CC BY
60
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.131.2.018.258.5
Колокольцев В.М., Столяров АМ., Молочков ПА, Потапов М.Г., Мулявко М.Н., Цыбров С.В.
ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СРЕДНЕХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ ДЛЯ СОРТОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Для изготовления сортопрокатных валков в настоящее время используются как низко-, средне-, так и высокохромистые с ложно легированные белые износостойкие чугуны. Белые износостойкие чугуны -с ложно легированные многокомпонентные сплавы, разнообразные по структуре и свойствам. Они представляют собой отдельную группу промышленных сплавов, при затвердевании и термической обработке которых формируется та или иная карбидная фаза и эвтектика. Именно они определяют специфические свойства белых износостойких чугунов. Данные процессы хорошо изучены в высокохромистых и низкохромистых чугунах и недостаточно для среднехромистых чугунов. Основное влияние на свойства и экс -плуатационную стойкость сортопрокатных валков оказывают химический состав применяемых чугунов и технологические факторы (скорость охлаждения, температура заливки, режим термической обработки).
Для установления влияния химического состава на механические испециального свойствасреднехромисто-го белого износостойкого чугуна был проведен литера-турно-патенгный поиск подобных составов и их анализ. Были выбраны составы чугунов, которые используются для отливки сортопрокатных валков. Содержание ос -новных легирующих элементов в этих чугунах находилось в следующих пределах %: 2,60-3,50 С, 0,10-1,60 8І,
0,38-1,55 Мп, 4,02-14,0 Сг, 0,5-4,0 № В некоторых из них присутствовали дополнительные легирующие элементы (медь, молибден и титан) в количестве не более
0,5%. Количество дополнительно легированных сплавов было таковым, что адекватно оценить влияние вышеуказанных элементов на свойства чугунов не представлялось возможным. Поэтому изучили только влияние ос -новных легирующих элементов, хотя и такое малое содержание дополнительных легирующих элементов может существенно влиять на структуру и свойства среднехромистых чугунов. Влияние легирующих элементов на свойства показаны на рис. 1-17.
Влияние углерода на твердость, прочности и износостойкость показано на рис. 1-3. Углерод является главным регулятором количества карбидов, так как он действует сильнее хрома почти в 20 раз. Столь широкие пределы изменения концентрации углерода именно и связаны с необходимостью получения в структуре определенного количества карбидов. В данных чугунах зависимость прочности и износостойкости от
содержания углерода носит экстремальный характер с максимумом 2,5%. При большем содержании углерода прочность и износостойкость снижаются, что свя-
2,5 2,7 2,9 3,1 3,3
Содержание С,%
Рис. 1. Влияние содержания углерода натвердость среднехромистых чугунов
о 4
к 3
I
2,0 2,5 3,0 3,5
СЬлеожание С,%
Рис. 2. Влияние содержания углерода на износостойкость среднехромистых чугунов
650.00
600.00
I 550,00
£ 500,00
§ 450,00 т
400.00
350.00
300.00
« к
♦
* ♦ ж
♦
♦
♦ ♦
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,0С
Содержание С,%
Рис. 3. Влияние содержания углерода на прочность среднехромистых чугунов
58
56
54
52
о 50
46
44
3,5
7
6
5
2
1,5
зано с выделением заэвтекшческих первичных карбидов, а также карбидов типа (Ре,Сг}2зС6, которые оказывают большее влияние на прочность и износостойкость, чем на твердость.
Кремний в белых чугунах (см. рис. 4-6) можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтек-тическим расплавом. Его содержание в пределах от 0,9 до 2% повышает температуру эвтектической кристаллизации, расширяет интервал эвтектического превращения, препятствует переохлаждению, уменьшает влияние скорости охлаждения. Это приводит к останов-
Содержание Яі, %
Рис. 4. Влияние содержания кремния натвердость среднехромистых чугунов
7
3 6
Л
н
о
8 5 ж о н
о 4 о
в
^ 3 2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Содержание Яі,%
Рис. 5. Влияние содержания кремния на износостойкость среднехромистых чугунов
Сопепжание Яі %
Рис. 6. Влияние содержания кремния на прочность среднехромистых чугунов
1,4 1,6
02 0,4 0,6 0,8 1,0 12
Содержал ие Мп, %
Рис. 7. Влияние содержания марганца натвердость среднехромистых чугунов
ке роста всех свойств и некоторому их снижению.
Влияние марганца и никеля на твердость и износостойкость показано на рис. 7-12. Марганец, также как и никель, стабилизирует аустенит во всех температурных зонах превращения. С увеличением количества марганца и никеля в пределах от 0,6 до 2,5% углерод перераспределяется между аустенитом и эвтектиским распла-
6,0
4,0
3,0
700.00
600.00 Й 500,00 £ 400,00
О
я 300,00 ^ 200,00 100,00 0,00
1 2 Сод эис. 8. Влияние со; носостойкость сре 3 епжание Мп, іержания днехрому % марганца стых чуп 4 на ^нов
♦'■'і
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,0С
СЬдержание Мп.%
Рис. 9. Влияние содержания марганца на прочности среднехромистых чугунов
2,0 2,5
СЬдержание N %
Рис. 10. Влияниесодержания никеля натвердость среднехромистых чугунов
Содержание N1%
Рис. 11. Влияниесодержания никеля на износостойкость среднехромистых чугунов
7,0
Р 5,0
0
5
1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
60
у 55
50
45
40
вом и его концентрация в аустените существенно возрастает. При этом существенно снижается количество карбидов и возрастает доля остаточного аустенита, что приводит к уменьшению твердости. При уменьшении твердости в белых чугунах, легированных марганцем и никелем, увеличивается пластичность и вязкость, это приводит к увеличению износостойкости при пластической деформации рабочего слоя и прочности.
Влияние хрома на твердость, прочности и износостойкость показано на рис. 13-15. Хром в пределах от 3 до 9% в изучаемом сплаве увеличивает Ки и НС за счет увеличения количества карбидов (Ре,Сг)7С3 и уменьшения карбидов Бе3С. С дальнейшим увеличением содержания хрома металлическая матрица обедняется углеродом, что приводит к снижению твердости и износостойкости и повышению прочности.
При анализе влияния механических свойств на износостойкость белых чугунов выявилась весьма характерная особенность: одной механической характеристике всегда соответствует несколько значений износостойкости. Эю говорит о том, что ни одна из этих характеристик не может быть критерием оценки
600,00
550.00 ^ 500,00
Л
о 450,00
£ 400,00
К
350.00
300,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,0С
Содержание N1%
Рис. 12. Влияниесодержания никеля напрочность среднехромистых чугунов
£ 55 ! 50
8 10
СЬдержание Сг,%
Рис. 13. Влияниесодержания хрома натвердость среднехромистых чугунов
тт
в 5
І 4
* 3 2
3 5 7 9 11 13 15
Содержание Сг,%
Рис. 14. Влияниесодержания хрома на износостойкость среднехромистых чугунов
абразивной износостойкости хромистых чугунов.
По всей видимости, каждая характеристика вносит свой вклад в величину сопротивления износу, и чтобы судить косвенно о роли каждой характеристики, был проведен анализ парных взаимосвязей.
Взаимосвязь предела прочности и твердости с износостойкостью интересна тем, что это две прочностные характеристики из одной группы.
Однако вклад их в величину сопротивления износу различен и более ошутим при их взаимном влиянии. При низких значениях твердости высокая износостойкость достигается с увеличением прочности и наоборот.
700.00
600.00 500,00
[5 400,00
о
&
300.00
200.00
♦ ♦
п ♦ ♦ * ^ ♦ ' ♦ ♦
^ ♦ ♦ - ♦ ♦
♦ ♦
♦
3,00
5,00
7,00
9,00
11,00
13,00
15,00
Содержание Сг,%
Рис. 15. Влияниесодержания хрома на прочность среднехромистых чугунов
-I-
-I-
_|
200 300
400
500 600 700 800 ав,МПа
Рис. 16. Зависимость износостойкости чугунов от твердости и прочности
ИКС. ед.
Рис. 17. Номограммадля определения износостойкости чугунов с учетом их прочности и твердости
70
65
60
45
40
4
6
12
14
8
7
В 6
Методом множественного регрессионного анализа получена адекватная зависимость износостойкости от прочности и твердости:
Ки = 14,857-0,444 НЯС + 3,2 • 10-3НЯС2-4 • 10-3;
св-5 • 10-6 св2 + 3,5 • 10-4НЯС • св, ед. (1)
(Ррася = 106, Ртабл = 1,3).
Исходя из данного заключения, оценкой износостойкости высокохромистых чугунов может служить произведение твердости и прочности НЯС -ств (1).
Данное предположение было реализовано в виде номограммы (рис. 17), которая позволяет оценивать износостойкость чугунов по прочности и твёрдости.
Согласно юмограмме при постоянстве одного из свойств повышения износостойкости можно достичь, увеличивая либо прочность, либо твердость. В этой связи перспективными будут методы поверхностного упрочнения отливок, обеспечивающие высокую твердость и прочность приповерхностного слоя, который и подвергается интенсивному абразивному изнашиванию.
Безусловно, такая номограмма не учитывает ряда частных особенностей изнашивания. Фактически схема взаимодействия абразивной частицы с литой говерхю-стью отливки значительно сложнее. В связи с этим, одним из важных факторов, влияющих на процесс разру-
шения белых чугунэв под действием абразивных частиц, являете ^[соотношение твердостей чугуна! и абразива.
Для получения высоких механических свойств и износостойкости в отливках из среднехромистого чугуна содержание химических элементов должно быть в следующих пределах %: 2,50-3,0 С, < 0,8 Si, 0,5—1,0 Mn, 8,0-10,0 Cr, 2,5—3,0 Ni.
Список литературы
1. Прокатные ваши / К.Н. Вдовин, Р.Х. Гималетдинов, В.М. Колокольцев, С.В. Цыбров. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.
2. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов / В.М. Колокольцев, В.В. Бахметьев, В.Н. Вдрвин, ВА Куц. М., 1997. 148 с.
3. Брялин М.Ф., Колокольцев В.М., Гольцов АС. Повышение эксплуатационных свойств отливок изжароизнооосгойких хромомарганце-выхчугунов //ВестникМТУ им. Г.И. Нооова. 2007. №4. С. 22-25.
List of literature
1. Rolling rolls / K.N. Vdovin, R.H. Gimaletdinov, V.M. Kolokoltsev, S.V. Tsybrov. Magnitogorsk: MSTU, 2005. 543 p.
2. Abrasive resistance of cast steel and iron / V.M. Kolokoltsev, K.N. Vdovin, V.V. Bahmetev, V.A. Kuts. M., 1997. 148 p.
3. Bryalin M.F., Kolokoltsev V.M., Goltsov A.S. The increase of running ability of cast products made of heat and wear resistant chromomanganese cast iron // Vestnik MSTU named after G.I. Nosov. 2007. № 4. P. 22-25.
УДК 621.745.35
Ячиков ИМ., ПортноваИВ., Харченко О.А
ХАРАКТЕР ЭЛЕКТРОВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В ВАННЕ ДППТ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ КАТОДА
В последние годы появляются новые способы перемешивания металла в дуговых печах постоянного тока (ДИШ) с использованием управляемых элек-тровихревых течений (ЭВТ). Эю энергосберегающие технологии, среди которых можно выделить две важные российские разработки:
- ДППГ с одним осевым катодом и двумя асимметрично расположенными подовыми электродами [1];
- ДППГ с двумя асимметрично расположенными сводовыми катодами и одним годовым электродом [2].
В работе [3] рассмотрены результаты экспериментального исследования характера ЭВТ металла в ванне ДППГ с двумя подовыми электродами при равенстве токов, протекающих через них. В данной работе ставилась задача определения характера ЭВТ металла в ванне ДППТ при изменении положения катода при одном и двух подовых электродах.
Изучение ЭВТ со смещением катода относительно оси симметрии ванны проводилось на двух модельных ваннах по той же методике, что и в работе [3]. При проведении экспериментов к силовому источнику подключались один или два подовых электрода диаметром 16 мм, оси которых располагались на расстоянии 40 мм от оси симметрии ванны. Причем один из электродов имел координату ^1=0°, второй - ^2=90°.
В качестве катода использовался медный стержень диаметром 8 мм, закрепленный на медном держателе,
который можно было перемещать по радиусу ванны и вдоль ее оси. Верхний электрод погружался в распгав на глубину 1-2 мм для обеспечения надежного электрического контакта с металлом. После расплавления олова на верхний и подовые электроды подавался ток от силового источника питания с напряжением холостого хода и=5 В, причем при подключении одного анода ток через расплав составлял примерно 800 А, а при подключении двух анодов токи через них были примерно одинаковыми (11 и 12 =600 А).
Экспериментально определялся характер ЭВТ для следующих вариантов расположения электродов:
1) ось катода совпадает с осью ванны (г = 0 мм -расстояние от оси ванны); два подовых электрода;
2) ось катода смещена от оси ванны (г = 80 мм, Ф = 225°); два подовых электрода;
3) ось катода совпадает с осью ванны (г = 0 мм); один подовый электрод;
4) ось катода смещена от оси ванны (г = 80 мм, Ф = 180°); один подовый электрод.
Характер ЭВТ расплава, возникающих на поверхности ванны, для этих вариантов показан на рис. 1.
Для всех рассмотренных вариантов можно отметить, что самое интенсивное движение металла наблюдалось над подовыми электродами и под катодом. При этом минимальная скорость движения расплава
