автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение экономнолегированной теплостойкой стали для отливок горно-металлургического оборудования

Б ОА , ц 0, 1998

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

Пархоменко Андрій Валентинович

УДК 669.14.018.292

РОЗРОБКА ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ЕКОНОМНОЛЕГОВАНОЇ ТЕПЛОСТІЙКОЇ СТАЛІ ДЛЯ ВИЛИВОК ГІРНИЧО-МЕТАЛУРГІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.02.01 “Матеріалознавство ”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Запоріжжя - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Луньов Валентин Васильович, Запорізький державний технічний університет, завідувач кафедри "Машини та технологія ливарного виробництва".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Середа Борис Петрович, професор кафедри "Металургія кольорових металів", Запорізька державна інженерна академія;

кандидат технічних наук, доцент

Адамов Іван Васильович, доцент кафедри "Ливарне виробництво", Державна металургійна академія України, м.Дніпропетровськ.

Провідна установа: Донецький державний технічний університет Міністерства освіти України, кафедра фізичного матеріалознавства, м. Донецьк.

Захист відбудеться 1І9'ірувн9 199Яр. о /3. годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 в Запорізькому державному технічному університеті за адресою: м.Запоріжжя, вул .Жуковського ,64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою: м.Запоріжжя, вулЖуковського,64.

Автореферат розісланий “2.5'лисїонаЗд тз р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради //О

доктор технічних наук, професор І П. Волчок

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Інтенсифікація розвитку народного господарства України, необхідність його технічного переоснащення ставлять перед сучасним матеріалознавством складні задачі, пов’язані з розробкою нових та удосконаленням існуючих матеріалів для деталей машин і технологічного обладнання.

Особливу актуальність в останні роки набувають питання підвищення економічної ефективності виробництва, можливого зниження витрат на всіх етапах виробничого процесу. Одним з чинників, що негативно впливає на вартість обладнання є використання для виробництва деталей сталей з високою місткістю дорогих, дефіцитних легуючих елементів. До того ж, іноді високолеговані сталі використовуються там, де з успіхом могли б експлуатуватися більш дешеві, економнолеговані конструкційні сталі. Використання сучасних методів мікролегування та модифікування, раціональних режимів термічної обробки дозволяє в значній мірі підвищити властивості економнолегованих сталей, що суттєво розширює галузі їх застосування.

В сучасній гірничодобувній промисловості у нас в країні і за кордоном широке застосування знайшли печі обпалювання окатишів, що несуть основне навантаження в технологічному процесі виробництва окатишів. Деталі цього агрегату працюють в важких умовах динамічних навантажень, під впливом підвищених температур (до 570°С). Здебільшого, термін використання будь-якого обладнання або машини залежить від довговічності лише декількох відповідальних деталей, що в процесі експлуатації витримують найбільші навантаження'і тому, для забезпечення надійної і тривалої роботи обладнання основну увагу слід приділяти підвищенню стійкості саме таких деталей. В агрегаті обпалювання окатишів до такого типу деталей можна віднести ланки і бокові плити тягнучого ланцюга. В результаті проведеного аналізу встановлено, що вихід з ладу хоча б однієї з декількох тисяч працюючих ланок ланцюга призводить до повної зупинки агрегату обпалювання окатишів, при цьому матеріальні збитки дорівнюють сотням тисяч гривень. Тому, до матеріалу, з якого виготовляють ці деталі ставлять жорсткі вимоги, в першу чергу це високий рівень показників міцності (Ов > 500МПа) та стабільність механічних характеристик під час тривалої експлуатації в умовах підвищених температур. В наш час ланки тягнучого ланцюга та бокові плити виробляють з високолегованої литої сталі 40Х24Н12СЛ. Цій сталі притаманна достатньо висока міцність (ств =500МПа) у поєднанні з високою пластичністю (5=15-18%). Цей комплекс показників забезпечує надійну роботу деталей на протязі

одного року експлуатації, але високий вміст у складі сталі нікелю та хрому значно підвищує собівартість кінцевої продукції, що економічно невигідно. Спроби застосування відомих економнолегованих сталей типу 12МХ, 12Х1МФ для виготовлення цих деталей позитивних результатів не дали, оскільки міцність цих сталей недостатня (Ств = 400-470 МПа).

Зважаючи на це, актуальною є задача розробки нової сталі, з мінімальним вмістом легуючих елементів, здатної тривалий час працювати в складних умовах гірничо-металургійної галузі. З метою забезпечення вимог надійності та довговічності комплекс механічних властивостей нової сталі повинен бути не нижчим за показники сталі, яка використовується зараз для ланок та бокових плит тягнучого ланцюга, тобто Ств - 500 МПа; 6> 15%; у> 28%; КСи> 0,3 МДж/м2; НВ> 1800 МПа, за умови збереження стабільності механічних показників до температур 550-570°С.

Все викладене вище зумовило необхідність і актуальність цієї роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження дисертаційної роботи пов’язані з напрямками наукової роботи кафедри “Машини та технологія ливарного виробництва” Запорізького державного технічного університету, з тематикою госпдоговірних науково-дослідних робіт кафедри.

Мета дисертаційної роботи: розробка складу і технології виробництва нової високоміцної економнолегованої сталі для роботи при температурах до 570°С, яка має високий рівень міцності і пластичності, не нижчий за рівень високолегованих марок сталі.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1) Виконати розробку і оптимізацію за основними елементами (С,Сг,КІ,Мо) складу високоміцної економнолегованої теплостійкої сталі, який забезпечує дотримання обраних параметрів надійності на рівні високолегованих сталей.

2) Дослідити вплив шкідливих домішок (8,Р), мікролегуючих елементів (V), модифікування (8іСа,РЗМ) на механічні і експлуатаційні властивості сталі базового складу, розмір аустенітного зерна, морфологію неметалевих вкраплень, а також її теплостійкість і опір руйнуванню.

3) Дослідити вплив різноманітних видів термічної обробки на ступінь дисперсності структури економнолегованої теплостійкої сталі з метою вибору оптимального режиму обробки, який забезпечує найбільш високу стійкість металевої матриці при підвищеній температурі експлуатації виливок,

4) Провести промислове випробування і впровадження розробленої марки сталі і технології її отримання у виробництво.

з

Методи досліджень. При виконанні поставлених задач використовувалися методи математичного планування експерименту, сучасні методи плавлення та термічної обробки металу, різноманітні методи аналізу механічних характеристик сталі при кімнатній та підвищеній температурах, сучасні методи металографічного аналізу структур, спеціальна методика визначення дійсних температур експлуатації виливків в агрегаті виготовлення окатишів.

Наукова новизна одержаних результатів. Під час виконання досліджень автором отримані наступні наукові результати:

- встановлено математичні залежності, що описують вплив легуючих елементів (C,Cr,Ni) на механічні властивості економнолегованої теплостійкої сталі;

- вперше кількісно оцінена залежність між мірою питомого впливу ванадію і молібдену на характеристики литих економнолегованих сталей;

- встановлено вплив вмісту ванадію і молібдену на розмір аустенітного зерна в економнолегованих сталях;

- визначено залежності впливу молібдену на поведінку фосфору в економнолегованих литих сталях при звичайних і підвищених температурах;

- встановлено закономірності забезпечення високого рівня фізико-механічних властивостей і стабільності структурних складових сталі за рахунок термообробки в поміжкритнчному інтервалі температур.

Практичне значення одержаних результатів. В дисертаційній роботі була вирішена задача, пов’язана з розробкою оптимального складу теплостійкої економнолегованої сталі для деталей гірничо-металургійного обладнання. В результаті проведених досліджень розроблено нову теплостійку економнолеговану сталь 25ХНМФЛ, що має високий комплекс властивостей (А.С. №1803463СРСР, МКИ5 с22с38/46).

Результати дисертаційної роботи використовувалися під час проведення науково-дослідних робіт кафедри МіТЛВ у 1994-1997 pp.

Запропонована сталь, технологія її модифікування і термічної обробки пройшли успішне випробування та впроваджені на Полтавському гірничо-збагачувальному комбінаті. Впровадження нової сталі для виробництва виливок "ланка ланцюга” агрегату обпалювання окатишів дозволяє отримати економічний ефект більший за 200 тис. грн. на рік.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях “Неметалеві вкраплення та гази у ливарних сплавах” (вересень 1991, 1994, 1997, Запоріжжя), науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі і

стопи та методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (вересень 1992, Запоріжжя), науково-технічній конференції “Шляхи підвищення якості та економічності ливарних процесів” (травень 1993, Одеса), на конференціях та семінарах професорсько-викладацького складу Запорізького державного технічного університету у 1994-1998 рр.

В повному обсязі робота доповідалась на кафедрі “Машини та технологія ливарного виробництва” ЗДТУ та на межкафедральному семінарі “Матеріалознавство”.

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи відображені в тринадцяти друкованих працях, з них одне авторське свідоцтво.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, що викладені на 134 сторінках машинописного тексту, списку літературних джерел, який налічує 123 найменування та додатків. Робота містить 14 таблиць та 37 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність та важливість питань, які розглядаються в дисертаційній роботі, визначена мета і задачі дослідження, зформульовані основні наукові положення, які виносяться на захист та практична цінність роботи.

Перший розділ носить оглядовий характер і присвячений аналізу питань підвищення фізико-механічних і експлуатаційних властивостей сучасних конструкційних теплостійких сталей. '

Встановлено, що одним з основних способів забезпечення високого рівня показників міцності і пластичності конструкційних сталей є оптимальне використання легуючих додатків і модифікаторів, застосування раціональних режимів термічної обробки. Наведено аналіз існуючих досліджень щодо впливу різноманітних легуючих елементів на механічні властивості, теплостійкість і жаростійкість економнолегованих сталей.

Відзначено, що важливим чинником підвищення експлуатаційної стійкості і надійності деталей є підвищення чистоти сталі по шкідливим домішкам або нейтралізація їх шкідливого впливу, керування природою неметалевих вкраплень з метою отримання заданих властивостей сталі.

Показано, що незважаючи на велику кількість робіт вітчизняних і закордонних дослідників в галузі забезпечення високого рівня характеристик

конструкційних сталей, питання створення нових матеріалів для конкретних умов експлуатації залишаються надто актуальними.

Зроблено висновок про необхідність розробки економнолегованих сталей, які поєднують високий рівень показників міцності, пластичності, теплостійкості, що забезпечує надійну експлуатацію деталей в складних умовах гірничо-металургійної промисловості, при ощадливому використанні дорогих дефіцитних легуючих елементів.

Другий розділ присвячений опису матеріалів і методів досліджень.

Об'єктом дослідження були обрані литі деталі (ланки тягнучого ланцюга, бокові плити) печі обпалювання окатишів. Експерименти проводилися на литих зразках (ДГСТ 977-88) і зразках виготовлених з найбільш масивної частини конкретних промислових деталей. Плавки проводили в дугових (місткістю 5... 12т) і індукційних (місткістю 0,06 ...0, 12т) печах з основною футерівкою. Як шихту використовували сталевий вуглецевий брухт, стандартні феросплави і модифікатори. При проведенні дослідних плавок застосовували порційний метод відбору металу з печі, що дозволило виключити вплив сторонніх чинників і отримати більш вірогідні дані.

Зразки для механічних випробовувань відбиралися у відповідності з існуючим стандартом. Термообробку зразків дослідного металу здійснювали в лабораторних електропечах, а промислових плавок у камерних печах на газовому паливі з автоматичним контролем температур.

Контроль хімічного складу, макро - і мікроструктури, розміру зерна аустеніту, забрудненості неметалевими вкрапленнями і механічних властивостей проводили стандартними методами. Випробовування механічних властивостей сталі при підвищених температурах проводилися у відповідності з існуючими стандартами, на устаткуванні АІМА-5, УМЕ-10ТМ, МК-30А в діапазоні температур від 200 до 850°С. Мікрофрактографічні дослідження металу і неметалевих вкраплень проводили на електронному мікроскопі УЕМВ-100К.

Критичні точки сталі визначали на дилатометрі Шевенара. Для визначення дійсних температур підігріву деталей в агрегаті обпалювання окатишів використана спеціальна методика фіксації температури по постійним точкам плавлення деяких сплавів і чистих металів. Були виготовлені спеціальні ампули із кварцевого скла, що заповнювалися частинками різноманітних металів і сплавів із заздалегідь відомою температурою плавлення. Щоб запобігти окисленню, ампули заповнювалися інертним газом (аргоном) і запаювалися. Контейнер з ампулами встановлювався безпосередньо на деталь, що аналізується, і проходив з нею весь технологічний цикл

обпалювання окатишів. За станом сплавів в кожній ампулі, після експлуатації, робився висновок про робочу температуру підігріву деталей печі.

Математичну обробку експериментальних даних і оптимізацію хімічного складу сталі здійснювали із застосуванням сучасних апаратів і засобів обчислювальної математики.

Третій розділ присвячений аналізу стійкості, причинам виходу з ладу, вивченню умов виробництва і експлуатації відповідальних деталей агрегату обпалювання окатишів. Встановлено, що деталі, які досліджуються, піддаються значним механічним навантаження, розтягуванню і ударному впливу. Температура експлуатації в місцях максимального підігріву не перевищує 570°С. В робочому просторі печі деталі піддаються впливу продуктів горіння природного газу.

Відзначено, що тривалість експлуатації ланок ланцюга печі залежить, здебільшого, від рівня механічних властивостей матеріалів, з яких вони виробляються.

В теперішній час для виготовлення цих деталей застосовується сталь 40Х24Н12СЛ. Середня стійкість виливок з цієї сталі складає 10-12 місяців, характерними видами пошкодження деталі є розтягування провушин ланки, злам. Високий вміст в цій сталі таких легуючих елементів, як нікель, хром робить використання такої високолегованої марки сталі економічно недоцільним.

Встановлено, що сталі (12МХ, 12Х1МФ), які успішно застосовуються для роботи в аналогічних температурних і атмосферних умовах, мають недостатні показники міцності (Овн400-470МПа). Матеріали, яким притаманний високий комплекс показників міцності і пластичності, що застосовуються для значнонавантажених деталей (35ХНА, 38ХГН), не мають достатньої теплостійкості для використання в агрегаті обпалювання окатишів.

На підставі проведеного аналізу матеріалів, що застосовуються та існуючих вимог експлуатації, встановлено необхідний рівень властивостей, який забезпечує надійну роботу, литих деталей печі обпалювання окатишів (5в>500МГІа; 6>15%; ц/>28%; КСи>0,ЗМДж/м2; НВ=1800-2000МПа при кімнатній температурі, за умови збереження стабільності властивостей до температур 570°С). Аналіз довів необхідність розробки нової теплостійкої економнолегованої сталі, що має рівень властивостей не нижчий за встановлений, достатню теплостійкість і при цьому містить дорогі легуючі елементи в малих кількостях. .

В четвертому розділі наведено результати розробки, дослідження і оптимізації складу нової теплостійкої економнолегованої сталі, а також шляхи

підвищення її властивостей за рахунох використання раціональних режимів її модифікування і мікролегування.

Вибір і оптимізацію складу сталі здійснювали за допомогою математичного планування експерименту, з реалізацією повного факторного аналізу за планом 2і. Обробку результатів експерименту і оцінку впливу чинників, що досліджуються, на механічні і експлуатаційні властивості сталі проводили методом регресивного аналізу (визначалися чисельні значення коефіцієнтів регресії і оцінювалася їхня значущість за критерієм Ст’юдента, відтворювання процесу визначалося за критерієм Кохрена, адекватність моделі оцінювалася за критерієм Фішера).

Внаслідок проведення експерименту отримали математичні залежності, що описують вплив вмісту вуглецю, хрому, нікелю на механічні властивості економнолегованої конструкційної сталі.

Враховуючи характер навантажень, які впливають на виливки під час експлуатації, основними критеріями оптимізації було обрано показники міцності, при дотриманні усіх обмежень викладених раніше по іншим характеристикам сталі. Спираючись на літературні дані, рівняння регрессії і дані по оптимізації хімічного складу, остаточний вміст основних легуючих елементів в сталі був прийнятий таким: С-0,23-0,28%, Сг=0,8-1,4%, №=0,8-1,1%.

Встановлено, що зниження вмісту сірки і фосфору в сталі, що досліджується, з 0,033-0,032% до 0,015-0,012% кожного, знижує індекс забрудненості неметалевими вкрапленнями більш ніж вдвічі, при цьому істотно збільшується рівень ударної в’язкості і пластичних властивостей сталі. Рівень міцності (сгв) практично не змінився, однак було відзначено збільшення такого показника як дійсний опір розриву (Бп), який характеризує міцність матеріалу в точці розриву в момент руйнування, що дає можливість відзначити позитивний вплив низького вмісту сірки і фосфору на дійсну міцність економнолегованої теплостійкої сталі.

В роботі досліджено спільний і окремий вплив ванадію і молібдену на механічні характеристики сталі 25ХНЛ. Підвищення вмісту ванадію в сталі від 0 до

0,2% викликало значне підвищення показників міцності, завдяки утворенню великої кількості дрібнодисперсних карбідів і карбонітридів ванадію. Завдяки високій спорідненості до вуглецю, практично весь ванадій, який додали в сталь в межах, що вивчаються, знаходився в карбідній і карбонітридній фазі. Виділення основної частини карбідів ванадію відбувалося в інтервалі температур 650-700°С. При вмісті ванадію до 0,12% відзначалося значне здрібнення литої структури сталі.

Вплив молібдену на механічні властивості сталі 25ХНЛ вивчався в межах 0-0,9%. Як активний карбідоутворюючий елемент, молібден при легуванні

розподілявся між карбідною фазою і металевою матрицею. Утворення спеціального карбіду Мо спостерігалося при вмісті елементу понад 0,3%-0,4%, при менших кількостях весь молібден знаходився в твердому розчині та входив до складу карбіду заліза. Відповідно, домішки молібдена мали зміцнююче значення за рахунок підвищення міцності легованого фериту і за рахунок карбідного зміцнення. Металографічний аналіз структур сталі з домішками молібдену довів його високу спроможність підвищувати дисперсність структурних складових. Молібден значно зсуває діаграму ізотермічного розпаду аустеніту праворуч, під впливом вже 0,3% цього елементу перлітне перетворення в сталі протікає значно пізніше бейнітного. Була відзначена спроможність молібдену усувати негативний вплив фосфору на властивості сталі, що досліджується. Введення до економнолегованої сталі з різноманітним вмістом фосфору до 0,5% Мо дозволяє уникнути падіння ударної в’язкості і пластичних характеристик як при кімнатній, так і при підвищених температурах (Табл. 1). Молібден має спроможність уповільнювати дифузійні процеси, які відбуваються в сталі, що перешкоджає ліквації фосфору у прикордонні ділянки зерна. Ефект досягається також завдяки здрібненню зерна аустеніту при введені молібдену. При зменшенні розміру зерен, збільшенні загальної довжини меж наявні сегрегації фосфору більш рівномірно розподіляються по загальному обсягу металу.

Таблиця 1 - Вплив молібдену на властивості сталі з різноманітним вмістом фосфору.

Вміст Р,% КСи, МДж/мг V.0/» ств, МПа

Без Мо 0,5% Мо (20°С) 0,5% Мо (550°С) Без Мо 0,5% Мо (20°С) 0,5% Мо (550°С) Без Мо 0,5% Мо (20°С) 0,5% Мо (550°С)

0,012 1,1 0,9 0,9 57 50 62 560 880 571

0,025 0,8 0,87 0,86 51 48 61 569 882 576

0,033 >0,43 0,8.5 , 0,83 45 47 59 573 890 580

З метою усунення шкідливого впливу домішок (5,Р) і підвищення пластичності економнолегованої сталі, додатково досліджували ефективність її модифікування лужноземельними і рідкісноземельними металами. Позитивний вплив цих елементів зумовлений зміною природи і характеру розподілення неметалевих вкраплень в сталі. Вплив модифікаторів оцінювався для сталі з

різноманітним вмістом сірки за загальним індексом забрудненості неметалевими вкрапленнями і коефіцієнтом їх глобуляризації. Так, додаткове модифікування сталі 25ХНМФЛ силікокальцієм і силіцидами РЗМ дає позитивний ефект при різноманітних сполученнях модифікаторів, при цьому, найбільш високий рівень пластичних показників, ударної в’язкості, найменший індекс забрудненості сталі і високий коефіцієнт глобуляризації має сталь, що містить Ікг/т (0,02%-0,03% ост) кожного з модифікаторів (для сталі з 0,025% в).

Аналіз впливу окремого і спільного мікролегування ванадієм і молібденом на розмір аустенітного зерна довів, що здрібнення останнього відбувається доти, доки кількість додатого молібдену не перевищує 0,5%, а ванадію, відповідно, 0,15%. Подальше підвищення вмісту цих елементів в сталі на розмір зерна аустеніту відчутно не впливає. Гальмування зростання зерна аустеніту відбувається в результаті: наявності в сталі тугоплавких дрібнодисперсних карбідів ванадію; спроможності молібдену знижувати енергію меж зерен; наявності в сталі карбідів молібдену. Спільне використання як мікролегуючих додатків молібдену (0,3%) і ванадію (0,12%) забезпечувало утворення аустенітного зерна восьмого балу, що дозволило отримати високі показники механічних властивостей, особливо ударної в’язкості, теплостійкосгі сталі.

Оцінка спільного впливу різноманітного вмісту ванадію, молібдену, РЗМ і ЛЗМ на механічні властивості і структуру економнолегованої теплостійкої сталі дозволяє зробити висновок щодо доцільності застосування як мікролегуючих додатків ванадію в кількості 0,1-0,12%, молібдену 0,3-0,5%, модифікаторів РЗМ і ЛЗМ (Ікг/т).

При оцінюванні окремого та спільного впливу ванадію і молібдену на механічні властивості, розмір аустенітного зерна економнолегованої сталі встановлено залежність, що описує ступінь питомого впливу V і Мо на характеристики сталі:

ЬКш

де ДК - питома зміна властивостей сталі при введенні легуючого елементу.

Так, введення в сталь певної кількості (% мас) ванадію викликає питому зміну фізико-механічних характеристик в чотири рази більшу, ніж введення такої ж кількісті Мо (Рис. 1). Це дозволяє зробити висновок щодо можливості заміни, для забезпечення однакового рівня властивостей, до чотирьох частин Мо на одну частину більш дешевого ванадію.

Зміна,% Зміна,%

сів, нв . кси

О зерна, мкм

Вплив V

Вплив Мо

Вплив £(У+Мо)

Рис. 1 - Порівняльний аналіз впливу V и Мо на властивості сталі 25ХНЛ.

Оскільки деталі гірничо-металургійного обладнання експлуатуються в умовах підвищених температур, була досліджена динаміка зміни механічних характеристик економнолегованої сталі при підігріванні до 650°С. Відзначено, що сталь 25ХНМФЛ має високу стабільність характеристик до температур порядку 600-650°С (Табл.2). В першу чергу це пояснюється оптимально підібраним хімічним складом сталі. Молібден (0,3-0,5%), що міститься в сталі, уповільнюючи швидкість дифузійних процесів, перешкоджає проходженню структурних змін, які ведуть до зміни механічних властивостей. Наявність в складі активного карбідоутворювача -ванадію (до 0,12%), перешкоджає переходу молібдену з твердого розчину в карбідну фазу з плином часу, завдяки цьому зберігає його позитивний вплив на

Вміст елементу, %

теплостійкість. Хром (до 1,0%), присутній головним чином у цементітному карбіді, забезпечує карбідові підвищену термічну стійкість.

Таблиця 2 - Механічні властивості сталі 25ХНМФЛ при підвищених температурах.

Температура випробування Ов, МПа Оо2, МПа 5, % V. %

20 880 750 15 47

200 830 730 15 47

300 780 650 16 48

400 750 610 17 50

500 700 540 18 53

600 605 450 20 60

650 520 380 23 65

Порівняння характеристик сталі 25ХНМФЛ із властивостями матеріалу, що застосовується в теперішній час для виготовлення ланок тягнучого ланцюга (40Х24Н12СЛ) довело, ідо в діапазоні температур 550-570°С новій сталі притаманні більш високі параметри міцності і пластичності. Відзначено, що стабільність властивостей сталі 25ХНМФЛ зберігається протягом тривалого часу експлуатації (до 8500 годин) в умовах впливу температур до 570°С і реальних промислових навантажень. На підставі проведених досліджень, остаточну оптимізацію складу сталі було завершено і запропоновано сталь 25ХНМФЛ, модифіковану РЗМ і Са (А.С. №1803463).

П’ятий розділ присвячений розробці раціонального режиму термічної обробки економнолегованої теплостійкої сталі 25ХНМФЛ.

Дослідження впливу різноманітних режимів термічної обробки на механічні властивості та структуру сталі 25ХНМФЛ довело, що найвищий рівень показників був притаманний сталі, яка пройшла обробку в поміжкритичному інтервалі температур (гарт 800°С). Під час гарту з поміжкритичного інтервалу температур частки фериту, які не розчинилися при підігріві рівномірно розподіляються в структурі мартенситу і мають дуже малі розміри (близько І мкм). Ці дрібні частки фериту забезпечують більш високі показники пластичності сталі, ніж після звичайного гарту. Оскільки деталі агрегату обпалювання окатишів експлуатуються при підвищених температурах, як остаточна обробка був обраний високий відпуск (650°С). Отримані результати дозволяють рекомендувати для виливок із сталі

25ХНМФЛ термічну обробку, яка складається з гарту від 800°С у воду та високого відпуску 650°С. .

Шостий роздуі присвячений промисловим випробуванням деталей печі обпалювання окатишів, виготовлених з економнолегованої теплостійкої сталі 25ХНМФЛ, а також впровадженню результатів дослідження у виробництво.

Виробництво ланок тягнучого ланцюга агрегату обпалювання окатишів із сталі 25ХНМФЛ, з застосуванням розробленого режиму термічної обробки здійснювали в ливарно-механічному цеху Полтавського гірничо-збагачувального комбінату (МГЗК). Промислові випробування проводили в умовах цеху виробництва окатишів ПГЗК. Результати промислових випробувань показали надійну роботу деталей протягом 1 року, що повністю задовольняє наявним вимогам експлуатації і не гірше за стійкість виливок з високолегованих дорогих марок сталей, що застосовуються в теперішній час.

Промислові випробування ланок тягнучого ланцюга повністю підтвердили дані лабораторних досліджень і довели, що основними чинниками, які визначають надійність і довговічність литих деталей, є оптимальний хімічний склад сталі, раціональні варіанти модифікування і режими термічної обробки.

Впровадження результатів досліджень на Полтавському гірничо-збагачувальному комбінаті при виробництві ланок тягнучого ланцюга печі обпалювання окатишів з сталі 25ХНМФЛ, дозволить отримати річний економічний ефект тільки від економії легуючих елементів, більший за 200 тис. гривень на рік.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Вирішення задач, поставлених в дисертаційній роботі, було досягнуто в результаті проведення теоретичних, лабораторних, напівпромислових і промислових досліджень із застосуванням сучасних засобів аналізу і математичної обробки експериментальних даних та дозволяє зробити наступні висновки і узагальнення:

1. В теперішній час для литих деталей, які працюють при температурах вищих за кімнатні широко застосовуються високолеговані хромом і нікелем сталі (типу 40Х24Н12СЛ, 20Х25НІ9С2Л) і економнолеговані теплостійкі сталі (типу 12МХ, 12Х1МФ).

В умовах дефіциту і високої вартості легуючих елементів використання сталі з високим вмістом хрому і нікелю для температур експлуатації нижчих за 700-750°С економічно не виправдано.

Економнолеговані теплостійкі сталі (типу 12МХ, 12Х1МФ) мають низький рівень показників міцності (<Тв=400-470МПа), що ускладнює їх використання для важконавантажених деталей гірничо-металургійної промисловості. Тому актуальною є задача розробки високоміцних економнолегованих теплостійких сталей, що з успіхом можуть працювати в умовах значних механічних навантажень при температурах до 570°С та містять легуючі елементи в малих кількостях.

2. Аналіз умов виробництва і експлуатації конкретних деталей агрегату обпалювання окатишів показав, що :

- в теперішній час виливки ланка ланцюга, бокова плита виготовляються з сталі 40Х24Н12СЛ, що економічно недоцільно, зважаючи на високу вартість і дефіцитність таких легуючих елементів як нікель і хром;

- температура експлуатації ланок і бокових плит тягнучого ланцюга печі обпалювання окатишів не перевищує 570°С;

- для забезпечення надійної роботи деталей в конкретних умовах виробництва, комплекс механічних властивостей економнолегованої сталі, яка розробляється, повинен бути не гіршим за показники сталі 40Х24Н12СЛ і має знаходитися на рівні : Ов>500МПа; 5>15%; у>28%; КСШО.З МДж/м2; НВ>1800МПа, за умови збереження стабільності властивостей до температур 550-570сС.

3. Залежності властивостей економнолегованої теплостійкої сталі від

різноманітного вмісту легуючих елементів показують, що: '

- для забезпечення високого рівня фізико-механічних та експлуатаційних властивостей економнолегованих теплостійких сталей вміст таких елементів як вуглець, хром, нікель, повинен бути на рівні С (0,23-0,28%); Сг (0,8-1,4%); № (0,8-1.1%);

- значне підвищення показників міцності сталі, що досліджується, збереження високого рівня механічних властивостей під час тривалого впливу підвищених температур досягається введенням до складу сталі 0,1-

0,12% ванадію, 0,4-0,5% молібдену;

- вперше встановлена кількісна залежність між мірою питомого впливу ванадію і молібдену на властивості економнолегованої сталі:

ЬКу =1

ЛКМО '

- наявність в сталі до 0,5% молібдену дозволяє виключити негативний вплив фосфору на властивості сталі при звичайних і підвищених температурах;

- граничні кількості ванадію і молібдену, що забезпечують малий розмір зерна аустеніту (7-8 бал) знаходяться на рівні: 0,1% V, 0,5% Мо;

- для зменшення шкідливого впливу таких домішок як сірка і фосфор, запропоновано модифікувати економнолеговану теплостійку сталь силіцидами РЗМ і ЛЗМ в кількості 1 кг/т (0,02-0,03% ост).

4. На підставі отриманих залежностей, розроблено нову теплостійку економнолеговану сталь 25ХНМФЛ (АС №1803463, МКИ5 с22 с38/4б), яка здатна працювати в складних умовах гірничо-металургійної промисловості.

5. Доведено, що запропонована сталь за своїми характеристиками в діапазоні температур експлуатації (до 570°С) не поступається показникам сталі 40Х24Н12СЛ, яка застосовується в цій галузі зараз, а за деякими параметрами (СТц, V, КСЦ) навіть переважає останню. Новій сталі притаманна висока стабільність механічних характеристик під час тривалої експлуатації при підвищених температурах.

6. Встановлено оптимальні режими термічної обробки сталі 25ХНМФЛ. Одержані залежності структуроутворювання і властивостей сталі від різних режимів обробки дозволяють відзначити, що:

- отримання найліпшого комплексу показників сталі забезпечується проведенням обробки в поміжкритичному інтервалі температур, що полягає в гарті від 800°С у воду з наступним відпуском 650°С;

7. Промислове випробовування на Полтавському гірничо-збагачувальному комбінаті виливок із запропонованої сталі довело, що стійкість останніх відповідає вимогам експлуатації. Впровадження результатів дослідження на ПГЗК дозволить отримати економічний ефект, за рахунок економії легуючих елементів, більший за 2С9 тис. гривень на рік.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Пархоменко А.В., Лунев В.В. Теплостойкая сталь для деталей горнометаллургического оборудования // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении.-1997.-№1-2.-Запорожье:ЗГТУ,1997г.-С.45-47.

2. Пархоменко А.В. Особенности воздействия молибдена и ванадия на свойства и структуру литой стали // Придніпровский науковий вісник. Машинобудування. Технічні науки.-1998.- №85 (152).-С.43-46.

3. А.С.1803463СССР, МКИ5-с22с38/46/ Литая износостойкая сталь/

Пархоменко А.В., Ермак А.В., Самойлов В.Е. и др. (СССР) - №4923713/02; Заявл.: 01.04.91; Опубликовано 23.03.93, Бюл.№11.

4. Пархоменко А.В., Шаломеев В.А., Тырса С.В. Влияние ванадия и молибдена на свойства экономнолегированной стали // Труды VIII научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сллавах».-Запорожье: ЗГТУ, 1997.-С.79-82.

5. Влияние комплексного раскисления-модифицирования на свойства и структуру высокопрочных конструкционных сталей / Пархоменко А.В., Тырса С.В., Шаломеев В.А., Гончаренко В.А., Гаврилюк О.И. // Труды VIII научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах».-Запорожье: ЗГТУ, 1997.-С.124-126.

6. Новая жаростойкая экономнолегированная сталь для деталей горнометаллургического оборудования / Пархоменко А.В., Лунев В.В., Шаломеев В.А., Ермак А.В., Гончаренко В.А. // Доклады республиканской научно-технической конференции «Пути повышения качества и экономичности литейных процессов».-Одесса: Совпин.1993.-С.81-83.

7. Изучение влияния микролегирования ванадием и бором на микроструктуру литой стали / Ермак А.В., Пархоменко А.В., Наумик В.В., Азарова Л.М., Варшавский В.Ю. // Доклады республиканской научнотехнической конференции «Пути повышения качества и экономичности литейных процессов».-Одесса: Совпин.1993.-С.104-105.

8. Пархоменко А.В., Шаломеев В.А., Шрамко М.С. Жаростойкая экономнолегированная сталь для деталей печи обжига окатышей // Тезисы докладов XI научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах».-Запорожье: ЗМИ, 1991.-С.51.

9. Разработка оптимального режима термической обработки отливок из

стали 25ХНМФЛ / Пархоменко А.В., Шаломеев В.А., Шрамко М.С., Гончаренко В.А., Самойлов В.Е. И Тез.докладов V научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий»,-Запорожье: ЗМИ, 1992.-С.72-73. .

Ю.Новая экономнолегированная сталь для работы при высоких температурах / Пархоменко А.В., Шаломеев В.А., Гончаренко В.А., Азарова Л.М, // Тез.докладов V научно-технической конференции «Новые

конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий».-Запорожье: ЗМИ, І992.-С.8І-82.

И.Экономнолегированная сталь для ответственных деталей агрегата обжига окатышей / Пархоменко А.В., Шаломеев В.А., Ермак А.В., Самойлов В.Е. И Тез.докладов III научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах».-Запорожье: ЗМИ, 1994.-С.58-59.

12.Влияние микролегирования V и В на микроструктуру стали 35 ГСЛ / Ермак А.В., Пархоменко А.В., Самойлов В.Е., Азарова Л.М.. // Тез.докладов III научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах».-Запорожье: ЗМИ, 1994.-С.32-33.

13.Пархоменко А.В., Роботяга В.Ю., Азарова Л.М. Влияние режимов термической обработки на свойства стали 25ХНМФЛ // Тез.докладов III научно-технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах».-Запорожье: ЗМИ, 1994.-С.46-47.

Анотація

Пархоменко А. В. Розробка і впровадження економнолегованої теплостійкої сталі для виливок гірничо-металургійного обладнання.- Рукопис.

- Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - «Матеріалознавство» - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1998.

В дисертаційній роботі вирішена наукова задача, пов’язана з розробкою оптимального складу теплостійкої економнолегованої сталі для деталей гірничо-металургійного обладнання, з метою заміни традиційних, високолегованих сталей.

В роботі встановлено закономірності впливу легуючих елементів на механічні властивості, розмір аустенітного зерна економнолегованих теплостійких сталей. Запропоновано кількісну оцінку залежності між мірою питомого впливу ванадію і молібдену на характеристики литих економнолегованих сталей. В дисертації встановлені особливості забезпечення високого рівня фізико-механічних властивостей і стабільності структурних складових сталі за рахунок обробки у поміжкритичному інтервалі температур.

Основні результати роботи знайшли практичне застосування при виготовленні відповідальних деталей в гірничо-металургійній галузі.

Ключові слова: сталь, легуючий елемент, модифікування, механічні властивості, структура, теплостійкість.

Аннотация

Пархоменко А.В. Разработка и внедрение экономнолегированной теплостойкой стали для отливок горно-металлургического оборудования,- Рукопись.

- Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - «Материаловедение» - Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 1998.

В диссертационной работе решена научная задача, связанная с разработкой оптимального состава теплостойкой экономнолегированной стали для деталей горно-металлургического оборудования, с целью замены традиционно используемых дорогостоящих, высоколегированных сталей.

В работе установлены закономерности влияния легирующих элементов на механические свойства, размер аустенитного зерна экономнолегированных теплостойких сталей. Предложена количественная оценка зависимости между степенью удельного влияния ванадия и молибдена на характеристики литых экономнолегированных сталей. В диссертации установлены особенности обеспечения высокого уровня физико-механических свойств и стабильности структурных составляющих стали за счет обработки в межкритическом интервале температур.

Основные результаты работы нашли практическое применение при изготовлении ответственных деталей в горно-металлургической отрасли.

Ключевые слова: сталь, легирующий элемент, модифицирование,

механические свойства, структура, теплостойкость.

Summary

A.V.Parkhomenko. Elaboration and introduction of economically alloyed heat-resistant steel for cast mining and metallurgical equipment.- Manuscript.

- Thesis for the Degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.12.01 -«Material Science» - Zaporozhye State Technical University, Zaporozhye, 1998.

The dissertation solves the scientific problem of the development of optimum composition of heat-resistant economically alloyed steel for the parts for mining and metallurgical equipment, aimed to replace traditional expensive high-alloy steels.

The thesis outlines the regularities of the influence of alloying elements on the mechanical properties of economically alloyed steels, and on the size of austenitic grain. A quantitave estimation of dependence of vanadium and molybdenum influence on the characteristics of cast economically alloyed steels is proposed. The dissertatione establishes the peculiarities of providing the high-level physical and mechanical properties and stability of the structure components of the steel due to the treatment in the intercritical temperature range.

Basic results of the research were implemented in the production of important parts for mining and metallurgy.

Key words: steel, alloying element, mechanical properties, structure, heat-resistance.

Підписано до друку 04.11.98. Формат 60x84 1/16, 1.5 п.л. Тираж 100 прим. Зам. № 1065 330600 м.Запоріжжя, ЗДТУ, Друкарня, вул.Гоголя, 64