CC BY
3TEXNOLOGIYA
УДК: 669.131.2
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИТЕЙНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ
Жумаев Ахмаджон Абдувохидович Навоийский государственный горный и технологический университет (PhD) доцент
ahmadjon [email protected]
Аннотация. В статье представлены комплексные результаты испытаний на износостойкость высокохромистых белых чугунов различного состава, полученных при различных скоростях охлаждения. Результаты показывают, что использование литейных охладителей может значительно повысить как износостойкость, так и механические свойства этих чугунов. Точно регулируя технологические параметры процесса литья и вводя в хромистый чугун определенные легирующие элементы, можно добиться значительного повышения износостойкости литых деталей. Это исследование дает ценную информацию для разработки более прочных и износостойких чугунных деталей, подходящих для широкого спектра промышленного применения.
Аннотация. Маколада турли хил совутиш тезлигида олинган турли хил таркибдаги юкори хромли ок чуянларнинг ейилишга бардошлилик синовларининг кенг камровли натижалари келтирилган. Натижалар шуни курсатадики, куйма совутгичлардан фойдаланиш бу юкори хромли ок чуянларнинг ейилишга бардошлилигини ва механик хоссаларини сезиларли даражада яхшилаши мумкин. ^уйма жараёнининг технологик параметрларини оптималлаштириш ва юкори хромли ок чуянларга маълум котишма элементларни киритиш оркали куйма кисмларнинг ейилишга бардошлилигини сезиларли даражада ошириш кузатилди. Ушбу тадкикот саноатнинг кенг доираси учун мос келадиган мустах,кам, ейилишга бардошли ок чуянларини ишлаб чикиш учун кимматли маълумотларни такдим этади.
Abstract. The article presents comprehensive test results on the wear resistance of high-chromium white cast irons with various compositions, obtained under different cooling rates. The findings reveal that the use of foundry chillers can significantly enhance both the wear resistance and mechanical properties of these cast irons. By precisely adjusting the technological parameters of the casting process and incorporating specific alloying elements into the chrome cast iron, significant improvements in the wear resistance of cast components can be achieved. This research provides valuable insights for the development of more durable and wear-resistant cast iron parts, suitable for a wide range of industrial applications.
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, высокохромистый белый чугун, ферросплав, структура, химический состав, карбид, микроструктура.
Key words: wear-resistant cast iron, heat treatment, microstructure, abrasive wear, chemical composition, carbide.
Машиностроение нуждается в применение материалов, обладающих не только повышенными прочностными свойствами - временным сопротивлением, условным пределом упругости и прочности, но и другими специальными свойствами, как
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью, то есть, свойствами, обеспечивающими повышенный срок службы деталей в самых разнообразных условиях эксплуатации. В первую очередь, это относится к таким классическим материалам, как сплавы железа с углеродом, в том числе, высоколегированным чугунам, область применения которых расширяется из года в год [ 1 -
3].
В настоящее время в литейном производстве Навоийского машиностроительного завода производится более 117 тонн в месяц литых деталей (отливок) из высокохромистого белого чугуна [4-5]. Наибольшую долю литья составляют детали оборудования, используемого для горных работ в качестве измельчителей горных пород. Примером такой детали является «питающие диски» турбодробилки двойного удара модели KEV 96, отливаемая из чугуна марки 330Х17Л [6-7].
Задача по повышению износостойкости деталей из хромистых чугунов является комплексной и включает в себя выбор состава износостойкого чугуна в зависимости от условий эксплуатации детали, определение технологических параметров литья, разработку оптимального режима литья [8-9]. Параметры кристаллизации хромистых чугунов влияют на эксплуатационные свойства в значительно большей степени. Увеличение скорости охлаждения расплава в процессе кристаллизации и использование возможностей направленной кристаллизации изменяют параметры структурных составляющих [10-12], в частности, для чугунов это относится к таким параметрам, как размер и взаимное расположение карбидных структурных составляющих. Поэтому определение рациональной технологии изготовления отливок из хромистых чугунов имеет такое же важное значение, что и выбор состава сплава [13-15]. Дело в том, что состав металлических систем определяет их структуру, которая, в свою очередь, определяет свойства сплавов [16-17].
Методы исследований и использованные материалы. Дробилка модели KEV 96 эксплуатируется в абразивной среде в условиях сухого трения. Поэтому представляло интерес исследование износостойкости наиболее распространенных чугунов в этих условиях. Изучали износостойкость и механические свойства следующих трех разных марок хромистых чугунов: 300Х32Н2М2ТЛ, 280Х29НЛ и 330Х17Л. 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
3 330Х17Л 3,31 0,65 17 0,4 0,5 - 0,042 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 никел, молибденом и титаный чугун 300Х32Н2М2ТЛ обладает оптимальными механическими свойствами, хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, в частности, при изготовлении детали «питающие диски номер 5233.00.009» турбодробилки двойного удара модели KEV 96. Легированный мало хромом и никелем чугун 330Х17Л обладает хорошими механическими свойствами, хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, при изготовлении детали
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
«питающие диски» турбодробилки двойного удара модели KEV 96 [18-20].
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, выбрана на основании практики литья и с целью снижения объема полной литейной усадки [21].
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 [22].
Механические свойства сплавов определяли по ГОСТ 9013-78.
Структур сплавов изучали на микроскопе марке OLYMPUS BX53 при увеличениях х200, х1000.
Результаты исследования и их анализ. С целью сопоставительного анализа характеристик чугунов разных марок, предназначенных для изготовления детали «питающие диски», была определена твердость готовой детали. Результаты испытаний на твердость HRC приведены в табл. 2. 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. Параллельно определяли коэффициент относительного износостойкости детали.
Таблица 2
Относительная износостойкость и механические свойства хромистых чугунов _(литье в земляные формы).__
Марка чугуна 300Х32Н2М2ТЛ 280Х29НЛ 330Х17Л
Твердость на поверхности в литом состоянии НКС 56-57 50-51 52-53
Твердость в сердцевине в литом состоянии НКС 52-53 45-46 47-48
Коэффициент относительной износостойкости чугунов* 1,0 0,96 0,97
*Базовый чугун 300Х32Н2М2ТЛ в литом состоянии (испытания в лабораторных условиях).
Высокохромистый чугун 330Х17Л имеет меньшую износостойкость и твердость, чем 300Х32Н2М2ТЛ. Стоимость сплава 330Х17Л в 1,3 раза ниже стоимости сплава 280Х29НЛ, и в 2,2 раза ниже стоимости 300Х32Н2М2ТЛ, но уступает по износостойкости и твердости. Из этого следует что, для получения деталей хорошей износостойкостью и твердостью надо выбрать оптимального режима литье и т.д.
Наиболее перспективной технологией, позволяющей повысить эксплуатационные характеристики деталей из износостойких чугунов за счет увеличения скорости охлаждения при кристаллизации (по сравнению с литьем в земляные формы), является метод литья с применением литейных холодильников.
На рис. 1 показаны структуры чугуна 280Х29НЛ от литого в земляную (а) и с применением литейных холодильников (б) формы, а в табл. 3 приведена относительная износостойкость этого сплава, полученного в разных литейных формах. Структура при литье с применением литейных холодильников измельчается в 1,5-2,0 раза и достигается направление карбидов.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
Таблица 3.
Относительная износостойкость и ударная вязкость хромистого чугуна 330Х17Л _(литье в земляные формы и с применением литейных холодильников)._
Марка чугуна 330Х17Л 330Х17Л
(литье в земляные формы) (литье с применением литейных холодильников)
Твердость на поверхности в 52-53 54-55
литом состоянии НКС
Твердость в сердцевине в 47-48 48-49
литом состоянии НКС
Коэффициент относительной 1,0 1,2
износостойкости чугуна*
*Базовый чугун 330Х17Л литой в земляную форму (испытания в лабораторных
условиях).
На образцах отлитых с применением литейных холодильников наблюдается повышение износостойкости на 18-20 % и твердости до 55 НКС по сравнению с образцами отлитыми в земляные формы. Дальнейшее увеличение износостойкости деталей из хромистых чугунов, полученных с применением литейных холодильников, возможно за счет выбора оптимальных режимов литья. Известно, что на процесс формирования отливки с применением литейных холодильников сильное влияние оказывают такие параметры литья, как температура заливаемого расплава и время заполнения формы расплавом. Изменяя эти параметры, можно воздействовать на формирование структуры отливки и, как следствие, на износостойкость получаемых деталей. Изучение влияния этих параметров проводили при изготовлении отливок «питающие диски».
Рис . 1 . Структура чугуна 330Х17Л:
а - литье в земляную форму х200; б - литье с применением литейных холодильников
х200.
в - литье в земляную форму х1000 ; г - литье с применением литейных холодильников
х1000.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
Для проведения испытания на износостойкость на месте работы дробилки модели КБУ 96 из деталей вырезали образцы. В образцах испытывали верхнюю (рабочую) часть. На рис. 2 показаны деталь «питающие диски» дробилки модели КЕУ 96 и образцы для испытаний.
а) б)
Рис .2. а - Питающие диски дробилки модели KEV 96; б - образцы,
вырезанные из них
Испытания в лабораторных условиях показали, что легирование хромом резко увеличивает износостойкость. Чугун, дополнительно легированный никелем, имел ту же износостойкость, что и чугун базового состава. При литье чугуна, легированного хромом, угар этого элемента составил 40 %, а сплав имел низкую жидкотекучесть. В табл. 3 приведена твердость поверхности отливок, легированных хромом и никелем, а также микротвердость металлической матрицы.
Для определения износостойкости деталей, отлитых в земляную форму и с применением литейных холодильников, были проведены испытания в производственном объединении центральное рудоуправление рудник «ЦКВЗ» НГМК.
Выводы.
Исследование износостойкости хромистых чугунов 280Х29НЛ, 330Х17Л показали, что наиболее распространенный в ПО «Навоийский машиностроительный завод» НГМК чугун 280Х29НЛ уступает по износостойкости чугунам 330Х17Л. Экспериментальный износостойкий чугун 280Х29НЛ обладает более высокой износостойкостью и ударной вязкостью при более высокой стоимости, но сплав 330Х17Л дешевле, чем сплав 280Х29НЛ. Дальнейшее увеличение износостойкости и твердости возможно за счет литья с применением литейных холодильников. Предлагается при литье деталей из чугуна марки 330Х17Л применять с применением литейных холодильников. Увеличение износостойкости деталей, литых с применением литейных холодильников, возможно за счет увеличения продолжительности их заливки.
Испытания показали увеличение ресурса работы детали «питающие диски», отлитой с применением литейных холодильников, по сравнению с образцами, отлитыми в земляную форму. Проведенные работы по исследованию износостойкости хромистых чугунов в лабораторных и промышленных условиях свидетельствуют, что литье с применением литейных холодильников и увеличение времени заливки позволяют увеличить износостойкость деталей из 330Х17Л в 1,2 раза.
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
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
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 чугунов марок 280Х29НЛ и 330Х17Л с целью повышения их качества. // Черные металлы,
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
TEXNOLOGIYA
№ 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 Znотх-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
