УДК 621.74.01:669.13
СИНТЕЗ И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ДЕТАЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
,
МГТУ им.
Аннотация
Предложен новый тип жаростойких и износостойких чугунов для отливок специального назначения.
Ключевые слова: отливка, жаростойкость, износостойкость.
В настоящее время перспективными материалами для литых деталей, работающих в сложных условиях изнашивания при повышенных температурах, являются комплексно-легированные белые чугуны, вследствие особенностей строения их микроструктуры, обеспечивающей оптимальные показатели нескольких специальных свойств одновременно.
При этом важен не только высокий уровень показателей прочностных характеристик отливок, но и достижение высоких показателей нескольких специальных свойств одновременно и стабильность данных характеристик в процессе эксплуатации. Особенно велико значение эксплуатационной стойкости для деталей агломерационного оборудования.
Срок службы отливок из данных чугунов будет определяться их жароизносостойкостью при повышенных температурах. В свою очередь жароизносостойкость зависит от свойств самого металла, которые определяются структурой. Управлять литой структурой и свойствами чугунов можно путем изменения химического состава, скорости охлаждения, модифицирования, рафинирования и термической обработки. Одним из перспективных методов улучшения структуры, механических, технологических и служебных свойств является модифицирование и микролегирование.
Целью работы является получение стабильных характеристик структуры, механических и специальных свойств хромомарганцевых чугунов, являющихся в настоящее время наиболее перспективными для изготовления отливок, работающих в условиях износа при повышенных температурах, за счет разработки их новых составов. Для этого решаются следующие задачи:
- установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических и специальных свойств (износостойкости, жаростойкости) хромомарганцевых чугунов;
- построение математических моделей сплавов со специальными свойствами и расчет на их основе новых составов сплавов; разработка и внедрение в промышленность новых жароизносостойких составов чугунов для отливок рабочих деталей агломерационного оборудования;
Для изготовления колосников грохотов и спекательных тележек, используются сплавы представленные в таблице 1.
Таблица 1
Сплавы для колосников и их свойства
Сплав | HRC, ед. | Коэффициент износостой-кости, Ки, ед. | Коэффициент окалино- стойкости, ∆m, г/м2ч | Ростоустой- чивость, L,% |
ИЧ220Х18Г4НТ | 46 | 4,4 | 0,055 | 0,19 |
75Х24ТЛ | 21 | 1,98 | 0,035 | 0,53 |
ИЧХ28Н2 | 50 | 5,5 | 0,059 | 0,34 |
Колосники спекательных тележек работают в условиях высоких температур, агрессивных газовых сред, абразивного износа, колосники стационарных грохотов и в условиях ударно-абразивного изнашивания. Вследствие этого колосники должны обладать высокой жаростойкостью, жаропрочностью и износостойкостью.
Уровень различных основных свойств неодинаково зависит от химического состава и структурного состояния чугунов. Улучшение одного или нескольких свойств часто неизбежно сопровождается ухудшением других.
Длительное время основным критерием абразивного или другого вида механического изнашивания стали и чугуна считали их твердость. Но работы последних лет показывают, что природа абразивного, ударноабразивного, гидроабразивного, гидроударноабразивного, изнашивания значительно сложнее и износостойкость нельзя оценивать только твердостью. Согласно мнению большинства исследователей, для условий абразивного износа, максимальной износостойкостью обладают сплавы, структура которых соответствует принципу Шарпи. Для повышения износостойкости сплавов, согласующихся с принципом Шарпи, необходимо уменьшать размеры твердых включений и повышать их механические свойства. Уменьшение размеров включений способствует росту площади контакта, уменьшению удельной нагрузки, повышению механических свойств сплава, уменьшению выкрашивания твердых составляющих.
Решение поставленных задачи проводилось в три этапа. После изучения ретроспективы патентного фонда и публикаций за последние 20 лет по этому вопросу пришли к выводу о целесообразности дополнительного легирования чугуна марки ИЧ220Х18Г4НТ ниобием и алюминием. Структуру и фазовый состав чугунов исследовали с помощью металлографического и рентгенографического (в кобальтовом Кб – излучении) методов. Количественный металлографический анализ, автоматизированную обработку результатов измерения микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 и анализаторе изображений Thixomet. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45. Жаростойкость оценивали по двум показателям: окалиностойкости и ростоустойчивости. Структуру и свойства сплавов исследовали как в литом состоянии, так и после испытаний на жаростойкость.
На первом этапе содержание Al и Nb варьировали: 1,0; 2,0; 3,0% и 0,3; 0,5; 0,7% соответственно. Структура чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ состоит из феррита и аустенито-хромистокарбидной эвтектики. В структуре чугунов присутствуют карбиды с микротвердостью от 8 до 12,5 ГПа. Совместное влияние оптимальных количеств Al и Nb на свойства исследуемых чугунов представлено в таблице 2. Прослеживается четкая тенденция изменения показателей твердости и износостойкости в зависимости от скорости охлаждения. С увеличением скорости охлаждения происходит измельчение карбидов и эвтектики. Максимальной износостойкостью обладают чугуны, залитые в кокиль, в связи с измельчением карбидов и более равномерным распределением в матрице.
Таблица 2
Совместное влияние Al и Nb на свойства исследуемых чугунов
Al, Nb % | Тип формы | Свойства | ||||
Ки, ед. | Ки, ед. (после испытаний на жаростойкость) |
| HRC, ед. | L, % | ||
Al -2 %, Nb - 0,7 % | сухая | 2,5 | 1,7 | 0,037 | 44 | 0,07 |
сырая | 2,8 | 2,0 | 0,09 | 45 | 0,04 | |
кокиль | 3,1 | 2,5 | 0,018 | 47 | - |
Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в сухие песчано-глинистые формы, в них карбиды успевают вырасти до крупных размеров, (рис. 1) которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются, что приводит к снижению износостойкости.
х 500 х 500 х 500
а) б) в)
Рис. 1. Микроструктура карбидов чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ залитого в ПГФ сухую (а), ПГФ сырую (б) и кокиль (в)
Можно предположить, что падение окалиностойкости 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. Кроме того, увеличивается межзеренная поверхность, которая обогащается легкоплавкими составляющими и более загрязнена. Все это и приводит к падению окалиностойкости. Как показывают проведенные исследования, происходит существенное уменьшение износостойкости образцов после проведения испытаний на жаростойкость, но 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 Al и Nb варьировали: 1,0; 2,0; 3,0% и 1,0; 2,0; 3,0% соответственно. Структура чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ состоит из аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики розеточного строения. В структуре чугунов наряду с карбидами типа М7С3 и М3С, присутствуют специальные двойные карбиды TiC-NbC.
Наибольшие ростоустойчивость и окалиностойкость наблюдаются при введении 2% Nb, что объясняется увеличением объемной доли карбидов ниобия, обладающих термической стойкостью, способных сохранять механические свойства сплавов при высоких температурах в течение продолжительного времен, а также обогащением металлической основы хромом.
Отрицательное влияние на окалиностойкость Al до 2% объясняется тем, что происходит повышение концентраций вакансий в окалине вследствие частичного замещения двухвалентных атомов железа и никеля трехвалентными атомами алюминия. Повышение числа вакансий влечет за собой ускорение диффузии кислорода к поверхности металла. Существенное повышение окалиностойкости следует ожидать при введении в сплав от 2,5 до 3,5% Al. Это связано с образованием шпинели FeO(Cr2O3, Al2O3) и собственного стабильного оксида Al2O3. Совместное влияние Al и Nb на свойства исследуемых чугунов представлено в табл. 3.
Таблица 3
Совместное влияние Al и Nb на свойства исследуемых чугунов
Al, Nb % | Тип формы | Свойства | ||||
Ки, ед | Ки, ед. (после испытаний на жаростойкость) |
| HRC ед. | L, % | ||
Al -2%, Nb - 2% | сухая | 4,2 | 4,9 | 0,016 | 46 | 0,0 |
сырая | 4,23 | 4,95 | 0,014 | 46 | 0,0 | |
кокиль | 5,65 | 6,3 | 0,009 | 49 | - |
На третьем этапе были проведены исследования по влиянию рафинирующе - модифицирующих материалов - кальций-стронциевого карбоната, бора и силикокальция на структуру и свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ.
Из чугуна марки ИЧ220Х18Г4НТ ранее разработанного на кафедре были изготовлены и прошли промышленные испытания колосники грохотов агломерационных машин в условиях агломерационной машины № 11 аглофабрики № 3 . Их эксплуатационная стойкость более чем в 3 раза превысила стойкость колосников из известной жаростойкой стали 75Х24ТЛ. Анализ данных таблицы 4 демонстрирует увеличение окалиностойкости более чем на 70%, при нулевой ростоустойчивости чугуна марки ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ по сравнению с чугуном, ранее разработанным на кафедре.
Таблица 4
Свойства исследуемых сплавов, залитых в сырую ПГФ.
Сплав | HRC, ед. | Ки, ед. | ∆m, г/м2ч | L,% |
75Х24ТЛ | 21 | 1,98 | 0,035 | 0,53 |
ИЧ220Х18Г4НТ | 46 | 4,4 | 0,055 | 0,19 |
ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ | 45 | 3,6 | 0,04 | 0,09 |
ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ | 46 | 4,4 | 0,014 | 0 |
Предполагается увеличение стойкости колосников, изготовленных из чугуна марки ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ не менее чем в 2 раза. Ожидаемый годовой экономический эффект, при внедрении нового состава сплава составит порядка 2,2 млн. руб.
