автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка новых жароизносостойких чугунов для отливок, работающих в условиях повышенных температур, износа и агрессивных газовых сред

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

□ОЗОВЗЭЭ1

Миронов Олег Александрович

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ ДЛЯ ОТЛИВОК, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР, ИЗНОСА И АГРЕССИВНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД

Специальность 05 16 04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/1

и/"

Магнитогорск - 2007

1 4 ИЮН 2007

003063931

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Колокольцев Валерий Михайлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, Ри Хосен,

кандидат технических наук, Коток Алексей Петрович 1

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Южноуральский

государственный университет» г Челябинск.

Защита состоится « 3 » июля 2007 года в 15°° часов на заседании диссертационного совета Д 212 111 01 при ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова" по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, ГОУ ВПО "МГТУ", малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова"

Автореферат разослан « 2 »_июня_2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Актуальность работы.

С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к рабочим деталям машин Все чаще оборудование работает в сложных условиях при повышенных температурах и воздействии агрессивных газовых сред и износа Наиболее яркими представителями являются колосники грохотов и спекательных тележек аглофабрик Так, на аглофабриках ОАО «ММК», колосники изготавливают из высоколегированной стали марки 75Х24ТЛ Низкая стойкость колосников приводит к их повышенному расходу, ухудшению процесса агломерации и отсева мелочи из произведенного агломерата Комплексное воздействие на структуру известной стали, не дало желаемого повышения стойкости колосников, из чего был сделан вывод, что для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности колосников необходима разработка нового состава сплава с требуемыми свойствами

Анализ известных материалов и их свойств показал, что наиболее перспективными материалами являются комплексно-легированные белые чугу-ны Наиболее широкое применение в последнее время находят марганцево-хромистые чугуны, дополнительно легированные другими элементами в зависимости от требуемого комплекса свойств Особенностью сплавов для колосников, препятствующей повысить эксплуатационную стойкость отливок из них, является то, что условия эксплуатации предъявляют к ним два взаимоисключающих требования по специальным свойствам - высокие показатели жаростойкости и износостойкости

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка новых составов жароизносостойких чугунов путем создания новых легирующих комплексов и улучшения первичной литой структуры рафинированием и модифицированием Для достижения поставленной цели решали следующие задачи

1 Установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических и специальных свойств белых хромистых чугунов, дополнительно легированных Мп, N1, Т1,1ЧЬ и А1

2 Исследование влияния комплексного легирования и модифицирования на особенности формирования структуры и свойств отливок из хромо-марганцевых чугунов в различных условиях охлаждения, разработка новых составов чугунов, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных свойств

3 Изучение механизма воздействия кальций-стронциевого карбоната и бора на структуру и свойства белых жароизносостойких чугунов, определение рационального количества вводимых присадок для улучшения структуры и свойств

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

Научная новизна работы

1 На основе взаимосвязи химического состава, структуры, механических и специальных свойств хромомарганцевых чугунов получены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов (С, Мп, Сг, N1, Тт) на их свойства, на основе которых был разработан новый состав жароизносостой-кого чугуна, который позволяет получить отливки со стабильной структурой и свойствами

2 Установлено влияние А1 и N1), как порознь, так и совместно, на структуру и свойства комплеснолегированных белых чугунов Так, чугуны обладают большей жаростойкостью при неизменной износостойкости при содержании А1 - 2,5-3,0 % и, большей износостойкостью при неизменной жаростойкости при содержании ЫЬ - 1,0-1,5 % Одновременное повышение жаростойкости и износостойкости чугунов наблюдается при совместном введение 2,0-2,5 % А1 и 1,5-2,0 % ТЧЬ На основании этого разработан новый состав жароизносостойкого чугуна с требуемыми свойствами

3 Установлено, что эксплуатационная стойкость отливок из новых составов чугунов в первые 25 часов высокотемпературной выдержки зависит от химического состава сплава, а в дальнейшие часы зависит от строения и структуры образующейся защитной оксидной пленки

4 Установлена взаимосвязь между степенью эвтектичности, жаростойкостью и износостойкостью исследуемых чугунов Для получения требуемых структуры и свойств соотношение легирующих элементов должно быть таким, чтобы чугун имел = 0,65-0,8 При .£,>0,8 снижается окапино-стойкость, ростоустойчивость и развиваются процессы обезуглероживания, при 5Э<0,65 значительно расширяется температурный интервал кристаллизации, что ведет к ухудшению литейных свойств чугуна

5 Определены рациональные количества карбоната и бора для рафинирования и модифицирования чугунов Для чугуна ИЧ220Х18Г4НТ расход карбоната составляет 5 кг/т, для ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ - 4 кг/т Количество вводимого бора одинаково и составляет 0,02%

На защиту выносятся:

1 Результаты исследований по влиянию легирования и скорости охлаждения на структуру, механические и специальные свойства высоколегированных хромо-марганцевых чугунов

2 Результаты исследований влияния дополнительного легирования жароизносостойких чугунов А1 и № порознь и совместно

3 Результаты экспериментальных исследований по рафинированию и модифицированию чугуна кальций-стронциевым карбонатом и бором

4 Новые составы чугунов для жароизносостойких отливок

Практическая полезность работы

1 Разработаны новые химические составы жароизносостойких чугунов для отливок специального назначения, обеспечивающие их высокую эксплуатационную стойкость

2 Полученные закономерности влияния степени эвтектичности 5, на окалиностойкость и ростоустойчивость исследованных чугунов позволяют прогнозировать их химические составы с высокой жаростойкостью

3 Разработаны технологические рекомендации по обработке комплексно-легированных хромомарганцевых чугунов рафинирующе-модифицирующим материалом - кальций-стронциевым карбонатом и бором

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были положены в основу технологии изготовления опытно-промышленной партии отливок для детали «колосник», которые прошли производственные испытания на стационарном грохоте отсева возврата агломерационной машины № 11 аглофабрики № 3 ОАО «ММК>> Их эксплуатационная стойкость превысила срок службы колосников из высоколегированной стали 75Х24ТЛ более чем в 3 раза Повышенная стойкость колосников способствовала ровной работе агломашины, и, благодаря этому, увеличению выхода товарного агломерата с уменьшением доли оборотного продукта (возврата), повышению производительности, снижению расхода топлива на проведение процесса, улучшению качества агломерата по содержанию мелочи 5 - О мм За период эксплуатации экспериментальные колосники на грохоте выделили возврата из более 300 тыс т горячего агломерата Годовой экономический эффект составил более 2,2 млн руб в год

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 4 международных и Российских научно-технических конференциях г г Москва, Новокузнецк (2004 г), г Магнитогорск (2005, 2006 гг), г Барнаул(2005 г )

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 статей и тезисов докладов и подана заявка на изобретение (заявка № 2006119764/02 с приоритетом от 05 06 06 на изобретение "Чугун" авторов Никифорова Б А , Колокольцева В М , Сибагатуллина С К, Саитова Р Ф , Бря-лина М Ф , Воронкова Б В , Миронова О А )

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 114 наименований и приложения Она изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 39 таблиц

Работа выполнялась в рамках конкурса фантов Министерства образования РФ и Правительства Челябинской области 2005 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 жаростойкие и износостойкие чугуны разных структурных классов, наиболее часто применяемые на практике для изготовления отливок специального назначения Из работ Н Н Александрова, Ю Г Бобро, Б А Войнова, М Е Гарбера, А А Жукова, Л Я Козлова,

В М. Колокольцева, Е В Рожковой, Л М Романова, О М Романова, Г И Сильмана, Ри Хосена, И И Цыпина и других выяснено, что перспективными жароизносостойкими материалами являются комплексно-легированные хромо-марганцевые чугуны, в структуре которых присутствуют стабильный ау-стенит, специальные эвтектики, упрочняющей фазой в которых являются карбиды Эти чугуны изучены неполно и поэтому в практике не нашли широкого применения несмотря на их перспективность

На основе литературных данных выполнен анализ существующих принципов легирования сплавов, применяемых для изготовления литых изделий, работающих в условиях износа, повышенных температур и агрессивных газовых сред Показано влияние модифицирования на структуру и свойства комплексно-легированных белых чугунов

На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования

Во второй главе описаны материалы и методики исследования Исследования проводили на комплексно-легированных чугунах и ранее известных сплавах Выплавку опытных чугунов осуществляли в индукционной тигельной печи с основной футеровкой Химический состав образцов определяли спектральным методом на приборах OBLF QSN 750 (ГОСТ 18895-97) и OBLF GS 1000 (ГОСТ 27611-88) в лабораториях ОАО «ММК»

Окалиностойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки образцов в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (800 Г) в среде атмосферного воздуха весовым методом по увеличению массы образца

Ростоустойчивость оценивали по ГОСТ 7769-82 на трех образцах для каждого сплава длиной 100-150 мм и диаметром 20-25 мм по изменению длины в процентах за 150 ч испытания при температуре 800 °С

Твердость образцов (по Роквеллу) определяли на установке по ГОСТ 9013-59 вдавливанием алмазного конуса, имеющего угол при вершине 120°, с нагрузкой 1471,5 Я

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 Н резиновым роликом, вращающимся со скоростью 60 об/мин Относительную износостойкость определяли по отношению потери массы эталонного образца к потере массы исследуемого образца

Жидкотекучесть чугунов определяли при помощи пробы со спиральным каналом по ГОСТ 16438-81 Линейную усадку определяли как разность размеров формы (модели отливки) и отливки после ее полного охлаждения

Величину остаточных напряжений в отливках из исследуемых сплавов определяли на прямоугольной усадочной решетке

Для исследования комплекса литейных свойств (жидкотекучести, усадки и трещинопоражаемости) жароизносостойких сплавов применяли также технологическую пробу Нехендзи-Купцова

Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили на оптических микроскопах МИМ-7, «МЕТАМ-ЛВЗ1», «Epiquant» при увеличении от 100 до 1 ООО крат и растровом электронном микроскопе «Camscan» при увеличении от 50 до 160000 крат

Количественный металлографический анализ проводили на промышленных системах обработки и анализа изображений "SIAMS" и "Tixomet" Измерение осуществляли в режиме визуального слежения на поперечных и продольных шлифах до и после травления, в литом состоянии и после испытаний на жаростойкость по специально разработанной методике

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

Температуру заливки сплавов определяли при помощи термоизмерителя модели ТЦП-1800В, который предназначен для измерения температуры расплава металлов при помощи термопреобразователя из вольфрам-рениевых сплавов (ВР5/20, ГОСТР 8 585 2001)

В третьей главе исследованы чугуны системы Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti Для этого был спланирован и проведен дробный факторный эксперимент типа 25'2 при следующем изменении факторов, масс % Х[ (углерод, 1,9, 2,5), Х2 (марганец, 3,5, 5,0), Х3 (хром, 15,0, 19,0), Х4 (никель, 0,4-1,0), титан Х3 (0,20,6) Количество кремния в опытных сплавах находилось на постоянном уровне Si (0,4-0,6%)

Чугуны заливали в сухие и сырые песчано-глинистые формы и чугунный кокиль

В результате обработки результатов эксперимента получены адекватные уравнения взаимосвязи химического состава твердости (HRC), износостойкости (Ки), окалиностойкости (Аш) и ростоустойчивости (L) В частности, для сухой ПГФ они имеют вид

HRC€yx'45,2+l,7*[XI]-K)^*[X2]-H),8*[X3]-0)2*[X4]-0^*[Xs],efl (1)

Кисух = 4,01+0,16*[Х,]-0,18ПХ2]-0,31*[Х3]-0,39*[Х4]+0,14*[Х5], ед (2)

Ammiyx = 0,028+0,0006*[Х1]-0,0004*[Х2]-0,004*[Х3]-0,0006*[Х4]-

0,003 *[Х5], г/м2 -ч (3)

Lcyx = 0,2+0,01 *[Х,]+0,0,01 *[Х2]+0,01 *[Х3]+0,01 *[Х4]-0,01 *[Х5], % (4)

Используя полученные математические зависимости и нейросетевую 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

НЛС С Сг -> Мп Т1 -» №, 0,75 0,13 0,05 0,04 0,03

А/И,^0 Сг -> С N1 Мп Т1,

0,45 0,19 0,17 0,12 0,08

100 ч

Ки С Сг Т1 -> Мп N1, 0,72 0,15 0,048 0,045 0,043

Ь N1 Т1 -> Мп -» Сг -» С

0,33 0,23 0,2 0,12 0,11

На основе весовых коэффициентов и уравнений регрессии было установлено, что наибольшее влияние на твердость и износостойкость сплавов оказывает углерод и хром, остальные элементы влияют незначительно Это можно объяснить тем, что именно хром и углерод являются главными регуляторами изменений структуры матрицы и количества упрочняющей фазы С увеличением содержания хрома и углерода износостойкость увеличивается

Наибольшее влияние на окалиностойкость чугунов оказывает хром, что объясняется повышением стойкости к окислению матрицы, благодаря его пассивирующему действию На ростоустойчивость наибольшее влияние оказывают никель и титан, что объясняется стабилизацией структуры

Исследуемые чугуны представляют собой доэвтектические сплавы После завершения кристаллизации во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитокарбидной эвтектики розеточного строения В структуре чугунов присутствуют карбиды двух типов - М7С3 и М3С, которые кристаллизуются в эвтектике одного морфологического типа (инвертированная аустенитокарбидная эвтектика)

Было установлено, что с увеличением теплоаккумулирующей способности формы, происходит непрерывный рост твердости и износостойкости в результате измельчения структурных составляющих и роста количества эвтектики В то же время, наблюдается падение жаростойкости, что является следствием увеличения межзеренного пространства, которое наиболее подвержено окислению

Анализ макроструктуры образцов после испытания на окалиностойкость показал, что чем выше показатель окалиностойкости, тем плотнее оксидный слой и прочнее он связан с основным металлом и, наоборот, чем ниже показатель окалиностойкости, тем рыхлее оксидный слой Растрескиваясь и оголяя основной металл, он способствует дальнейшему его разрушению под действием высокой температуры и агрессивной газовой среды

Изучение химического состава и протяженности слоев продуктов коррозии показали, что при содержании в оксидном слое более 30 % хрома формируется сплошная плотная оксидная пленка типа шпинели (РеО Сг203) с гексагональной решеткой, а хорошее сцепление окалины со сплавом обеспечивает подоксидный слой

Было установлено, что одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление данных чугунов изнашиванию при повышенных температурах является степень эвтектичности так как эта величина с учетом содержания Сг, Мп, N1 и Т1 является комплексной характеристикой их состава и структуры (рис 1)

Степень эвтектичности, Бэ

Степень эвтектичности, вэ

Рис 1 Влияние степени эвтектичности 5, на окалиностойкость (а) и росто-устойчивость (б) исследуемых чугунов залитых в, 1 - сухую ПГФ, 2 - сырую

ПГФ, 3 - кокиль

Для получения оптимального состава жароизносостойкого чугуна соотношение легирующих элементов подбирают так, чтобы сплав имел Ж, = 0,65-0,80

Анализ условий работы колосников показал, что их износостойкость при эксплуатации зависит ни столько от химического состава и структуры, определяющих высокие показатели износостойкости в литом состоянии, сколько от того, какого состава и структуры окалина образуется при эксплуатации Для этого было исследовано влияние углерода на износостойкость до и после испытания образцов на окалиностойкость

Наибольший прирост износостойкости достигается при 2-2,2 %С, что связано с формированием на поверхности образцов сплошной плотной с хорошим сцеплением с основным металлом эпитаксиальной оксидной пленки типа шпинели (РеО Сг20з) и малой протяженностью обезуглероженного слоя В результате исследований был разработан новый химический состав чугуна, масс % 2,1-2,2 С, 4,5-5,0 Мп, 18,0-19,0 Сг, 1,0-1,2 N1, 0,4-0,5 Т1, 0,40,6

Дальнейшего повышения свойств нового чугуна ИЧ220Х18Г4НТ добивались за счет дополнительного его легирования ниобием и алюминием в количестве до 3 % каждого порознь и совместно

Ниобий, в исследуемых сплавах, предназначен для образования как собственных, так и комплексных карбидов путем вывода регулируемого количества углерода и хрома из пересыщенного твердого раствора Это препятствует образованию карбидной фазы типа М2зС6, которая приводит к охрупчиванию сплава и обеднению металлической основы хромом Ниобий обеспечивает повышение микротвердости металлической основы и карбидов типа М7С3, улучшает морфологию карбидной фазы и существенно увеличивает микротвердость металлической основы Повышаются износо- и жаростойкость, твердость чугуна Это связано с увеличением объемной доли карбидов ниобия, а также увеличением микротвердости структурных составляющих Происходит резкое уменьшение среднего размера карбидов хрома и они приобретают компактные формы, что обеспечивает хорошее связывание карбидов с металлической основой

Алюминий предназначен для образования на поверхности сплава плотного защитного слоя, прочно связанного с основным металлом, что препятствует окислению Это приводит к повышению жаростойкости чугуна

Результаты исследований показали, что наибольшие ростоустойчи-вость и окалиностойкость наблюдаются при 1,0-1,5% ТЧЬ Это объясняется стабилизирующим воздействием ниобия на структурные составляющие чугуна, а также обогащением металлической основы хромом

Тем не менее, исследуемый чугун, во всем интервале концентраций N5 отвечают требованиям жаростойких сплавов, но при этом имеют и повышенные показатели износостойкости

При легировании алюминием, наблюдается экстремум износостойкости при 1,5% А1, а также непрерывное увеличение твердости чугуна Это связано с образованием в-фазы (РезА1Сх), отличающейся высокой микротвердостью- 640-850 НУ Последняя, при образовании первичной литой структуры чугунов, располагается по границам зерен металлической основы Увеличение содержания алюминия приводит к появлению сплошной сетки фазы РезАГС*, а затем к образованию структуры эвтектического строения, состоящей из смеси комплексно-легированного феррита + Ре3А1Сл и аустенитохро-мистокарбидной эвтектики

Отрицательное влияние на окалиностойкость при А1 до 2% объясняется тем, что, происходит повышение концентраций вакансий в окалине вследствие частичного замещения двухвалентных атомов железа и никеля трехвалентными атомами алюминия Повышение числа вакансий влечет за собой ускорение диффузии кислорода к поверхности металла Кроме того, падение окалиностойкости, с увеличением содержания А1, связано с переходом металлической матрицы от однофазной - аустенитной в смесь двух растворов (а-фаза + у-фаза) А это приводит к образованию защитной оксидной

пленки с большей неоднородностью по составу и распределению в ней внутренних напряжений, возникающих в процессе роста, что приводит к большой неоднородности защитных свойств и частичному саморазрушению окалины Существенное повышение окалиностойкости наблюдается при введении в сплав 2,5-3,0 % А1 Это связано с образованием шпинели Ре0(Сг203, А1203) и собственного стабильного оксида АЬОз, а также с увеличением количества легированного феррита и приближением металлической основы к однородной при А1>2,5

Падение ростоустойчивости с увеличением содержания А1 и ее рост при А1>2,5, связан с изменениями фазового и химического состава металлической основы, описанными выше При содержании А1 = 2,5-3,0% чугуны обладают большей жаростойкостью при неизменной износостойкости

Таким образом, одновременному повышению всех специальных свойств, данные элементы не способствуют Поэтому легирование тем или иным элементом определятся тем, какое специальное свойство превалирует при эксплуатации отливок из данных чугунов

Результаты исследования совместного влияния алюминия и ниобия на структуру и свойства чугуна нового состава показало положительное влияние этих элементов на структуру и весь комплекс свойств Легирование этими элементами способствует одновременному повышению жаростойкости и износостойкости На основе полученных результатов разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс % 2,1-2,2 С, 4,5-5,0 Мп, 18,0-19,0 Сг, 2,0-2,5 А1, 1,5-2,0 №>, 1,0-1,2 N1, 0,4-0,5 Т1, 0,4-0,6

Механические, физические и литейные свойства новых чугунов и раннее известной стали, представлены в табл 1

Таблица 1

Марка сплава НЯС, ед Ки> ед Дт, г/м2 ч Ц% а ^ * Линейная усадка, % Жидкотеку-честь при 1450 "С, мм

ИЧ220Х18Г4НТ 41-45 3,34,0 0,0420,085 0,140,19 1250 1160 2,6 1100

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ 41-45 5,55,9 0,0220,033 0 1230 1150 2,3 990

75Х24ТЛ 32-35 2,22,3 0,0120,025 0,440,47 1430 1420 2,7 400

В четвертой главе рассмотрено улучшение структуры и свойств чугунов за счет обработки их кальций-стронциевым карбонатом и бором.

Кальций-стронциевый карбонат является побочным продуктом 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, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 кг/т Целесообразно было посмотреть, как карбонат влияет на чугуны разных структурных классов, поэтому было выбрано два новых чугуна ИЧ220Х18Г4НТ и ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ

Обработка чугунов карбонатом повышает весь комплекс свойств Максимальные показатели свойств наблюдаются при добавлении карбоната до 5 кг/т для ИЧ220Х18Г4НТ, а для ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ до 4 кг/т (рис 2) Это можно объяснить тем, что при таком количестве карбоната он действует как добавка, рафинирующая и модифицирующая чугун

Карбонат, кг/т Карбонат, кг/т

Рис 2 Влияние добавок карбоната на износостойкость чугунов ИЧ220Х18Г4НТ (а) и ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ (б), залитых в 1 - сухая ПГФ, 2 - сырую ПГФ, 3 - кокиль

После обработки чугуна ИЧ220Х18Г4НТ карбонатом в количестве 5 кг/т наблюдается измельчение карбидов титана (с 5,2 до 2,7 мкм) Они приобретают более округлую форму и равномерно распределяются в металлической матрице (рис 3) Происходит снижение содержания серы с 0,029 до 0,016%

.Vi

£'

m m1

» »

X I ООО

Щ

i das

4f

Рис, 3. Микроструктура ИЧ220Х18Г4НТ а не травленом виде запитого в сухую ПГФ: а - без обработки карбонатом; б - обработанного карбонатом

Немаловажный интерес представляет модифицирование чугуна и бором, которое применяется пока относительно ограниченно.

В исследуемых чугунах содержание бора составляло: 0,005; 0,01; 0,02; 0,03 %. Обработка чугунов бором повышает весь комплекс свойств. Максимальные показатели свойств наблюдаются при добавлении бора как для ИЧ220Х18Г4НТ, так и для ИЧ220Х18П4Ю2В2НТ в количестве 0,02%. Бор, при введении его в расплав, адсорбируется на поверхности растущих кристаллитов и затрудняет ян рост, Это способствует увеличению дисперсности структурных составляющих чугунов. Бор способствует обогащению матрицы хромом посредством заполнения вакансий по границам зерен, и, как следствие, тормозит диффузию углерода и хрома, тем самым, препятствуя выделению карбидов.

Было изучено влияние карбоната и бора на линейную и литейную усадку, трещиноустойчивостъ и жидкотекучесть чугунов. Кинетика линейной усадки чугуна до и после обработки карбонатом представлена на рис. 4.

2.6

гг 1.6 ■

I

5 1

0,3

0 500 10X1 150С 2000

;: '■>>■. с

Рис. 4. Влияние карбоната и бора па кинетику процесса линейной усадки чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ

Оценивая рафинирующее и модифицирующее действие карбоната и бора можно отметить, что происходит замедление процесса усадки Следствием этого замедления является снижение нарастания напряжений (рис 5), что положительно влияет на трещиноустойчивость

Действие карбоната и бора на замедление процесса литейной усадки носит более яркий характер

3,5 ■

3

Е

к 2,5

о.

1,5

ГТ1 __

,—■^hhj

1300

1450

1350 1400

Температура, С

Рис 5 Зависимость остаточных напряжений исследуемых сплавов от температуры заливки 1 - ИЧ220Х18Г4НТ, 2 - ИЧ220Х18Г4НТ с бором,

3 - ИЧ220Х18Г4НТ с карбонатом Карбонат и бор также оказывают влияние и на другое важное литейное свойство — жидкотекучесть (рис 6)

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

потока в полости канала, поверхностного натяжения и вязкости металла 1100

§ к

900

700

500

300

с карбонатом(\^ | без обработки

^ с бором

1300

1450

1350 1400

Температура, С

Рис 6 Зависимость жидкотекучести чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ от

температуры заливки

Видно, что обработка жидкого чугуна кальций-стронциевым карбонатом повышает жидкотекучесть 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 Бор несколько понижает жидкотекучесть из-за большего переохлаждения сплава

Также было исследовано влияние карбоната и бора на кинетику химической коррозии исследуемых чугунов

Во всех исследуемых сплавах наблюдается параболический закон роста пленки Так, окисление преобладает, в первые 25 ч выдержки образцов Это связано как с преобладанием процесса обезуглероживания над окислением металлической матрицы, так и хемосорбцией окислителя (кислорода) на поверхности металла (сплава), когда химическая реакция преобладает над диффузией компонентов сплава Дальнейшая высокотемпературная выдержка приводит к затуханию процессов окисления, так как образуется защитная оксидная пленка, и скорость процессов окисления определяется преимущественно диффузией через оксидную пленку металла и окислителя

Состояние пассивации наступает быстрее у чугуна марки ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ, так как на поверхности образуется эпитаксиальная защитная пленка, а ионы легирующих компонентов ЫЬ, А1 и Сг, наряду с ионами Ре, входят в решетку оксида основного металла, уменьшая его дефектность и, соответственно, скорость диффузии в решетке Более позднее время наступления пассивации и меньшая окалиностойкость у чугуна марки ИЧ220Х18Г4НТ связаны с тем, что в образовании защитной пленки участвуют только катионы Сг31

Обработка расплавов исследуемых чугунов кальций-стронциевым карбонатом и бором, показала замедление скорости окисления для всех сплавов, причем обработка карбонатом более эффективна, так как оксиды кальция и стронция, а также их соединения с оксидами никеля и хрома (характеризующиеся высокой температурой плавления с прочной химической связью), накапливаясь в виде тонких пленок по границам зерен и на границе расплав-окалина, замедляют диффузию ионов основных компонентов сплавов и атомов кислорода

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленного опробования отливок из нового состава комплексно-легированного чугуна марки ИЧ230Х16Г4НТ

Из предложенного состава чугуна в отделении мелкого литья ОАО "Баймакский машиностроительный завод" им Ш Худайбердина (БМЗ) республики Башкортостан (г Баймак) была изготовлена опытная партия колосников для грохотов агломерационных машин в количестве 10 тонн годных отливок

Эксплуатационная стойкость новых колосников превысила срок службы колосников из высоколегированной стали 75Х24ТЛ более чем в 3 раза

Повышенная стойкость колосников способствовала ровной работе аглома-шины, и, благодаря этому, увеличению выхода товарного агломерата с уменьшением доли оборотного продукта (возврата), повышению производительности, снижению расхода топлива на проведение процесса, улучшению качества агломерата по содержанию мелочи 5 - 0 мм За период эксплуатации экспериментальные колосники на грохоте выделили возврата из более 300 тыс т горячего агломерата Годовой экономический эффект на стоимости колосников составил более 2,2 млн руб в год

Основные выводы

1 Получены математические зависимости взаимосвязей химического состава, структуры, механических и специальных свойств хромомарганце-вых чугунов дополнительно легированных Мп, N1, Т1, 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 % 2,1-2,2 С, 4,5-5,0 Мп, 18,0-19,0 Сг, 1,0-1,2 N1, 0,4-0,5 Т1, 0,4-0,6 (ИЧ220Х18Г4НТ) Установлено, что для данного чугуна не требуется термической обработки Существенную роль в формировании жароизносостойких качеств, прочности и твердости исследованных чугунов играет морфология и тип карбидной фазы при первичной кристаллизации, а также стабильная однофазная структура металлической основы, обогащенной элементами с высокой способностью к пассивации и стабильностью в условиях нагрева и охлаждения

2 Установлено, что комплексное легирование хромом, марганцем, никелем, титаном и различная теплоаккумулирующая способность формы оказывают заметное влияние на состав и строение металлической основы, тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем и микротвердость карбидных фаз и эвтектики, дендритов первичного аустенита, а через них свойства чугунов

3 Установлена закономерность влияния степени эвтектичности 5Э на окалиностойкость и ростоустойчивость исследуемых чугунов, что позволяет предложить способ определения области оптимальных составов жароизносостойких чугунов, исходя из влияния легирующих элементов на положение критических точек диаграммы состояния Ре-С Для получения оптимального состава жароизносостойкого чугуна соотношение легирующих элементов подбирают так, чтобы сплав имел Бэ = 0,65-0,8 При ^>0,8 снижается окалиностойкость, ростоустойчивость и развиваются процессы обезуглероживания, при ^<0,65 значительно расширяется температурный интервал кристаллизации, что ведет к ухудшению литейных свойств чугуна

4 Установлено, что износостойкость отливок из жароизносостойких чугунов в условиях повышенных температур и агрессивных газовых сред определяется составом, структурой, а через них и свойствами оксидного слоя, поскольку именно оксидный слой в первую очередь, а не материал от-

ливки испытывает воздействие абразива Такие качества оксидного слоя в исследуемых чугунах обеспечиваются при образовании на поверхности сплава эпитаксиальной защитной пленки толщиной 0,5-1,5 мкм Кроме того, подоксидный слой, образующийся в исследуемых чугунах прочно удерживает окалину, способствует понижению термических напряжений, релаксируя их в своем объеме, и, к тому же защищает основной металл от окисления, в случае механического повреждения или износа оксидного слоя, за счет высокотемпературной пассивации

5 Отдельное влияние алюминия в исследуемых чугунах вплоть до 3% способствует непрерывному повышению жаростойкости, при незначительном понижении износостойкости, ниобий действует наоборот, непрерывно повышая износостойкость, незначительно понижает жаростойкость Но одновременному повышению всех специальных свойств, данные элементы не способствуют Поэтому легирование тем или иным элементом определятся тем, какое специальное свойство превалирует при эксплуатации отливок из данных чугунов

6 Установлено положительное совместное влияние алюминия и ниобия на структуру и свойства чугуна из нового состава Дополнительное легирование этими элементами способствует одновременному повышению жаростойкости и износостойкости На основе полученных результатов разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс % 2,1-2,2 С, 4,5-5,0 Мп, 18,0-19,0 Сг, 2,0-2,5 А1, 1,5-2,0 №>, 1,2 N1, 0,5 Т1, 0,4-0,6 81 (ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ)

7 Проведены исследования и показана эффективность обработки чугунов бором и кальций-стронциевым карбонатом Установлено, что повышение жароизносостойкости чугунов достигается за счет рафинирующе-модифицирующего действия добавок снижается загрязненность чугунов неметаллическими включениями, особенно сульфидными, измельчаются эвтектики, первичные дендриты и карбидная фаза Количество вводимых добавок, при котором жароизносостойкость чугунов максимальна, различно для ИЧ220Х18Г4НТ количество карбоната составляет 5 кг/т, для ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ - 4 кг/т, бора для обоих чугунов 0,02% Обработка чугунов рекомендуемыми количествами карбоната и бора улучшает литейные свойства увеличивает жидкотекучесть (бор несколько понижает из-за большего переохлаждения сплава), снижает линейную и литейную усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент и уменьшает величину остаточных напряжений, что повышает трещиноустойчивость чугунов

Кроме того, введение карбоната и бора способствует замедлению скорости окисления в процессе высокотемпературной выдержки за счет замедления диффузии ионов основных компонентов сплавов и атомов кислорода

8 Обработка чугуна ИЧ220Х18Г4НТ оптимальными количествами карбоната и бора обеспечивает уровень свойств как у более дорогого чугуна

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2, но при меньших затратах

9 Промышленные испытания и внедрение отливок колосников, изготовленных из нового состава жароизносостойкого чугуна, на стационарном грохоте отсева возврата агломерационной машины № 11 аглофабрики № 3 ОАО <<ММК», показали увеличение их срока службы более чем в 3 раза по сравнению с колосниками из стали 75Х24ТЛ. Годовой экономический эффект при этом составил 2,2 млн руб

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 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

2 Миронов О А Исследование влияния стронциевого карбоната на структуру и свойства жароизносостойких и ростоустойчивых сплавов для колосников грохотов и спекательных тележек аглофабрик // Наука и молодежь проблемы, поиски, решения Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под общей редакцией С М Кулакова, СибГИУ - Новокузнецк, 2004 - Вып 8 - Ч II Технические науки -С 249-251

3 Колокольцев В М, Миронов О А Рафинирование и модифицирование железных сплавов кальций-стронциевым карбонатом // Новые материалы и технологии НМТ -2004 Тез докл Всерос науч -техн конференции - Москва, 2004 - С 66-67

4 Исследование жаростойкости и ростоустойчивости сплавов для колосников грохотов и спекательных тележек аглофабрик / В М Колокольцев, О А Миронов, Е В Петроченко, В Ю Савинов, В Д Некеров, В В Арисов // Теория и технология металлургического производства Межрегион сб науч тр Вып 4 - Магнитогорск МГТУ, 2004 - С 121-125

5 Колокольцев В М , Миронов О А Рафинирование и модифицирование железных сплавов кальций-стронциевым карбонатом с целью повышения их свойств // Ползуновский альманах, 2004, №4 - С 62-64

6 Жароизносостойкий чугун/ Б В Воронков, В М Колокольцев, О А Миронов, Е В Петроченко, С К Сигабатуллин // Вестник МГТУ, 2005, №3 - С 35-37

7 Структура и свойства жароизносостойкого белого чугуна / В М Колокольцев, Е В Петроченко, О А Миронов, Б В Воронков, В В Полетаев, ВМ Сулейманов //Литейщик России, 2005, №7 - С 7-10

8 Колокольцев В М , Петроченко Е В , Миронов О А Влияние химического состава на формирование структуры и свойств жароизносостойких чугунов // Изв. вузов Черная металлургия, 2007, №3 - С 44-47

9 Повышение свойств жароизносостойкого чугуна рафинированием и модифицированием/ В М Колокольцев, О А Миронов, Е В Петроченко, М Ф Брялин, Б В Воронков // Литейное производство, 2007, №3 - С 2-5

Подписано в печать 31 05 2007 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1

Плоская печать Услпечл 1,00 Тираж 100 экз Заказ 367

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ условий работы колосников.

1.2. Жароизносостойкие сплавы, применяемые для отливок специального назначения.

1.3. Факторы, влияющие на износостойкость и жаростойкость.

1.3.1. Влияние условий эксплуатации отливок на износостойкость и жаростойкость.

1.3.2. Влияние химического состава сплава на структуру и жароизносостойкость.

1.3.3. Влияние структуры сплавов на их жароизносостойкость.

1.4. Повышение свойств литых жароизносостойких чугунов воздействием на их расплав.

1.5. Требования к структуре и свойствам жароизносостойких чугунов.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов.

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

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

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti И РАЗРАБОТКА НОВЫХ СОСТАВОВ

ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ.

3.1. Выбор легирующих элементов базового комплекса.

3.2. Исследование структуры и свойств сплавов Fe-C-Cr-Mn-Ni-Ti.

3.3. Оптимизация состава чугуна.

3.4. Выбор легирующих элементов дополнительного комплекса.

Выводы.

ГЛАВА 4. УЛУЧШЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ ИХ КАЛЬЦИЙ - СТРОНЦИЕВЫМ КАРБОНАТОМ И БОРОМ.

4.1. Исследование влияния карбоната на структуру и свойства чугунов.

4.2. Исследование влияния бора на структуру и свойства чугунов.

4.3. Литейные свойства сплавов.

4.4. Кинетика химической коррозии исследуемых чугунов.

Выводы.

ГЛАВА 5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ

В ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНОВ НОВЫХ ХИМИЧЕСКИХ

СОСТАВОВ.

С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к рабочим деталям машин. Все чаще оборудование работает в сложных условиях при повышенных температурах и воздействии агрессивных газовых сред и износа. Наиболее яркими представителями являются колосники грохотов и спекательных тележек аглофабрик. Так, на аглофабриках ОАО «ММК», колосники изготавливают из высоколегированной стали марки 75X24TJI. Низкая стойкость колосников приводит к их повышенному расходу, ухудшению процесса агломерации и отсева мелочи из произведенного агломерата. Комплексное воздействие на структуру известной стали, не дало желаемого повышения стойкости колосников, из чего был сделан вывод, что для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности колосников необходима разработка нового состава сплава с требуемыми свойствами.

Анализ известных материалов и их свойств показал, что наиболее перспективными материалами являются комплексно-легированные белые чугуны. Наиболее широкое применение в последнее время находят марганцевохроми-стые чугуны, дополнительно легированные другими элементами в зависимости от требуемого комплекса свойств. Особенностью сплавов для колосников, препятствующей повысить эксплуатационную стойкость отливок из них, является то, что условия эксплуатации предъявляют к ним два взаимоисключающих требования по специальным свойствам - высокие показатели жаростойкости и износостойкости.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка новых составов жароизносостойких чугунов путем создания новых легирующих комплексов и улучшения первичной литой структуры рафинированием и модифицированием. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Установление взаимосвязи химического состава, структуры, механических и специальных свойств белых хромистых чугунов, дополнительно легированных Mn, Ni, Ti, Nb и Al.

2. Исследование влияния комплексного легирования и модифицирования на особенности формирования структуры и свойств отливок из хромомарганце-вых чугунов в различных условиях охлаждения; разработка новых составов чу-гунов, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных свойств.

3. Изучение механизма воздействия кальций-стронциевого карбоната и бора на структуру и свойства белых жароизносостойких чугунов, определение рационального количества вводимых присадок для улучшения структуры и свойств.

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

Научная новизна работы

1. На основе взаимосвязи химического состава, структуры, механических и специальных свойств хромомарганцевых чугунов получены весовые коэффициенты влияния легирующих элементов (С, Мл, Cr, Ni, Ti) на их свойства, на основе которых был разработан новый состав жароизносостойкого чугуна, который позволяет получить отливки со стабильной структурой и свойствами.

2. Установлено влияние А1 и Nb, как порознь, так и совместно, на структуру и свойства комплеснолегированных белых чугунов. Так, чугуны обладают большей жаростойкостью при неизменной износостойкости при содержании А1 - 2,5-3,0 % и, большей износостойкостью при неизменной жаростойкости при содержании Nb - 1,0-1,5 %. Одновременное повышение жаростойкости и износостойкости чугунов наблюдается при совместном введение 2,0-2,5 % А1 и 1,52,0 % Nb. На основании этого разработан новый состав жароизносостойкого чугуна с требуемыми свойствами.

3. Установлено, что эксплуатационная стойкость отливок из новых составов чугунов в первые 25 часов высокотемпературной выдержки зависит от химического состава сплава, а в дальнейшие часы зависит от строения и структуры образующейся защитной оксидной пленки.

4. Установлена взаимосвязь между степенью эвтектичности, жаростойкостью и износостойкостью исследуемых чугунов. Для получения требуемых структуры и свойств соотношение легирующих элементов должно быть таким, чтобы чугун имел S3 = 0,65-0,8. При £>0,8 снижается окалиностойкость, росто-устойчивость и развиваются процессы обезуглероживания; при S3<0,65 значительно расширяется температурный интервал кристаллизации, что ведет к ухудшению литейных свойств чугуна.

5. Определены рациональные количества карбоната и бора для рафинирования и модифицирования чугунов. Для чугуна ИЧ220Х18Г4НТ расход карбоната составляет 5 кг/т, для ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ - 4 кг/т. Количество вводимого бора одинаково и составляет 0,02%.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований по влиянию легирования и скорости охлаждения на структуру, механические и специальные свойства высоколегированных хромо-марганцевых чугунов.

2. Результаты исследований влияния дополнительного легирования жаро-износостойких чугунов А1 и Nb порознь и совместно.

3. Результаты экспериментальных исследований по рафинированию и модифицированию чугуна кальций-стронциевым карбонатом и бором.

4. Новые составы чугунов для жароизносостойких отливок.

Практическая полезность работы

1. Разработаны новые химические составы жароизносостойких чугунов для отливок специального назначения, обеспечивающие их высокую эксплуатационную стойкость.

2. Полученные закономерности влияния степени эвтектичности S3 на окалиностойкость и ростоустойчивость исследованных чугунов позволяют прогнозировать их химические составы с высокой жаростойкостью.

3. Разработаны технологические рекомендации по обработке комплексно-легированных хромомарганцевых чугунов рафинирующе-модифицирующим материалом - кальций-стронциевым карбонатом и бором.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были положены в основу технологии изготовления опытно-промышленной партии отливок для детали «колосник», которые прошли производственные испытания на стационарном грохоте отсева возврата агломерационной машины № 11 аглофабрики № 3 ОАО «ММК». Их эксплуатационная стойкость превысила срок службы колосников из высоколегированной стали 75X24TJI более чем в 3 раза. Повышенная стойкость колосников способствовала ровной работе агломашины, и, благодаря этому, увеличению выхода товарного агломерата с уменьшением доли оборотного продукта (возврата), повышению производительности, снижению расхода топлива на проведение процесса, улучшению качества агломерата по содержанию мелочи 5-0 мм. За период эксплуатации экспериментальные колосники на грохоте выделили возврата из более 300 тыс. т горячего агломерата. Годовой экономический эффект составил более 2,2 млн. руб. в год.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 4 международных и Российских научно-технических конференциях: г.г. Москва, Новокузнецк (2004 г.), г. Магнитогорск (2005, 2006 гг.), г. Барнаул (2005 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей и тезисов докладов и подана заявка на изобретение (заявка JML 2006119764/02 с приоритетом от 05.06.06. на изобретение "Чугун" авторов: Никифорова Б.А., Колокольцева В.М., Сибагатуллина С.К., Саитова Р.Ф., Брялина М.Ф., Воронкова Б.В., Миронова О.А.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 114 наименований и приложения. Она изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 39 таблиц.

Общие выводы

1. Получены математические зависимости взаимосвязей химического состава, структуры, механических и специальных свойств хромомарганцевых чугунов дополнительно легированных Mn, Ni, Ti, залитых в сырую, сухую песча-но-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. %: 2,1-2,2 С; 4,5-5,0 Мп; 18,0-19,0 Сг; 1,0-1,2 Ni; 0,4-0,5 Ti; 0,4-0,6 Si (ИЧ220Х18Г4НТ). Установлено, что для данного чугуна не требуется термической обработки. Существенную роль в формировании жароизносостойких качеств, прочности и твердости исследованных чугунов играет морфология и тип карбидной фазы при первичной кристаллизации, а также стабильная однофазная структура металлической основы, обогащенной элементами с высокой способностью к пассивации и стабильностью в условиях нагрева и охлаждения.

2. Установлено, что комплексное легирование хромом, марганцем, никелем, титаном и различная теплоаккумулирующая способность формы оказывают заметное влияние на состав и строение металлической основы, тип и морфологию карбидной фазы, изменяя объем и микротвердость карбидных фаз и эвтектики, дендритов первичного аустенита, а через них свойства чугунов.

3. Установлена закономерность влияния степени эвтектичности S3 на окалиностойкость и ростоустойчивость исследуемых чугунов, что позволяет предложить способ определения области оптимальных составов жароизносостойких чугунов, исходя из влияния легирующих элементов на положение критических точек диаграммы состояния Fe-C. Для получения оптимального состава жаро-износостойкого чугуна соотношение легирующих элементов подбирают так, чтобы сплав имел S3 = 0,65-0,8. При £э>0,8 снижается окалиностойкость, ростоустойчивость и развиваются процессы обезуглероживания; при S3<0,65 значительно расширяется температурный интервал кристаллизации, что ведет к ухудшению литейных свойств чугуна.

4. Установлено, что износостойкость отливок из жароизносостойких чугунов в условиях повышенных температур и агрессивных газовых сред определяется составом, структурой, а через них и свойствами оксидного слоя, поскольку именно оксидный слой в первую очередь, а не материал отливки испытывает воздействие абразива. Такие качества оксидного слоя в исследуемых чугунах обеспечиваются при образовании на поверхности сплава эпитаксиаль-ной защитной пленки толщиной 0,5-1,5 мкм. Кроме того, подоксидный слой, образующийся в исследуемых чугунах прочно удерживает окалину, способствует понижению термических напряжений, релаксируя их в своем объеме, и, к тому же защищает основной металл от окисления, в случае механического повреждения или износа оксидного слоя, за счет высокотемпературной пассивации.

5. Отдельное влияние алюминия в исследуемых чугунах вплоть до 3% способствует непрерывному повышению жаростойкости, при незначительном понижении износостойкости; ниобий действует наоборот, непрерывно повышая износостойкость, незначительно понижает жаростойкость. Но одновременному повышению всех специальных свойств, данные элементы не способствуют. Поэтому легирование тем или иным элементом определятся тем, какое специальное свойство превалирует при эксплуатации отливок из данных чугунов.

6. Установлено положительное совместное влияние алюминия и ниобия на структуру и свойства чугуна из нового состава. Дополнительное легирование этими элементами способствует одновременному повышению жаростойкости и износостойкости. На основе полученных результатов разработан новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, масс. %\ 2,1-2,2 С; 4,5-5,0 Мп; 18,0-19,0 Сг; 2,0-2,5 А1; 1,5-2,0 Nb; 1,2 Ni; 0,5 Ti; 0,4-0,6 Si (ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ).

7. Проведены исследования и показана эффективность обработки чугунов бором и кальций-стронциевым карбонатом. Установлено, что повышение жаро-износостойкости чугунов достигается за счет рафинирующе-модифицирующего действия добавок: снижается загрязненность чугунов неметаллическими включениями, особенно сульфидными; измельчаются эвтектики, первичные дендри-ты и карбидная фаза. Количество вводимых добавок, при котором жароизносо-стойкость чугунов максимальна, различно: для ИЧ220Х18Г4НТ количество карбоната составляет 5 кг/т, для ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ - 4 кг/т\ бора для обоих чугунов 0,02%. Обработка чугунов рекомендуемыми количествами карбоната и бора улучшает литейные свойства: увеличивает жидкотекучесть (бор несколько понижает из-за большего переохлаждения сплава), снижает линейную и литейную усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент и уменьшает величину остаточных напряжений, что повышает трещиноустойчи-вость чугунов.

Кроме того, введение карбоната и бора способствует замедлению скорости окисления в процессе высокотемпературной выдержки за счет замедления диффузии ионов основных компонентов сплавов и атомов кислорода.

8. Обработка чугуна ИЧ220Х18Г4НТ оптимальными количествами карбоната и бора обеспечивает уровень свойств как у более дорогого чугуна ИЧ220Х18Г4Ю2Б2, но при меньших затратах.

9. Промышленные испытания и внедрение отливок колосников, изготовленных из нового состава жароизносостойкого чугуна, на стационарном грохоте отсева возврата агломерационной машины № И аглофабрики № 3 ОАО «ММК», показали увеличение их срока службы более чем в 3 раза по сравнению с колосниками из стали 75X24TJI. Годовой экономический эффект при этом составил 2,2 млн. руб.

1. Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин, B.C. Гаврилюк, B.C. Соколов, Н.Х. Соколова, Л.В. Тутатчикова, И.П. Спирихин, В.А. Гольцов Материаловедение и технология металлов. М.: Высшая школа, 2002. -638 с.

2. Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. -М.: Металлургия, 1985. 408 с.

3. Бернштейн М. Л. Стали и сплавы для работы при высоких температурах. -М.: Металлургиздат, 1965. 240 с.

4. Чугун: Справ, изд./ Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. -М.: Металлургия, 1991. -5 76 с.

5. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., переб. и доп. -М.: Металлургия, 1986. 544 с.

6. Справочник по чугунному литью./ Под ред. Н.Г. Гиршовича. 3-е изд., перераб. И доп. - Л.: Машиностроение, 1978. - 758 е., ил.

7. Бобро Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны. Москва-Киев, Машгиз,1960.-170 с.

8. Александров Н.Н., Клочнев Н.И. Технология получения и свойства жаростойких чугунов. -М.: Машиностроение. 1964. 170с.

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

10. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. М: Металлургия, 1983. 256 с.

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

12. Гречин В.П. Износостойкие чугуны и сплавы. М.: Машгиз. - 1961, - 228 с.

13. Бабаков А.А., Приданцев М.В. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. - 320 с.

14. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозионостойкие сплавы. М.: Металлургия, 1973. - 232 с.

15. Чигал В. Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей: Пер с чешек. -Л.: Химия, 1969.-232 с.

16. Туфанов Д.Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов. М.: Металлургия, 1982. - 352 с.

17. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Н.С. Пенкин, Е.П. Капралов, П.В. Маляров и др. М.: Недра, 1992. - 256 с.

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

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

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

21. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. М.: ИЛ, 1955,-312 с.

22. Томашев Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М.: Металлургиздат.- 1960,-591 с.

23. А.А. Баранов, К.П. Бунин, Э.Д. Глебова, М.И. Приоманова Рост чугуна и стали при термоциклировании. Киев.: Техника. - 1967, - 139 с.

24. Бобро Ю.Г. Алюминиевые чугуны. Харьков.: ХГУ. - 1964, - 195 с.

25. Металлургические аспекты повышения долговечности деталей машин / Я. Е. Гольдштейн, В. А. Гольдштейн. Челябинск.: Металл, 1995. - 512 с.

26. Стали и сплавы для высоких температур: Справ. Изд. В 2-х кн. Кн. 1./ Маслеников С.Б., Масленикова Е.А. М.: Металлургия, 1991, 383 с.

27. Рахманкулов М.М., Паращенко В.М. Технология литья жаропрочных сплавов.: М.: интермет Инжиниринг, 2000. - 464 с.

28. Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

37. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов / В.М. Колокольцев, Н.М. Мулявко, К.Н. Вдовин, Е.В. Синицкий / Под ред. Проф. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 228 с.

38. Карпенко М.И., Марукович Е.И. Износостойкие отливки. Минск: Наука и техника, 1984. -216 с.

39. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. - 425 с.

40. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. М.: Машиностроение, 1986. - 223 с.

41. Колокольцев В.М. Выбор легирующих элементов и комплексов для разработки составов литейных износостойких сталей // Совершенствование технологии и автоматизации сталеплавильных процессов: Межвуз. Сб. Магнитогорск: МГМИ, 1992. - С. 27-36.

42. 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.

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

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

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

46. Элиот Р.П. Структура двойных сплавов. Т 1-Й. М.: Металлургия, 1970, т I, -456с.; т, II-472с.

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

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

49. 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.

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

51. Жуков А.А., Зволинская В.В. Отливки из железоуглеродистых сплавов, легированных ванадием. М.: НИИмаш, 1979. - 48с.

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

53. Исследование свойств чугуна, легированного медью и фосфором, работающего в условиях теплосмен и повышенного изнашивания / А.А. Жуков, А.В. Афонаскин, О.Д. Опалихина и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №1. С. 59-61.

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

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

56. А.с. №1731855 С22С 37/06. Износостойкий чугун / Писаренко Л.З., Монаенков А.С., Трунов М.Б. и др. // Бюл. Изобрет., 1992, №19.

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

58. А.с. №1082854 С22С 37/06. Чугун / Шебатинов М.П., Абросимов В.П., Сбитнев П.П. и др. // Бюл. Изобрет., 1984, №12.

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

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

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

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

63. Коваленко О.И., Мулик А.А., Проказов Э.Ю. Влияние легирования и термической обработки на структуру и гидроабразивную стойкостьхромомарганцевого чугуна. В кн.: Литые износостойкие материалы. Киев.: ИПЛ АН УССР, 1978, С. 115-125.

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

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

66. 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.

67. Влияние ориентировки карбидов М7С3 на износостойкость белого чугуна 300Ч20ДНФ / И.И. Цыпин, В.И. Канторович, А.Д. Зуев и др. // Металловевдение и термическая обработка металлов, 1991, №10. С. 2628.

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

69. 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.

70. 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.

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

72. 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.

73. Лившиц Л.С., Гринберг Н.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. В. Кн.: Абразивный износ. М.: Машиностроение, 1969.-С. 114-146.

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

75. 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.

76. Гринберг Н.А., Лившиц Л.С., Щербакова B.C. О влиянии легирования феррита и карбидной фазы на износостойкость сталей // Металловевдение и термическая обработка металлов, 1971, №9. С. 57-59.

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

78. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. -586 с.

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

80. 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.

81. 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.

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

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

84. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

93. 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.

94. Колокольцев В.М., Женин Е.В., Кузнецова Е.С. Рафинирование и модифицирование литых сталей барий-кальций-стронциевым карбонатом // прогрессивные литейные технологии: Материалы международн. науч.-практич. конф. М.: МГСиС, 2000.

95. Влияние кальций-стронциевого карбоната на структуру и свойства литейных сталей / В.М. Колокольцев, А.В. Русаков, В.А. Чайкин // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Вып. 4. Магнитогорск: МГТУ, 2004.

96. Молочков П.А. Комплексное воздействие на структуру белых износостойких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок: Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2004. - 154 с.

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

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

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

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

101. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. - 472 с.

102. Воздвиженский В.М., Кононов В.А., Кононова Е.В., Карпов В.Л. Влияние процесса обезуглероживания на жаростойкость хромоалюминиевого чугуна // Литейное производство, 1981, №3. С.6.

103. 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.

104. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Миронов О.А. Влияние химического состава на формирование структуры и свойств жароизносостойких чугунов // Изв. вузов. Черная металлургия, 2007, №3.-С. 44-47.

105. Жароизносостойкий чугун/ Б.В. Воронков, В.М. Колокольцев, О.А. Миронов, Е. В. Петроченко, С.К. Сигабатуллин // Вестник МГТУ, 2005, №3.- С. 35-37.

106. Колокольцев В.М., Миронов О.А. Рафинирование и модифицирование железных сплавов кальций-стронциевым карбонатом // Новые материалы и технологии НМТ -2004: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конференции. -Москва, 2004.- С 66-67.

107. Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп./ Под редакцией Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 е.: ил.

108. Колокольцев В.М., Миронов О.А. Рафинирование и модифицирование железных сплавов кальций-стронциевым карбонатом с целью повышения их свойств // Ползуновский альманах, 2004, №4.- С.62-64.

109. Структура и свойства жароизносостойкого белого чугуна / В.М. Колокольцев, Е.В. Петроченко, О.А. Миронов, Б.В. Воронков, В.В. Полетаев, В.М. Сулейманов // Литейщик России, 2005, №7. С. 7-10.

110. Повышение свойств жароизносостойкого чугуна рафинированием и модифицированием/ В.М. Колокольцев, О.А. Миронов, Е.В. Петроченко, М.Ф. Брялин, Б.В. Воронков // Литейное производство, 2007, №3. С. 2-5.