автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение технологии изготовления отливок из комплекснолегированных чугунов с высокими эксплуатационными свойствами для быстроизнашивающихся сменных деталей горно-обогатительного оборудования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи экз. N 1

ДЮКОВ Андрей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ КОМПЛЕКСНОЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ С ВЫСОКИМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ СМЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГОРНО-ОБОГОТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кульбовский И.К.

Москва-1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ БЕЛОГО ЧУГУНА И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ..................... 8

1.1. Влияние химического состава................................................ 8

1.2. Влияние скорости охлаждения............................................... 12

1.3. Влияние электронного строения элементов............................... 13

1.4. Влияние структурных составляющих белого чугуна на свойства и эксплуатационную стойкость отливок........................................ 17

1.5. Задачи исследования........................................................... 19

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛОГО ЧУГУНА С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ......................................................................... 20

2.1. Исследование влияния электронного строения элементов на структуру белого чугуна....................................................... 20

2.2. Исследование распределения элементов в структурных составляющих белого чугуна и их влияния

на морфологию его структуры................................................... 29

2.3. Теоретические основы получения заданной структуры и

свойств белого чугуна.............................................................. 43

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОЛУЧЕНИЮ ОТЛИВОК ИЗ БЕЛОГО ЧУГУНА С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ.......... 45

3.1. Методика исследований...................................................... 45

3.2. Установление корреляции между химическим составом, параметрами микроструктуры и свойствами отливок из

белого легированного чугуна..................................................... 48

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА БЕЛОГО ЧУГУНА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТЛИВОК............................................................................... 53

4.1. Разработка математических зависимостей влияния элементов на структуру и свойства отливок.................................................. 53

4.2. Разработка структурных диаграмм и номограмм белого чугуна..... 60

4.3. Выбор оптимальных составов белого чугуна

для различных отливок............................................................ 62

5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ БЕЛОГО ЧУГУНА С ВЫСОКИМИ СВОЙСТВАМИ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.................................................................... 79

5.1. Литье для пульповых насосов................................................ 79

5.2. Литье мелющих шаров......................................................... 87

5.3. Технико-экономическая эффективность

технологических процессов....................................................... 98

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................... 101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 102

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................... 109

ВВЕДЕНИЕ

Область применения деталей из белых износостойких чугунов охватывает практически все добывающие отрасли, энергетику, металлургию, все оборудование, где абразивным износом определяется срок службы деталей [1,23,24,66].

Преждевременный выход из строя сменных деталей горнообогатительного оборудования, вызванный их поломками или износом, снижает производительность, ведет к сокращению объемов работ и снижает эффективность производства.

Основным материалом для сменных деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, являются высоколегированные белые чугуны и аустенитная сталь 1 ЮГ 13 Л, обладающая повышенной вязкостью и износостойкостью вследствие ее способности наклёпываться в процессе эксплуатации. Однако получение отливок из стали 110Г13Л имеет ряд существенных недостатков: низкая ее технологичность, связанная с низкой теплопроводностью и высокой усадкой; отсутствие магнитных свойств затрудняет извлечение поломанных деталей из горных пород; необходимость применения длительного цикла термообработки отливок с высокой температурой нагрева, что наряду с высоким содержанием марганца повышает их стоимость.

Белые износостойкие чугуны широко применяются в оборудовании для обогащения руд черных и цветных металлов, сырья для химической промышленности в валковых и шаровых рудоразмольных мельницах, Песковых и грунтовых насосах, системах гидротранспорта, гидроциклонах, сушилах для концентрата. В условиях абразивного изнашивания в нейтральной среде хромомолибденовые чугуны обладают максимальной износостойкостью и обеспечивают более длительные сроки службы, чем другие чугуны [95].Так например, при добыче песка землесос с бронедисками, изготовленными из чугуна ИЧ290Х12М, перекачивает 60 тыс. м грунта, а с бронедисками из стали

-5

СтЗ - только 5 тыс.м , т.е. в 12 раз меньше.

Хромомарганцевые износостойкие чугуны с карбидами М7Сз представляют собой разумный компромисс между противоречивыми требованиями к условиям получения высокой износостойкости и экономичности.

Подавление перлитного превращения и достижение высокой прокаливаемости достигается в этих чугунах за счет введения марганца.

Перспективным направлением является применение для сменных деталей более дешевых и технологичных в производстве и эксплуатации экономно-легированных комплексных чугунов. Важной стороной является обеспечение необходимого сочетания их свойств - прочности, твердости и износостойкости наряду с высокой пластичностью и ударной вязкостью.

В настоящее время управление процессом , структурообразования в кристаллизующихся отливках осуществляется по структурным диаграммам и номограммам. Но основой всех свойств металлов и их расплавов является электронное строение и взаимодействие между атомами основного металла и легирующих элементов. Установление зависимости структуры чугуна от его электронного строения позволит на теоретическом уровне прогнозировать параметры структуры и свойства отливок.

Целью настоящих исследований является разработка экономно-легированных износостойких чугунов и технологии изготовления из них отливок для сменных деталей горно-обогатительного оборудования, работающих в условиях ударно-абразивного износа.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- разработка математических моделей влияния легирующих элементов на структуру, механические свойства, износостойкость комплексно-легированных белых чугунов, как в литом состоянии, так и при различных режимах термической обработки;

- разработка программ расчета на ЭВМ и построение номограмм позволяющих выбирать оптимальный химический состав белого легированного чугуна, обеспечивающего необходимую эксплуатационную стойкость различных деталей горно-рудного оборудования в условиях абразивного и ударно-абразивного износа;

- установление оптимального состава чугуна для получения мелющих шаров с повышенной стойкостью в условиях ударно-абразивного изнашивания;

- установление оптимального состава чугуна для получения отливок деталей пульповых насосов с высокой абразивной износостойкостью;

- разработка оптимальной технологии плавки белого легированного чугуна в индукционных электропечах, обеспечивающая получение заданного химического состава, минимальный угар легирующих элементов и максимальную производительность печей;

- установление оптимальных режимов термической обработки для различных деталей горно-обогатительного оборудования из белого легированного чугуна, обеспечивающие повышение их эксплуатационной стойкости;

- разработка оптимального технологического процесса получения отливок деталей пульповых насосов, имеющих повышенную эксплуатационную стойкость;

- разработка оптимального технологического процесса получения мелющих шаров различных диаметров литьем в кокиль, имеющих повышенную стойкость в условиях ударно-абразивного износа;

Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических и экспериментальных результатов, позволивших выявить возможность повышения свойств легированных чугунов в отливках и их эксплуатационную стойкость:

- получен ряд новых теоретических и экспериментальных результатов, позволивших разработать методы получения сплавов с заданной структурой и свойствами и на этой основе выявить возможность повышения эксплуатационной стойкости отливок из белого легированного чугуна, а именно:

- установлена связь образования структурных составляющих сплавов (растворов, химических соединений) с создаваемой в них величиной электронной концентрации и разработана методика ее расчета для многокомпонентных сплавов, что является теоретической основой для определения их составов, обеспечивающих заданную структуру;

- найдены теоретически и подтверждены экспериментально необхлдимые пределы содержания в белом легированном чугуне карбидообразующих элементов, обеспечивающие образование в них карбидов типа МезС, МеуСз, Ме23С6;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований впервые найдены математические зависимости, устанавливающие совместное влияние углерода, марганца, бора, хрома, никеля, молибдена, титана на параметры структуры, макростроения, механических свойств и износостойкости белых легированных чугунов в литом состоянии и после различных видов термической обработки, позволяющие выбирать оптимальный химический состав, обеспечивающий получение заданных свойств и структуры;

- на основе полученных математических зависимостей построены номограммы и разработаны программы расчета на ЭВМ для выбора оптимального химического состава чугуна в литом состоянии и после различных видов термической обработки, позволяющие управлять процессом получения отливок из белого легированного чугуна с заранее заданными значениями свойств и параметров структуры;

на основе экспериментальных исследований с использованием микрорентгеноструктурного и металлографического анализа получены новые данные по распределению химических элементов в структуре белого легированного чугуна при литье его в кокиль, что позволило выявить их влияние на процесс его кристаллизации и структурообразования.

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете. При выполнении работы использованы современные методы исследований: математико-статистические методы планирования и обработки экспериментов; метод конечных элементов для определения напряженно-деформированного состояния деталей; рентгеноспектральный, металлографический, химический анализ; специальные методы исследования износостойкости; современные методы испытаний чугунов.

Промышленное опробирование результатов работы проводилось на ОАО «КРОНТИФ» г. Людиново при производстве мелющих шаров для шаровых мельниц различных диаметров. При испытаниях на ГОКах мелющие шары, изготовленные из комплексно-легированых чугунов, зарекомендовали себя наилучшим образом. На АО БМЗ проводились работы по отливке деталей грунтовых насосов. Срок службы насосов изготовленных по предложенной технологии увеличился в 1,5-2 раза по сравнению с использовавшимися ранее.

Основные результаты докладывались и обсуждались на III Всероссийском съезде литейщиков (Владимир, май 1997г.), Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, МГАТУ им.К.Э.Циалковского, ноябрь 1995г.), Российской научно-технической конференции "Управление процессом формирования структуры и свойств литейных сплавов в отливках" (С-Петербург, март 1996г.), Международной научно-технической конференции "Пути повышения качества и экономичности литейных процессов" (Одесса, сентябрь 1996г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества продукции" (Брянск, октябрь 1998г.), Межвузовской научно-технической конференции "Материаловедческие проблемы в машиностроении" (Брянск, март 1998г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянского государственного технического университета в 1996-1999гг., технических советах НПО "ЦНИИТМаш", АО "Сукремльский чугунолитейный завод".

В ходе работы над диссертацией опубликовано 12 печатных работ.

1 .АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ БЕЛОГО ЧУГУНА И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ.

1.1. Влияние химического состава.

Непременным условием для получения отливок из белого чугуна с повышенной износостойкостью является легирование дополнительными элементами. При вводе легирующих добавок необходимо учитывать следующие требования [36]:

создание благоприятных условий для образования тонких эвтектических колоний;

обеспечения перераспределения углерода между эвтектическим расплавом и аустенитом в направлении обогащения последнего углеродом, что приведет к получению более твердого мартенсита после закалки, а следовательно повысит износостойкость отливки;

снижение температуры начала первичной кристаллизации (выделения аустенита);

сокращение в условиях ускоренного охлаждения всего температурного интервала кристаллизации и тем самым уменьшение дендритных кристаллитов первичного аустенита и образование тонкодисперсной, вытянутой вдоль них карбидной эвтектики;

выравнивание скоростей кристаллизации цементита и аустенита с образованием тонкой эвтектической смеси;

уменьшение хрупкости как сплава в целом, так и отдельных структурных составляющих для увеличения его сопротивления многократным ударным нагрузкам.

Влияние углерода на твердость белого чугуна большинством исследователей оценивается как прямо пропорциональное его содержанию (рис.1).

¡5 НЕ!

о

о

ч

о.

О}

со

Ь 544

486 430

3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 %

Содержание углерода

Рис.1. Влияние содержания углерода на твердость белого чугуна.

Это обуславливается увеличением количества карбидов в структуре чугуна при повышении содержания углерода [1, 17]. Однако наряду с увеличением количества карбидов растут и размеры отдельных кристаллов карбидов, которые образуют в структуре отливки твердый, но хрупкий скелет, что приводит к значительному уменьшению ударной вязкости и прочности чугуна [18, 62].

Кремний в белом чугуне можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом /11/. Кремний повышает температуру эвтектической кристаллизации, расширяет интервал эвтектического превращения, препятствует переохлаждению и уменьшает влияние скорости охлаждения. Под влиянием кремния предел растворимости углерода в аустените и положение эвтектической точки на диаграмме Ре-С-81 смещается влево, строение карбидной эвтектической составляющей становится более тонкой [7,8].

Влияние бора на свойства белого чугуна изучено мало. Растворимость бора в у и а-железе лежит в интервале 0,10 - 0,15% по массе [36]. Бор одновременно может образовывать твердые растворы как замещения, так и внедрения [37,38]. В цементите может растворяться до 5,2% В, замещая углерод. Введение бора в чугун способствует его отбеливанию, причем можно достичь равномерного распределения мелкодисперсных карбидов по сечению отливки. Бор повышает микротвердость цементита и общую твердость отливки за счет образования борокарбидов [12].

Карбидообразующие (¿-элементы (Т1, V, Мо, Сг, Мп) снижают

термодинамическую активность углерода в жидком чугуне, способствуют стабилизации ОЦК а- и 8- растворов и выклинивают область у-растворов. Хром широко применяется для легирования белых чугунов [1, 17]. При кристаллизации хромистых чугунов, степень легирования которых ограничена практически используемым интервалом (1 - 35%), могут образовываться карбиды трех типов. Орторомбический хромистый цементит (Те,Сг)3С с микротвердостью до НУ 1200 и тригональный карбид хрома (Сг,Ре)7С3 с микротвердостью НУ 1200 -1800, в которых атомы железа частично замещены атомами хрома, а также кубический малоуглеродистый карбид (Сг,Ре)2зСб с микротвердостью свыше НУ 2000. Коэффициент распределения хрома между цементитом и аустенитом 2,6, а между тригональным карбидом и аустенитом 4,2. Изменение этих значений во всем интервале концентраций от 1 до 30% невелико. С увеличением содержания хрома в чугуне интервал температур эвтектического равновесия расширяется, а содержание углерода в эвтектической жидкости снижается. Опыт показывает, что на каждый процент хрома углеродный эквивалент уменьшается на 0.06% .

Легирование сплава другими элементами влияет на количество хрома, необходимого для образования специальных карбидов. По мнению одних авторов такие элементы, как титан, марганец и др. повышают критическое содержание

хрома, необходимое для замены цементита специальными карбидами хрома [56]. Дру�