CC BY
30
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2003 р. Вип. №13
УДК 669.15-194:539.375.6 Ефременко В.Г.1, Ткаченко Ф.К.2, Ерёменко Т.А.3
ВЛИЯНИЕ ФАЗОВОГО И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ В УСЛОВИЯХ ПОМОЛА ВЫСОКОАБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА
Приведены результаты исследования износостойкости сплавов на основе железа в условиях, имитирующих работу помольных тел в мельнице барабанного типа. Проанализировано влияние типа металлической матрицы и химического состава сплавов на сопротивление изнашиванию, сформулированы рекомендации по выбору оптимального материала для мелющих тел.
Измельчение разнообразных материалов производят в барабанных мельницах, используя металлические тела в виде шаров, стержней, цильпебсов, эллипсоидов, параболоидов, которые испытывают интенсивное изнашивание при эксплуатации. Уровень их эксплуатационной стойкости имеет важное значение, поскольку во многом предопределяет экономические показатели операции помола и качество и цену конечного продукта.
Несмотря на актуальность проблемы, вопросы износа мелющих тел освещены в литературе недостаточно полно. Большинство опубликованных работ [1-3] затрагивают технологические аспекты производства помольных тел, уделяя мало внимания рассмотрению взаимосвязи их структуры со стойкостью к изнашиванию в условиях, максимально приближенных к реальным. Те же работы, в которых присутствует подобный анализ, либо касаются лишь отдельных групп сплавов [4,5], либо не содержат конкретных результатов испытаний на изнашивание [6]. Все это затрудняет выбор оптимальных параметров химического состава и технологии термической обработки мелющих тел.
Целью данной работы являлось определение уровня износостойкости сплавов на основе железа различных систем легирования при помоле абразивного материала в зависимости от их структурного и фазового состояния. В работе использовали конструкционные стали перлитного класса (СтЗ, 10ХСНД, 09Г2С, 15ХГФМ, 20ГФ, 20ХН4ФА, 45, 40Х, М76, 75ХГ, 75ХГСФ), инструментальные стали перлитного (У8-У12, 160Г, 40ХГНМВФ, 5ХЗВЗМФС, 6ХВ2С) и ледебу-ритного классов (Х12Ф1), сталь Гадфильда и хромо-марганцевые аустенитные стали (20Г14Х14, 30Г12Х12, 40Г(9-14)Х10, 50Г11Х8, 60Г8Х6), чугуны: хромистые (2-4 % С, 0,5-8 % Мп, 6-13 % Сг), с титаном (2-3 % С, 8% Мп, 3,5-4 % ТО, с ванадием (2-4 % С, 8 % Мп, 6 % V). Перлитные и ледебуритные стали подвергали закалке с отпуском при 200-600 °С, аустенитные стали - закалке от 1100 °С, чугуны - закалке от 800-1100 °С с отпуском при 200 °С. Структуру сплавов определяли металлографическим, магнитометрическим и рентгенографическим методами.
Испытания производили в лабораторных условиях в барабанной мельнице диаметром 0,3 м с объемом внутреннего пространства 0,021 м , оснащенной лифтерами для подъема мельничной загрузки. Перед испытанием мельницу загружали на 25 % объема кусками предварительно измельченных корундовых кругов фракционного состава: 0 20-30 мм - 60 %; 10-15 мм - 30 %; менее 10 мм - 10 %. Общее время измельчения составляло 6 ч; через каждые 2 ч производили перезагрузку барабана с удалением продуктов помола и засыпкой свежего абразива. Одновременно в мельнице испытывали 50-60 образцов размером 10x10x25 мм. Помимо абразивного материала и образцов внутрь мельницы для усиления ударной составляющей износа добавляли стальные шары 0 30 и 40 мм с долей образцов и шаров в загрузке ~15 % от объема барабана.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор
3 ПГТУ, аспирант
Потерю массы определяли по результатам взвешивания образцов с точностью 0,0001 г до и после испытания. Сопротивление сплавов изнашиванию оценивали по величине коэффициента относительной износостойкости (г), рассчитываемого, как:
г -
Лот -
(1)
где Атэ„„ 5эт - потеря массы и площадь поверхности эталона; Лтобр, потеря массы и площадь поверхности испытуемого образца. Эталоном служила сталь М76 в горячекатаном состоянии. Скорость вращения мельницы составляла 46 об/мин, что обеспечивало наибольший износ образцов; коэффициент динамичности при испытаниях по принятой схеме составлял 2,2
[7].
Результаты испытаний представлены на рис. 1 точками в координатном поле «коэффициент износостойкости - твердость». Видно, что все точки, относящиеся к сталям перлитного класса, закаленным от стандартных температур и отпущенным в интервале 150-600 °С, укладываются в общую полос}', средняя линия которой в интервале твердости от 10 до 60 НЯСэ описывается выражением:
е = 0,80 + 0,0085(НЯСэ - 10) (2 )
Износостойкость этих сталей растет по мере увеличения твердости вплоть до 60 НЯСэ; дальнейшее повышение твердости приводит к снижению значений 8. При близком содержании углерода стали имели примерно одинаковое сопротивление изнашиванию, что не позволило выявить влияние легирующих элементов в исследованных пределах на величину коэффициента 8. Можно констатировать, что для этой группы сталей износостойкость определяется, главным образом, твердостью, которая, в свою очередь, зависит от количества углерода и температуры отпуска.
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1 -
1,0
0,9
0,7
Аустенитные
стали
160Г
Х12Ф1
V ♦
д Д; ^ д д:
Перлитные стали ♦
♦ ♦
10
15
20
25
30 35 40 45 50 55 60 65
Твердость, НРСэ
Рис. 1 - Износостойкость исследованных сплавов в зависимости от твердости и структурного состояния матрицы: 1- чугун с 3,5 % Тл (А, закалка от 1100 °С), 2 - чугун с 3,5 % Тл (А, закалка от 800 °С), 3 - чугун с 6 % V (А), 4- чугун с 6 % Сг (А), 5 - чугун с 13,5 % Сг (А), 6 - чугун с 13,5 % Сг (А+М), 7 - чугун с 13,5 % Сг (М) (А, М - аустенит и мартенсит, соответственно).
Аустенитные хромо-марганцевые стали в закаленном состоянии характеризовались раз-
личной устойчивостью аустенита к образованию мартенсита деформации. Наибольшей склонностью к у—Ждеф превращению обладали стали 20Г14Х14 и 30Г12Х12, с меньшей интенсивностью оно протекало в сталях 60Г8Х6, 40Г9Х10, 40Г10Х10 и 40Г14Х10. В сталях 50Г11Х8 и 110Г13 появление а-фазы не было зафиксировано даже при максимальных деформациях, вызывавших разрушение образцов. Наиболее износостойкой их всех исследованных сталей оказалась сталь 60Г8Х6, показав сопротивление изнашиванию на уровне низкоотпущенной стали 45. Несколько меньшая величина коэффициента в (1,13) отмечена у стали Гадфильда. Другие стали продемонстрировали примерно одинаковую износостойкость с величиной в в пределах 1,02-1,07. В целом, следует отметить, что аустенитные стали изнашивались примерно в 1,2 раза медленнее, чем стали перлитного класса, термообработанные на твердость 20-30 НЯСэ.
Легирование большинства исследованных чугунов марганцем в количестве 8 % обеспечило получение в них аустенита, стабильного к деформационному мартенситному превращению. Из рис. 1 следует, что при равном содержании углерода ванадистые чугуны с эвтектикой (у+УС) имеют некоторое преимущество перед высокохромистыми композициями, содержащими эвтектику (у+МеуСз). Понижение концентрации марганца с 8 до 4 % в чугунах с 13,5 % Сг привело к формированию при закалке аустенитно-мартенситной матрицы, что повысило их твердость от 35-42 до 57-62 НЯСэ и вызвало увеличение износостойкости на 9-10 %. Дальнейшее снижение концентрации марганца до 0,5 % в этих сплавах обусловило получение преимущественно мартенситной матрицы; твердость при этом возросла до 63-64 НЯСэ. а коэффициент в уменьшился до уровня чугунов с аустенитной металлической основой.
Как показано на рис. 1, при твердости 57-64 НЯСэ чугуны, легированные ванадием и хромом, на 10-15 % уступают сталям по величине в, а в интервале меньших значений твердости они демонстрируют равное (по сравнению со сталями) или более низкое сопротивление изнашиванию. Пониженная (относительно сталей) износоустойчивость белых чугунов объясняется присутствием в их структуре значительного количества карбидной эвтектики, выкрашивание которой при ударных взаимодействиях с абразивными частицами интенсифицирует процесс изнашивания. Вместе с тем, инвертированное строение эвтектики обеспечивает ванадиевым и высокохромистым чугунам более высокое сопротивление изнашиванию по сравнению с чугу-нами ледебуритного типа эвтектики, который характерен для сплавов с 6 % Сг, а также для сплава с 6 % V и 4 % С.
Среди чугунов с аустенитной структурой матрицы выделялись чугуны, легированные 3,5-4 % Тл. При сравнительно невысокой твердости (28-30 НЯСэ) они показывали износостойкость на уровне эвтектоидных сталей со структурой отпущенного мартенсита. Титанистые композиции с 2-3 % С лишь условно относятся к чугунам, поскольку вследствие связывания значительной доли углерода в карбонитриды титана в их структуре отсутствует карбидная эвтектика. Замена эвтектики на компактные, относительно равномерно распределенные включения Т1(С,1Ч) обеспечивает этим сплавам преимущество перед хромистыми и ванадистыми белыми чугунами. Вместе с тем, состояние высокой износостойкости в титанистых сплавах достигается лишь закалкой от температур, при которых происходит полное растворение вторичного цементита в аустените. В случае закалки от 800 °С в их структуре присутствует значительное количество карбидов (Бе, Мп)3С, залегающих как в виде сетки вдоль границ аустенитных зерен, так и виде игл, выросших от границ вглубь зерен. Вызванное этим общее охрупчивание сплава приводит к снижению износостойкости титанистых чугунов до уровня ледебуритных хромистых чугунов.
Наибольшее (из всех исследованных сплавов) сопротивление изнашиванию проявили стали 160Г и Х12Ф1 после закалки с повышенных температур, обеспечивающей формирование аустенитно-мартенситной матрицы с содержанием аустенита в количестве 25-70 %. Помимо этого, в структуре присутствовало небольшое (до 8 %) количество зернистых карбидов МезС (160Г) или МеуСз (Х12Ф1). Закалка на мартенситно-карбидную структуру приводила к заметному росту износа этих сталей.
Влияние содержания углерода в сплавах на сопротивление изнашиванию при ударном помоле высокоабразивного материала можно оценить по данным, представленным на рис.2
(рисунок построен по результатам испытаний сталей, ванадистых и хромистых чугунов). Как видно, независимо от типа металлической матрицы кривые г=/(\С\) проходят через максимум, соответствующий содержанию углерода: для мартенситной структуры - 0,75-0,9 %, для аустенитной (с высокой стабильностью к у—ждеф превращению) - 1,1-1,7 %, аустенитно-мартенситной - 1,25-1,6 %. Очевидно, что содержание углерода в сплаве следует поддерживать достаточно высоким для обеспечения необходимой прочности и способности к деформационному упрочнению металла. Однако, оно не должно превышать предела, за которым в сталях с мартенситной структурой появляются нерастворенные вторичные карбиды, а в сплавах с аустенитной или аустенитно-мартенситной основой - участки карбидной эвтектики. Как видно на примере титанистых чугунов и сталей 160Г и Х12Ф1, в сплавах, в структуре которых присутствует не менее 20 % аустенита, допускается наличие небольшого количества вторичных и даже эвтектических карбидов, однако карбидные включения при этом должны иметь зернистую форму при равномерном распределении в объеме сплава. Об этом свидетельствует и смещение кривых г=/(\С\) для аустенитных и аустенитно-мартенситных сплавов в сторону больших (по сравнению с мартенситными сплавами) концентраций углерода, связанное с высокой вязкостью аустенита, отчасти компенсирующей негативное влияние карбидной фазы.
Данные рис. 2 показывают, что при содержании углерода до 2 % структурные состояния металлической основы сплавов ранжируются по степени возрастания износостойкости в следующем порядке: сорбит отпуска; аустенит, стабильный к у—ждеф превращению; метастабиль-ный аустенит; мартенсит отпуска; аустенит+мартенсит. В диапазоне 0,2-0,6 % С стали с мета-стабильным аустенитом уступают перлитным сталям со структурой отпущенного мартенсита, однако, учитывая данные, приведенные в работе [8], можно предположить, что при росте содержания углерода до 1,0-1,1 % износостойкость первых достигнет уровня эвтектоидных низ-коотпущенных сталей.
По мере увеличения количества карбидов постепенно уменьшается различие в стойкости сплавов с разными типами металлической основы, о чем свидетельствует сближение кривых на рисунке 2 в интервале 1,5-3,0 % С. Начиная с 3% С, износостойкость чугунов практически определяется не структурным состоянием матрицы, а объемом, занимаемым карбидной эвтектикой. Появление заэвтектических карбидов (в чугуне с 4 % С и 20,5 % Сг) приводит к дополнительному повышению износа, при этом износостойкость чугуна снижается до 8=0,78, что соответствует уровню стали с 0,1 % С.
Полученные результаты показывают, что для мелющих тел, эксплуатируемых в условиях ударных нагрузок, наиболее перспективны стали, имеющие аустенитно-мартенситную структуру с достаточно высоким содержанием аустенита. В этой связи особый интерес представляют заэвтектоидные стали, позволяющие получать требуемое количество остаточного аустенита при экономном легировании хромом и (или) марганцем. Важно, также, что в этих сталях твердые а- и у-твердые растворы в значительной степени насыщены углеродом, что обеспечивает им повышенное сопротивление расклепыванию при ударах об абразивные частицы.
8
1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Содержание углерода, %
Рис.2 - Влияние содержания углерода и структурного состояния металлической матрицы на износостойкость исследованных сталей
При использовании в качестве материала для мелющих тел конструкционных сталей необходимо применять такие технологии их термообработки, которые дают возможность получения в поверхностных слоях изделий структуры отпущенного мартенсита. Сопротивление изнашиванию этой структуры растет по мере увеличения содержания углерода, в связи с чем при выборе материала следует ориентироваться на стали эвтектоидного состава. Дальнейший рост концентрации углерода в сталях целесообразен лишь для получения в структуре требуемого количества остаточного аустенита за счет растворения карбидов при нагреве под закалку; присутствие вторичных карбидов снижает сопротивление мартенситной матрицы изнашиванию при ударном помоле.
Применение белых чугунов в качестве материала мелющих тел следует ограничить теми режимами помола, при которых измельчение протекает в основном за счет истирания и раздавливания, а не удара. В этом случае белые чугуны будут иметь преимущество перед сталями в связи с более высоким сопротивлением абразивному изнашиванию.
Перспективой дальнейших исследований в данном направлении является определение влияния химического состава стали и стабильности аустенита к деформационному мартенсит-ному превращению на износостойкость при помоле с различным коэффициентом динамичности.
Выводы
1. При испытаниях в условиях ударного помола абразивных материалов максимальную износостойкость имеют заэвтектоидные стали со структурой «аустенит+ мартенсит» с 25-70 % остаточного аустенита и небольшим количеством зернистых карбидов. Несколько меньшую износостойкость проявляют эвтектоидные стали, обработанные на структуру «мартенсит отпуска».
2. Ударно-абразивная стойкость Ре-С и легированных Ре-С-Ме сплавов изменяется в зависимости от содержания углерода по кривой с максимумом, соответствующим началу появления в структуре вторичных (мартенситная матрица) или эвтектических (аустенитная или аусте-нитно-мартенситная матрица) карбидов. Наличие карбидной эвтектики является основным фактором пониженной износостойкости белых хром- и ванадийсодержащих чугунов.
Перечень ссылок
1. Несвижский O.A. Производство мелющих тел для шаровых мельниц / О.А.Несвижский. -1.: Машгиз, 1961. - 152 с.
2. Производство чугунных мелющих шаров литьем в кокиль и горячей пластической деформацией / А.В.Дюков, И.К.Кульбовский, Н.Н.Александров и др. // Литейное производство. -1998. -№ 11. -С.32-34.
3. Самойлов В.Н. Состояние и перспективы развития литья чугунных мелющих тел в условиях КГ ГМК «Криворожсталь»/ В.Н.Самойлов, Ю.Н.Коновалов, В.Д.Тистечок II Металл и литье Украины. - 1999. - № 9-10. - С. 13-15.
4. Основные принципы выбора материалов для изготовления мелющих тел, работающих в условиях ударно-абразивного, ударно-коррозионно-абразивного и ударно-усталостного износа /В.А.Игнатов, В.К.Соленый, В.Л.Жук и др. // Металл и литье Украины. - 2001. - № 10-11. -С.31-34.
5. Zciler М. Two-and Three-Body Abrasive Wear Behavior of Different Heat-Treated Boron Alloyed High Chromium Cast Iron Grinding Balls / M. Zciler, H. Celik II Journal of Materials Proccessing Technology. - v. 105. - 2000. -№. 3. - p. 237-245.
6. Вавилкин H.M. К выбору материала для производства мелющих шаров / Н.М.Вавилкин, В.В. Челноков II Известия вузов. Черная металлургия. - 2002.-№ 1. - С.41-46.
7. Петров И.В. Испытание износостойких наплавленных сплавов / И.В.Петров II Сварочное производство. - 1968. - № 11. - С. 21-24.
8. Филиппов М.А. Стали с метастабильным аустенитом / М.А.Филиппов, В.С.Литвинов, Ю.В.Немировский. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
Статья поступила 20.01.2003
