автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка композитных литых материалов с метастабильным аустенитом для дробильно-размольного оборудования



УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.С.Ы.КИРОВА

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИТНЫХ ЖШХ МАТЕРИАЛОВ С МЕГАСТАБИЛЬШМ АУСТЕНИТСМ ДНЯ ДРОБИЛЬНО-РАЗМОЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 06.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЗИДЬЕЕРШТЕШ Михаил Рудольфович

Екатеринбург 1992

Работа выполнена в Проблемной лаборатории металловедения Уральского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени С.И.Кирова, г.Екатеринбург.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЖШИНОВВ.С.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

ФИЛИППОВ к. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

1КЛЕХИН Б.А.;

кавдидат технических наук, старший научный сотрудник АГАПОВА Л. И.

Ведущее предприятие - УралНШЧерМет.

Задета диссертации состоится "26 _1992 г.

в 15 ч на заседании специализированного совета К 063.14.02 по присуждение ученой степени кавдкцага технических наук металлургического факультета Уральского политехнического института им.С.!£.Кирова, третий учебный корпус, ауд.Ыг-421. Ваш отзыв в-одном экземпляре, заверенный гербовой печатью,-просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ЛМ км.С.М.Кирова, ученому секретари института, телефон 44-ё5-74.

Автореферат разослан "25 " лла.^_1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

К 063.14.02 Л Ю.Н.ЛОШЮВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Одним из путей повышения эффективности пользования дробильно-разиольного оборудования (ДРО) горнообо-гителькых предприятий, карьеров, заводов по производству строи-льных материалов является повышение сроков службы рабочих орга-в ДРО (молотков, бил, дробящих плит, футеровок). Особенностью ловий работы этих деталей является интенсивное абразивное изна-вание, значительные по величине ударные нагрузки и тепловое воз-йствие. При изнашивании рабочих органов снижается эффективность юцесса измельчения, повышаются энергозатраты, уменьшается на-жнасть работы ДРО.

Для изготовления подобных деталей в настоящее время широко ■пользуется сталь ПСГ13Л (ГОСТ 977-88). Однако в условиях зкс-[уатации современного мощного оборудования стойкость этой стали ¡достаточно' высока. Применение метастабильных аустенитных марган-¡еых и хромомаргакцевых сталей, несмотря на повышение способнос-I аустенита к упрочнению за счет деформационного мартенситного эеврашения (ДМП), не позволяет увеличить срок слуябы деталей ДРО злее чем на 40-60%.

Перспективным направлением в решении этой задачи является азработка составов и оптимизация режимов термической обработки злых износостойки чугунов (БИЧ) применительно к кенкретнш ус-овиям эксплуатации. Износостойкость ЕИЧ определяете* их гетеро-енным строением; присутствием в структуре этих, сплавов легиро-анных карбидов железа или специальных карбидов с шеокой твер-остья, а также карггнектной клн аустенитной металлической состав-ясцэй. Однако воздействие значительных динамических нагрузок ог-аничивает применение цельнолитых деталей ДРО из БИЧ, что обуслов-ено их невысоким сопротивлением ударным нагрузкам.

Использование композитных материалов (сталь-чугун), полученных методом армированной отливки, позволяет разрешить это противоречие, однако широкое применение таких материалов одерживается отсутствием разработок по технологическим параметрам армирования, в частности, недостаточно изучены закономерности образования области соединения в композитном материале и роль этой области в обеспечении работоспособности арлкрованных деталей.

Вопросы шбора :: производства композитных материалов рас-сыотрэш в работах И.И.Цьшина, Е.В.Рояковой к др. Однако практически не изучены вопросы совместимости регаыов термической обработки составлятаих композитных материалов (стальной основы и чугунных износостойких элементов). Это обусловливает значительный научный и практический интерес к способам ловышзния термической стабильности аустенита Ре-Мл-С сталей без снижения его способности к упрочнению и елсокой стойкости при абразивном изнааивании. Недостаточно изучена роль мэ та с та б 1 я ь н о г о аустенита в обеспечении износостойкости стали и чугуна.

Поль забоот;. Изучение влияния фаооБьзс прзвргщеш:Г5, протекавших при термической обработке и в процессе кзналкванкя б-злых износостойких чугуноз « ?е-Кя-С сталей, на их эксплуатационные свойства; исследование структуры к свойств облает« соединения в композитном материале (стадь-чугук) и разработка композитных материалов и технологии изготовления армированных деталей ДРО повышенной эксплуатационной стойкости.

Для достижении указанной цели были поставлены к решены следующие задачи:

1) изучение термической стабильности аустенита Ре-!1ч-С сталей б зависимости от содержания углерода и режимов термической обработки;

2) изучение влияния фазовых превращений, происходящих и процессе различных видов изнашивания, на износостойкость Ре-Мп-С сталей; 4

3) изучение влияния степени легирования белых хромистых чу-гунов на их структуру и свойства;

4) комплексное исследование влияния фазовых превращений при термической обработке и а процессе изнашивания на износостойкость хромистых чугунов;

5) исследование структуры и свойств области соединения в композитном материале (сталь-чугун)к определение роли этой области в обеспечении работоспособности армированных деталей ДРО;

6) разработка композитных (сталь-чугун) материалов и технологических режимов изготовления цельнолитых и армированных деталей ДРО позьшенной эксплуатационной стойкости.

Научная новизна. Установлено, что среднеуглеродистые (0,5+ 0,6% С) высокомарганцевые стали более термически стабильны по сравнению с высокоуглероцистыми (0,7*1,3% С). Зависимость ударной вязкости высокомарганцевых сталей от содержания углерода в диапазоне 0,5-1,3% после медленного охлаждения (от П00°С со скоростью 50 град/ч) имеет нисходящий характер. Построены изотермические криЕыа Ецделения карбидов- и изшнения ударной вязкости стали 55Г13Л; наибольшая интенсивность распада аустенита соответствует температуре 530°С, критическая скорость закалки составляет 40 град/ч.

Показано,'что износостойкость чугуна 250Х20НМ увеличивается с повышением температуры закалки от 650 до 1200°С при снижении объемной твердости и количества мартенсита охлаядения в его структуре. Максимальная износостойкость чугуна 250Х20НУ соответствует температуре закалки 1200°С, что обусловлено наибольпим упрочнением поверхностного слоя при изнашивании вследствие наклепа аустенита и деформационного мартенситного превращения.

Обнаружено, что область соединения в композитных материалах (сталь 55ПЗЛ-БИЧ) имеет три характерные зоны, распределение хими-

5

ческих элементов в которых равномерное и резко изменяется на границе между зонами. Закалка композитных материалов от IC25 и П75°С приводит к растворению карбвдов в зоне соединения, граничащей со стальным слоем, в результате чего ударная вязкость образцов из области соединения увеличивается до 1,0 МДк/м2.

Практическая зна'тимостъ. По результатам исследования в качестве, о сковы композитных материалов разработана сталь 55Г13/М/Л (пс лучено положительное решение по заявке на изобретение состава это{ стали!. Сталь 55FI3JI вследствие деформационной метастабильности аус тенита не уступает по износостойкости закаленной на аустенит стал! П0Г13Л. Термическая стабильность аустенита стали 55Г13Л обусловливает высокую ударную зязкость и возможность применения этой стали после замедленного охлаждения на воздухе и в песчаных формах.

Показано, что оптимизация режимов термической обработки nooi ляет предотвратить перлитный распад и добиться высокой износостойкости при меньшем легировании белых чугунов. Для износостойких эле ментов композитных материалов разработаны экономнолегированнке чу-гуны 250Х20НЫ, 230Х13Г1М.

По результатам исследования и промыаленных испытаний скорре! тированы форма, размеры и расположение вставок на рабочей поверхности армированных деталей (дробяглх плит, футеровок и молотков дробилок), разработана технология выплавки, литья, термической обработки цельнолитых (чугун 230Х13Г'1Ы)и армированных (сталь 55PI3JI чугун 250X20iiSl) деталей, позволившая повысить их эксплуатационную стойкость. Композитные материалы внедрены на ПО В0ДГ0ЦЕММАШ с экономическим эффектом 1249 тыс.рублей в ценах на февраль 1992 г. rroi долевом участии автора 5ОХ (600 тыс.рублей).

Основные положения, выносимые на защиту:

I. Влияние термической обработки (замедленного охлаждения и изотермических Еыдеркек) на термическую и деформационную стабиль-

6

ность аустенита высокоыарганцевых сталей с различным содержанием углерода. ■. -

2. Влияние фазовых превращений при термической обработке и в процессе испытаний на механические свойства и износостойкость Ре-Мп-С сталей.

3. Взаимосвязь характеристик основных структурных составляющих (эвтектических карбидов и металлической матрицы) на стойкость 5елых чугунов при абразивном изнашивании.

4. Результаты изучения строения и свойств области соединения в композитном материале в литом состоянии и после термической обработки.

Апробация работы. Основные результаты доложены на 1У Всесоюз-■»ой научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и : плавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, 1969); на научно-технической конференции "Проблемы производства и применения сталей и чугунов в северном исполнении" (Свердловск, 1989); на Всесоюзной конференции "Приклад-гая мессбауэровская спектроскопия" (Наэань, 1990); на Республиканцем семинара "Структура и свойства легированных сталей" (Киев, [992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных ра-!от, получено положительное решение ВНИИГПЭ по заявке на изобретете.

Объем работы. Диссертация изложена на 145 страницах машино-[исного текста, включающих 41 рисунок, 16 таблиц; состоит из вве-;ения, шести глав, выводов, библиографического описания, содержа-¡его 163 наименования, и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование проводили на высокомарганцевых (12...13% Мл) сталях в диапазоне концентраций углерода 0,4+1,3% и на чугунах с содержанием хрома 3+33% и различной степенью легирования никелем, молибденом, марганцем (табл.Х).

Структуру исследуемых материалов изучали на оптических микр скопах МИМ-8 и ММР-4, электронном микроскопе РЗММА-202Ы, рентгено структурным методом на дифрактометре ДРОН-I в FeK излучении и ы тодом мессбауэровской спектроскопии. Фазовые превращения при нагр ве и охлаждении сталей и сачавов изучали резистометрически, на ма китометре Шгейнберга-Зюзина и дилатометре Шевенара.

Количественный металлографический анализ проводился на анализаторе "Эпиквант" с использованием для обработки данных ЭВМ "Электроника ДЗ-28", исследование распределения химических злемен тов между структурными составляющими материалов проводили на микр» рентгеноспектральном анализаторе "КАЬ5ЕБАКС".

Испытания материалов проводили в соответствии с требованиям] стандартов: на ударную вязкость СГОСТ 9454-78), на абразивное изнг шивание (ГОСТ I7367-7I, ¿3.213-82), полупромышленные испытания на модели роторной дробилки (ГОСТ I2C75-70), на растяжение (ГОСТ 143' 73), на сжатие (ГОСТ 9454-78), на прокаливаемость (CT СЭВ 475-77).

&А30БЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ .ДЕФОРМАЦИИ И CbO'/.CTSA МАРГАНЦЕВОГО АУСТЕНИТА В СВЯЗИ С ЕГО ПРИМЕНЕНИЕМ КАК ОСНОВЫ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Комплексное исследование высокомарганцевых (12...13% Мл) ст< лой в диапазоне концентраций углерода 0,4-1,3% после различных ре-зйзюв охлавдения от температуры П00°С и изотермических выдержек в интервале температур ЮО-ВОО°С показало, что среднеуглеродистые

8

Таблица I

Марка сплава С Сч Ып Ы\ Мо 5 Р о\

[ 40Г13Л 0,41 0,04 12,20 0,16 _ 0,017 0,052 0,60

55Г13Л 0,54 0,12 12,48 0,08 - 0,010 0,102 0,49

3 55Г13КЛ 0,54 0,10 12,42 0,11 0,62 0,011 0,097 0,60

4 70Г13Л 0,6В 0,10 12,80 0,17 - 0,016 0,059 0,52

5 95Г13Л 0,95 0,08 12,75 0,17 - 0,012 0,066 0,61

3 ногсзя 1,25 0,09 12,80 0,18 - 0,013 0,061 0,69

7 зюхзнз 3,1 2,45 0,95 3,5 0,15 0,018 0,06 0,50

В 360Х8Н4 3,6 8,0 0,8 4,3 0,22 0,03 0,11 2,3

9 250Х13М2 2,49 12,9 0,78 0,3 1,91 0,11 0,15 0,61

0 320ХЗЗГ2НЗ 3,2 33,0 1,9 3,56 0,31 0,02 0,04 0,8

I 201ХЗГ8 2,01 2,88 8,05 0,08 0,23 0,009 0,071 0,4

2 260ХЗП0 2,62 3,15 20,0 0,09 0,28 0,028 0,126 0,78

3 290ХЗГ8 2,87 2,95 8,15 0,07 0,28 0,008 0,126 0,79

4 208ХЗГ4 2,08 2,85 4,12 0,17 0,31 0,016 0,071 0,2

5 180Х12Г10 1,84 12,31 9,81 0,11 0,30 0,021 0,03 0,57

6 230Х12ГЮ 2,3 12,0 10,0 0,22 0,5 0,01 0,042 0,48

7 255Х13Г7 2,55 12,6 6,5 0,3 0,67 0,018 0,02 0,8

8 270Х13Г4 2,68 12,77 4,28 0,21 0,27 0,016 0,07 0,48

9 2О0Х30Г4 2,04 30,76 4,07 0,21 0,41 0,030 0,042 0,6

:0 230Х30Г5 2,33 29,46 5,30 0,18 0,25 0,009 0,011 0,43

!1 Ю0Х12Г2НМ о,9а 11,52 I,? . 0,47 0,57 0,023 0,03 0,91

'Я 120Х14Г'Н2М 1,18 14,43 0,95 1,76 0,47 0,013 0,028 0,90

13 150Х12М 1,50 12,6 0,82 0,31 0,49 0,035 0,021 0,39

'А 160Х14Г1НМ 1,61 14,28 1,01 0,48 0,52 0,029 0,034 0,56

:5 120Х8ГНМ 1,1В 6,65 0,82 0,42 0,52 0,031 0,022 0,63

ъ 230Х13ПМ 2,26 13,32 1,66 0,34 0,48 0,03 0,019 0,61

V 250Х20НМ 2,47 19,6 0,81 0,49 0,49 0,022 0,045 0,57

(0,4т0,7$С) высокомарганцевые стали более термически стабильны по сравнению с высокоуглеродистыми (0,Ь*1,3%С). В диапазоне концентраций по углероду 0,4+0,6/6 аустенит васокомарганцевой стали имеет максимальную термическую стабильность при всех исследованных режимах охлавдения.

После быстрого охлаждения (закалкаот П00°С в воду)значения ударной вязкости высококарганцевых сталей возрастают при увеличении содержания в них углерода, и. соответственно повышении деформационной стабильности аустенита. После медленного охлаждения (от И00°С со скоростью 50 град/ч) эта зависимость изменяется на обратную вследствие уменьшения термической и деформационной стабильности аустенита тем в большей степени, чем вше содержание углерода в стали. Если в сталях ПОПЗЛ и 95Г13Л значения ударной вязкости снижаются на порядок, а в стали 70Г13Л до 0,5 МДч/м , что недостаточно для их использования в условиях ударного нагружения деталей ДРО, то в стали 55Г13Л ударная вязкость сохраняется на уровне

По результатам металлографического, резистометрического, мес-сбауэровсксго методов исследования к испытания на ударную вязкость построены изотермические С-кривые распада переохлаэденного аустенита стали 55Г13Л в интервале температур 430-650°С. Установлено, что 4— часовая выдержка в исс,-.гдуемом интервале температур приводит к снижению ударной вязкости дпннсш стали ниже уровня 1,1* 1,5 и характеризуется преимущественно вязким чааечным ви-

дом разрушения. Увеличение длительности изотермической выдержки до 8 часов сопровождается .снижением ударной вязкости до 0,34* 0,86 в интервале температур 530-560°С, а 16-часовая выдерж-

ка приводит к снижении ударной вязкости стали 55Г13Л ниг.е

0,5 ВДк//2

во всем интергале температур 430-650°С, что обусловлено выделением карбидов по границам аусгемитщх зерен и преимущественно интер-

10

кристаллитным разрушением. Наибольшая интенсивность выделения карбидов и уменьшение ударной вязкости стали 55Г13Л соответствует температуре 530°С. Критическая скорость закалки, предотвращается распад твердого раствора с выделением карбидов, составляет 40 град/ч.

Температура порога хладноломкости быстроохлавденной стали 55Г13Я находится около -20°С, что существенно выше, чем у стали П0Г13Л (-75°С). Медленное охлаждение стали 55ГШ приводит к смещению положения сериальной кривой ударной вязкости в сторону больших температур. Обратное действие оказывает легирование этой стали молибденом {0,6%), что снижает температуру порога хладноломкости и стабилизирует аустенит к у-»^. -превращению при охлаждении и деформации.

Высокая термическая стабильность аустенита стали 55Г13Л в сравнении с аустенитом высскоуглеродистьи марганцевых (12..,13$ Мл) сталей и отсутствие в исходной структуре карбидов, а также расширение у -области в связи с уменьшением содержания углерода от 1,3 цо 0,55& позволяет варьировать температуру закалки этой стали в интервале температур Ь50*1200°С без снижения уровня ударной вязкости.

Метастабильная аустенитная сталь 55Г13 имеет значения ^ о 2 «еньигае, а и пластические свойства (Е-) большие по сравнению со стабильной аустенитной сталью ПОПЗ вследствие ДМП в аусте--ште. Медленное охлаждение приводит к снижению пластических свойств зтали 55Г13Л и, в меньшей степени, стали 55Г13Щ. Однако уровень зтнослтельного удлинения и сужения этих сталей остается высоким :равнительно с медленноохладценной сталью Л0Г13Л.

Медленное охлаждение приводит к уменьшение содержания угле-зода в твердом растворе и снижает уровень износостойкости шсоко-гглеродистых (0,8+1,3% С) марганцевых сталей, нзсмотря на присут-;твие карбидной фазы. Стойкость при абразивном изнашивании стали йПЗЛ, в которой распад аустэнита з процессе медленного охлавде-

И

ния выражен в меньшей степени, практически не изменяется по сравнению с быстроохлалщеннш состоянием и приближается к уровню износостойкости закаленной на аустенит стали НОПЗЛ (табл.2).

Таблица 2

Зависимость ударной вязкости ШС\) ) и износостойкости ( £ ) высокоыарганцевьос сталей от содержания углерода и режима

охлаждения

Марка стали Охлаждение от П00°С , со скоростьо 2000 град/ч (в воде) Охлаждение от П00°С со скоростью 50 градл {в песчаных формах)

KCU+20 £ КСЧ20 £

40ПЗЯ 1.2 0,91 1,0 0,82

55ГШ 2,2 0,92 1.8 0,68

70Г13Л 2,35 0,92 0,5 0,84

95Г13Л 2,7 0,98 0,2 0,87

попал 3,0 1,0 0,1 0,88

В случае, когда абразивное изнашивание сопровождается значительными ударными нагрузками (полупромышленные испытания на модели роторной дробилки), износостойкость стали 55Г13Д вследствие протекания ДМП и большей степени упрочнения равнозначна или несколько преЕчлаег таковую для закаленной на аустенит стали НОПЗЛ.

В реальных условиях эксплуатации деталей ДРО процессы ДО в стали 55Г13Д протекают значительно интенсивнее, чем при лабораторных и полупромышленных испытаниях на изнашивание и при статическом сжатии. От рабочей поверхности до глубины 50 мхи преобладает аустенитная структура, количество оС -фазы не превышает 15%. На глубине 5+100 ш количество оС -фазы возрастает до 46%. На отрезке от 100 мкы до 1,25 ш y-ot. превращение замедляется, количество Jf -фазы достигает ti5£, но фиксируется до 55? Б -фазы. Далее по направлению вглубь отливки количество cL -фазы уменьшается до 4% на расстоянии 10 ш и I.5Í на Ib мм. На глубине 20 мм

и более сохраняется аустенитная структура стали 55Г13Л. Несмотря

12

на уменьшение количества о£. и £ мартенсита, упрочнение возрастает до максимального а поворхностном слое 100 икм.

Сложный характер фазовых превращений в стали 65Г13Л представляется следствием одновременного влияния на поверхностный слой деталей ДРО значительных по величине динамических нагрузок, теплового воздействия и абразивного изнашивания.

По комплексу свойств после режимов термической обработки, оптимальных для белых хромистых чугунов, сталь 55Г13Л выбрана в качестве основы композитных материалов для деталей ДРО; для деталей оборудования в северном исполнении выбрана сталь 55Г13МЯ.

РАЗРАБОШ ЭКОЙОШСШЕГИРОаШШХ СОСТАВОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ РШМОВ ТЕРШЕСКОЯ ОБРАБОТКИ БЕЛЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ

Исследование чугунов ЗЮХЗНЗ, 360Х8Н4, 250Х13М2, 270Х13Г4, &0ХЗЗГ2НЗ, применяемых в условиях ударно-абразивного изнашивания, юказало, что их износостойкость зависит от характеристик структурах составляющих. С увеличением содержания хрома от 3 до 33 изме-(яется тип эвтектических карбидов в направлении М^С -*■ И^Сд — [ их морфология. Легирование молибденом, никелем, марганцем обес-[ечивает отсутствие продуктов перлитного распада в" структура чугу-юв в исходном состоянии (при медленном охлаждении от температур ристаллизации со скоростью 50 град/ч) и при закалке в срздах с йвысокой охлаждающей способностьо (спокойный воздух). Термическая бработка способствует распаду у -твердого раствора с обраэова-ием вторичных карбидов и более полному бейнитному и иартенситному ревращешда, в результате повнаавтся твердость и износостойкость ассматриваемых чугунов в направлении 270Х13Г4 ЗЮХЗНЗ —» «360Х6Н4 — 250Х13М2 ~*320ХЗЗГ2НЗ (табл.3).

Исследование влияния характеристик эвтектических карбидов 1 износостойкость белых чугунов проводилось на модельных сплавах,

13

Таблица 3

Твердость (ШС) и износостойкость ( £ ) белых чугунов г в литом состоянии и после термической обработки

Марки чугуна Литое состояние Гермообработанное состояние

НЕС е ШС £

зюхзнз 53 2,35 55 2,4

360Х8Н4 52 2,0 56 2,5

270Х13Г4 49 1,87 54 2,1

250Х13Ы2 51 2,3 59 2,64

320ХЗЗГ2НЗ 50 2,62 54 2,74

в которых подбором содержания углерода и хрома достигались различный тип (М3С и 147С3) эвтектических карбидов и их количество, а легированием марганцем (7-10%) обеспечивалась, согласно данным рентгено-структурного анализа, стабильность аустенитной составляющей. Исследование показало, что увеличение количества эвтектических карбидов, изменение их типа от Ы^С к М^Сд и соответственно их морфологии незначительно влияет на твердость и износостойкость хромистых чугунов со стабильной аустенитной основой.

Уменьшение степени легирования хромистых чугунов марганцем и их термическая обработка, приводящая к выделению вторичных карбидов и обеднению аустенита, повышает износостойкость аустенитных чугунов вследствие способности аустенита к ДМП при изнашивании. Несмотря на равное легирование марганцем чугунов 208ХЗГ4, 270Х13Г4, 2(ЮХ30Г4,их аустенит имеет различную стабильность по отношению к деформационному мартенеитному превращения при изнашивании, что связано, согласно данным рентгеноструктурного анализа, с разным содержанием углерода в 5"-твердом растворе. Малое содержание углерода в аустените чугуна 2СОХЗОГ4 (0,2Ъ%) и соответственно образование

14

малоуглеродистого «(.-мартенсита деформации (27%) обусловливает незначительные преимущества в износостойкости этого чугуна по сравнению с чугунами 208ХЗГ4 и 27СХ13Г4, у которых в процессе изнашивания образуется меньшее количество Л -мартенсита деформации (6 и 8% соответственно), но более высокоуглеродистого.

Испытание на прокаливаемость методом торцевой закалки в различных охлаждающих средах показало,что при быстром охлаждении водой сплавы с повышенным содержанием никеля (120Х14ГН2М) и марганца (100Х12Г2И.!) характеризуются низкой твердостью С45-55 ШС) и невысокой износостойкостью (2,01 и 2,09 соответственно), что обусловлено большим количеством в их структуре остаточного аустенита, ке способного к эффективному упрочнений в процессе изнашивания. Менее тегированные сплавы 160Х14ПНМ и 150Х12М характеризуются большей юлнотой мартенсигного превращения при закалке и имеют повышенную твердость (57-61 НЮ). Увеличение количества эвтектических карбидов в сплавах с 12*2С% хрома и преимущественно мартенситной матри-[ей приводит к повышения их твердости и износостойкости. При мед-:енном охлавдеиии (моделировании зоздушного охлаждения) уменьаа-тся количество остаточного аустенита и возрастает 'твердость более егированных никелем и марганцем сплавов 120X14ГН2М и 100Х12Г2НМ, ровень твердости сплавов 230Х13ИМ и 250Х201И не снижается 60-63 Шр). Прокаливаемость менее легировании* сплавов 16СХ141ТНМ 150Х12М неудовлетворительна, в структуре этих сплавов обнаруже-а продукты перлитного распада.

В результате исследования чугуна 250X201М после закалки от эмператур 850тЮ50°С выявлена различная интенсивность выделения горичных карбидов в эвтектическом-и избыточном ауст&ните, в цент-альных и периферийных зонах последнего, что связано с вцутрифаз-)й неоднородностью аустенита по химическим элементам.

В интервале температур В50т1200°С основным процессом, про-

15

исходящим в структуре чугуна 250X2OHM, является распад пересыщенного у -твердого раствора. Интервал температур 850+Ю50°С после 3— часовой выдержки характеризуется интенсивным выделением дисперсных карбидов типа М3С. Повышение температуры нагрева до 1200°С сопровождается укрупнением вторичных карбидов и изменением их типа на Мг^Сз и И^зС^; изменяется также содержание хрома в эвтектических карбидах и аустените.

Полнота мартенситного превращения при закалке чугуна 250Х20НМ обусловлена степенью распада у -твердого раствора. В результате ■наибольшее количество мартенсита охлаждения получено после закалки от температур 850тЮ50°С. С повышением температуры нагрева вплоть до 1^50°С увеличивается количество остаточного аустенита в структуре чугуна (табл.4).

Таблица 4

Влияние температуры закалки на количество мартенсита охлаздения, объемную твердость и износостойкость чугуна 250Х20Ш

Температура закалки Количество мартенсита охлаждения, «С , % Объешая твепдость ШГ Износостойкость (эталон ПСПЗ )

850 31 ' 60 2,14

950 33 62 2,27

Ю50 25 62 2,42

1100 21 61 2,45

1150 15 • 58 2,55

1200 5 . 54 2,75

1250 3 53 2,7

Исследование чугуна 250Х20Ш, в котором различное структурное состояние матрицы достигалось только за счет изменения температуры закалки или охлаждением в интервале температур 20 + -19б°С, показало, что износостойкость, в целом, не коррелирует с увеличе-

16

нием объемной твердости чугуна и количеством мартенсита охлаждения в его структуре. Максимальная стойкость (2,7 при эталоне стали П0Г13) соответствует закалке от температуры 1200°С и обусловлена деформационным упрочнением поверхностного слоя в процессе изнашивания вследствие наклепа аустенита и деформационного мартен-ситного превращения, а также отсутствием разрушения на границе матрица-карбцд.

Установлено, что с повышением температуры закалки чугуна 250Х20НМ от 1000 до 1100 и 1200°С температурные интервалы перлитного и бейнитного превращений сдвигаются в область повышенных температур. Медленное (со скоростью 50 град/ч) охлаждение от температуры закалки приводит к резкому уменьшению износостойкости чугуна вследствие присутствия в его структуре продуктов перлитного распада. Ускоренное охлаждение от температур закалки до 520°С позволяет подавить перлитный распад аустенита.

Оптимизация параметров термической обработки (температуры нагрева под закалку, скоростей охлаждения в температурных интервалах перлитного, бейнитного и мартенситного превращений) позволяет предотвратить перлитный распад и добиться высокой износостойкости при значительно меньшем, чем традиционное, легировании хромистых чугунов, что повышает эффективность их использования для деталей ДРО. По комплексу свойств з качестве материала износостойких элементов армированных деталей ДРО выбран чугун 250Х20Ш, а для цельнолитых деталей - чугукы 250Х20Ш и 230Х13Г1М.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОБЛАСТИ СОЕДИНЕНИЯ В КОМПОЗИТНОМ МАТЕРИАЛЕ

В результате исследования области соединения композитных материалов (сталь 55Г13Л - белые чугуны) выявлены три зоны с характерной структурой. В направлении от слоя чугуна к слою стальной основы количество эвтектических карбидов уменьшается, концентрация

17

хрома а карбидах убывает, концентрация марганца в них возрастает. Тип карбидов изменяется от И^з к М3С, соответственно изменяется расположение карбидов от обособленного к непрерывному в виде сот и, далее в виде цепочек по граница« и в центре аустенитньгх зерен.

Ыикрорентгеноспектралькый ацрйиз распределения химических элементов (марганца, хрома, никеля, кремния) показал, что концентрация этих элементов в пределах каждой зоны равномерная и резко изменяется на отрезке длиной 500 мкм на границе между зонами. Средняя зона шириной 2 ым соответствует участку, в котором произошло снешиваниэ двух расплавов - металла основы (стали 55Г13Л) и металла оплавившейся чугунной вставки. Крайние зоны образовались в результате диффузии элементов через поверхность контакта.

Закалка от П75°С приводит к изменении структуры и свойств области соединения композитного материала. Наибольшие изменения претерпевает зона, ближняя к слою стальной основы, где имеет место растворение карбидов и структура представляет собой аустенит. В результате этого ударная вязкость образцов из области соединения композитного материала увеличивается до 1,00 МДг/м2.

Испытание области соединения на стойкость при абразивном изнашивании показало,' что избирательного износа в этой области не происходит, уровень износостойз:ости является промежуточным между таковьш и для чугуна и стали 55Г13Л. Промышленные испытания подтвердили работоспособность металлического соединения в армированных деталях. Для конкретных деталей разработаны параметры армирования, обеспечивающие образование металлического соединения в композитном материале.

1в

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ КШ103ИТКЫХ И ЦЕЛЬНОЛИТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЩ ДЕТАЛЕЙ ДРО, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

При проведении промышленных испытаний композитных (сталь-чугун) материалов для деталей ДРО установлено, что срок службы увеличивается в 4 раза по сравнению с таковыми для базовых сталей ПОПЗЛ и Г13Х2Я. Характерной особенностью армированных деталей является сохранение рельефа их рабочей поверхности, что позволяет поддерживать эффективность измельчения в ДРО. Применение метаста-бильной аустенитной стали 55Г13Л способствовало уменьшению расклепывания деталей.

Испытания показали, что наличие з структуре хромистого чугуна заэвтектическнх карбидов приводит к хрупкому разрушению износостойких элементов армированных деталей и снижает их работоспособность.

В результате анализа данных исследования, стендовых и промышленных испытаний быстроизнашивающиеся детали ДРО разделены по характеру эксплуатационных нагрузок рекомендуемых материалов на следующие группы:

1) детали, работавшие в умеренном климате в условиях значительных ударных нагрузок и интенсивного абразивного изнашивания (била и молотки роторных и молотковых дробилок, дробящие плиты чековых дробилок, футеровки первых радов, первых камер мельниц диаметром 3,2+4 м). В таких условиях предпочтительно применение композитных материалов с износостойкими элементами из чугуна 250Х20НЫ и основой из стали 55Г13Л. Рекомендуемая термообработка - закалка от температуры П75°С с последующим отпуском 200т250°С, обеспечивает преимущественно аустенитную матрицу чугуна;

2) детали, работающие в условиях нагрузок группы I, но эксплуатирующиеся при температуре -40*¥0оС. В этих условиях обосновано

19

применение в качестве основы композитных материалов стали 55Г13М, в которой за счет легирования молибденом (0,6%) порог хладноломкости смещен в сторону меньших температур и при -60°С уровень ударной вязкости не ниже 0,7 ВД^м2. В качестве износостойких элементов следует применять чугун 250Х20НМ. Термическая обработка аналогична для первой группы деталей;

3) детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашивания и умеренных ударных нагрузок (футеровки первых радов камер мельниц диаметром 3,2 м и менее). В таких условиях возможно применение цельнолитых деталей из чугунов 250Х20НМ и 230Х13ГШ, закаленных от Ш5°С с последующим отпуском 200+250°С, что обеспечивает преимущественно аустенитную матрицу структуры чугунов и повышенную удароустойчивость деталей;

4) детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного абразивного изнашивания (футеровки мельниц малого диаметра 1,5*2,6 м и футеровки вторых камер мельниц диаметром 3,2+4 м). В этих условиях мартенситная матрица чугунов может конкурировать с преимущественно аустенктной в обеспечении их износостойкости. Такие детали рекомендуется .изготавливать цельнолитыми из чугунов 250Х20НМ и ¿30Х13ГШ. Преимущественно мартенситная структура матрицы этих чугунов обеспечивается закалкой от Ю25°С с последующим отпуском 2004-250°С.

Технологические особенности изготовления сталей 55ПЗЛ и 55ЛЗМД в сравнении с традиционной сталью 110Г13Л, с одной стороны, связаны с различием указашьк сталей по химическому составу и физико-механическим свойствам, с другой стороны, они обусловлены использованием указанных сталей в качестве материала основы армированных деталей.

Исследование показало, что в области чугунных вставок, где имеет место повышенная скорость кристаллизации, формируется измель-

20

ное макро- к мжростроение стали 55Г13Л, что повывает надеж-ть работы деталей ДРО.

Разработана технология промежуточной и окончательной терми-кой обработки деталей ДРО, предусматривающая ускоренное воздуп-• охлаждение, а также технология закалки деталей в масло и через у в из ело, что позволяет оптимизировать структуру чугуна Й20НУ и применять менее легированный чугун 230Х13Г1НМ без об-овашя в его структуре продуктов перлитного превращения.

По результатам исследования и промышленных испытаний скоррек-|ОЕаны форма, размеры и расположение вставок на-рабочей ловерх-ги армированных цельнолитхле и армированных деталей, г.озволяю-[ повысить-их эксплуатационную стойкость по сравнению с деталя-из сталей 110Г13Л и Г13Х2Л.

оснозныз выводы

I. При увеличении содержания углерода от 0,5 до 1,3% значе-г ударной вязкости иедленноохлаздештах высоког.гарглкцегда (12... . 'о Мл) сталей уменьшаются, что обусловлено более гысехой терги-:хой стабильностью аустенита средиеуглеродисгых Í0,5^0,6% С) илей по сравнению с высоко,углеродистыми (0,7*1,3$ С). По результат исследования в качестве основы ксглозипшх материалов разра-дш сталь 55Г13(М)Л. Износостойкость отей стали вследствие де-)маиаонной ызтастабилыюсти аустзнита из уступает износостойкос-эакаленной на аустенит стали П0Г13Л. Термическая стабильность :тенита стали 55ПЗЛ обусловливает высокую ударную вязкость ,8 13ДтУм2) и возможность признания этой стали после.земедленно-охлаждения на воздухе и в песчаных формах. Построены изстерми-;кие С-кризь'е выделения карбидов и снижения ударной аяэкости «и 55Г13Л. Наибольшая интенсивность распада переохлажденного :тенита этой стали соответствует температуре 530°С.

21

2. Увеличение количества эвтектических карбидов, изменение

их типа от М3С к &7С3 и соответственно их морфологии незначительно влияет на твердость и износостойкость хромистых чугунов со стабильной аустенитной основой.

3. Уменьшение степени легирования марганцем и термообработка, способствушие дестабилизации аустенита и протеканию ДШ при изнашивании, поЕыгвают износостойкость аустенитных хромистых чугунов.

4. Для износостойких элементов композитных материалов разработан чугун 250Х20НМ. Содержание углерода и хрома обусловливает присутствие в его структуре 2(% эвтектических карбидов типа МрСд

с благоприятной морфологией без образования грубых игл заовтекти-ческкх карбидов. Экономное легирование чугуна 250Х20НМ никелем, молибденом, марганцем при оптимальной термической обработке позволяет подавить перлитный распад и добиться износостойкости, сравнимой с износостойкостью высоколегированных марок чугунов ЗЮХЗНЗ, 3&0Х8Н4, 250Х13М2, 320ХЗЗГ2НЗ.

5. Повшение температуры закалки чугуна 250Х20Ш от 850 до 1200°С сопровождается укрупнением вторичных карбидов и изменением их типа. При этом изменяется концентрация химических элементов, правде всего хрома, в эвтектических карбидах и аустените чугуна. Дальнейшее повышение температуры закалки чугуна 250Х20Ш от 1000 до 1200°С приводит к смещению температурных интервалов перлитного и бейнитного превращений в область повышенных температур, уменьшению полноты мартенситного превращения.

6. Износостойкость чугуна 250Х20Ш увеличивается с повышением температуры закалки от 850 до 1200°С при снижении объемной твердости и количества мартенсита охлаждения в его структуре. Максимальная износостойкость чугуна 250Х20НМ соответствует температуре закалки 1200°С, что обусловлено наибольшим упрочнением поверх-

22

ностного слоя при изнашивании вследствие наклепа аустенйта и деформационного мартенситного превращения.

7. Область соединения в композитных материалах (сталь 55Г13Л - белый чугун) содержит три характерные зош, образующиеся в результате смешивания двух расплавов и диффузии элементов через поверхность контакта. Закалка композитных материалов от 1025 я П75°С приводит к растворению карбидов в зоне, ближней к стальному слою, в. результате чего ударная вязкость образцов из области соединения увеличивается. Четаллическое соединение повышает работоспособность армированных деталей ДРО.

8. Разработаны параметры армирования, сбеспечиващие образование металлического соединения в композитном материале (сталь 55ПЗ - чугун 250Х20НМ), скорректирована форма, размеры и располо-кение износостойких элементов ка рабочей поверхности деталей. Разработана технология выплавки, литья и Термической обработки цельнолитых (чугун) и армированных деталей (дробящих плит, футеровох, бил и молотков), что позволило повысить а 4 раза их эксплуатационную стойкость. Экономический эффект от применения разработанных материалов составляет 1249 тыс.рублей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Попцов U.E., Луговых В.Е., Зкльбертгейн И.Р. Влияние структуры на абразивнув износостойкость материалов рабочих органов дробильного оборудования'/Новые конструкционные стали и сплавы,

и методы их обработки для повшения надегиостк и долговечности изделий: Тезисы докладов 1У Всесоизной каучно-тохничзскоЯ конференции. Запорожье, 1989. С.271.

2. Караккшев С.Д., Зильберптейн Н.Р., Литвинов B.C. Блихнее расслоение в углеродистом марганцевом аустените прикладная иес-сбауэровская спектроскопия: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Казань, 1990. С.73.

3. Филиппов U.A., Зильберштзйн М.Р. Стабильность аустенита и свойства высокомарганцевых ереднеуглеродистых сталей // Изв.АН СССР- Металлы. 1992 (в печати).

4. Филиппов U.A., Студенок Е.С., Зильбзротейн М.Р. Принципы легирования сталей со структурой метастабильного аустенита в условиях ударно-абразивного изнашивания // Структура и свойства легированных сталей: Тезисы докладов семинара. Киев, 1992. С,1.

5. Филиппов U.A., Студенок Е.С., Зильберштейн Ы.Р. Ыартенсит-ные превращения при охлаждении и деформации в сталях системы Fe-Ып-Сч-С и их использование для разработки износостойких сталей И Доклады Всесоюзной конференции по мартенсит-ным превращениям в твердом теле. Киев, 1992. С.2В6-269.

6. Положительное решение по заявке о выдаче авторского свидетельства ЫКЙ С 22 С 30/38. Сталь / Филиппов М.А., Студенок Е.С., Луговых В.Е., Попцов Ы.Е., Зильберштейн М.Р. и др. » 4912558/02-015709; Заявл.20.02.91.

Подписано в печать 21.05.92 Формат 60x84 I/I6

Бумага ГшйчшГ Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,09 ' Тираж 100 Заказ 364 Бесплатно

Рецакцаояно-издательскнй отдел УПИ ш.С,М.Кирова 620002, Екатеринбург, УПИ, 8-2 учебный корпус Ротапринт УШ. 620002, Екатеринбург, УПИ, 6-й учебник корпус