CC BY
0TEXNOLOGIYA
УДК: 669.131.2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ БЕЛЫХ ЧУВКОВ (на примере НКМК)
Жумаев Ахмаджон Абдувохидович Навоийский государственный горный и технологический университет (PhD) доцент
ahmadjon jumavev@,mail.ru
Аннотация. Навоийский горно-металлургический комбинат (НГМК) входит в десятку крупнейших золотодобывающих комбинатов мира. Также важно увеличить время работы деталей дробилки, которые считаются важными для добычи золота. На НГМК широко применяются коррозионностойкие белые чугуны марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ. В настоящей работе систематически исследуются белые износостойкие чугуны марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ, уделяя особое внимание детальному сравнению их химического состава и микроструктуры. Микроструктурная характеристика была выполнена с использованием современных методов оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, которые выявили явные различия в распределении карбидов и морфологии между двумя сплавами. Оценка износостойкости показала, что сплав 300Х32Н2М2ТЛ имеет превосходную эксплуатационную характеристику по сравнению со сплавом 280Х29НЛ за счет повышенного содержания хрома и введения дополнительных легирующих элементов. Эти результаты подчеркивают преимущества использования сплавов с высоким содержанием хрома в условиях абразивного износа, предлагая важную информацию для стратегического выбора и оптимизации белого чугуна в промышленных условиях, где повышенная износостойкость и долговечность имеют первостепенное значение.
Аннотация. Navoiy kon-metallurgiya kombinati (NKMK) dunyodagi eng yirik oltin qazib oluvchi 10 ta kombinatdan biri hisoblanadi. Oltin qazib olish uchun muhim hisoblangan maydalagich qismlarining ishlash vaqtini oshirish ham muhimdir. NKMKda 280X29NL va 300X32N2M2TL markali yeyilishga bardoshli oq cho'yanlardan keng foydalaniladi. Ushbu maqolada 280X29NL va 300X32N2M2TL markali yeyilishga bardoshli oq cho'yanlardan tizimli ravishda tahlil qilinib, ularning kimyoviy tarkibi va mikrostruturasi batafsil taqqoslashga alohida e'tibor berilgan. Mikrostrukturaviy tahlil usullari ilg'or optik mikroskop va skanerlash elektron mikroskop usullari yordamida amalga oshirildi, bu ikki qotishma o'rtasida karbid taqsimoti va morfologiyasida aniq farqlarni aniqlandi. Qotishmani yeyilishga bardoshliligini baholash shuni ko'rsatdiki, 300X32N2M2TL qotishmasi xrom miqdori ko'payishi va qo'shimcha qotishma elementlarning kiritilishi tufayli 280X29NL qotishmasiga nisbatan mukammal ishlash ko'rsatkichlariga ega. Ushbu natijalar yuqori xromli qotishmalarni abraziv yeyilishdada qo'llashning afzalliklarini ta'kidlab, oq quyma temirni strategik tanlash va optimallashtirish uchun muhim ma'lumotlarni taqdim etadi, bu yerda yaxshilangan yeyilishga qarshilik va chidamlilik muhim ahamiyatga ega.
Abstract. Navoi Mining and Metallurgical Combine (NMMC) is one of the 10 largest gold producing combines in the world. Also, it is important to increase the working time of crusher parts, which are considered important for gold production. At NMMC, corrosion-resistant white cast irons of the 280X29NL and 300X32N2M2TL brands are widely used. The present study systematically investigates white wear-resistant cast irons of grades 280Х29НЛ and 300Х32Н2М2ТЛ, focusing on a detailed comparison of their chemical compositions and microstructures. Microstructural characterization was performed using advanced optical
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
microscopy and scanning electron microscopy techniques, which revealed distinct variations in carbide distribution and morphology between the two alloys. The wear resistance evaluations demonstrated that the 300Х32Н2М2ТЛ alloy exhibits superior performance attributes, attributed to its elevated chromium content and the incorporation of additional alloying elements, when compared to the 280Х29НЛ alloy. These findings underscore the advantages of employing higher-chromium alloys in abrasive wear conditions, offering critical insights for the strategic selection and optimization of white cast irons in industrial contexts where enhanced wear resistance and durability are paramount.
Калит сузлар: karbid faza, abraziv yeyilish, yuqori xromli oq cho'yan, kimyoviy tarkib, mikrostruktura, yeyilishga bardoshliligi, qattiqlik, kristallanish.
Ключевые слова: карбидная фаза, абразивное изнашивание, высокохромистый чугун, химический состав, микроструктура, износостойкость, твердость, кристаллизация.
Key words: carbide phase, abrasive wear, high chromium cast iron, chemical composition, microstructure, wear resistance, hardness, crystallization.
С каждым годом эксплуатационные условия машин и механизмов, функционирующих в абразивных и гидроабразивных средах, становятся все более жесткими, что обуславливает повышение требований к материалам, используемым для изготовления литых деталей таких устройств. Современные белые износостойкие чугуны представляют собой высоколегированные многокомпонентные сплавы, отличающиеся сложной структурой и разнообразными свойствами. Эти материалы характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, что связано с присутствием карбидных фаз и легирующих элементов, таких как хром, вольфрам и ванадий. Белые износостойкие чугуны предназначены для эксплуатации в экстремальных условиях, где применение традиционных материалов не обеспечивает необходимую долговечность и надежность. В статье детально рассматриваются ключевые аспекты улучшения эксплуатационных характеристик данных чугуний, включая анализ их химического состава, микроструктурные особенности, а также влияние различных легирующих элементов на устойчивость к абразивному и гидроабразивному износу [1-4]. Белые износостойкие чугуны представляют собой специализированный класс промышленных сплавов, отличительной особенностью которых является образование карбидной фазы при затвердевании. Эта карбидная фаза, преимущественно включающая карбиды хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, определяет высокую твердость и износостойкость данных материалов [5-8]. В условиях интенсивного абразивного воздействия белые износостойкие чугуны часто являются единственным материалом, способным обеспечить надежную и долговечную эксплуатацию различных технических систем. В современном литейном производстве Навоийского машиностроительного завода ежемесячно изготавливается более 117 тонн литых изделий из высокохромистого белого чугуна [9-13]. Тем не менее, остается нерешенным вопрос оптимального выбора материалов для производства различных литых деталей, применяемых в шнековых классификаторах, колесах, крышках и корпусах шлаковых насосов, импеллерах флотационных машин и других компонентах оборудования гидрометаллургических заводов [13-17]. Определение наиболее оптимальных сплавов для указанных применений требует тщательного анализа их химического состава, микроструктурных характеристик и эксплуатационных свойств. Это критически важно для обеспечения надежности и долговечности изделий в условиях значительных механических нагрузок и интенсивного абразивного износа. В статье рассматриваются существующие проблемы, связанные с выбором материалов для вышеупомянутого оборудования, и предлагаются пути их решения с учетом современных требований к эксплуатационным характеристикам и
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
технологическим параметрам [18-22].
Методы исследований и использованные материалы. Дробилка модели KEV 96 эксплуатируется в абразивной среде в условиях сухого трения, так как представляет интерес к исследованию износостойкости наиболее распространенных чугунов в этих условиях. Изучена износостойкость и механические свойства следующих трех разных марок хромистых чугунов: 300Х32Н2М2ТЛ и 280Х29НЛ. Составы исследованных чугунов представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Составы чугунов, предназначенных для изготовления питающие диски
№ Марка чугуна Содержание химических элементов, % по массе
С Si Cr Mo Ni Ti P S
1 300Х32Н2М2ТЛ 2,60 1,2 32,0 1,7 2,1 0,4 0,067 0,032
2 280Х29НЛ 2,82 0,6 28,23 - 1,5 - 0,062 0,030
Образцы чугунов для испытаний отливали в земляные формы. Износостойкость изучали в режиме сухого трения. Хромистый чугун 280Х29НЛ был выбран как наиболее распространенный износостойкий чугун в Республике Узбекистан. Комплексно-легированный никелем, молибденом и титаном чугун 300Х32Н2М2ТЛ обладает оптимальными механическими свойствами, который хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, в частности, при изготовлении детали «питающие диски номер 5233.00.009» турбодробилки двойного удара модели KEV 96. Температура плавки составила 1400 °С и выбрана поскольку данная температура превышает температуру полного перехода сплава в жидкое состояние на 150 - 200 градусов. Температура литья составила 1380 °С, и 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 с применением литейных холодильников 202 °С/минуту. Рафинирование сплавов не проводили, очистку поверхности расплава от шлаков проводили в течение 5 -10 минут после снижения температуры расплава до температуры литья.
Результаты исследования и их анализ. Высокохромистые белые чугуны, обладающие уникальными эксплуатационными характеристиками, представляют собой специализированные сплавы, в микроструктуре которых присутствуют легированные карбиды железа и карбиды легирующих элементов. Эти сплавы обеспечивают выдающуюся износостойкость, особенно в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Основной особенностью таких материалов является то, что карбидные фазы, формирующиеся в процессе затвердевания, играют решающую роль в определении их эксплуатационных свойств. Количество карбидов в структуре высокохромистого белого чугуна возрастает с увеличением содержания углерода, что напрямую связано с процессом их образования. Тип карбидов, образующихся в сплаве, определяется соотношением содержания хрома и углерода. Максимальная износостойкость в высокохромистых белых чугунах достигается при содержании углерода, соответствующем эвтектическому составу, при котором формируются карбиды типа (Сг, Fe)7Cз. Карбиды, образующиеся в высокохромистых белых чугунах, благодаря своей высокой твердости и стабильности, значительно увеличивают износостойкость материала. Существенным является то, что соотношение хрома и углерода должно быть оптимизировано таким образом, чтобы предотвратить образование карбидов типа (Сг, Fe)зC, которые обладают менее выраженными износостойкими свойствами и могут негативно повлиять на эксплуатационные характеристики чугуна. Результаты проведенного анализа показали, что общее количество карбидов в исследованных
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
образцах белых чугунов составляет 34,61% для образца К1 и 32,56% для образца К2. Эти данные свидетельствуют о том, что увеличение содержания карбидов в структуре чугуна способствует улучшению его эксплуатационных характеристик. Таким образом, выбор химического состава и оптимизация технологического процесса, направленные на достижение необходимого соотношения хрома и углерода, являются ключевыми факторами для обеспечения высокой износостойкости высокохромистых белых чугунов в условиях абразивного изнашивания.
Трещины и выкрашивание карбидных включений в высокохромистых белых чугунах приводят к снижению износостойкости материала, поскольку нарушают целостность карбидных фаз и способствуют их разрушению. В то время как крупные карбидные включения подвержены растрескиванию и выкрашиванию, что приводит к значительному ухудшению эксплуатационных свойств, мелкие карбидные включения имеют меньшую склонность к разрушению. Это связано с их способностью передавать часть механических напряжений на металлическую матрицу, что способствует более равномерному распределению напряжений и снижению концентрации стрессов в отдельных карбидных фрагментах. Следовательно, мелкие карбиды менее подвержены выкрашиванию и трещинообразованию, что способствует сохранности карбидной фазы и улучшению уровня износостойкости материала. В условиях абразивного изнашивания, характеризующихся высокой скоростью, твердостью, остроугольностью и массой абразивных частиц, необходимо уменьшение размеров карбидных включений в высокохромистых белых чугунах. В таких экстремальных условиях абразивные частицы создают значительные механические напряжения, которые эффективно передаются на карбидные фазы и металлическую матрицу материала. Это требует уменьшения размеров карбидов, чтобы предотвратить их разрушение и обеспечить более эффективное распределение напряжений. В контексте менее агрессивных эксплуатационных условий, где абразивные частицы имеют меньшую скорость и твердость, допустимо использование более крупных карбидных включений. В таких случаях крупные карбиды могут быть интегрированы в структуру материала с меньшими потерями в его износостойкости.
Таким образом, оптимизация размера карбидных включений в высокохромистых белых чугунах требует тщательного учета условий эксплуатации и характеристик абразива, чтобы обеспечить наилучшие эксплуатационные свойства материала. Для изучения микроструктуры образцов применён электронный микроскоп SEM EVO Carl Zeiss NA 10.
Рис.1. Структура чугуна 280Х29НЛ, при увеличениях х500, х2000.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
Рис.2. Структура чугуна 300Х32Н2М2ТЛ, при увеличениях х500, х2000.
В условиях ударно-абразивного изнашивания, размеры, количество и ориентация карбидных фаз в структуре высокохромистых белых чугунов оказывают значительное влияние на их эксплуатационные характеристики. В данных условиях критически важным является прочность связи карбидов с металлической матрицей, а также их способность эффективно распределять энергию ударов абразивных частиц. Обнаружена прямая зависимость между износостойкостью высокохромистых чугунов и не только их твердостью, но и ориентацией карбидов типа (Сг, Fe)7Cз относительно поверхности детали, подвергаемой изнашиванию. Эта зависимость подчеркивает важность оптимального распределения и ориентации карбидных фаз для обеспечения максимальной эффективности защиты материала от ударного и абразивного износа.
Выводы.
Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Белые высокохромистые чугуны марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ, производимые на литейном участке ПО НМЗ, характеризуются составом, близким к эвтектическому, что обусловливает их высокие износостойкие свойства. Однако, в процессе эксплуатации выявлена склонность этих сплавов к хрупкому разрушению, сопровождаемому выкрашиванием материала. В зонах повышенного износа обнаружены фрагменты выкрашивания и серого цвета сульфидные включения, что свидетельствует о негативном влиянии серы на износостойкость сплава.
2. Наличие сульфидов железа, образующихся при повышенном содержании серы в сплаве, вызывает структурные дефекты в высокохромистых чугунах. Эти сульфиды, окружающие карбидные фазы, способствуют неравномерному износу материала. Серые сульфидные включения, обнаруживаемые в местах, где процесс выкрашивания еще не завершен, подтверждают их присутствие и подчеркивают их отрицательное влияние на эксплуатационные свойства чугуна.
3. Карбидные включения в исследуемых белых чугунах демонстрируют значительные колебания размеров, варьирующие от 8,6 мкм до 31 мкм. Такая вариация в размерах карбидов оказывает влияние на распределение напряжений в материале, что, в свою очередь, определяет его общую износостойкость. Крупные карбиды могут способствовать усиленному износу при агрессивных эксплуатационных условиях, в то время как мелкие карбидные включения обеспечивают более равномерное распределение нагрузок и способствуют улучшению стойкости материала.
ЛИТЕРАТУРA
1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М.: Машиностроение, 2010. — 280 с.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
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. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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
15. 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.
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. А. А. Жумаев, Ю. Н. Мансуров, Куликов В.Ю., Х.И. Ахмедов. Легирование
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
чугунов марок 280Х29НЛ и 330Х17Л с целью повышения их качества. // Черные металлы, № 2 (1094). 2023. - С.4 - 9.
19. Н.И. Урбанович, К.Э. Барановский, В.Г. Дашкевич, А.А. Жумаев. Исследование влияния технологических параметров термодиффузионного цинкования в системе ZnoTx-A12O3 на свойства и микроструктуру покрытия. // Литье и Металлургия. -Минск, 2024. -№ 1. -С. 78-82.
20. А. А. Жумаев. Результаты сравнительных исследований износостойкого белого чугунов. // Механика и технология. -Namangan, 2024. -№ 3. -C. 75-83.
21. А. А. Жумаев. Повышение механических и эксплуатационных свойств износостойких белых чугунов. // Механика и технология. -Namangan, 2023. -№ 1. -C. 5965.
22. А. А. Жумаев. Ейилишга бардошли ок чуянларни механик хоссалари ва структурасини яхшилаш усулларини тадкик килиш. // Механика и технология. -Namangan, 2023. -№ 4. -C. 23-29.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
