CC BY
1УДК: 669.131.2
ЕЙИЛИШГА БАРДОШЛИ ОЦ ЧУЯНЛАРНИ МЕХАНИК ХОССАЛАРИ ВА СТРУКТУРАСИНИ ЯХШИЛАШ УСУЛЛАРИНИ ТАЛЦИЦ ЦИЛИШ
Жумаев Ахмаджон Абдувохидович Навоийский государственный горный и технологический университет, (PhD) доцент
[email protected]. (+998)97-228-37-57
Аннотация: Бу маколада 280Х29НЛ ва 300Х32Н2М2ТЛ маркали юкори легирланган ок чуянлар урганилган. Ишлаб чикариш микёсида утказилган тажрибалар асосида котишмада мавжуд элементларнинг ажралиши тадкик килинган. Термик ишлов беришдан олдин ва кейин деталларнинг микроструктураси ва каттикликлари тах,лил килинган. Бундан ташкари, термик ишлов бериш натижасида куймаларнинг ишкаланишга бардошлилик хоссаси ошиши урганилган.
Аннотация: В работе исследованы высокохромистые чугуны 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ. Определена сегрегация растворенных веществ по всей отливке изготовленной в промышленных масштабах. Охарактеризована микроструктура и связанная с ней твердость полуфабрикатов и изделий до и после термообработки. Кроме того, тщательно исследован абразивный износ термообработанного литья.
Abstract: In this study, a high-chromium 280X29NL and 300X32N2M2TL cast irons were investigated. The segregation of solutes throughout the casting produced in industrial scale was determined. The microstructure and the associated hardness of semi-final and products before after heat treatments were characterized. Moreover, abrasion wear of heat treated casting were thoroughly investigated.
Калит сузлар: Ейилишга бардошли чуян, карбид фаза, образив ейилиш, юкори легирланган ок чуян, феррокотишма, структура, кимйвий таркиб, карбид, микроструктура, каттиклик.
Ключевые слова: Износостойкий чугун, карбидная фаза, абразивный износ, высокохромистых белый чугун, ферросплав, структура, химическая состав, карбид, микроструктура, hardness.
Key words: wear-resistant cast iron, heat treatment, microstructure, abrasive wear, chemical composition, carbide.
Современные белые износостойкие чугуны - сложнолегированные многокомпонентные сплавы с большим разнообразием структуры и широким диапазоном свойств. Карбидная фаза, формирующаяся при затвердевании отливки, определяет специфические свойства белых износостойких чугунов, однако она же создает значительные трудности в производстве и эксплуатации этих сплавов [1-4].
Параметры затвердевания белых легированных чугунов влияют на эксплуатационные свойства в значительно больш степени, чем в других литейных сплавах. Поэтому определение рациональных технологических приемов изготовления отливок из белых износостойких чугунов, по существу, имеет столь же важное значение, что и выбор состава сплава [5-8].
Основное свойство белых чугунов, определяющее их все возрастающее применение, - высокая стойкость в условиях абразивного изнашивания [9-10].
С каждым годом ужесточаются условия эксплуатации машин, которые работают в абразивных и гидроабразивных средах. В этой связи повышаются требования к материалам, из которых изготавливают литые детали таких машин и механизмов [12-14].
Открытым остается вопрос выбора материалов и для изготовления литых деталей шнековых классификаторов, колес, крышек и корпусов багорных, Песковых и шлаковых насосов, импеллеров флотационных машин и деталей иного оборудования обогатительных фабрик, шаровых мельниц, лопаток дробеметных аппаратов и др. [15-16].
В настоящее время в литейном производстве Навоийского машиностроительного завода производится более 120 тонн в месяц литых отливок из высокохромистого белого чугуна [17-18].
Материалы и методы исследования. В качестве исследуемого материала были выбраны износостойкие белые чугуны 280Х29НЛ, 300Х32М2Н2ТЛ и 330Х17Л. Данные чугуны применяются для отливок горно-обогатительного оборудования, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (питающие диски, подложки, плит для дробилок).
Для проведения исследований отлиты образцы (Рис. 1.) из белых износостойких чугунов марки 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ на индукционной печи ИЧТ-2,5 (пр-во Россия).
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 шлифовальный шкурки зернистостью от 180 до 1500 мкм. Полировка поверхности микрошлифов произведены с помощью алмазной пасты ASM зернистостью 1/0, 2/1 и 3/2.
Рисунок 1. Образцов белых износостойких чугунов. 1- 280Х29НЛ, 2 - 300Х32Н2М2ТЛ
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.
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.
Результаты и их обсуждение.
Усредненные результаты изучения химического состава белых чугунов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов
Марки сплавов Элементы, %
С 81 Мп Р 8 Сг N1 Мо Т1 Си
280Х29НЛ 2,82 0,51 0,57 0,067 0,032 28,86 1,54 0,057 - 0,2
300Х32Н2М 2ТЛ 2,67 1,13 0,57 0,043 0,018 31,58 1,93 0,37 0,2 0,07
Анализ табл. 1. показывает, что составы полученных сплавов соответствуют требованиям стандартов.
Появление мартенсита в эвтектике наряду с карбидами & должно существенно повысить износостойкость высокохромистого чугуна. Рассмотрим влияние хрома и углерода на структуру и свойства белого чугуна. Содержание хрома в лабораторных и опытно-промышленных плавках чугуна изменяли от 29 до 17 %, а углерода - от 2,7 до 3,3 %. В зависимости от содержания углерода и хрома в структуре белых чугунов формируются карбиды различных типов: цементитного типа - при содержании до 7 % Сг, тригональные (М7С3) - при содержании более 10 % Сг и кубические (М23С6) - при отношении >10. В ранее выполненных исследованиях отмечалась высокая
износостойкость карбидов кубического типа (М23С6), для которых характерна более высокая твердость, чем для карбидов тригонального типа, и более высокая степень соответствия их кристаллической решетки решетке матрицы.
а чугуна 280Х29НЛ, при увеличениях х500.
Рисунок 3. Структура чугуна 300Х32Н2М2ТЛ, при увеличениях *500.
Однако для получения таких свойств необходимо высокое содержание в чугуне хрома, вследствие чего чугун становится нетехнологичным и при этом не обеспечивается необходимая конструктивная прочность отливок.
Кроме того, при формировании карбидов типа М23С6 вместо М7С3 количество карбидной фазы резко уменьшается, что оказывает отрицательное влияние на
износостойкость чугуна.
В связи и этим верхний предел содержания хрома в исследуемых плавках был ограничен и составлял 18-20 %.
Таблица 2.
Марки чугунов Твердость, HRC Структура и микродвердость, МПа
Твердость на поверхности в литом состоянии HRC Твердость в сердцевине в литом состоянии HRC
280Х29НЛ 50-51 45-46 Аустенит-550
300Х32Н2М2ТЛ 56-57 52-53 Аустенит-595
При этом твердость по Роквеллу была определена на поверхности и сердцевине детали, поскольку ее габариты позволили предполагать наличие градиента скорости охлаждения по сечению детали в процессе кристаллизации.
Микроструктура высокохромистых чугунов в литом состоянии представлена аустенит-мартенсит металлической матрицей и эвтектическими колониями на базе карбида хрома М3С и М7С3, имеющих розеточную морфологию (рис. 2).
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. Структур сплавов изучали на микроскопе марке OLYMPUS BX53 при увеличениях х200, х1000 (рис. 4\__
Рисунок 4. Структура чугуна 280Х29НЛ, при увеличениях *200, *1000.
Рисунок 5. Структура чугуна 300Х32Н2М2ТЛ, при увеличениях х200, х1000
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, остроугольной, массе абразива допустимый размер карбидов уменьшается.
В частности образцы чугуна марки 280Х29НЛ, имеют в своем составе повышенное содержание серы. Сульфиды железа, образующиеся при повышенной содержании серы, окручивает 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.
Обнаружена зависимость износостойкости высокохромистых чугунов не только от твердости, но и от ориентации карбидов типа (Cr, Fe)7C3 по отношению к изнашиваемой поверхности детали.
Выводы.
Исследованы условия образования карбидов белого чугуна в зависимости от химического состава сплава. Изучены пути увеличения количества карбидов и методы их ориентирования.
Проведен анализ микроструктуры ковкого белого чугуна марок 280Х29НЛ и 300Х32Н2М2ТЛ, Форма, размер и количество образующихся в структуре сплава карбидных фаз М7С3 и М23С6 оказывают существенное влияние на механические и эксплуатационные свойства сплава.
ЛИТЕРАТУРА
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. Барановский К.Э., Мансуров Ю.Н., Жумаев А.А., Улугов Г.Д. Повышение ресурса работы деталей центробежных дробилок «CEMKO KEV 96» за счет ускоренного охлаждения отливок / Сборник трудов XV Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительство и энергетики. Том 1. - 2019, Минск, БНТУ - С. 72-75.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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
16. 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.
17. 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.
18. А.А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю.Н. Мансуров. Анализ микроструктуры износостойких хромистого чугунов после термической обработки // Литье и Металлургия.
^инск, 2021. -№ 1. -С. 142-148.
