CC BY
89
УДК 669.1:622.3.002.5 © Д.Ю. Крицкий, С.И. Тюрин, А.А. Ковалева, Т.Р. Гильманшина, 2018
Влияние структуры марганцовистой стали на эксплуатационные характеристики деталей крупногабаритных литых изделий
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-7-9-12
КРИЦКИЙ Дмитрий Юрьевич
Инженер, начальник отдела эксплуатации и ремонта ГТО АО «СУЭК-Красноярск», 660049, г. Красноярск, Россия, e-mail: [email protected]
ТЮРИН Сергей Иванович
Главный инженер ООО «Бородинский РМЗ», 663981, г. Бородино, Россия, e-mail: [email protected]
КОВАЛЕВА Ангелина Адольфовна
Канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, Красноярск, Россия, e-mail: [email protected]
ГИЛЬМАНШИНА Татьяна Ренатовна
Канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, Красноярск, Россия, e-mail: [email protected]
Износостойкость узлов горного оборудования, которые в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному ударно-абразивному износу, способствует повы/шению надежности, усталостной прочности и долговечности срока его службы. Для изготовления подобных изделий возможно использование сталей различных марок, но в настоящее время наиболее перспективными, как показал анализ литературы,, в России и за рубежом признаются вы/сокомарганцевы/е аустенитные стали типа 110Г13Л. Целью данной работы/ является исследование влияния структурыI стали 110Г13Л на эксплуатационные характеристики крупногабаритных изделий для горного оборудования. Анализ таких изделий свидетельствует о том, что наиболее предпочтительной является литая структура стали, представляющая собой зерна твердого раствора аустенита с избы/точны/ми карбидами по границам. Конечная структура литой стали формируется в процессе термической обработки - закалки. Полученная в результате обработки микроструктура аустенитной стали имеет вид зерен твердого раствора ау-стенита при наличии участков мартенситных игл. Участки мартенсита, образующиеся на поверхности изделия, способствуют увеличению твердости материала и его износостойкости. Ключевые слова: горное оборудование, сталь, литейное производство, термическая обработка,химический состав, механические свойства, структура, аустенит, износостойкость.
ВВЕДЕНИЕ
Износостойкость узлов (передней стенки ковшей и траков экскаваторов, коронок зубьев и др.), которые в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному ударно-абразивному износу, способствует повышению надежности, усталостной прочности и долговечности срока службы горного оборудования. Выход из строя перечисленных выше отдельных узлов вследствие их быстрого износа или частых поломок снижает значение показателя производительности, приводя к уменьшению объемов добычи угля [1, 2].
Для изготовления подобных изделий возможно использование сталей различных марок [3, 4, 5, 6], но в настоящее время наиболее перспективными как в России, так и за рубежом признаются высокомарганцевые аустенитные стали типа 110Г13Л. Это объясняется упрочнением аустенит-ных сталей за счет одновременного воздействия различных видов нагрузок (ударных и абразивных) в процессе эксплуатации [7, 8, 9]. Однако широкие пределы концентраций углерода (0,9-1,4) и марганца (11,5-15,0) в стали 110Г13Л, а также ее высокая чувствительность к условиям плавки не гарантируют постоянства свойств даже для деталей одного и того же типа [10, 11, 12, 13, 14].
При этом сложившаяся многолетняя практика литья из высокомарганцевой стали на различных заводах показывает целесообразность регулирования. И именно это послужило причиной для создания новых марок стали (110Г13НЛА, 110Г13НМЛА и 110Г13Н3МЛА) на основе стали 110Г13Л, легированных никелем и молибденом и модифицированных редкоземельными металлами [15, 16]. Предложенные марки стали обладают более высокими значениями временного сопротивления разрыву (в 1,3-1,4 раза), предела текучести (в 1,7-1,8 раза), ударной вязкости (в 1,5-2,1 раза), а также меньшей чувствительностью к надрезу, чем сталь 110Г13Л.
Таким образом, анализ литературы показывает, что для изготовления деталей горного оборудования наиболее перспективными остаются аустенитные стали 110Г13Л, 130Г14ХМФАЛ и другие.
Целью данной работы является исследование влияния структуры стали 110Г13Л на эксплуатационные свойства крупногабаритных изделий для горного оборудования.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ
СТАЛИ 110Г13Л НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Химический состав определяли на оптико-эмиссионном спектрометре модели Foundry Master UVR.
Для изучения твердости применяли твердомер ТШ-2М.
Исследование микроструктуры стали в литом и тер-мообработанном (закаленном) состояниях проводили на травленных образцах (состав травителя: 4 г CuSO4, 20 мл HCl, 20 мл воды) на микроскопе фирмы Carl Zeiss AXIO Observert.AI m, имеющем связь с кинокамерой, которая позволяет выводить и обрабатывать фотографии структур на ЭВМ (рис. 1).
Фрактографический анализ разрывных образцов выполнен на стереомикроскопе Carl Zeiss Stemi 2000-C при увеличении 0,65 крат.
Исследование механических свойств проводили на разрывной машине фирмы Walter Bai AG (Швейцария) LFM 400 c усилием 400 кН.
Технология литья стали 110Г13Л приведена в работе [16]. Состав экспериментальной стали 110Г13Л приведен в табл. 1, а механические свойства литых стальных образцов - в табл. 2.
Излом литого образца хрупко-вязкий, равномерный мелкокристаллический.
Микроструктура литой стали представляет собой окруженные дендритами зерна твердого раствора аустенита и избыточные карбиды.
Термическую обработку стали проводили при ступенчатом нагреве образцов от комнатной температуры до температуры 700-750°С, последующей выдержке для выравнивания температуры по сечению, дальнейшем нагреве до температуры 1050-1100°С с выдержкой в течение 5 ч. Охлаждение производили в проточной холодной воде с температурой 20°С. Во время закалки в бак подавали сжатый воздух для улучшения циркуляции воды и разрушения образующейся на поверхности изделия паровой «рубашки», снижающей отвод тепла от металла.
Механические свойства термически обработанных стальных образцов приведены в табл. 3.
В результате термической обработки предел текучести стали возрос до 316 МПа, величина твердости по Бринел-лю составила 169-175 НВ (у поверхности - 205 НВ за счет образования мартенситных игл).
Фрактограмма и микроструктура закаленной стали приведены на рис. 2.
После термической обработки (см.рис. 2, а) поверхность образца демонстрирует кристаллы, менее блестящие, чем в литом состоянии, что можно объяснить большей вязкостью стали.
Вследствие температурного воздействия (нагрева под закалку) приграничные дендритные участки растворяются. Структура приобретает вид зерен твердого раствора аустенита. На поверхности образцов появляются мар-тенситные участки с игольчатым строением, наличие которых повышает твердость стали и, как следствие, износостойкость.
При эксплуатации за счет наклепа на поверхностных участках количество мартенсита увеличивается, что повышает эксплуатационные характеристики стали.
Таблица 1
Химический состав экспериментальной стали
Сталь Содержание химического элемента, %
С S P Si Mn Cr Ni Mo Cu
Экспериментальная 1,22 0,011 0,062 0,64 13,8 0,13 0,07 0,02 0,07
по ГОСТ 977-88 0,9-1,5 Не более 0,05 Не более 0,12 0,3-1 11,5-15 Не более 1 Не более 1 -
а
Рис. 1. Фрактограмма (а) и микроструктура (б - середина образца; в - поверхностного слоя образцах100)литой стали 110Г13Л
Fig. 1. Fractogram (a) and microstructure (b - sample middle, b - sample surface layer x 100) ofthe cast steel 110G13L
Таблица 2
Механические свойства литых образцов экспериментальной стали
Таблица 3
Механические свойства термически обработанных образцов
Механические свойства Значения
Термически обработанная экспериментальная Данные по марочнику сталей и сплавов
Условный предел текучести, МПа 316 350-380
Временное сопротивление разрыву, МПа 650 650-830
Относительное удлинение, % 22 34-50
Относительное сужение, % 26 34-43
Твердость по Бринеллю, НВ 169-175, 205 186-229
Свойства приведены для отливки сечением 30 мм
а
Рис. 2. Фрактограмма (а) и микроструктура (б) стали 110П3ЛХ100
Fig. 2. Fractogram (a) and microstructure (b) of the cast steel II0GI3LXI00
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенной работы свидетельствуют о наличии существенного влияния микроструктуры стали типа 110Г13Л на эксплуатационные свойства изделий. Предпочтительной для качественной отливки является литая структура в виде дендритов аустенита с избыточными карбидами по границам; структура термически обработанной стали (закаленной) должна состоять из крупных зерен твердого раствора аустенита, наряду с которыми могут присутствовать образования мартенситных участков (игольчатого строения), повышающие твердость материала и его износостойкость наиболее сильно при эксплуатации.
Список литературы
1. Медведев В.И. Исследование, разработка и внедрение технологии изготовления отливок из комплексно-легированных сталей для быстроизнашивающихся сменных деталей горнообогатительного оборудования: дис. ... канд. техн. наук. Брянск, 1999. 149 с.
2. Prominence of Hadfield Steel in Mining and Minerals Industries: A Review / C. Okechukwu, O.A. Dahunsi, P.K. Oke, I.O. Oladele, M. Dauda // International Journal of Engineering Technologies-ijet. 2017. Vol. 3. N. 2. Рр. 83-90.
3. Bannister A.C. Structural integrity assessment procedures for european industry. Sintap. Sub-task 2.3: yield stress/tensile stress ratio: results of experimental programme. 1999. URL: http://www. eurofitnet.org/sintap_BRITISH_STEEL_BS-25.pdf.
4. Development of Steelmaking Processes for Producing Various High-Quality Steel Grades atYawata Works / Shintaro Kusunoki, Ryoji Nishihara, Katsuhiko Kato, Hitoshi Sakagami, Shinichi Fukunaga, Naoki Hirashima // Nippon steel technical report. August 2013. N 104. Рр. 109-116.
5. Кривцов Ю.С., Горобченко С.Л. Развитие литых сталей // Материалы в машиностроении. 2010. № 5(68). С. 62-67.
6. Olawale J.O., Ibitoye S.A., Shittu M.D. Work hardening behaviour and microstructural analysis of failed austenitic manganese steel crusher jaws // Materials Research. 2013. Vol. 16. Рр. 1274-1281.
7. Bhero S.W., Nyembe B., Lentsoana K. Common causes of premature failure of Hadfield steel crushers and hammers used in the mining industry // International Conference on Mining, Mineral Processing and Metallurgical Engineering. ICMMME. Johannesburg, South Africa. 2013. Pр. 174-176.
8. Postcooling treatment impact on mechanical properties of welded Hadfield steel pieces / E. Curiel-Reyna, I. Rojas-Rodriguez, J. Teran, A. DelReal, A. Lara-Guevar, et al. // Journal of EmergingTrends in Engineering and Applied Science. 2014. Vol. 5. Pр. 105-110.
9. Kivak T., Uzun G., Ekici E. An experimental and statistical evaluation of cutting parameters on the machinability of Hadfield steel // Gazi University Journal of Science. 2016. Vol. 29. Pр. 9-17.
10. Тен Э.Б., Базлова Т.А., Лихолобов Е.Ю. Влияние внепеч-ной обработки на структуру и механические свойства стали 110Г13Л // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 3. С. 26-28.
11. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Хабибуллин Ш.М. Отработка технологии производства и исследование качества литых броней с применением методов неразрушающего контроля // Литейные процессы. 2014. № 13. С.75-82.
12. Современные литейные огнеупорные антифрикционные материалы / Л.И. Мамина, В.Н. Баранов, В.И. Новожонов, Т.Р. Гильманшина // Литейное производство. 2003. № 2. С. 19-20.
13. Фазовые превращения в графитовых покрытиях и их влияние на чистоту поверхности отливок / В.Г. Бабкин,
Механические свойства Литая сталь
Условный предел текучести, МПа 301
Временное сопротивление разрыву, МПа 436
Относительное удлинение, % 0,02
Относительное сужение, % 0,06
Твердость по Бринеллю, НВ 233-248
В.В. Леонов, Т.Р. Гильманшина, Т.Н. Степанова // Черные металлы. 2017. № 10. С. 54-59.
14. Мулявко Н.М. Анализ эксплуатационной стойкости отливок из стали 110Г13Л // Известия Челябинского научного центра. 2001. № 4(13). С. 28-30.
15. Цуркан Д.А. Управление структурой и свойствами сталей 110Г13Л, 38ХС, 45ХН, используемых для изготовления деталей специальных машин: автореф. дис. ... канд. техн. наук (05.16.09). Барнаул, 2012. 18 с.
16. Повышение долговечности и эксплуатационной надежности деталей гусеничного движителя сельхозтехники и специальных машин / Д.А. Цуркан, А.Н. Леонтьев, А.В. Иш-ков // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2012. № 5(91). С. 117-122.
17. Исследование возможности повышения надежности литых крупногабаритных изделий для горного оборудования / Т.Р. Гильманшина, Д.Ю. Крицкий, С.И. Тюрин и др. // Интернет-журнал Науковедение. 2017. Т. 9. № 2. С. 105.
COAL MINING EQUIPMENT
UDC 669.1:622.3.002.5 © D.Yu. Kritskij, S.I. Tyurin, A.A. Kovaleva, T.R. Gil'manshina, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 9-12
Title
MANGANESE STEEL STRUCTURE EFFECT ON THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF LARGE-SIZE CAST PRODUCT PARTS
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-7-9-12
Authors
Kritskij D.Yu.1, Tyurin S.I.2, Kovaleva A.A.3, Gil'manshina T.R.3
1 "SUEK-Krasnoyarsk" JSC, Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation
2 "Borodinskiy RMZ" LLC, Borodino, 663981, Russian Federation
3 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
Authors' Information
Kritskij D.Yu., Engineer, Head of the Mining conveying equipment Operation and Maintenance, e-mail: [email protected] Tyurin S.I., Chief engineer, e-mail: [email protected] Kovaleva A.A., PhD (Engineering), Associate Professor, e-mail: [email protected] Gil'manshina T.R., PhD (Engineering), Associate Professor, e-mail: [email protected]
Abstract
Life of the mining equipment assemblies, which are subject to intensive shock-abrasive wear during operation, contributes to improvement of reliability, fatigue strength and its service life longevity. In order to make similar products, the steels of different grades can be used, but at present the 110G13L-type high manganese austenitic steels are recognized as the most promising, as shown by literature analysis in Russia and abroad. The purpose of this work is to study the effect of the 110G13L steel structure on the performance characteristics of large-size products for mining equipment. Analysis of such products proves that the most preferred is the cast steel structure, which represent the grains of a solid solution of austenite with boundary excess carbides. The final structure of the cast steel is formed during the heat treatment - quenching. The austenitic steel microstructure obtained as a result of treatment has the view of grains of a solid solution of austenite in the presence of martensite needles. The martensite areas formed on the product surface improves the hardness of the material and its wear resistance. Figures:
Fig. 1. Fractogram (a) and microstructure (b - sample middle, b - sample surface layer x 100) of the cast steel 110G13L
Fig. 2. Fractogram (a) and microstructure (b) of the cast steel 110G13Lx100 Keywords
Mining equipment, Steel, Foundry production, Heat treatment, Chemical composition, Mechanical properties, Structure, Austenite, Wear resistance.
References
1. Medvedev V.I. Issledovaniye, razrabotka i vnedreniye tekhnologii izgotovleniya otlivok iz kompleksno-legirovannykh staley dlya bystroiznashivayushchikhsya smennykh detaley gorno-obogatitel'nogo oborudovaniya. Diss. kand. techn. nauk [Study, development and implementation of the technology for manufacturing castings made of complex-alloyed steels for wear replacement parts of mining and beneficiation equipment. PhD (Engineering) diss.]. Bryansk, 1999, 149 p.
2. Okechukwu C., Dahunsi O.A., Oke P.K., Oladele I.O. & Dauda M. Prominence of Hadfield Steel in Mining and Minerals Industries: A Review. International Journal of Engineering Technologies-ijet, 2017, Vol. 3, No. 2. pp. 83-90.
3. Bannister A.C. Structural integrity assessment procedures for european industry. Sintap. Sub-task 2.3: yield stress/tensile stress ratio: results of experimental programme, 1999. Available at: http://www.eurofitnet.org/sin-tap_BRITISH_STEEL_BS-25.pdf (accessed 15.06.2018).
4. Shintaro Kusunoki, Ryoji Nishihara, Katsuhiko Kato, Hitoshi Sakagami, Shin-ichi Fukunaga & Naoki Hirashima Development of Steelmaking Processes for Producing Various High-Quality Steel Grades at Yawata Works. Nippon steel technical report, August 2013, No. 104. pp. 109-116.
5. Krivtsov Yu.S. & Gorobchenko S.L. Razvitiye litykh staley [Development of cast steels]. Materialy v mashinostrenii - Materials in mechanical engineering, 2010, No. 5(68), pp. 62-67.
6. Olawale J.O., Ibitoye S.A. & Shittu M.D. Work hardening behaviour and microstructural analysis of failed austenitic manganese steel crusher jaws. Materials Research, 2013, Vol. 16, pp. 1274-1281.
7. Bhero S.W., Nyembe B. & Lentsoana K. Common causes of premature failure of Hadfield steel crushers and hammers used in the mining industry. International Conference on Mining, Mineral Processing and Metallurgical Engineering. ICMMME. Johannesburg, South Africa, 2013, pp. 174-176.
8. Curiel-Reyna E., Rojas-Rodriguez I., Teran J., DelReal A., Lara-Guevar A., et al. Postcooling treatment impact on mechanical properties of welded Hadfield steel pieces. Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Science, 2014, Vol. 5, pp. 105-110.
9. Kivak T., Uzun G. & Ekici E. An experimental and statistical evaluation of cutting parameters on the machinability of Hadfield steel. Gazi University Journal of Science, 2016, Vol. 29, pp. 9-17.
10. Ten E.B., Bazlova T.A. & Liholobov E.Yu. Vlijanie vnepechnoj obrabotki na strukturu i mehanicheskie svojstva stali 110G13L [Effect of Secondary Treatment on the Structure and Mechanical Properties of Steel 110G13L]. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov - Metallurgy and Heat Treatment of Metals, 2015, No. 3. pp. 26-28.
11. Vdovin K.N., Feoktistov N.A. & Khabibullin Sh.M. Otrabotka tehnologii proizvodstva i issledovanie kachestva lityh bronej s primeneniem metodov nerazrushajushhego kontrolja [Development of production technology and research of quality of cast armor with the use of NDT methods]. Litejnye proc-essy - Casting processes, 2014, No. 13. pp. 75-82.
12. Mamina L.I., Baranov V.N., Novozhonov V.I. & Gil'manshina T.R. Sovre-mennye liteynye ogneupornye antifriktsionnye materialy [Modern refractory antifriction materials]. Litejnoe Proizvodstvo- Foundry, 2003, No. 2, pp. 19-20.
13. Babkin V.G., Leonov V.V., Gil'manshina T.R. & Stepanova T.N. Fazovye prevrashcheniya v grafitovykh pokrytiyakh i ikh vliyanie na chistotu pov-erkhnosti otlivok [Phase transformations in graphite coatings and their effect on surface cleanness of castings]. Chernye Metally - Ferrous Metals, 2017, No. 10, pp. 54-59.
14. Mulyavko N.M. Analiz ekspluatatsionnoy stoykosti otlivok iz stali [Analysis of operational durability of the110G13L steel castings]. Izvestiya Chlyabin-skogo nauchnogo tsentra - Information Bulletin of the Chlyabinsk Research Centre, 2001, No. 4(13), pp. 28-30.
15. Tsurkan D.A. Upravleniye strukturoy i svoystvami staley 110G13L, 38KHS, 45KHN, ispol'zuyemykh dlya izgotovleniya detaley spetsial'nykh mashin. Diss. kand. techn. nauk [Control of the structure and properties of 110G13L, 38KhS, 45HN steels used for the manufacture of special machine parts]: the author's abstract. PhD (Engineering) diss.]. 05.16.09. Barnaul, 2012, 18 p.
16. Tsurkan D.A., Leontiev A.N. & Ishkov A.V. Povysheniye dolgovech-nosti i ekspluatatsionnoy nadezhnosti detaley gusenichnogo dvizhitelya sel'khoztekhniki i spetsial'nykh mashin [Improvement of longevity and operational reliability of parts of caterpillar drive of agricultural machinery and special machines]. VestnikAltaiskogogosudarstvennogo universiteta - Bulletin of the Altai State University, 2012, No. 5(91), pp. 117-122.
17. Gil'manshina T.R., Kritskij D.Yu., Tiurin S.I. et al. Issledovaniye vozmozhnosti povysheniya nadezhnosti litykh krupnogabaritnykh izdeliy dlya gornogo oborudovaniya [Study into the feasibility of improvement of reliability of cast large-sized products for mining equipment]. Internet-zhurnal Naukovedenie -Web-Journal Science, 2017, Vol. 9, No. 2, p. 105.
