автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексное воздействие на структуру белых износостойких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

Молочков Павел Александрович

Комплексное воздействие на структуру белых износостойких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок

Специальность 05.16.04 -Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2004

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Колокольцев Валерий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Афонаскин Александр Васильевич,

кандидат технических наук, доцент Милюков Сергей Владимирович.

Ведущая организация ОАО «Кушвинский завод прокатных

валков», г. Кушва, Свердловская обл.

ш . »

Защита состоится « 26 » октября 2004 года вХ£>_часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова.

Автореферат разослан

.2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ино з

Актуальность работы. Повышение качества и надежности машин -необходимое условие развития машиностроения. Чаще всего главная причина выхода машин из строя - износ рабочих деталей. Надежность машин обеспечивается в первую очередь при достижении высокого качества материалов рабочих деталей с требуемым уровнем механических свойств.

Малый срок службы деталей снижает экономическую эффективность многих машин и промышленного оборудования и приводит к безвозвратным потерям металла.

В условиях износа, не связанных с большими ударными нагрузками, хорошо зарекомендовали себя белые износостойкие чугуны, которые имеют износостойкость в 5 -10 раз больше, чем конструкционные стал'и.

С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам отливок из износостойких чугунов. От этого зависит увеличение срока службы. В этой связи важной является проблема совершенствования их состава и структуры.

Для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих в условиях износа, большую актуальность имеет создание и внедрение новых сплавов, превосходящих по свойствам известные.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение механических свойств износостойких чугунов и эксплуатационной стойкости отливок из них путем создания новых легирующих комплексов и улучшения первичной литой структуры рафинированием, модифицированием и термической обработкой. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых хромистых чугунов, дополнительно легированных Si, Mn, №, Mo, V, Си, В, Sb, Ca, для выбора легирующего комплекса и создания чугунов новых химических составов с высокими свойствами.

2. Исследование влияния комплексного легирования, модифицирования и термической обработки на особенности формирования структуры и свойств отливок из хромованадиевых чугунов в различных условиях охлаждения; разработка нового состава чугуна и режима термической обработки отливок, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных свойств.

3. Изучение механизма воздействия кальций-стронциевого карбоната на структуру и механические свойства белых износостойких чугунов, определение рационального количества вводимой присадки для улучшения структуры и свойств.

4. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунов новых химических составов.--—--ТТШмАа 1

РОС НАЦИОНАЛЬНА»1

I БИБЛИОТЕКА | |

Научная новизна работы

1. Установлены взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых высокохромистых комплексно-легированных Si, Mn, №, Mo, V, Си, В, Sb, Ca чугунов, получены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов и структурных составляющих на их свойства, на основе которых разработан новый химический состав чугуна для отливок специального назначения (бандажи, ролики, валки, волоки и др.).

2. Получены номограмма, позволяющая определить износостойкость в зависимости от твердости и прочности, и формула расчета коэффициента относительной износостойкости чугунов в зависимости от твердости и количества упрочняющей фазы.

3. Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств, износостойкости и линейной усадки хромованадиевых чугунов, а также весовые коэффициенты влияния легирующих элементов (С, V, Сг) и характеристик структурных составляющих (микротвёрдость матрицы и эвтектики, количество и размеры карбидов) на их свойства, на основе которых разработан новый состав износостойкого чугуна с требуемыми свойствами.

4. Показаны изменения в строении и количестве двойных и тройных эвтектик, карбидной фазы и металлической матрицы, происходящие в зависимости от условий охлаждения отливок в различных литейных формах, что позволяет регулировать химический состава чугуна и прогнозировать структуру и свойства отливок.

5. Установлено рафинирующе-модифицирующее действие кальций-стронциевого карбоната на расплавы чугунов, определены его необходимые количества для их обработки, обеспечивающие измельчение литой структуры (эвтектик, карбидной фазы и дендритов аустенита), что существенно улучшает свойства литого металла.

6. Установлено, что рафинирование и модифицирование чугунов карбонатом снижает скорость усадки в начальный период, что уменьшает внутренние напряжения, возникающие в процессе затвердевания и охлаждения отливок и, как следствие, позволяет уменьшить в них количество горячих трещин.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и выявленные закономерности взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромистых чугунов, дополнительно легированных Si, Mn, №, Mo, V, B, Sb, Ca, а также чугунов системы Fe-C-Cr-V.

2. Результаты исследований по влиянию легирования и скорости охлаждения на структуру, механические свойства и износостойкость сплавов системы Fe-C-Cr-V.

3. Результаты экспериментальных исследований по рафинированию и модифицированию чугуна новым материалом - кальций-стронциевым карбонатом, являющимся отходом химической промышленности.

4. Новые составы чугунов для износостойких отливок.

Практическая ценность работы

1. Разработаны новые химические составы износостойких чугунов и выбраны режимы их термической обработки для отливок специального назначения, обеспечивающие их высокую эксплуатационную стойкость.

2. Полученны закономерности влияния химического состава и типа литейной формы на структуру и свойства исследованных чугунов, позволяющие прогнозировать и регулировать химический состав с целью достижения требуемых структуры и свойств.

3. Разработаны технологические рекомендации по обработке белых чугунов рафинирующе-модифицирующим материалом - кальций-стронциевым карбонатом.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были положены в основу технологии изготовления опытно-промышленной партии отливок для детали «шайба валковая» массой 9,5 кг, которые прошли производственные испытания в сортовом цехе ОАО «ММК» на мелкосортно-проволочном стане. Сравнение проводили с шайбами производства Германии HDW - 5, изготовленными методом порошковой металлургии с использованием порошков карбидов вольфрама. При этом было установлено, что опытные шайбы прокатали порядка 185 т проволоки, в то время как импортные шайбы прокатывают в среднем 250 т проволоки. Таким образом, стойкость литых деталей составила 74 % от стойкости шайб HDW - 5, но при этом стоимость отливок из предложенного чугуна в несколько раз ниже, чем из твердоспеченных сплавов.

Новый состав хромованадиевого чугуна используется для изготовления отливки для детали «колено» массой 44,7 кг. «Колено» применяется на коксохимическом производстве в трубопроводе при давлении 2 МПа и температуре до 400 оС. Ранее колена изготовляли из стали 12Х18Н10ТЛ. Применение нового состава чугуна для отливок данного типа увеличило срок их службы более чем в 4 раза с годовым экономическим эффектом 250 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 международных и Российских научно-технических конференциях: г. Новосибирск (2001 г.), г. Магнитогорск (2002, 2003, 2004 гг.), г. Москва (2003 г.), г. Барнаул (2003 г.), г. Санкт - Петербург (2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 статей и тезисов докладов и подана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, выводов, библиографического списка из 110 наименований и приложения. Она изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 34 таблицы.

Работа выполнялась в рамках конкурса грантов Министерство образования РФ и Правительства Челябинской области 2003 года.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, представлена научная новизна, практическая ценность работы и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены белые износостойкие чугуны разных структурных классов, наиболее часто применяемые на практике для изготовления отливок. В работах Н.Н. Александрова, Ю.Г. Бобро, М.Е. Гарбера, Б.А. Воинова, А.А. Жукова, Л.Я. Козлова, Л.М. Романова, О.М Романова, Е.В. Рожковой, Г.И. Сильмана, Ри Хосена, И.И. Цыпина отмечено, что перспективным износостойким материалом являются чугуны, в структуре которых присутствуют специальные эвтектики, упрочняющей фазой в которых являются карбиды. Такая инвертированная структура наблюдается в хромо-ванадиевых чугунах. Эти чугуны изучены неполно и в практике не нашли широкого применения в связи с особенностями кристаллизации и затвердевания.

На основе литературных данных выполнен анализ существующих принципов легирования сплавов, применяемых для изготовления литых изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Показано влияние модифицирования и термической обработки на структуру и свойства белых чугунов.

На основании анализа литературных данных сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и методики исследования.

Исследования проводили на комплексно-легированных и хромована-диевых чугунах. Выплавку опытных чугунов осуществляли в индукционной тигельной печи с основной футеровкой. Химический состав образцов определяли спектральным методом на приборе фирмы «Бэрд» в лабораториях ОАО «ММК».

Сравнительные испытания на износостойкость сплавов и чугунов при трении о нежестко закрепленные (полузакрепленные) абразивные частицы проводили на лабораторной установке по методике, регламентированной ГОСТ 23.208-79. Изнашивание проводилось частицами электрокорунда, прижимаемыми к образцу с силой 44 И резиновым роликом, вращающимся со скоростью 60 об/мин. Относительную износостойкость определяли по отношению потери массы эталонного образца к потере массы исследуемого образца.

Твердость образцов (по Роквеллу) определяли на установке по ГОСТ 9013-59 вдавливанием алмазного конуса, имеющего угол при вершине 120°, с нагрузкой 1457 Н.

Предел прочности определяли по ГОСТ 1497-84. Образцы испытывали на разрывной машине «Инстрон-1195» с записью диаграммы «нагрузка-удлинение», а также на разрывной машине МР-100.

Жидкотекучесть чугунов определяли при помощи пробы со спиральным каналом по ГОСТ 16438-84. Линейную усадку определяли как разность размеров формы (модели отливки) и отливки после ее полного охлаждения.

Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили на оптических микроскопах МИМ-7, «МЕТАМ-ЛВ31», «Epiquant» при увеличении от 100 до 1000 крат и растровом электронном микроскопе «Camscan» при увеличении от 50 до 160000 крат.

Количественный металлографический анализ проводили на промышленной системе обработки и анализа изображений S1AMS. Измерение осуществляли в режиме визуального слежения на поперечных и продольных шлифах до и после травления, в литом состоянии и после термической обработки по специально разработанной методике.

Распределение легирующих элементов в структуре проводили с помощью растрового микроскопа «Camscan» и микрорентгеноспектрального анализатора «Link» с применением компьютерной идентификации рентгеновских спектров.

Микротвердость структурных составляющих определяли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Нна индентор.

В третьей главе приведены результаты исследований по установлению взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых комплексно-легированных чугунов. Было изучено порядка 100 составов чугунов, в которых содержание элементов находилось в следующих приделах, масс. %\ 2,17-3,93 С; 0,23-1,68 Si; 0,11-2,93 Мп; 10,832,1 Cr; 0-1,82 Ni; 0-2,64 Mo: 0-5,9 V; 0-0,82 Ti; 0-1,2 Си; 0-0,25 В; 0-0,025 Sb; 0-0,07 Ca.

Методом множественного и парного регрессионного анализа получены адекватные зависимости твердости (HRC), предела прочности (ств) и коэффициента относительной износостойкости (Кц) от химического состава и харак-

ТеОИСТИК MHKDOCTDVKTVDbi:

KH=6,5-0,23[C]-2,46[Si]-0,74[Mn]+0,l[Cr]-0,3[Ni]+0,44[Mo]+0,57[V]+l,9[Ti]+ +0,5[Cu]+2,4[B]+14,8[Sb]+l,36[Ca], ed. (FpaC4=21,78, FTa6„=l,3); (1)

HRC=40,7+3,3 [C]-8,8[Si]-0,5[Mn]+0,37[Cr]-2,6[Ni]+l ,4[Mo]+1,5[V]+1,1 [Ti]-1,9[Cu]+22,8[B]+18[Sb]+7,7[Ca], ed. (Fpac4= 18,47, FTa6n=l,3); (2)

cB=655-30[C]-220[Si]-82[Mn]+6,9[Cr]-58,8[Ni]+26[Mo]+18,9[V]+I19[Ti]+ 41,7[Cu]-231,5 [BJ+823 [Sbj+693 [Ca], МП a (Fpac4=20,47, FTl6jl=l,3); (3)

Ки=5,8+0,00016HK+0,0005 lHM+0,046qK-0,18qA, ed. (Fpac4=122, FTa6jl=l,3); (4)

НКС=34,36+0,001Нк+0)0012Нм+0,238як-0,27яа, ед. (Ррасч= 53,18, Рта6л=1,3);(5) ав=278+0,0247Нк+0)0294Нм+1,36Чк-10)8яА, МПа (Ррасч= 81,54, Ртабл=1,3). (6)

Графическая интерпретация парных взаимосвязей износостойкости от химического состава показана на рис. 1. Аналогичные зависимости были получены и для других свойств.

Используя полученные математические зависимости (1) - (3) и нейро-сетевую программу «Модель», были определенны численные значения коэффициентов и ряды влияния легирующих элементов на свойства чугунов.

Легирующие элементы можно расположить в следующие ряды в убывающей последовательности:

На основе рассмотренных весовых коэффициентов и уравнений регрессии было установлено, что наиболее сильно и положительно на свойства влияют карбидообразующие элементы (С, Cr, Mo, V, Ti) и такие характеристики микроструктуры, как микротвердость карбидов (Нк), микротвердость матрицы (Ны), объемная доля карбидов (qK) и объемная доля аустенита (яа)-

По силе влияния на твердость, предел прочности и износостойкость характеристики микроструктуры можно расположить в следующие ряды, в порядке уменьшения:

HRC: Яа Як -» Нк -» Н м; 0,3171 0,2964 0,2344 0,1521

ов: Нк 0,335

—> Н м 0,2385

Як 0,2215

-> Яа; 0,2049

Ки: як Нк -> Чл -> Нм. 0,3319 0,2456 0,2147 0,2078

Используя данные ряды и сопоставляя влияние легирующих элементов на карбидную фазу, можно определять их рациональное содержание. На основании уравнений и рядов влияния был разработан новый состав чугуна при следующем содержании компонентов, масс.

Бц 20-24 Сг; 3,0-4,0 V; 0,5-0,8 14; 1,5-2,0 Мо; 0,01-0,02 В. Твердость данного чугуна 55-57 ед., предел прочности на разрыв 670-720 МП а и износостойкость 11-12,6 ед. Жидкотекучесть 425 мм при температуре 1400 °С. Линейная

\8'

---------- " ---------

N1'—■—^

""Мо ___________1

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Содержание элементов, %

Содержание элементов. % Рис. 1. Влияние легирующих элементов на износостойкость

усадка 1,9 %.

При анализе влияния механических свойств на износостойкость белых чугунов выявилась весьма характерная особенность: одной механической характеристике всегда соответствует несколько значений износостойкости. Вклад твердости и прочности в величину сопротивления износу различен и более ощутим при их взаимном влиянии. Данное предположение было реализовано в виде номограммы (рис. 2), которая позволяет оценивать износостойкость чугунов по прочности и твёрдости.

4 -1-1-:-

37 47 57 67

НЯС, ед.

Рис. 2. Номограмма для определения износостойкости чугунов с учетом их

прочности и твердости

В основе почти всех методов определения износостойкости материалов в условиях абразивного износа лежат приемы сравнения потерь массы опытного и эталонного образцов при их испытаниях на специальных установках. Для этого необходимо длительное время и наличие специального оборудование. Поэтому поиск других методов оценки износостойкости сплавов всегда был актуален. Перспективными представляются методы расчета сплавов на абразивную износостойкость, основанные на сущности процесса разрушения поверхности отливки под действием абразивных частиц.

В работе предложен расчет коэффициента относительной износостойкости белых хромистых чугунов при изнашивании по корунду.

где НЯСоп, НИСЭТ - твердость по Роквеллу опытного чугуна и эталонного сплава соответственно;

- количество карбидов или другой упрочняющей фазы в опытном сплаве и эталоне соответственно.

Полученная формула была проверена путем сравнения расчетных и экспериментальных значений износостойкости для 20 различных составов белых высокохромистых чугунов. При этом в качестве эталона использовали образец из отожженной стали 45, согласно ГОСТ 23208-79 при испытаниях на абразивный износ, для которого А = (1-0,1)/10 = 0,09.

Анализ полученных расчетных и экспериментальных данных Ки показал достаточно высокую их сходимость. Максимальное различие в значениях Кирасч и Кпд« не превышало 12,9 %, а минимальное составило 0,5 %. Всего в 5 случаях разница составляла 10 % (10,6-12,9 %), а в остальных менее 10 %.

Было замечено, что при легировании хромистого чугуна ванадием более 3 % его свойства существенно увеличиваются вследствие полной инверсии микроструктуры. Максимальных свойств у таких чугунов можно достигать, не привлекая большую группу легирующих элементов. Поэтому были исследованы чугуны системы Бе-С-Сг-У.

В четвертой главе исследованы сплавы системы Бе-С-Сг-У. Для этого был спланирован и проведен полный факторный эксперимент типа 23 при следующем изменении факторов, масс. %: Х1 (хром, 14,0; 20,0); Х2 (ванадий, 3,0; 9,0); Х3 (углерод, 2,6; 3,2). Количество кремния и марганца в опытных сплавах находилось на постоянном уровне: 81 (0,4 - 0,6 %); Мп (0,4 - 0,6 %).

Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на структуру и износостойкость изучали на образцах комплексно-легированных чугунов, залитых в сухие и сырые песчано-глинистые формы и кокиль.

В результате обработки результатов эксперимента получены адекватные уравнения взаимосвязи химического состава твердости, износостойкости, микротвердости металлической основы и эвтектики, объемной доли карбидов ванадия. В частности, для сухой ПГФ они имеют вид:

Н11Ссух= 54,6 - 1*Х, + 3,б*Х3 - 5,7*Х|*Х2 + 3,3*Х,*Х3 + 2,7*Х2*Х3 + 3,3*Х,*Х2*Х3) ед.\ (9)

Кисух = 5,6 + 0,6*Х, + 1,7*Х2 + 1,1*Х3 - 0,4*Х|*Х2 + 0,6*Х2*Х3, ед.\ (10)

Нм сух = 3131,56 -248,16*Х, - 649,45 *Х2 + 158*Х3 + 531,06*Х,*Х3 + 125,2*Х2*Хт - 138,62*Х|*Х2*Х3, МПа\ (11)

НЭсух= 7533,83 - 114,71*Х3 - 1320,7*Х,*Х2 + 307,7*Х,*Х3 - 449>23*Х2*Х3 + 299,3*Х1*Х2*Х3, МПа\ (12)

Чк сух = 4,83 - 1,15*Х, + 4,5*Хг - 0,65*Х3 - 1,23*Х,*Х2 + 0,53*Х,*Х3 -

В исследованных чугунах присутствуют сложные карбиды переменного состава (Бе, Сг, У)ХСУ, содержащие 26,0 - 48,0 % железа, 41,0 - 52,0 % хрома, 9,0 - 22,0 % ванадия, и карбид ванадия УС, который ограниченно растворяет железо (до 2,0 - 5,0 %), несколько больше - хром (8,0 - 16,0 %). Эти карбиды в сочетании с аустенитом образуют при кристаллизации двойные эвтектики А + УС и А + (Ре, Сг, У)*Су и тройную эвтектику А + (Ре, Сг, У^С,, +■ УС. Преобладающей фазой в тройной эвтектике является карбид (Бе, Сг, У)ХС^ Карбиды ванадия располагаются на эвтектических карбидах хрома. Сосуществование карбидов разных форм и типов определяется составом чугуна и условиями его кристаллизации.

Строение и тип металлической основы исследованных хромованадие-вых чугунов изменяется от ферритной до мартенситно-аустенитной в зависимости от химического состава и скорости охлаждения сплавов. Рост скорости охлаждения при затвердевании и содержания хрома и углерода в сплаве увеличивает количество аустенита в структуре. В чугунах с пониженным содержанием углерода (2,6 %), 20,0 % хрома и 9,0 % ванадия формируется фер-ритная структура основы.

Одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление данных чугунов изнашиванию, является их структурное состояние, которое зависит от взаимного расположения, количественного соотношения и характера связи отдельных составляющих структуры. Что, в свою очередь, зависит от химического состава и скорости охлаждения сплава (типа формы). Литейная форма оказывает воздействие на кристаллизацию залитого в нее чугуна, обусловленное ее теплофизическими параметрами.

Была установлена четкая тенденция изменения твердости, износостойкости и характеристик микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения.

При увеличении скорости охлаждения (заливка в кокиль) происходит повышение микротвердости металлической матрицы, твердости и износостойкости чугунов за счет твердорастворного упрочнения и изменения объема и морфологии карбидной фазы. Максимальной износостойкостью обладают чугуны, залитые в кокиль, так как карбиды измельчаются, более равномерно распределяются в матрице и при абразивном изнашивании прочно удерживаются ею. Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в песчано-глинистые формы, в них карбиды успевают вырасти до крупных размеров, которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются, что приводит к снижению износостойкости.

Для обеспечения наибольшей износостойкости нужно увеличивать скорость охлаждения отливки и можно добиться снижения содержания ванадия и хрома при сохранении износостойкости на высоком уровне. Таким обра-

зом, выбирая тип литейной формы, мы можем регулировать структуру и свойства хромованадиевых чугунов.

Также была изучена линейная усадка данных сплавов. Используя ней-росетевую программу «Модель», были определены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов на линейную усадку экспериментальных чугунов:

Сильнее всех элементов влияет ванадий, он увеличивает усадку. С увеличением содержания хрома и ванадия, при содержании углерода на нижнем уровне (2,6 %), линейная усадка возрастает. Это происходит за счет обогащения металлической основы легирующими элементами и возрастания доли феррита. С повышением содержания ванадия и углерода, при содержании хрома на нижнем уровне, наблюдается небольшое снижение линейной усадки, в связи с ростом объемной доли карбидов ванадия и аустенита.

В результате исследований был разработан новый химический состав чугуна, масс. %: 3,0-3,2 С; 7,5-9,0 V; 14,0-17,0 Сг. При этом он должен содержать технологические добавки Si и Мп (0,4-0,6 %). Твердость данного чугуна 58-62,5 ед. и износостойкость 11-12,6 ед. Жидкотекучесть 600 мм при температуре 1400 °С. Линейная усадка 1,7 %.

В пятой главе рассмотрено улучшение структуры, свойств чугунов за счет обработки их кальций-стронциевым карбонатом и термической обработкой.

Кальций-стронциевый карбонат является продуктом отхода при производстве селитры и поэтому имеет низкую стоимость. Стронций находится в виде карбоната стронция и по содержанию радионуклидов не является радиоактивным, согласно нормам радиационной безопасности НРБ - 99. Все это делает его дешевым, безопасным и эффективным материалом для рафинирования.

С целью изучения влияния кальций-стронциевого карбоната на структуру и свойства белых износостойких чугунов были выбраны его добавки в опытных плавках 1, 3, 5, 7 и 9 кг/т. Целесообразно было посмотреть, как карбонат влияет на чугуны разных структурных классов, поэтому было выбрано два чугуна: известный ИЧХ28Н2 и новый ИЧ300Х16Ф8. На начальном этапе были отлиты опытные образцы из ИЧХ28Н2 и ИЧ300Х16Ф8. Затем были выплавлены эти же чугуны с обработкой их расплавов карбонатом.

Обработка чугунов карбонатом повышает их износостойкость. Максимальная износостойкость наблюдается при добавлении карбоната до 3 кг/т для ИЧХ28Н2, а для ИЧ300Х16Ф8 до 5 кг/т (рис. 3). Это можно объяснить тем, что при таком количестве карбоната он действует как добавка, рафинирующая и модифицирующая чугун.

Рис. 3. Влияние добавок карбоната на износостойкость чугунов ИЧХ28Н2 (а) и ИЧ300Х16Ф8 (б), залитых в: 1 - кокиль, 2 - ПГФ сырую, 3 - ПГФ сухую

После обработки чугуна ИЧ300Х16Ф8 5 кг/т карбонатом наблюдается измельчение карбидов ванадия (с 6,9 до 3,1 мкм), придание им округлой формы (рис. 4 - 5) и равномерное распределение в матрице, вследствие чего повышается износостойкость.

!_а_=—и—.4-^- НМ /.1.1_________

х500 х500

Рис. 4. Микроструктура карбидов ванадия чугуна ИЧ300Х16Ф8 без обработки карбонатом, залитого в ПГФ сырую (слева) и кокиль (справа)

Было изучено влияние карбоната и на линейную усадку и жидкотеку-честь чугунов. Для этого измеряли линейную усадку чугунов до обработки их карбонатом и после оптимальными количествами. Кинетика линейной усадки чугуна до и после обработки карбонатом представлены на рис. 6.

2 1.6 1,2

со а

I °'8

0,4

О -

1 1 1 1 1 1 _—

_1 без карбоната --------------------

----------- ----------------

1 / |с карбонатом

г

500

1500

2000

1000 Время, с

Рис. 6. Влияние карбоната на кинетику процесса усадки чугуна ИЧ300Х16Ф8

Оценивая рафинирующее и модифицирующее действие карбоната на кинетику процесса усадки, можно отметить, что происходит замедление процесса усадки. Следствием этого замедления является снижение нарастания напряжений, что положительно влияет на трещиноустойчивость.

Карбонат также оказывает влияние и на другое важное литейное свойство - жидкотекучесть. На рис. 7 показана зависимость изменения жидкоте-кучести от температуры при вводе карбоната.

Влияние рафинирования и модифицирования на жидкотекучесть чугуна связано с изменением закономерности кристаллизации при движении в

1000

800

3 600

400

с карбонатол л ¡- —

г - ]иелкариина1 а |

1350

1400

1450

1500

Температура, С

Рис. 7. Зависимость жидкотекучести чугуна ИЧ300Х16Ф8 оттемпертуры заливки

полости канала, поверхностного натяжения и вязкости металла. Видно, что обработка жидкого чугуна кальций-стронциевым карбонатом повышает жид-котекучесть. Это связано с тем, что при модифицировании происходит изменение закономерности кристаллизации, в частности уменьшение величины кристаллов. Сочетание такого фактора с рафинирующим действием карбоната обеспечило прирост жидкотекучести.

Для проведения исследований влияния термической обработки были отлиты в песчано-глинистые формы и кокиль образцы с размерами 30x30x10 мм из чугуна марки ИЧ300Х16Ф8.

Литые образцы были подвергнуты отпуску в интервале температур 150 -600 °С через каждые 150 °С и нормализации в интервале температур 850 -1100 °С через каждые 50 °С.

Свойства исследованного чугуна в зависимости от температуры нормализации изменяются по кривым с максимумами. Максимальная износостойкость соответствует температурам 1000 - 1050 °С, при которых микротвердость металлической основы наибольшая. По мере повышения температуры происходит растворение карбидов и насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами, что приводит к снижению мартенситной точки и повышению количества остаточного аустенита в структуре металлической основы. В результате наличия аустенита и снижения объема карбидной фазы износостойкость чугуна снижается.

Максимальными свойствами обладают образцы после отпуска при 400 - 450 °С за счет снижения литейных и термических напряжений и протекания процессов дисперсионного твердения и вторичной закалки.

Для чугуна ИЧ300Х16Ф8 не требуется сложной термической обработки, а достаточно отпуска при температуре 400 - 450 °С. Это возможно благо-

даря высоким исходным свойствам чугуна в литом состоянии, достигаемым за счет оптимально подобранного легирования.

В шестой главе представлены результаты опытно-промышленного опробования отливок из хромованадиевых и комплексно-легированных чугу-нов.

Из чугуна марки ИЧ310Х24М2Ф4ТР была изготовлена опытная партия отливок для детали «шайба валковая». Отливку шайб проводили в условиях литейной лаборатории МГТУ им. Г.И. Носова.

«Шайбы валковые» массой 9,5 кг прошли промышленные испытания в сортовом цехе ОАО «ММК» на мелкосортно-проволочном стане. Сравнение проводили с шайбами производства Германии HDW - 5, изготовленными методом порошковой металлургии с использованием порошков карбидов вольфрама При этом было установлено, что опытные шайбы прокатали порядка 185 т проволоки, в то время как импортные шайбы прокатывают в среднем 250 т проволоки. Таким образом, стойкость литых деталей составила 74 % от стойкости шайб HDW - 5, но при этом стоимость отливок из предложенного чугуна в несколько раз ниже, чем из твердоспеченных сплавов.

Из другого предложенного чугуна марки ИЧ300Х16Ф8 были отлиты отливки типа «колено», которые используются на коксохимическом производстве в цехе подготовки химических продуктов в системе трубопроводов. «Колено» имеет массу 44,7 кг, толщину стенки в среднем 25 мм и внутренний диаметр 125 мм. В отделении мелкого литья ОАО «Баймакский машиностроительный завод» была сделана опытная партия отливок для детали «колено». Ранее эти отливки изготавливали из стали 10Х18Н9ТЛ. Отливки «колено» работают при температуре до 400 °С и давлении до 2 МПа. Применение нового состава чугуна для данного типа отливок увеличило срок их службы в среднем более 4 раз и позволило получить годовой экономический эффект более 250 тыс. руб.

Основные выводы

1. Проведены исследования и получены математические зависимости и коэффициенты влияния, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости высокохромистых чу-гунов, дополнительно легированных ко-

торые могут использоваться в качестве базы данных для выбора и разработки новых износостойких сплавов. Разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс. %: 2,90-3,20 С; 0,4-0,6 Мп; 0,4-0,6 20-24 Сг; 3,0-4,0 V; 0,5-0,8 ТС; 1,5-2,0 Мо; 0,01-0,02 В. Существенную роль в формировании износостойких качеств, прочности и твердости исследованных чугунов играет морфология карбидной фазы при первичной кристаллизации. Модифицирование сплавов небольшими количествами бора, сурьмы, кальция измельчает карбиды, утончает их, уменьшает длину, способствует более равномерному распределению в матрице с образованием своеобразного каркаса. Наряду с этим происходит измельчение кристаллов первичного аустенита.

2. Построена номограмма для определения износостойкости белых высокохромистых чугунов в связи с их прочностью и твердостью. Предложена формула, позволяющая определять износостойкость белых высокохромистых чугунов в зависимости от их твердости и количества упрочняющей фазы.

3. Установлено, что комплексное легирование хромом и ванадием и ускоренное охлаждение при затвердевании оказывают заметное влияние на состав и строение металлической основы, тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем и микротвердость карбидных фаз, дендритов первичного ау-стенита, соотношение двойных и тройных эвтектик А + УС, А + (Ре, Сг, У)>С, и А+ УС + (Ре, Сг, У)ЛСГ Строение металлической основы хромованадиевых чугунов можно регулировать изменением химического состава и скоростью охлаждения при затвердевании от ферритной до мартенситно-аустенитной.

4. Получены математические зависимости взаимосвязей химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромованадиевых чугунов, залитых в сырую, сухую песчано-глинистые формы и кокиль. На их основе определенны весовые коэффициенты влияния элементов на структуру и свойства, разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс. <%>: 3,0-3,2 С; 7,5-9,0 У; 14,0-17,0 Сг; 0,4-0,6

и Мп (ИЧ300Х16Ф8). Установлено, что для данного чугуна не требуется сложной термической обработки, а достаточно отпуска при температуре 400 -450°С.

5. Проведены исследования и показана эффективность обработки чугуна новым материалом - кальций-стронциевым карбонатом. Установлено, что повышение износостойкости чугунов достигается за счет рафинирующе-модифицирующего действия карбоната: снижается загрязненность чугунов неметаллическими включениями, особенно сульфидными; измельчаются эвтектики, первичные дендриты и карбидная фаза. Количество вводимого карбоната, при котором износостойкость чугунов максимальна, различно: для ИЧХ28Н2 оно составляет 3 кг/т, для ИЧ300Х16Ф8 - 5 кг/т. Обработка чугу-нов рекомендуемыми количествами карбоната улучшает литейные свойства: увеличивает жидкотекучесть, снижает линейную усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент, что повышает трещиноустой-чивость чугунов.

6. Прошли промышленные испытания и внедрены в производство отливки из двух новых составов чугунов с высокими эксплуатационными свойствами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Расчет на абразивную износостойкость белых чугунов / В.М. Колокольцев, В.Д. Тутарова, М.Г. Потапов, П.А. Молочков // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 1.- Магнитогорск: МГТУ, 2001.- С. 171-174.

2. Потапов М.Г., Молочков П.А. Новый износостойкий чугун для деталей специального оборудования // Наука. Техника. Инновация: Тез. докл. Регион, науч. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых. Ч.З. - Новосибирск: НГТУ, 2001.- С. 86-88.

3. Молочков П.А., Арисов СВ., Сидоренко В.М. Влияние легирующих элементов на свойства белых износостойких чугунов // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 2.- Магнитогорск: МГТУ, 2002.- С. 51-55.

4. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Влияние термической обработки на структуру и свойства белых чугунов // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 3.- Магнитогорск: МГТУ, 2003.-С. 149-154.

5. Взаимосвязь микроструктуры, механических свойств и износостойкости комплексно-легированного ванадиевого чугуна / В.М. Колокольцев, М.Г. Потапов, П.А. Молочков, В.М. Сидоренко // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 3,- Магнитогорск: МГТУ, 2003.-С. 154-158.

6. Молочков П.А. Новый состав износостойкого чугуна с инвертированной структурой для деталей специального назначения // Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий: Сб. науч. докл. междунар. конф. - М.: МГМУ, 2003.- С. 149-151.

7. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Влияние микроструктуры на износостойкость хромованадиевых чугунов // Ползуновский альманах,

2003, №3-4.-С.30-31.

8. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочков П.А. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства износостойких хромованадиевых чугунов // Литейное производство сегодня и завтра: Тез. докл. Всерос. науч.-практ. конференции. - СПб.: СПбГПУ, 2004.- С. 65-68.

9. Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости белых легированных чугунов / В.М. Колокольцев, Е.В. Синицкий, П.А. Молочков, П.С. Лимарев, О.А. Миронов // Вестник МГТУ, 2004, №1.-С. 37-40.

10. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочков П.А. Структура и износостойкость хромованадиевых чугунов // Изв. вузов. Черная металлургия,

2004, №7.- С. 25-28.

11. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Свободная линейная усадка и трещиноустойчивость хромованадиевых чугунов // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 4.- Магнитогорск: МГТУ, 2004.- С. 23-26.

12. Структура хромованадиевых чугунов / Петроченко Е.В., Молочков П.А., Баталов В.Г., Петроченко Т.С., Петроченко О.С. II Суденческая молодежь - науке будущего: Сб. тез. докл. студ. науч. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2004.-С. 41-42.

»18 153

РНБ Русский фонд

2005-4 12110

Подписано в печать 17.09.04. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 635.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Износостойкие сплавы, применяемые для отливок специального назначения.

1.2. Факторы, влияющие на износостойкость.

1.2.1. Влияние условий эксплуатации отливок на износостойкость

1.2.2. Влияние химического состава сплава на структуру и износостойкость.

1.2.3. Влияние структуры сплавов на их износостойкость.

1.2.4. Влияние термической обработки на износостойкость.

1.3. Повышение свойств литых износостойких чугунов воздействием на их расплав.

1.4. Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов.

2.2. Определение износостойкости, механических и литейных свойств, металлографические исследования.

2.3. Методики построения математических моделей, оптимизации химических составов сплавов и определения коэффициентов влияния легирующих элементов.

ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ, МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОМПЛЕКСНаЛЕГИРОВАННЫХЧУГУНОВ ИРАЗРАЮТКА нового

СОСТАВА СПЛАВА.

3.1. Влияние легирующих элементов на свойства высокохромистых чугунов.

3.2. Влияние структуры и механических свойств на износостойкость высокохромистых чугунов.

3.3. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна.

3.4. Расчет коэффициента относительной износостойкости высокохромистых чугунов.

Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ге-С-У-Сг И РАЗРАБОТКА НОВОГО

СОСТАВА ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА.

4.1. Выбор легирующих элементов базового комплекса.

4.2. Исследование структуры и свойств сплавов системы Ре-С-У-Сг.

4.3. Исследование линейной усадки сплавов системы Ре-С-У-Сг.

4.4. Оптимизация состава чугуна.

Выводы.

ГЛАВА 5. УЛУЧШЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ ИХ КАЛЬЦИЙ СТРОНЦИЕВЫМ КАРБОНАТОМ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

5.1. Исследование влияния карбоната на структуру и свойства чугунов.

5.2. Исследование влияния термической обработки.

Выводы.

ГЛАВА 6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНОВ НОВЫХ ХИМИЧЕСКИХ СОСТАВОВ.

Повышение качества и надежности машин - необходимое условие развития машиностроения. Надежность машин обеспечивается в первую очередь при достижении высокого качества материалов рабочих деталей с требуемым уровнем механических свойств. Чаще всего главная причина выхода машин из строя - износ рабочих деталей.

Еще на самой ранней стадии развития различных отраслей машиностроения возникла эта проблема - снижения износа рабочих поверхностей деталей машин, которая остается актуальной и по настоящий день [1-4].

Малый срок службы деталей снижает экономическую эффективность многих машин и промышленного оборудования и приводит к безвозвратным потерям металла.

В условиях износа, не связанных с большими ударными нагрузками, хорошо зарекомендовали себя отливки из белых износостойких чугунов, которые имеют износостойкость в 5 - 10 раз больше, чем конструкционные стали [5].

Современные белые износостойкие чугуны - сложнолегированные многокомпонентные сплавы, разнообразные по структуре и свойствам. Они представляют собой отдельную группу промышленных сплавов, при затвердевании которых формируется карбидная фаза. Именно она определяет специфические свойства белых износостойких чугунов и, в то же время, создает значительные трудности при производстве и эксплуатации этих сплавов [6].

Область применения отливок из износостойких чугунов охватывает практически все отрасли народного хозяйства - добычу и обогащение полезных ископаемых, металлургию, энергетику, строительно-дорожную технику, производство цемента и других строительных материалов, сельское хозяйство и т.д. Высокая абразивная стойкость отливок делает эти чугуны универсальным материалом для широкого использования в выше перечисленных отраслях.

С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам отливок из износостойких чугунов. От этого зависит увеличение срока службы. В этой связи важной является проблема совершенствование их состава и структуры.

Для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих в условиях износа, большое значение имеет создание и внедрение новых сплавов, превосходящих по свойствам известные.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение механических свойств износостойких чугунов и эксплуатационной стойкости отливок из них путем создания новых легирующих комплексов и улучшения первичной литой структуры рафинированием, модифицированием и термической обработкой. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых хромистых чугунов, дополнительно легированных 81, Мп, Мо, V, И, Си, В, 8Ь, Са, для выбора легирующего комплекса и создания чугунов новых химических составов с высокими свойствами.

2. Исследование влияния комплексного легирования, модифицирования и термической обработки на особенности формирования структуры и свойств отливок из хромованадиевых чугунов в различных условиях охлаждения; разработка нового состава чугуна и режима термической обработки отливок, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных свойств.

3. Изучение механизма воздействия кальций-стронциевого карбоната на структуру и механические свойства белых износостойких чугунов, определение рационального количества вводимой присадки для улучшения структуры и свойств.

4. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунов новых химических составов.

Научная новизна работы

1. Установлены взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости белых высокохромистых комплекснолегированных Мп, Мо, V, Т1, Си, В, БЬ, Са чугунов, получены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов и структурных составляющих на их свойства, на основе которых разработан новый химический состав чугуна для отливок специального назначения (бандажи, ролики, валки, волоки и др.).

2. Получены номограмма, позволяющая определить износостойкость в зависимости от твердости и прочности, и формула расчета коэффициента относительной износостойкости чугунов в зависимости от твердости и количества упрочняющей фазы.

3. Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств, износостойкости и линейной усадки хромованадиевых чугунов, а также весовые коэффициенты влияния легирующих элементов (С, V, Сг) и характеристик структурных составляющих (микротвёрдость матрицы и эвтектики, количество и размеры карбидов) на их свойства, на основе которых разработан новый состав износостойкого чугуна с требуемыми свойствами.

4. Показаны изменения в строении и количестве двойных и тройных эвтек-тик, карбидной фазы и металлической матрицы, происходящие в зависимости от условий охлаждения отливок в различных литейных формах, что позволяет регулировать химический состава чугуна и прогнозировать структуру и свойства отливок.

5. Установлено рафинирующе-модифицирующее действие кальций-стронциевого карбоната на расплавы чугунов, определены его необходимые количества для их обработки, обеспечивающие измельчение литой структуры (эвтектик, карбидной фазы и дендритов аустенита), что существенно улучшает свойства литого металла.

6. Установлено, что рафинирование и модифицирование чугунов карбонатом снижает скорость усадки в начальный период, что уменьшает внутренние напряжения, возникающие в процессе затвердевания и охлаждения отливок и, как следствие, позволяет уменьшить в них количество горячих трещин.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и выявленные закономерности взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромистых чугунов, дополнительно легированных 81, Мп, Мо, V, Тл, Си, В, 8Ь, Са, а также чугунов системы Ре-С-Сг-У.

2. Результаты исследований по влиянию легирования и скорости охлаждения на структуру, механические свойства и износостойкость сплавов системы Ре-С-Сг-У.

3. Результаты экспериментальных исследований по рафинированию и модифицированию чугуна новым материалом - кальций-стронциевым карбонатом, являющимся отходом химической промышленности.

4. Новые составы чугунов для износостойких отливок.

Практическая ценность работы

1. Разработаны новые химические составы износостойких чугунов и выбраны режимы их термической обработки для отливок специального назначения, обеспечивающие их высокую эксплуатационную стойкость.

2. Получены закономерности влияния химического состава и типа литейной формы на структуру и свойства исследованных чугунов, позволяющие прогнозировать и регулировать химический состав с целью достижения требуемых структуры и свойств.

3. Разработаны технологические рекомендации по обработке белых чугунов рафинирующе-модифицирующим материалом - кальций-стронциевым карбонатом.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были положены в основу технологии изготовления опытно-промышленной партии отливок для детали «шайба валковая» массой 9,5 кг, которые прошли производственные испытания в сортовом цехе ОАО «ММК» на мелкосортно-проволочном стане. Сравнение проводили с шайбами производства Германии

HDW - 5, изготовленными методом порошковой металлургии с использованием порошков карбидов вольфрама. При этом было установлено, что опытные шайбы прокатали порядка 185 m проволоки, в то время как импортные шайбы прокатывают в среднем 250 m проволоки. Таким образом, стойкость литых деталей составила 74 % от стойкости шайб HDW - 5, но при этом стоимость отливок из предложенного чугуна в несколько раз ниже, чем из твердоспеченных сплавов.

Новый состав хромованадиевого чугуна используется для изготовления отливки для детали «колено» массой 44,7 кг. «Колено» применяется на коксохимическом производстве в трубопроводе при давлении 2 МПа и температуре до 400 °С. Ранее колена изготовляли из стали 12X18H10TJI. Применение нового состава чугуна для отливок данного типа увеличило срок их службы более чем в 4 раза с годовым экономическим эффектом 250 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 международных и Российских научно-технических конференциях: г. Новосибирск (2001 г.), г. Магнитогорск (2002, 2003, 2004 гг.), г. Москва (2003 г.), г. Барнаул (2003 г.), г. Санкт - Петербург (2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 статей и тезисов докладов и подана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 110 наименований и приложения. Она изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 34 таблицы.

Общие выводы

1. Проведены исследования и получены математические зависимости и коэффициенты влияния, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости высокохромистых чугу-нов, дополнительно легированных Мп, №, Мо, V, Си, В, 8Ь, Са, которые могут использоваться в качестве базы данных для выбора и разработки новых износостойких сплавов. Разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс. %: 2,90-3,20 С; 0,4-0,6 Мп; 0,4-0,6 20-24 Сг; 3,04,0 V; 0,5-0,8 Тц 1,5-2,0 Мо; 0,01-0,02 В. Существенную роль в формировании износостойких качеств, прочности и твердости исследованных чугунов играет морфология карбидной фазы при первичной кристаллизации. Модифицирование сплавов небольшими количествами бора, сурьмы, кальция измельчает карбиды, утончает их, уменьшает длину, способствует более равномерному распределению в матрице с образованием своеобразного каркаса. Наряду с этим происходит измельчение кристаллов первичного аустенита.

2. Построена номограмма для определения износостойкости белых высокохромистых чугунов в связи с их прочностью и твердостью. Предложена формула, позволяющая определять износостойкость белых высокохромистых чугунов в зависимости от их твердости и количества упрочняющей фазы.

3. Установлено, что комплексное легирование хромом и ванадием и ускоренное охлаждение при затвердевании оказывают заметное влияние на состав и строение металлической основы, тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем и микротвердость карбидных фаз, дендритов первичного аустенита, соотношение двойных и тройных эвтектик А + УС, А + (Ре, Сг, У)хСу и А+ УС + (Ре, Сг, У^Су. Строение металлической основы хромованадиевых чугунов можно регулировать изменением химического состава и скоростью охлаждения при затвердевании от ферритной до мартенситно-аустенитной.

4. Получены математические зависимости взаимосвязей химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромованадиевых чугунов, залитых в сырую, сухую песчано-глинистые формы и кокиль. На их основе определенны весовые коэффициенты влияния элементов на структуру и свойства, разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс. %\ 3,0-3,2 С; 7,5-9,0 V; 14,0-17,0 Сг; 0,4-0,6 81 и Мп (ИЧ300Х16Ф8). Установлено, что для данного чугуна не требуется сложной термической обработки, а достаточно отпуска при температуре 400 — 450 °С.

5. Проведены исследования и показана эффективность обработки чугуна новым материалом — кальций-стронциевым карбонатом. Установлено, что повышение износостойкости чугунов достигается за счет рафинирующе-модифицирующего действия карбоната: снижается загрязненность чугунов неметаллическими включениями, особенно сульфидными; измельчаются эвтектики, первичные дендриты и карбидная фаза. Количество вводимого карбоната, при котором износостойкость чугунов максимальна, различно: для И4Х28Н2 оно составляет 3 кг/т, для ИЧ300Х16Ф8 - 5 кг/т. Обработка чугунов рекомендуемыми количествами карбоната улучшает литейные свойства: увеличивает жидкотекучесть, снижает линейную усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент, что повышает трещиноустойчивость чугунов.

6. Прошли промышленные испытания и внедрены в производство отливки из двух новых составов чугунов с высокими эксплуатационными свойствами.

1. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. -М.: Машиностроение, 1982. -192 с.

2. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990. -224 с.

3. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. -М.: Нефть и газ, 1994. -417 с.

4. Методы испытания на трение и износ / Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, А.Г. Колмаков, Л.М. Рыбакова. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. -152 с.

5. Рожкова Е.В., Румянцев В.В., Кирилов A.A. Причины образования трещин и методы их устранения в отливках из износостойких хромистых чугунов // Литейное производство, 2002, № 12.- С. 9-11.

6. Цыпин ИИ. Белые износостойкие чугуны. М.: Металлургия, 1983.-256 с.

7. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Н.С. Пенкин, Е.П. Капралов, П.В. Маляров, и др. М.: Недра, 1992. -265 с.

8. Чугун: Справ, изд./ Под ред. А.Д. Шермана и A.A. Жукова. — М.: Металлургия, 1991.-576 с.

9. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. — М.: Машиностроение, 1966. -332 с.

10. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. —М.: Машиностроение, 1977. -526 с.

11. И. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.-252 с.

12. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

13. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977. - 224 с.

14. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: Наука, 1970. -247 с.

15. Гарбер М.Е. Отливки из износостойких белых чугунов. — М.: Машиностроение, 1972. -112 с.

16. Козырев С.П. Гидроабразивный износ маталлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1971. - 139 с.

17. Кащеев В.И. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М.: Машиностроение, 1978. - 215 с.

18. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. — М.: Машиностроение, 1986. — 224 с.

19. Влияние содержания углерода и хрома на свойства высокохромистого чугуна / В.М. Садовский, О.С. Комаров, С.Н. Герцик и др. //Литейное производство, 1998, №5.-С. 12-13.

20. Колокольцев В.М. Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент: Дис. д-ра. техн. наук. Магнитогорск, 1995. - 427 с.

21. Войнов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. -М.: Машиностроение, 1980.-126 с.

22. Владимиров A.A., Удовиков В.И., Косогонова Э.А. Применение высокохромистых чугунов для изготовления мелющих шаров // Литейное производство, 1991, №8.- С. 31-32.

23. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т 1-Й. / Под ред. И.И. Новикова, и И.Л. Рогельберга. -М.: Металлургиздат, 1962, Т. I, -608 е.; Т. II, -1488 с.

24. Элиот Р. П. Структуры двойных сплавов. Т I-II. -М.: Металлургия, 1970, т I, -456 е.; т. II, -472 с.

25. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны. М.: Металлургия. 1976. -288 с.

26. Грек А., Байка Л. Легированный чугун конструкционный материал. -М.: Металлургия, 1978. -208 с.

27. Бунин К.П. Структура и свойства стали и чугуна. — М.: Металлургия, 1970.-144 с.

28. Влияние легирующих элементов на кристаллизацию, структурообразование и физико-механические свойства белого чугуна / Ри Хосен, Э.Х. Ри, В.А. Тейх и др. // Литейное производство, 2000, №10. -С. 15-17.

29. Гудремон Э. Специальные стали. Т.1: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1959. -952 с.

30. Гольдштеин Я. Е., Гольдштеин В. А. Металлургические аспекты повышения долговечности деталей машин. Челябинск: Металл, 1995. -512 с.

31. Комаров О.С., Герцик С.Н., Каредин С.Л. Влияние содержания С и Cr на свойства высокохромистого чугуна // Литейное производство, 1998, №5.-С. 12-13.

32. The research of the higher toughness high chromium white cast iron as-cast / Q.S. Li, Z.J. Yan, Y.S. Chai, J.W. Zhang // Acta Met. Sin. 1999. -12, №4.-C.383-387.

33. Жуков A.A., Зволинская B.B. Отливки из железоуглеродистых сплавов, легированных ванадием. М.: НИИмаш, 1979. - 48 с.

34. Шейман Е.Л. Особенности формирования структуры ванадийсодер-жащих износостойких наплавок. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2002, №12.- С. 26-28.

35. А. с. №1731855 С22С 37/06. Износостойкий чугун / Писаренко Л 3., Мо-наенков А. С., Трунов М. Б. и др. // Бюл. изобрет., 1992, № 19.

36. А. с. №1583458 С22С 37/06. Чугун / Канторович В. И., Шебатинов М.П., Дмитриченко С. С. и др. // Бюл. изобрет., 1990, № 29.

37. Исследование свойств чугуна, легированного медью и фосфором, работающего в условиях теплосмен и повышенного изнашивания / A.A.

38. Жуков, A.B. Афонаскин, О.Д. Опалихина и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №1. -С. 59-61.

39. Кириевский Б.А., Изюмова Т.К. Совершенствование состава, структуры и свойств высокохромистых чугунов // Литейное производство, 1992, №9. -С. 17-19.

40. Сильман Г.И., Камышин В.В., Трарасов A.A. Влияние меди на структурообразование в чугуне // Металловедение и термическая обработка металлов, 2003, №7.- С. 15-19.

41. Гаврилин И.В. Структура и свойства жаростойкого и износостойкого чугуна для изготовления стеклоформ // Литейное производство, 2001, №8.- С. 5-6.

42. Жуков A.A., Сильман Г.И., Фрольцов М.С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. -М.: Машиностроение, 1984. -104 с.

43. А. с. №1592380 С22С 37/06. Чугун / Татарчук А. В., Бабченко С. Л., Хмара Л. А. и др. // Бюл. изобрет., 1990, № 34.

44. А. с. №1082854 С22С 37/08. Чугун / Шебатинов М. П., Абросимов В. П., Сбитнев П. П. и др. // Бюл. изобрет., 1984, № 12.

45. Износостойкие чугуны для отливок деталей дробеметных камер / В.М. Колокольцев, O.A. Назаров, В.В. Коротченко и др. // Литейное производство, 1992, №7.- С. 11-12.

46. Емелюшин А.Н. Влияние титана и бора на износостойкость чугуна предназначенного для механической обработки неметаллическихматериалов инструмента из хромистых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2000, №2.- С. 28-29.

47. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. -М: Металлургия, 1986. -272 с.

48. Филипов М.А., Литвинов B.C., Немировский Ю.Р. Стали с метастабильным аустенитом. М: Металлургия, 1988. -256 с.

49. А. с. №1770437 С22С 37/06. Износостойкий чугун / Решетников Е.К., Рудницкий А.Д., Ильин А.Д. и др. // Бюл. изобрет., 1992, № 39.

50. А. с. №1447917 С22С 37/10, 38/56, 38/58. Сплав на основе железа / Харитонов А.Н., Тихомиров В.Г., Татаринцев В.А. // Бюл. изобрет., 1988, №48.

51. Износостойкий бористый чугун для барабанов бортовых фрикционов / A.C. Росляков, В.П. Митрович, Н.Ф. Желтова и др. // Литейное производство, 1993, №1.- С. 3-4.

52. Львов П.Н. Основы абразивной износостойкости деталей строительных машин. М.: Издательство литературы по строительству, 1970. -72 с.

53. Попов B.C., Нагорный П.Л. Стойкость комплекснолегированных аустенитных сплавов при абразивном износе // Металловедение и термическая обработка металлов, 1971, №3.- С. 68-71.

54. Попов B.C., Нагорный П.Л., Шумихин А.Б. О соотношении между энергоемкостью металлов и сплавов и сопротивление абразивному изнашиванию // Проблемы прочности, 1979, № 9.- С. 103-108.

55. Влияние ориентировки карбидов М7С3 на износостойкость белого чугуна 300Ч20ДНФ / И.И. Цыпин, В.И. Канторович, А.Д. Зуев и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1991, №10. -С. 26-28.

56. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М: Металлургия, 1969. - 416 с.

57. Шурин А. К. Диаграммы состав — свойство квазибинарных и квазитройных эвтектических систем с фазами внедрения // Диаграммы состояния в материаловедении. Киев: ИПМ АН УССР, 1980.- С. 59-67.

58. Шурин А. К. Исследование фазовых равновесий и структуры сплавов с фазами внедрения для задач разработки материалов с композиционным упрочнением // Фазовые равновесия в металлических сплавах. М.: Наука, 1981.-С. 209-217.

59. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной, С.Е. Салибеков, И.А. Светлов, В. М. Чубарев. М.: Машиностроение, 1979. -255 с.

60. Романов Л.М., Козлов Л.Я., Рябов М.В. Износостойкие отливки нового поколения из сплавов на основе системы Fe-Cr-C // Литейное производство, 1997, №5.- С. 23.

61. Лившиц Л. С., Гринберг H.A., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. В. кн.: Абразивный износ. М.: Машиностроение, 1969.- С. 114-146.

62. Филипов М.А., Плотников Г.Н., Лхагвадорж П. Влияние фазового состава матрицы на износостойкость белого хромистого чугуна // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2001, №6.- С. 75-76.

63. Связь структуры со свойствами высокохромистых чугунов / О.С. Комаров, В.М. Садовский, Н.И. Урбанович и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2003, №7.- С. 20-23.

64. Гринберг H.A., Лившиц Л.С., Щербакова B.C. О влиянии легирования феррита и карбидной фазы на износостойкость сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1971, №9.- С. 57-59.

65. Попов С.М., Попов B.C. Превращения в поверхностном слое сталей при абразивном износе // Металловедение и термическая обработка металлов, 1973, №3.- С. 60-62.

66. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. M.: Металлургия, 1983. -586 с.

67. Попов B.C., Нагорный П.Л. Влияние карбидов на абразивную износостойкость сплавов // Литейное производство, 1969, №8.- С. 27-29.

68. Шубаев С.А., Мкртычан С.Я., Таран Ю. Н. О влиянии состава и структуры хромистых сплавов на абразивную стойкость // Литейное производство, 1972, №3.- С. 28-29.

69. Frost R.H., Maewchi T., Krouss G. Impact fracture beharior of high-chromium-molibdenium white cast iron // Trans. Amer. Foudrymen 's soc.-1984. -№11-15.-P. 293-322.

70. Структура и свойства высокоуглеродистых сплавов на железной основе для наплавки / Е.Ф. Переплетчиков, И.А. Рябцев, В.Г. Васильев и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2003, №5.- С. 36-40.

71. Клейс И. Р., Ууэмыйс Х.Х. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. — М.: Машиностроение, 1986. -160 с.

72. Особенности микроструктуры и распределение элементов в комплексно легированных белых чугунах / Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов, А.А. Жуков и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1983, №1.- С. 52-55.

73. Шадров Н.Ш., Коршунов Л.Г., Черемных В.П. Влияние молибдена, ванадия и ниобия на абразивную износостойкость высокохромистого чугуна // Металловедение и термическая обработка металлов, 1983, №4.-С. 33-36.

74. Влияние микроструктуры на пористость отливок из высокохромистого чугуна / О.С. Комаров, В.М. Королев, Д.О. Комаров и др. // Литейное производство, 2001, №2.- С. 4-5.

75. Износостойкие стали для различных условий эксплуатации / К.П. Камышина, Ю.Н. Петров, Г.П. Смирнов. // Литейное производство, 2000, №7.- С. 4-5.

76. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны эволюция и перспективы // Литейное производство, 2000, №9.- С. 15-16.

77. Влияние структуры на свойства белых хромистых чугунов / И.И. Косицина, В.В. Сагарадзе, A.B. Макаров и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1996, №4.- С. 7-10.

78. Иванов М.Ю., Рожкова Е.В. Мартенситные чугуны с повышенными износостойкостью и коррозионной стойкостью // Металловедение и термическая обработка металлов, 1990, №12.- С.31-33.

79. Трухин В.В., Печень П.В., Трухина Е.Ю. Влияние термической обработки на обрабатываемость среднехромистого износостойкого чугуна // Вестник Кузбаского гос. техн. Института, 2001, №5.-С.31-34.

80. Косилов A.A., Круглов A.A., Ребонен В.Н. Термическая обработка высокохромистого чугуна//Литейное производство, 2001, №6. -С. 13-14.

81. Паисов И.В. Термическая обработка стали и чугуна. М.: Металлургия, 1970.-246 с.

82. Филипов М.А., Лхагвадорж П., Плотников Г.Н. Структурные факторы повышения износостойкости белого хромистого чугуна // Металловедение и термическая обработка металлов, 2000, №11. -С. 10-13.

83. Шульте Ю. А. Неметаллические включения в электростали. М.: Металлургия, 1964. - 208 с.

84. Кришталл М. А., Титенский Э. Г., Тейх В. А. Повышение свойств железоуглеродистых сплавов модифицированием // Литейные сплавы. -Киев, 1973.-С. 116-119.

85. Куликов И. С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - 504 с.

86. Пат. №2147615 С21С 7/076, 7/064. Шлаковая смесь для обработки сталив ковше / Лисин B.C., Мизин В.Г., Скороходов В.Н. и др. // Бюл. изобрет., 2000, № 11.

87. A.c. №1721097 С21С 5/54, 7/064. Шлаковая смесь для рафинирования металла / Терзиян П.Г., Пикулин С.А., Мумладзе М.В. // Бюл. изобрет., 1990, № 11.

88. Женин Е.В. Повышение свойств стали для отливок роликов машины непрерывного литья заготовок путем комплексного воздействия на ее структуру: Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2001. - 143 с.

89. Опыт использования комплекса SIAMS в исследовательской работе МГТУ / Харитонов В.А., Копцева Н.В., Петрочнеко Е.В. и др. // Цифровая микроскопия: Материалы школы-семинара.-Екатеринбург: УГТУ УПИ. -2001.- С. 79-82.

90. Белай Г. Е., Дембовский В. В., Соценко О. В. Организация металлургического эксперимента / Под редакцией В.В. Дембовского.-М.: Металлургия, 1993 - 256 с.

91. Ахмазарова С. Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. — М.: Высш. шк., 1978. - 319 с.

92. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1979. - 280 с.

93. Тухватулин И. X. Разработка нового состава стали при помощи нейросетевого метода: Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, - 2002. — 150 с.

94. Потапов М.Г. Разработка нового состава износостойкого чугуна для отливок деталей насосов. Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, - 2002. -140 с.

95. Петроченко Е.В. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из белых легированных чугунов за счет комплексного воздействия на их структуру. Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, - 2003. - 138 с.

96. Колокольцев В.М. Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент: Автореф. дисс. д-ра. техн. наук. — Магнитогорск, 1995. 27 с.

97. Молочков П.А., Арисов С.В., Сидоренко В.М. Влияние легирующих элементов на свойства белых износостойких чугунов // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 2.- Магнитогорск: МГТУ, 2002. -С. 51-55.

98. Расчет на абразивную износостойкость белых чугунов / В.М.Колокольцев, В.Д. Тутарова, М.Г. Потапов, П.А. Молочков // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 1.- Магнитогорск: МГТУ, 2001.- С.171-174.

99. Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости белых легированных чугунов / В.М.Колокольцев, Е.В. Синицкий, П.А. Молочков, П.С. Лимарев, O.A. Миронов // Вестник МГТУ, 2004, №1.- С. 37-40.

100. Потапов М.Г., Молочков П.А. Новый износостойкий чугун для деталей специального оборудования // Наука. Техника. Инновация: Тез. докл

101. Региональной науч. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых. Ч.З. — Новосибирск: НГТУ, 2001. -С. 86-88.

102. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Влияние микроструктуры на износостойкость хромованадиевых чугунов // Ползуновский альманах,2003, №3-4. -С.30-31.

103. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочков П.А. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства износостойких хромованадиевых чугунов // Литейное производство сегодня и завтра: Тез. докл. Всерос. науч.-практ. конф. СПб.: СПбГПУ, 2004. - С. 65-68.

104. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочков П.А. Структура и износостойкость хромованадиевых чугунов // Известия вузов. Черная металлургия, 2004, №7.- С. 25-28.

105. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Свободная линейная усадка и трещиноустойчивость хромованадиевых чугунов // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 4.- Магнитогорск: Mi ТУ, 2004,- С. 23-26.

106. Колокольцев В.М., Молочков П.А. Влияние термической обработки на структуру и свойства белых чугунов // Теория и технология металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. З.Магнитогорск: МГТУ, 2003.- С. 149-154.

107. Структура хромованадиевых чугунов / Е.В. Петроченко, П.А. Молочков, В.Г. Баталов, Т.С. Петроченко, О.С. Петроченко // Суденческая молодежь науке будущего: Сб. тез. докл. студ. науч. конф. - Магнитогорск: МГТУ,2004.- С. 41-42.