CC BY
10УДК 669.131.2
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ
Жумаев Ахмаджон Абдувохидович Навоийский государственный горный и технологический университет, (PhD) доцент,
ahmadjonjumayev@,mail.ru, Тел.+99897-228-37-57
Аннотация. Маколада ейилишга бардошли юкори хромли ок чуянлардан тайёрланган деталларнинг хизмат килиш муддатини ошириш мухокама килинади. ^отишманинг тезрок совиши натижасида аустенитнинг металл асосда парчаланиши яхширок содир булади, структурадаги карбид фазалари (M3C - M23C6) металл асосга мустахкам богланганлигини куриш мумкин. Металл колипларга куйиш натижасида олинган кисмларнинг ейилишга бардошлилигининг ошиши курсатилган, бу деталларнинг технологик параметрларини ошириш, котишмани хром билан оркали легирлаш йули билан эришилади.
Аннотация. В статье рассматривается повышение ресурса работы деталей из износостойких высокохромистых белых чугунов. В результате более быстрого охлаждения сплава лучше происходит распад аустенита на металлической основе, при этом карбидные фазы (М3С - М23С6) в структуре прочно связаны с металлической основой. Показано увеличение износостойкости деталей, полученных литьем в металлические формы, которое достигается изменениям технологических параметров литья, а также легированием чугунов хромом.
Annotation. The article discusses the increase in the service life of parts made of wear-resistant high-chromium white cast irons. As a result of faster cooling of the alloy, the decomposition of austenite on a metal base occurs better, while the carbide phases (M3C -M23C6) in the structure are firmly bonded to the metal base. An increase in the wear resistance of parts obtained by casting into metal molds is shown, which is achieved by changing the technological parameters of casting, as well as by alloying cast irons with chromium.
Калит сузлар. Ейилишга бардошли ок чуян, карбид фаза, юкорилегирланган чуян, образив ейилиш, хромли чуян, структура, кимёвий таркиб, микроструктура, ейилишга бардошлилик, каттиклик, кристалланиш, микрокаттиклик.
Ключевые слова: износостойкий белый чугун, карбидная фаза, высоколегированный чугун, абразивный износ, хромистый чугун, структура, химический состав, микроструктура, износостойкость, твердость, кристаллизация, микротвердость.
Key words. wear-resistant white cast iron, carbide phase, high-alloy cast iron, abrasive wear, chromium cast iron, structure, chemical composition, microstructure, wear resistance, hardness, crystallization, microhardness.
В настоящее время износостойкие белые чугуны - это многокомпонентные сплавы, число легирующих элементов в которых достигает десяти и более. Соответственно, структура высоколегированных чугунов содержит множество структурных составляющих, кристаллизующихся в процессе литья. Как показали результаты исследований [1-4], эксплуатационные свойства белых чугунов, в том числе повышенную износостойкость, обеспечивают фазы, образуемые углеродом (карбидные фазы), кристаллизующиеся в процессе охлаждения слитка. Карбиды, их ориентация, обеспечение типа карбидов из сложного многообразия их видов из-за повышенного количества легирующих элементов, создают значительные трудности процесса производства и
последующей эксплуатации отливок. Параметры затвердевания названного типа чугунов влияют на эксплуатационные свойства в значительно большей степени, чем в других литейных сплавах [5-8]. Поэтому определение рациональных технологических приемов изготовления отливок из белых износостойких чугунов имеет столь же важное значение, что и выбор состава сплава [9-10].
Обеднение руд, уменьшение их количества приводит к ужесточению добычи полезных ископаемых. Для обеспечения горно-металлургических комбинатов сырьем необходимы материалы с высоким уровнем эксплуатационных свойств, особенно износостойкостью для изготовления деталей машин горного оборудования, которые работают в различных абразивных средах. В этой связи повышаются требования к материалам типа белых чугунов, из которых изготавливают литые детали трущихся частей горнодобывающего оборудования [11-14]. Для повышения срока эксплуатации трущихся деталей, обеспечения требуемого уровня их механических и эксплуатационных свойств белые чугуны легируют переходными металлами, редкоземельными элементами. Наиболее часто используют добавки хрома, никеля, ванадия, марганца, вольфрама, кобальта [15-16].
В настоящее время из-за большого разнообразия условий эксплуатации деталей из белых износостойких чугунов (разная твердость, морфология и размер частиц обрабатываемых материалов; различные режимы работы оборудования и скорости воздействия абразивного материала на детали) [17 - 20], остро стоит задача выбора оптимального состава белого чугуна (по стоимости и износостойкости) и технологии литья деталей из него. Открытым остается вопрос разработки состава ИЧХ [21-23] и технологии изготовления литых деталей для оборудования горнодобывающей промышленности (шаровых мельниц, деталей центробежных измельчителей и др.)
Методы исследования и использованные материалы.
В качестве исследуемого материала были выбраны износостойкие белые чугуны 280Х29НЛ и 300Х32М2Н2ТЛ. Данные чугуны применяются для отливок горнообогатительного оборудования, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (питающие диски, подложки, плиты для дробилок).
Для определения механических свойств образцов сплава использовали электроразрядный станок ДМ 80 Согтак, применяемый на Навоийском машиностроительном заводе, изготавливаемый в США на основании ГОСТ 1497-84.
Для проведения исследований отлиты образцы (Рис. 3.) из белых износостойких чугунов марки 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ на индукционной печи ИЧТ-2,5 (пр-во Россия).
Для выявления структуры образцы подвергнуты травлению реактивом следующего состава: 15 мл азотной кислоты, 15 мл соляной кислоты и 15 мл глицерина. Время травления 10 мин., при температуре реактива 60°С [8-9].
Рисунок 1. Образцы белых износостойких чугунов. 1-280Х29НЛ, 2-300Х32Н2М2ТЛ.
Для изучения микроструктуры образцов изучали на микроскопе марке OLYMPUS BX53. Для измерения твердости по HRC использовался твердомер ТК-2М и для измерения твердости по HV использовался твердомер ПМТ - 3М.
Химический состав отливок, приготовленных в промышленных условиях, определены эмиссионным спектральным методом на приборе Spectro-Lab -M (пр-во Германия).
Микрошлифы подготовили на шлифовально-полировальном станке «НЕРИС» (пр-во Латвия). Для шлифовки образцов применены шлифовальные шкурки зернистостью от 180 до 1500 мкм. Полировка поверхности микрошлифов произведена с помощью алмазной пасты ASM зернистостью 1/0, 2/1 и 3/2 [10-12].
Таблица 1.
Составы чугунов, предназначенных для изготовления наковальни
№ Марка чугуна Содержание химических элементов, % по массе
С Si Cr Mo Ni Ti P S
1. 280Х29НЛ 2,55 < 1,5 28,0 - 0,6 1 < 0,1 < 0,1
2. 300Х32Н2М2ТЛ 2,60 < 2,0 32,0 1,7 0,6 2,2 < 0,1 < 0,1
Образцы чугунов для испытаний отливали в земляные формы. Износостойкость изучали в режиме сухого трения. Хромистый чугун 330Х17Л был выбран как наиболее распространенный износостойкий чугун в Республике Узбекистан. Комплексно-легированный никелем, молибденом и титаном чугун 300Х32Н2М2ТЛ обладает оптимальными механическими свойствами, хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, в частности, при изготовлении детали «наковальня» дробилки модели KEV 96. Легированный никелем чугун 280Х29НЛ обладает хорошими механическими свойствами, хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, при изготовлении детали «наковальня» дробилки модели KEV 96 [13-18].
Для изготовления сплавов использовали индукционную печь объемом 2,5 т., шихтовые материалы следующего состава: чушковый чугун в количестве 400 кг, феррохром (марка ФХ 100А) 300 кг, никель - от 1 до 2 кг в зависимости от состава конечного сплава, ферромарганец - от 3 до 5 кг и электробой до 5 кг. Температура плавки составила 1400 °С. Выбранная температура превышает температуру полного перехода
сплава в жидкое состояние на 150 - 200 градусов. Температура литья составила 1380 °С, которая выбрана на основании практики литья и с целью снижения объема полной литейной усадки.
Скорость охлаждения сплавов при литье в землю составила 100 °С/минуту, при литье в металлическую изложницу 235 °С/минуту. Рафинирование сплавов не проводили, очистку поверхности расплава от шлаков проводили в течение 5-10 минут после снижения температуры расплава до температуры литья. Механические свойства сплавов определяли по ГОСТ 1497-84. Структуру сплавов изучали на микроскопе марке SEM EVO Carl Ziess NA 10 при увеличениях х500, х2000 и х5000
Результаты исследования и их анализ. Основной особенностью высокохромистых белых чугунов является наличие в микроструктуре легированных карбидов железа и карбидов легирующих элементов, обеспечивающих высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания. Количество карбидов в структуре чугуна тем больше, чем выше содержание углерода. Тип образующихся карбидов определяется соотношением содержаний хрома и углерода в чугуне. При этом максимальную износостойкость имеют чугуны, содержание углерода в которых соответствует эвтектическом, а соотношение хрома и углерода обеспечивает образование карбидов типа (Cr, Fe)7C3 и отсутствие карбидов типа (Cr, Fe)3C.
Увеличение размеров карбидных включений снижает износостойкость чугуна. Степень влияния размеров карбидов зависит от условий изнашивания и характеристики абразива, что связано с влиянием этих факторов на формирование напряжений в карбидах и на распределение напряжений между карбидом и металлической основой. Крупные карбидные включения (особенно в мягкой матрице) растрескиваются и выкрашиваются под действием напряжений, создаваемых абразивной частицей, и деформаций основы. Мелкие - передают часть напряжений на металлическую основу и не разрушаются. В относительно «мягких» условиях в чугуне допустимы более крупные карбиды, в более «жестких» по скорости, твердости, остроугольности, массе абразива допустимый размер карбид овуменьшается.
Рис.2. Структура чугуна 280Х29НЛ, при увеличениях х500, х2000.
Для изучения микроструктуры образцов применён электронный микроскоп SEM EVO Carl Zeiss NA 10.
В частности образцы чугуна марки 280Х29НЛ, имеют в своем составе повышенное содержание серы. Сульфиды железа, образующиеся при повышенной содержании серы, охрупчивает сплав и износ проходит с выкрашиванием карбидов.
Влияние размеров, количество и ориентации карбидов в структуре чугуна особенно существенно в условиях ударно-абразивного изнашивания. В этих условиях большое значение имеет прочность связи карбидов с матрицей и их способность равномерно распределять энергию удара абразивной частицы.
Рис.3. Структура чугуна 300Х32Н2М2ТЛ, при увеличениях х500, х2000.
Обнаружена зависимость износостойкости высокохромистых чугунов не только от твердости, но и от ориентации карбидов типа (Cr, Fe)7C3 по отношению к изнашиваемой поверхности детали.
Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Белый высокохромистый чугун марки 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ отливаемые в литейном производстве ПО НМЗ имеет состав близкий к эвтектическому, но склонен к хрупкому выкрашиванию. При больших увеличениях в металлической основе обнаруживаются места выкрашивания, а где выкрашивание ещё не прошло, хорошо видны сульфиды серого цвета.
2. Размеры карбидов исследуемых чугунов изменяются в широких пределах от 8,6 мкм до 31 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М.: Машиностроение, 2010. — 280 с.
2. Kopycinski, D., Piasny, S. Influence of tungsten and titanium on the structure of chromium cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2012, No 12(1), - Р 57-60.
3. 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.
4. U. Pranav, M. Agustina, F. Mucklich. 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. Eff ect 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 Compd. 2017. Vol. 723. - P. 611619.
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. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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
14. 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.
15. Ying Z and 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: 409-416.
16. 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.
17. А.А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю.Н. Мансуров. Анализ микроструктуры износостойких хромистого чугунов после термической обработки // Литье и Металлургия. -Минск, 2021. -№ 1. -С. 142-148.
18. Fava, A.; Montanari, R.; Richetta, M.; Varone, A. Analysis of Relaxation Processes in HNS Due to Interstitial-Substitutional Pairs. Metals 2017, 7, 246.
19. 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, 7, 94.
20. Kh. Abdel-Aziz, M.El-Shennawy, Adel A.Omar. Microstructural characteristics and mechanical properties of heat-treated high chromium white cast iron alloys. International Journal of Applied Engineering Research. Vol. 12, Number 14 (2017) pp. 4675-4686.
21. 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. Met. Sci Heat Treat. 2017, 59, 24-29.
22. Ko, J.Y.; Hong, S.I. Microstructural evolution and mechanical performance of carbon-containing Fe-Co-Cr- Mn-Ni-C high entropy alloys. J. Alloy. Compd. 2018, 743, 115-125.
23. 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 Mater. 2016, 111, 3946.
