н. Мансуров, Дж.Дж. Маматкулов, Г.Д. Улугов. Оптимизация состава и структуры износостойких белых чугунов, используемых в горнодобывающей промышленности. // Черные металлы, № 12 (1068). 2020. – С.4 – 10. 5. А.А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю.Н. Мансуров, Х.И. Ахмедов. Результаты исследования структуры отливок из белых износостойких чугунов. // Черные металлы, № 2 (1082). 2022. – С.4 – 10. Мусурмонов Исомиддин Мусурмон угли – магистрант кафедры «Технология машиностроения» Навоийский государственный университет горного дела и технологий. Рахматова Сабина Фарход кизи – магистрант кафедры «Локализация промышленных производств» Навоийский государственный университет горного дела и технологий. Жумаев Ахмаджон Абдувохидович - доктор философии по техническим наукам, (PhD) доцент кафедры «Технология машиностроения» Навоийского государственного горного технологического университета, Тел.: 97-228-37-57(с), E-mail: ahmadjon_jumayev@mail.ru Жумаева Наргиза Камолжоновна – базовый докторант кафедры «Локализация промышленных производств» Навоийский государственный университет горного дела и технологий. E-mail: jumayevanargiza1994@mail.ru Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 53