2. Характеристика досліджуваних матеріалів
На підставі аналізу попереднього досвіду для досліджень були обрані високохромисті чавуни. Експерименти проводили на литих зразках та литих мелючих кулях діаметром 80...100мм.
Плавки проводили у лабораторних печах місткістю 20 та 60кг. В промислових умовах використовували індукційну піч місткістю 6т. Температура у печі перед випуском металу становила 1450...14800С. Температура чавуну при заливці змінювалась від 1340 до 14200С. Відливку зразків проводили у піщані форми. Для вивчення впливу хімічного складу та термічної обробки на структуру та властивості хромистого чавуну відливали кулі діаметром 100мм у промислові піщані форми по технології, що розроблена ЗДТУ і впроваджена на НВО "Востокмашзавод". Для вивчення впливу вібрації та відцентрових сил, кулі відливали у кокіль на модулі установки відцентрово-вібраційного лиття Камиш-Бурунського залізорудного комбінату.
Термічну обробку зразків проводили у лабораторних печах опору, литих куль - у печах СДО-28 з висувним подом. Термічна обробка включала повітряне гартування від температур 920...9500С з відпуском при температурі 430...4500С. Для запобігання утворення тріщин у відливках при нагріванні під гартування швидкість нагрівання обмежували величиною 700С/год. з витримкою протягом 2 годин при температурі 4000С. Подальше нагрівання вели з швидкістю 1500С/год.
Контроль хімічного складу, дослідження макро- та мікроструктури, розміру структурних складових та механічних властивостей проводили стандартними методами. Для дослідження ударостійкості куль було розроблено спеціальну методику з використанням копра з падаючим вантажем. Енергія одиничного удару дорівнювала 1450Дж, що в 10...15 разів перевищує реальні динамічні навантаження, які сприймають кулі при роботі у промислових млинах. Ударостійкість оцінювали по кількості ударів, що витримувала куля до руйнування.
Дослідження абразивної зносостійкості проводили по методу випробування матеріалів при терті по закріпленому абразиву на установці Фізико-механічного інституту НАН України, яка забезпечувала постійну лінійну швидкість при терті. Ударно-абразивну зносостійкість зразків досліджували у лабораторному кульовому млині.
Об’єм усадочних дефектів визначали за методикою, що розроблена кафедрою М та ТЛВ ЗДТУ. Додатково досліджували площину усадочної раковини на темплеті кулі, що виготовляли розтином кулі по площині, яка перпендикулярна роз’єму форми та проходить через живильник.
Математичну обробку експериментальних даних та оптимізацію хімічного складу чавуну здійснювали із застосуванням сучасних апаратів і засобів обчислюваної математики.
3. Розробка оптимального складу хромистого чавуну, для даного типу робіт
При виборі критеріїв експлуатаційної стійкості куль, необхідних для оптимізації складу стопу, були використані результати випробувань литих мелючих куль з хромистих чавунів різного складу, проведених раніше кафедрою технології металів ЗДТУ. Такими критеріями було обрано:
-твердість поверхні кулі не менше HRC 55 з максимально можливою рівномірностю по перетину кулі;
-ударна в’язкість КС матеріалу кулі не менше 8,0 Дж/см2;
-ударостійкість куль Nу не менше 15 ударів;
-магнітна проникливість m не менше 4,0 Гн/м;
-достатня щільність та якість відливків.
Вплив основних легуючих елементів (C, Cr та Mn) вивчали з використанням математичного методу активного планування експерименту 23 (ортогональний план другого порядку). Згідно з аналізом літературних даних вміст хімічних елементів змінювали у наступних межах, мас. доля,%: 1,8...3,2С; 13,0...23,0Cr, 1,0...4,0Mn. Крім того, стопи вміщували 0,8...1,0%Ni, не більше 1,0%Si. Функцією відклику було обрано твердість HRC, ударна в’язкість КС, магнітна проникливість m, абразивний та ударно-абразивний зноси, як фактори, що відображають експлуатаційні якості мелючих куль.
Математична обробка результатів експерименту дозволила одержати залежності властивостей зносостійкого чавуну від його хімічного складу (у досліджених межах), що описуються рівняннями регресій:
КС = 55,6-16,25С-2,0Cr-2,1Mn+0,7СMn+2,2С2+0,05Cr2, Дж/см2;
HRC = 27+5,6С+0,3Cr+8,9Mn-1,7Mn2;
m = 2,8-1,7С+0,1Cr+2,8Mn-0,1ССr-0,2СMn+0,8С2-0,4Mn2, Гн/м;
IА = 441-53С-1,6Cr-70Mn+13Mn2, г/(м2ч);
IУА = 95,8-38,1С-3,75Cr-3,9Mn+0,6ССr+5,25С2+0,06Сr2+
+0,8Mn2, г/(м2ч);
Стопи вивченого хімічного складу мають структуру доевтектичного білого чавуну. Евтектика представлена хромистим карбідом типу (Cr,Fe)7C3 розеточної будови в аустенітній матриці. Кількість карбідів змінювалась від 15 до 35%. Термічним травленням встановили, що при будь-якому співвідношенню Cr/C у досліджених межах (5...11) при кристалізації стопів створюється тільки карбід тригонального типу (безбарвні карбіди). Карбіди цементитного типу (Fe,Cr)3C (цегельного кольору) виділяються вже у процесі охолодження відливку. Переконливим підтвердженням результатів термічного травлення служать дослідження мікротвердості. Безбарвні карбіди мали мікротвердість Н50=1410...1680МПа, що відповідає карбіду типу (Cr,Fe)7C3. Одержані результати свідчать про недоцільність збільшення вмісту хрому з метою зміни морфологічної будови карбідної фази та евтектики в цілому. Вже при 13,0%Cr усі досліджені сплави кристалізувалися з евтектикою розеточної будови. Вторинні карбіди цементитного типу виділяються у середині металічної основи стопу, мають невеликі розміри і на первинну структуру високохромистих чавунів впливу не чинять. Металева основа досліджених чавунів після термічної обробки має структуру мартенситу з мікротвердістю Н50=710...830МПа. Невеликі розміри вивчених зразків (біля 30мм) не дозволили встановити різниці у структурі по перетину шліфа.
Зміни ступеня легування чавунів не привело до помітної зміни металевої матриці стопів, але значно змінило кількість карбідної фази. Цей факт пояснює зниження ударної в’язкості та підвищення твердості із збільшенням вмісту вуглецю та хрому як основних карбідостворюючих елементів. Вплив марганцю за умов невеликих зразків встановити складно. Власних карбідів марганець не утворює (в досліджених стопах), а лише легує карбіди хрому та металеву основу. Розчинюючись у залізі, марганець розширює g-область, та збільшує кількість вуглецю в аустеніті, тим самим стабілізує аустеніт в області перлітного перетворення та підвищує здатність до гартування, а також зменшує загальну кількість карбідів.
Встановити зв’язок між співвідношенням Cr/C та ударно-абразивною зносостійкістю не вдалося. Але оптимальною структурою незалежно від вмісту вуглецю та хрому є мартенситна матриця з 25...28% карбіду типу М7С3. Певно, така структура оптимально поєднує твердість як фактор, що перешкоджає проникненню абразивної частки у тіло кулі, та достатню в’язкість як показник, що сприяє зниженню викришування карбідів у процесі зносу, та підвищенню ударостійкості куль.
Одержані залежності дозволили провести з врахуванням вимог до матеріалу мелючих куль комплексну оптимізацію хімічного складу зносостійкого чавуну з використанням графо-аналітичного методу. Визначено базовий склад чавуну, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 4,0%Mn. Такий склад чавуну забезпечує необхідний рівень властивостей при мінімально можливому вмісті хрому. Цей чавун також має ступінь евтектичності 0,8, що забезпечує покращення ливарних властивостей.
Вивчення впливу марганцю, нікелю, кремнію та титану на експлуатаційні властивості стопу ИЧ280Х15 проводили безпосередньо на кулях діаметром 100мм, що відливали у піщані форми.
Марганець вводили до стопу з метою забезпечення високої твердості не тільки на поверхні кулі, але й по всьому її перетину. При всіх вивчених вмістах марганцю стоп задовольняє умовам по ударостійкості. Твердість поверхні куль при вмісті від 1,0 до 4,0%Mn практично не змінюється, але у центрі кулі максимальне значення твердості має місце при 3,6...4,1%Mn. При такому вмісті марганцю металева основа як на поверхні, так і у центрі кулі представлена мартенситом. Вміст марганцю вище 4,1% знижує точку мартенситного перетворення настільки, що робить практично неможливим одержання структур гартування при кімнатній температурі. Кількість немагнітної складової структури - аустеніту збільшується до межі, коли кулі перестають задовольняти встановленим вимогам по магнітній проникливості, а також по твердості. Вміст марганцю нижче 3,3% приводить до збільшення кількості продуктів розпаду аустеніту у центральній частині кулі, що негативно відзначається на твердості та стійкості мелючих куль.
Кремній є розкислюючим та легуючим елементом і вноситься у чавун з шихтовими матеріалами. Кремній звужує g-область та значно знижує концентрацію вуглецю у аустеніті. У хромомарганцевих чавунах з високою стабільністю аустеніту кремній у визначеному діапазоні вмісту можна розглядати як корисний елемент, що підвищує температуру мартенситного перетворення та полегшує тим самим утворення мартенситу. Але підвищений вміст кремнію приводить до зниження твердості чавуну, оскільки ефект від збільшеня кількості продуктів перлітного розпаду з малою твердістю перекриває ефект від збільшення кількості мартенситу. Встановлено, що вміст кремнію у чавуні ИЧ280Х15Г4 не повинен перевищувати 1,0%.
Використання дорогого нікелю для легування маловідповідальних деталей повинно підтверджуватися його значимістю та необхідністю. Виключення нікелю із складу зносостійкого хромистого чавуну знижує ударостійкість литих куль нижче критичного рівня (Nу<15 ударів). За іншими параметрами стоп повністю відповідає встановленим критеріям. У зв’язку з цим виникла необхідність підвищення ударостійкості матеріалу за рахунок інших факторів. Найбільш перспективним у цьому плані виявилося модифікування стопу титаном.
Добавки титану у кількості до 0,3% приводять до подрібнення структури стопу за рахунок ефекту модифікування другого роду. Наслідком змін у структурі стопу є підвищення ударостійкості куль до необхідного рівня. Але при подальшому збільшенню вмісту титану у стопі має місце збільшення розміру зерна.
У результаті проведених досліджень для виробництва мелючих куль методом лиття запропоновано чавун марки ИЧ280Х15Г4Т, що містить, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 3,5...4,0Mn; не більше 1,0Si; 0,1...0,3Ti.
Проведено оптимізацію режиму термічної обробки мелючих куль з розробленого стопу за температурами повітряного гартування та відпуску. Встановлено, що підвищення температури повітряного гартування веде до зниження твердості та підвищення ударостійкості куль за рахунок збільшення кількості залишкового аустеніту у структурі стопу. Температура відпуску впливає аналогічно з різким збільшенням зростання при температурі вище 6500С, що обумовлено переходом точки перетворення А1 (»7500С). Впливу термічної обробки на первинні карбіди не встановлено. Оптимальним режимом термічної обробки мелючих куль із стопу ИЧ280Х15Г4Т є повітряне гартування з 950±200С та наступним відпуском при 450±200С.
0 комментариев