Повышение эксплуатационных свойств отливок из жароизносостойких хромомарганцевых чугунов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

УДК 621.74.01:669.13

Брялин М. Ф., Колокольцев В.М., Гольцов А.С.

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ ЧУГУНОВ

Одной из главных задач машиностроения является повышение надежности и долговечности машин, работающих в сложных условиях экс -плуатации

Для многих из них долговечность и надежность тесно связана с износостойкостью деталей при повыше иных температурах. Особенно велико значение эксплуатационной стойкости для деталей агломерационного оборудования, работающего в условиях наиболее интенсивного абразивного и ударо-абразивного износа при повышенных температурах.

Повышающиеся требования к эксплуатационным и служебным характеристикам лигейных сплавов заставляют постоянно совершенствовать их состав и технологию производства [1]. От этого зависит увеличение срока службы совре-менного оборудования машин и механизмом. При этом важны не только высокие значения служебных характеристик металла, но и их стабильность. Для увеличения эксплуатационной стойкости сплавов необходимо искать методы повышения механических, специальных и литейных свойств. Основным из таковых является выбор оптимального состава сплава (исключающего термическую обработку, либо делающего режим последней простым), уменьшение загрязненности сплава вредными примесями, получение необходимой структуры сплава.

Таблица 1

Матрица планирования ПФЭ 23

Номер Химический состав Факторы

опыта С Сг Мп І\ІІ ТІ АІ \1Ь

1 + 0,2 - 1,0 - 0,35

2 - 0,4 - 1,0 - 0,35

3 + 0,2 + 2,0 - 0,35

4 - 0,4 + 2,0 - 0,35

5 2,2 18,0 4,2 1,0 + 0,2 - 1,0 + 0,7

6 - 0,4 - 1,0 + 0,7

7 + 0,2 + 2,0 + 0,7

8 - 0,4 + 2,0 + 0,7

9 0 0,3 0 1,5 0 0,52

Ресурс работы колосников марки 75Х24ТЛ не -стабилен даже в одних и тех же условиях. Ком -плексное воздействие на структуру известной стали не дало желаемого повышения стойкости колосников грохотов и спекательных тележек аглофабрик, вследствие этого возникла необходимость повышения износостойкости и жаростойкости за счет разработки нового состава сплава.

Перспективными материалами для литых деталей, работающих в сложных условиях изнашивания при повышенных температурах, являются комплексно-легированные белые чугуны.

Анализ результатов работ, проведенных ранее на кафедре ЭМ и ЛП по исследованию жароизносостойких белых чугунов, показал, что наиболее подходящий состав жароизносостойкого хромомарганцевого чугуна имеет следующий химический состав, масс. %: 2,1-2,2 С; 4,5 Мп; 18,0 Сг; 1,2 N1; 0,5 Ті, до 0,6%. Бі. Одновременно были изучены ретроспективы патентного фонда и публикации за последние 20 лет по этому вопросу. Исходя из вышесказанного, дальнейшее повышение жаростойкости (оцениваемое по двум показателям: коэффициенту окалиностой-кости Аш, г/м2ч, ростоустойчивости Ь, %) данной марки чугуна добивались за счет дополнительного его легирования ниобием и алюминием. В исследуемых чугунах на первом этапе содержание А1 и ^ варьировали: 1,0; 2,0; 3,0% и 0,3; 0,5; 0,7; 1,0; 2,0; 3,0% соответственно. Был спланирован и цроведен полный факторный эксперимент типа 2 (ПФЭ) при следующем изменении факторов, масс. %: Хі (титан 0,2; 0,4); Х2 (алюминий 1,0; 2,0); Х3 (ниобий 0,35; 0,7) отраженных в табл. 1. Количество кремния в опытных сплавах находилось на постоянном уровне: Бі от 0,8 до 1,0%.

Структуру и свойства сплавов исследовали как в литом состоянии, так и после испытаний на жаро -стойкость. Структура чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ состоит из феррита и аустенигохромистокарбвд-ной эвтектики (рис. 1).

В структуре чугунов присутствуют карбвды с микротвердостью от 8 до 12,5 ГПа. Гранулометрический анализ включений карбидов проводили на

х500 х500 х500

а б в

Рис. 1. Микроструктура чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ, залитого в ПГФ сухую (а), ПГФ сырую (б) и кокиль (в)

полированных шлифах без травления с гомощью анализатора изображений Thixomet Standard. Свойства экспериментальных сплавов представлены в табл.2. Как видно из таблицы, прослеживается четкая тенденция изменения пока -зателей твердости (HRC) и из -носостойкости (Ки, ед.) в зависимости от скорости охлажде -ния. С увеличением скорости охлаждения происходит из -мельчение карбвдов и эвтектики [2]. Все это приводит к увеличению твердости и износостойкости. Максимальной из -носостойкостью обладают чу-гуны, залитые в кокиль, вследствие измельчения карбидов и более равномерного распределения в матрице (рис. 2).

Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в сухие песчано-глинистые формы, в них карбиды успевают вырасти до крупных размеров (рис. 3), которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются.

Можно предположить, что падение окалиностойко-сти (рис. 4) образцов, залитых в сырую форму, относительно образцов, залитых в сухую форму, связано с тем, что растет доля эвтектики, а следовательно, происходит обеднение твердого раствора хромом [3]. Кроме того, увеличивается межзеренная поверхность, которая обогащается легкоплавкими составляющими и более загрязнена. Все это и

Таблица 2

Свойства экспериментальных сплавов*

Номер сос- тава Свойства

ПГ Ф сухая ПГФ сырая Кокиль

HRC, ед. Ки, ед. Am, г/м2ч L, % HRC, ед. Ки, ед. Am, г/м2ч L, % HRC, ед. Ки, ед. Am, г/м2ч

1 42/46,0 3,5/2,1 0,06 0,16 41,4/42,5 3,6/2,0 0,16 0,1 47,5/48,5 3,75/2,6 0,04

2 43,0/42,0 2,3/1,7 0,078 0,71 40,3/42,0 2,5/2,0 0,06 0,4 46,0/43,0 2,6/2,3 0,038

3 45,0/48,0 2,6/2,1 0,038 0,12 41,8/45,0 2,8/1,7 0,05 0,12 45,7/49 2,8/2,4 0,033

4 44,6/47,0 2,2/1,2 0,043 0,04 42,0/44,0 2,5/1,8 0,09 0,03 45,2/47,0 2,8/2,4 0,035

Б 43,0/44,5 2,9/1,В 0,07 0,25 42,2/43,0 3,0/1,6 0,1 0,1 46,0/44,0 3,2/2,5 0,042

6 43,5/48,0 2,8/1,7 0,085 0,24 43,0/44,7 3,6/1,9 0,18 0,3 45,5/45,5 3,4/2,0 0,035

7 44,5/47,0 2,4/1,6 0,043 - 43,8/47,0 2,5/1,5 0,09 0,04 46,0/48,0 3,0/2,3 0,028

В 45,0/47,0 2,5/1,7 0,037 0,07 44,0/46,0 2,8/2,0 0,2 0 47,0/49,5 3,1/2,5 0,018

0 45,0/47,0 2,4/1,7 0,039 0,09 43,0/45,5 2,8/2,2 0,11 0,09 46,0/47,5 3,0/2,3 0,025

* В числителе - свойствадо испытаний наокалиностойкость, в знаменателе -испытаний на окалиностойкость.

3,8 Ё 3,6 л 3,4

после

о 3,2 о

3

2,8

2,6

2,4

2,2

2

я

И

□ Сухая ПГФ

□ Сырая ПГФ

□ Кокиль

1

2

3

4

б

6

7

8

9

Номер состава Рис. 2. Влияние химического состава на износостойкость

приводит к па дению окалиностоикости.

Анализ макроструктуры образцов после ис-пытания на окалиностойкость показал, что чем выше показатель окалиностойкости, тем плотнее окалина и прочнее она связана с основным металлом и, наоборот, чем ниже показатель окали-

а

*■*

'V

■

шив

х500 х500 х500

а б в

Рис. 3. Микроструктура карбидов чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ, залитого в ПГФ сухую (а),

ПГФ сырую (б) и кокиль (в)

ностойкости, тем рыхлее окалина (рис. 5). Растрескиваясь и оголяя основной металл, она способствует дальнейшему его разрушению под действием высокой температуры и агрессивной газовой среды.

Очеввдно, что чем протяженнее обезуглеро-женныйслой, тем ниже показатель окалиностой-костп Это связанно с тем, что в первые часы высокотемпературной выдержки образцов происходит преимущественное окисление углерода.

Металлическая матрица в этот период окисляется недостаточно из-за восстановительной атмосферы вблизи карбвдов и в полостях с частично выгоревшими карбидами. Окислению подвержена преимущественно граница раздела металлической матрицы и карбвдов. Уменьшение скорости обезуглероживания с изменением химического состава связано главным образом с увеличением содержания связанного углерода. При затухании обезуглероживания металлическая матрица окисляется менее интенсивно.

Как показывают проведенные исследования, происходит существенное уменьшение износостойкости образцов после проведения испытаний на жаростойкость (рис. 6), при этом наблюдается увеличение твердости Падение износостойкости связано с ростом микротвердости эвтектики для сухой ПГФ (с 7 до 10 ГПа), сырой ПГФ (с 3,9 до 6,9 ГПа), кокиля (с 3,5 до 3,8 ГПа).

На втором этапе содержание А1 и КЬ варьировали: 1,0; 2,0; 3,0 и 1,0; 2,0; 3,0% соответственно. Структура чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ состоит из аустенита и аустенитохромистокарбидной эв-тектики розеточного строения. В структуре чугу-нов наряду с карбвдами типа М7С3 и М3С, присут-ствуют специальные двойные карбвды ТС—КЬС.

Совместное введение А1 и КЬ обеспечивает исследуемым чугунам высокие показатели износостойкости и жаростойкости Это связано с увеличением объемной доли карбидов ниобия (^КЬ,%), а также микротвердости структурных составляющих. Происходит резкое уменьшение

среднего размера карбвдов хрома, и они приобретают ком пакт ные формы, что обеспечивает хорошее связывание карбвдов с металлической основой.

Анализ данных табл. 3 демонстрирует увеличение окали-ностойкости более чем на 70% при нулевой ростоустойчи-вости чугуна марки ИЧ220Х18Г 4Ю2Б2НТ по сравнению с чугуном , ранее разработанным на кафедре.

0,25

.0

§ 0,15

О

§ 0,1

Ш

£ 0,05

1

ы

л

2

3

4

5

6

7

8

9

Номер состава Рис. 4. Влияние состава на окалиностойкость чугуна

□ Сухая ПГФ

□ Сырая ПГФ

□ Кокиль

0

х500 х500 х500

а б в

Рис. 5. Макроструктура окалины образца из чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ № 2, залитого в ПГФ сухую (а),

ПГФ сырую (б) и кокиль (в)

ч

си

о

о

о

о

о

0

1

со

Меньшая износостой-

кость стали, по сравнению с чугунами, объясняется тем, что меньшее содержание углерода не обеспечивает образования достаточного количества карбвдов и при износе на матрицу переносится большая часть воздействия абразивных частиц, которая к тому же имеет меньшие прочностные характеристики, чем матрица чугунов.

Рост стали вызывает нарушение сплошности окалины и, как следствие, дальнейшее окисление стали.

Уменьшение коэффициента окалиностойкости чугуна марки ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ объясняется тем, что при нагреве на поверхности сплавов образуется оксвдная пленка, имеющая более высокую плотность и более прочное сцепление с металлической основой, чем пленка, образующаяся при эксплуатации чугунов марки ИЧХ28Н2.

При разработке нового состав чугуна была уч -тена и рассмотрена экономическая сторона. Данные, приведенные в табл. 3, отражают основной фактор в ценообразовании любого ввда продукции, его себестоимость. За 2006 г. расход колосников по агломерационному производству ГОП ОАО «ММК» составил 47208 шт. (данные экономиче-ской службы аглоцеха). Годовой экономический

Номер состава

Рис.6. Влияние состава на износостойкость чугуна залитого в сухую ПГФ до и после проведения испытаний на жаростойкость

Таблица 3

Сплавы для колосников их свойства и себестоимость

Сплав НГС, ед. Ки, ед. Ат, г/м2ч 1_, % Цеховая себестоимость , руб ./г

75Х24ТЛ 21 1,98 0,035 0,53 37957,8

ИЧХ28Н2 50 5,5 0,059 0,34 78548,5

ИЧ 220Х18Г4НТ 46 4,4 0,055 0,19 45371,3

ИЧ 220X18Г4Ю2БНТ 45 3,6 0,04 0,09 57085,2

ИЧ 220X18Г4Ю2Б2НТ 46 4,4 0,014 0 67123,4

эффект на стоимости колосников составит при внедрении нового состава сплава - 2,2 млн руб.

Библиографический список

1. Гольдштейн Я.ЕГольдштейн В.А. Металлургические аспекты повышения долговечности деталей машин. Челябинск: Металл, 1995. 512 с.

2. Жуков А.А., Сильман Г.И., Фрольцов М.С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных Ьелых чугунов. М.: Машиностроение, 1984. 104 с.

3. Бобро Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны

С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. Машгиз, 1960. 170 с.