Obrabotka Metallov 2015 No. 4

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 4 (69) 2015 75 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3 . Распределение размеров медьсодержащих частиц в заэвтектоидной стали, содержащей 8,97 мас. % Cu Рис. 4. Влияние содержания меди на микротвер- дость перлита и твердость по Бринеллю заэвтекто- идной стали фазы ε-Cu, выделяющихся из ферритной матри- цы в результате изменения растворимости меди в α-железе Fe (рис. 1, а ). В связи с относительно большим размером атомов меди по сравнению с железом, их диффузия в решетке железа крайне затруднена. По этой причине выделяющиеся из феррита частицы, содержащие медь, являются наноразмерными (частицы первого типа) [1]. В сплавах с 2,1…7 % Cu зафиксированы два типа медьсодержащих включений. Нанораз- мерные частицы (первого типа) располагают- ся в ферритных промежутках перлита, а более крупные (второго типа) – по границам бывшего зерна γ-Fe (рис. 1, б ). Причина формирования крупных частиц заключается в уменьшении рас- творимости меди в γ-Fe при охлаждении спла- ва. Образуются они в интервале температур 1094…850 °С. Средний размер частиц ε-Cu вто- рого типа составляет 1…2 мкм ( 3 на рис. 2, б , г ). При определенных условиях такие включения выстраиваются в цепочки по границам бывшего аустенитного зерна (рис. 2, б ). Увеличение содержания меди способствует измельчению феррито-цементитной смеси. Это связано, вероятно, с тем, что медь оказывает влияние на скорость кристаллизации железо- углеродистых сплавов, которая, в свою очередь, связана с повышением теплопроводности рас- плава [16]. Диаграмма Fe-Cu-С [14, 15] предполагает появление в структуре сплавов, содержащих от 4,5 до 11 % меди, включений ε-Cu третье- го типа, схематически представленных на рис. 1, в . Предполагается, что их образование проис- ходит в диапазоне температур от 1320 до 1094 °С посредством диффузии атомов меди из γ-Fe. В данном температурном диапазоне частицы ε-Cu находятся в жидком состоянии. При ох- лаждении сплава до 1094 °С эти включения кри- сталлизуются. Кроме меди, в составе включений присутствуют также железо и алюминий. На рис. 3 показано распределение размеров включе- ний ε-фазы, полученное при анализе результатов оптической металлографии стали, содержащей 8,97 % Cu. Средний размер включений третьего типа составляет ~25 мкм ( 3 на рис. 2, в ). Введение меди в заэвтектоидную сталь при- водит к изменению микротвердости сплавов. В частности, с повышением содержания меди до 3 % микротвердость перлита возрастает с 380 до 430 HV (рис. 4). При этом твердость за- эвтектоидной стали по Бринеллю увеличивается с 340 до 390 НВ. Дальнейшее повышение кон- центрации меди существенного влияния на ми- кротвердость перлита и твердость стали по Бри- неллю стали не оказывает. Основной причиной увеличения значений микротвердости перлита является выделение наноразмерных медьсодер- жащих включений [1, 7–10]. На рис. 5 показана зависимость износостой- кости заэвтектоидной стали в условиях трения скольжения от содержания в ней меди. Полу- ченные данные сравнивали с результатами ис- пытаний материалов, широко используемых в тяжело нагруженных узлах трения: бронзы БрА9Ж3Л, близкой по составу к медьсодержа- щим включениям, и антифрикционного чугуна АЧС-1. Уровень износостойкости стальных об-