автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент

2 1 АП?

КОЛОКОЛЬЦЕВ Валерий Михайлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ

I

СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД - ЭЛЕМЕНТ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учено^ степени доктора технических наур

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР На правах рукописи

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена на кафедре "Электрометаллургия и литейное производство" Магнитогорской государственной горно-металлурги-ческой академии им. Г.И.Носова.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Почетный работник Высшего образования, доктор технических наук, академик СПбИА, профессор Гетьман А.А.

Доктор технических наук, профессор Грузных И.В.

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Магницкий О.Н.

Ведущая организация:

Орско-Халиловский металлургический комбинат (АО "НОСТА"), г.Новотроицк

Защита состоится ' 14 ' мая_ 1998 года

в " 16 " часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.08 по присуждению ученых степеней Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу:

195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, химический корпус, ауд. 51.

Ваш отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя Ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ. Автореферат разослан01 • Ок 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г.С.Казакевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышающиеся требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам литейных сплавов требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства. От этого зависит увеличение срока службы современного оборудования, машин и механизмов. В этой связи важной является проблема повышения абразивной износостойкости литых деталей, которая актуальна для многих отраслей промышленности:

- металлургической - детали засыпных аппаратов доменных печей и фу-теровочные плиты, валки и ролики прокатных станов, ролики машин непрерывной разливки стали и др.;

- горнодобывающей - детали Песковых, грунтовых, шламовых насосов, оборудования по измельчению горных пород и полезных ископаемых, бурильного оборудования и др.;

- машиностроительной - детали дробеметных очистных аппаратов, пескометов, бульдозеров и экскаваторов, стрелки и крестовины железнодорожных и трамвайных путей, детали оборудования для клепки, штамповки, обрубки и др.;

- строительной - детали оборудования и механизмов разрушения бетона и кирпичной кладки, вскрытия асфальта и бетона, рыхления грунта, забивания свай и др.

Потери от выхода из строя по причине изнашивания деталей машин, оборудования, транспортных средств ежегодно составляют в России десятки миллиардов рублей. Существенного снижения потерь можно достичь созданием новых износостойких сплавов и совершенствованием технологии их производства: Для этого широко используется метод прогнозирования свойств сплавов по диаграммам состояния с использованием зависимостей типа "состав-свойство". Для основных механических и литейных свойств такие зависимости известны, а для ряда важных специальных или служебных свойств данных недостаточно. К ним, в частности, относится абразивная износостойкость. Поэтому важно выявление закономерностей изменения износостойкости как свойства, начиная с чистых металлов, через двойные и тройные железные сплавы к многокомпонентным чугунам и сталям и- непосредственно к отливкам.

Целью работы является развитие теоретических и технологических основ управления абразивной износостойкостью и разработка литых износостойких железных сплавов с высокими служебными свойствами.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие задачи:

- обобщение и дополнение совокупности знаний о методах управления абразивной износостойкостью литейных сплавов;

- изучение связи износостойкости чистых металлов с их положением в Периодической системе Д.И.Менделеева и рядом важных физико-механических свойств;

- исследование износостойкости сплавов двойных и тройных систем на основе железа и многокомпонентных чугунов и сталей;

- установление связи износостойкости сплавов с их положением на диаграмме состояния;

- получение математических зависимостей взаимосвязи абразивной износостойкости, химического состава, структуры и основных физико-механических свойств сплавов;

- определение приоритетности влияния одного свойства или комплекса свойств на износостойкость различных сплавов на основе железа;

- разработка новых составов износостойких литейных сталей и чугунов;

- изучение влияния технологических факторов на износостойкость и разработка рекомендаций по обеспечению высоких значений этого свойства в процессе производства сплавов и отливок.

Научная новизна работы. Изучена и показана связь абразивной износостойкости (К„) чистых элементов с их положением в Периодической таблице Д.И. Менделеева и рядом важных физико-механических свойств: металлическим радиусом, атомным объемом, типом и размерами атомно-кристалпических решеток, твердостью, микротвердостью, модулем упругости, прочностью, пределом выносливости, коэффициентом качественности К=Ов ' Дана классификация элементов по износостойкости, позволяющая выбирать основу износостойкого сплава.

Построены ряды по силе влияния отдельных показателей механических свойств на износостойкость чистых металлов и ряды износостойкости чистых металлов, используемых в качестве основ литейных сплавов.

Установлена взаимосвязь износостойкости двойных и тройных железных сплавов с их положением на диаграмме состояния, структурой, свойствами, механизмом разрушения в процессе износа, что позволяет прогнозировать характер ее изменения от содержания легирующих добавок и рекомендовать элементы и их комплексы для создания новых сплавов. Получены зависимости "состав - износостойкость" для метасистемы железо - элемент и ряды легирующих элементов по силе их влияния на абразивную износостойкость железа для низко-, средне-, высоколегированных сплавов. Элементы в рядах могут занимать различные места в зависимости от их воздействия на структуру и свойства при том или ином содержании.

Показаны взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости комплекснолегированных литейных сталей и чугунов и получены математические модели, описывающие эти взаимосвязи. Использование математических моделей позволяет прогнозировать и рассчитывать свойства износостойких сплавов в заданных областях концентраций легирующих элементов.

В итоге обобщений результатов исследований получены номограммы для определения износостойкости белых высокохромистых чугунов и хромо-марганцевых аустенитных сталей по их заданным нормированным механическим характеристикам.

Установлены общие закономерности изменения износостойкости и меха-

низма абразивного износа для чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей от физико-механических свойств, а также общие закономерности влияния легирования на износостойкость железных сплавов, проявляющиеся в одинаковой природе формирования их структуры и свойств под воздействием добавок. Одни и те же структурные составляющие и свойства идентично влияют на абразивную износостойкость независимо от вида сплава. Большую роль в достижении высоких значений износостойкости играет первичная литая структура сплавов, которой можно управлять посредством выбора оптимального легирующего комплекса.

Показана связь характера разрушения чистых металлов и сплавов при абразивном изнашивании с коэффициентом твердости, что дает возможность прогнозировать механизм износа и управлять им по величине этого коэффициента.

На основе анализа влияния технологических факторов предложены, теоретически и экспериментально обоснованы технологические методы управления абразивной износостойкостью в процессе производства сплавов и отливок из них, что особенно важно в части повышения этого свойства для известных сплавов.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученных теоретических и технологических разработок позволило установить пути управления абразивной износостойкостью литейных сталей и чугунов, осуществляя выбор легирующих элементов, их комплексов, модификаторов на основе анализа характера изменения износостойкости для чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей.

Полученные математические модели могут использоваться для практических расчетов при выборе износостойких чугунов и сталей, исходя из требований к их химическому составу и структуре, а номограммы износостойкости позволяют оценивать ее по значениям нормированных механических свойств.

Разработаны новые технологические мероприятия, позволяющие управлять износостойкостью сплавов в процессе их производства и получения отливок.

По результатам работы с целью повышения износостойкости деталей насосов внесены изменения в состав чугуна в ТУ 26-06-1484-87 "Отливки из чугуна ИЧХ28Н2 для деталей насосов" (извещение об изменении ТУ 26-061484-87 №3 (53) от 18.09.91 г. НПО ВНИИ ГидроМаш). Новизна технических разработок подтверждена авторскими свидетельствами и 3 патентами на изобретения. Ряд выполненных разработок прошел широкую опытно-промышленную проверку и внедрен в производство в условиях ЗАО "МАРС" АО ММК, литейно-механического завода г. Волжска, ПО "Трубодеталь" г. Челябинска, Магнитогорского завода металлургического машиностроения с общим годовым экономическим эффектом около 200 млн. руб. в ценах 1996 г. Часть результатов исследований использована автором в учебном процессе при подготовке инженеров-литейщиков: поставлена и выполняется лабораторная работа "Изучение износостойкости белых легированных чугунов"; издано учебное пособие "Легирование и модифицирование литых сталей"; вы-

полняются курсовые и дипломные проекты и исследовательские работы; изданы три монографии: "Выплавка, легирование, модифицирование литейных сталей", "Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов", "Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии".

На защиту выносятся:

1. Связь абразивной износостойкости чистых металлов с их положением в Периодической системе Д.И.Менделеева и комплексом важных физико-механических свойств: параметрами аггомно-кристаллической структуры, прочностью, модулем упругости, пределом выносливости, твердостью, мик-ротвердосгтью.

2. Результаты исследований абразивной износостойкости двойных, тройных и многокомпонентных литых железных сплавов, которые могут использоваться в качестве базы данных для создания новых износостойких сплавов с требуемым уровнем основных механических свойств.

3. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности формирования износостойкости двойных и тройных сплавов на основе железа, показывающие ее связь с диаграммой состояния; зависимости "состав - износостойкость" и "свойства - износостойкость" сплавов.

4. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности о взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости двойных, тройных железных сплавов, ком-плекснолегированных чугунов и сталей, а также установленные общие закономерности влияния легирующих элементов на механизм износа и износостойкость.

5. Новые составы литейных износостойких сталей и чугунов с высоким уровнем служебных свойств.

6. Разработанные технологические решения по обеспечению необходимой износостойкости сплавов и отливок в процессе их производства.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ с предприятиями (1987 - 1992 гт.), тематика которых была включена в планы Академии наук и государственную научно-техническую программу "Разработка теории и технологии ресурсосберегающих и экологически безопасных процессов производства черных металлов", а также в рамках двух грантов (1993 - 1995 гг.) по фундаментальным проблемам в области металлургии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 16 международных, союзных, российских, республиканских научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях: г.Ленинград (1987, 1991 г.г.), г.Челябинск (1988, 1995 г.г ), г.Чебоксары (1990, 1992 г.г.), г. Красноярск (1990г.), г.Днепропетровск (1990 г.), г.Киев (1991 г.), г.Запорожье (1991г.), г.Ринница (1992 г.), г.Москва (1994 г.), г.Екатеринбург (1995 г.), г.Магнитогорск (1994 - 1996 г.), на семинаре кафедры "Электрометаллургия и литейное производство" и на объединенном научном семинаре кафедр металлургического факультета Магнитогорской горно-металлургической акаде-

мии {г.Магнитогорск, 1996, 1998 г.г.), на семинарах кафедры "Физико-химия литейных сплавов и процессов" Санкт - Петербургского государственного технического университета в 1997-1998 г.г.

Публикации. По теме диссертации изданы 3 книги и опубликовано 46 статей, докладов, тезисов докладов, изобретений, учебных пособий. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и фантам, выполненным при участии и под руководством автора (номера госрегистрации 01880050741, 0189002199, 01890081067, 0190003212, 0191001835, 01960013204).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, перечня основных условных обозначений, 6 глав, заключения, общих выводов, библиографического списка из 247 наименований и приложения. Изложена на 427 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 45 таблиц.

Личный вклад автора. В настоящей работе представлены результаты, полученные автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами и сотрудниками Магнитогорской горнотметаллургической академии, При этом автору принадлежат постановка общей проблемы "Теория и практика управления абразивной износостойкостью и разработка литых износостойких железных сплавов" и решение частных задач: по обобщению и дополнению совокупных знаний о методах управления износостойкостью сплавов; выявлению связи этого свойства с положением элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева; изучению износостойкости двойных, тройных и многокомпонентных железных сплавов и оптимизации их составов на заданные свойства; разработке технологических методов- повышения износостойкости сплавов. Автор проводил исследования в лабораторных и промышленных условиях, участвовал в промышленных испытаниях и внедрении результатов в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В аналитическом обзоре литературы рассмотрены вопросы теории абразивного изнашивания, связь изнашивания со структурой и свойствами сплавов, дан анализ применяющихся износостойких чугунов и сталей, показаны основные тенденции в развитии и решении проблемы повышения их износостойкости. Показана актуальность проблемы создания основ выбора новых составов износостойких сплавов.

Обобщение и анализ литературных данных показали, что износостойкость определяется главным образом химическим составом и структурой сплава, которые, в свою очередь, определяют его основные физико-механические свойства. Прослеживается четкая взаимосвязь химического состава, структуры, физико-механических свойств и износостойкости сплавов. Однако мнения различных авторов по этому вопросу неоднозначны, а иногда и противоположны. Связано это, главным образом, с попытками связать износостойкость с одним - двумя конкретными свойствами, например

прочностью, твердостью, модулем упругости и т.п. Но износостойкость - интегральная характеристика сплавов. При таком подходе необходимо учитывать множественные взаимосвязи между структурой, свойствами сплавов и износостойкостью. Анализ проблемы показывает, что добиться ее решения можно путем проведения целенаправленного исследования износостойкости чистых металлов, двойных, тройных и многокомпонентных сплавов, выявления вышеуказанных взаимосвязей и разработки на основе этого новых сплавов. Это определило название и содержание основных разделов диссертации.

Испытания металлов и сплавов на износостойкость проводили на литых образцах по ГОСТ 23.208-79 "Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы".

СВЯЗЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОЛОЖЕНИЕМ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА И НЕКОТОРЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

При разработке новых составов износостойких сплавов целесообразно оценить износостойкость чистых металлов, сравнить ее с износостойкостью железа, а также выявить связь Ки с такими физико-механическими свойствами, как параметры атомно-кристаллической структуры, твердость (НВ, НД прочность (ав), предел выносливости (сги), модуль упругости (Е), коэффициент качественности К = ав Т, которые во многом определяют характер разрушения металлов при абразивном износе. Кроме того, для систематизации свойств и их прогнозирования важными являются зависимости типа номер элемента - свойство. Полученная в работе периодическая зависимость износостойкости чистых металлов от их номера дополняет ранее известные для других физико-механических свойств.

Зависимость имеет синусоидальный характер с платообразными максимумами. В каждом периоде таких максимумов может быть от одного до трех. Во втором периоде максимальные значения износостойкости присущи бериллию и бору, у которых она почти одинакова. В третьем периоде максимум К„ приходится на кремний, в четвертом - на титан и хром, в пятом - на молибден, рутений, родий, в шестом - на вольфрам, рений, осмий, иридий.

Анализ зависимости позволяет классифицировать элементы по износостойкости на 3 группы:

- высокоизносостойкие с нижней границей по железу: Ве, В, Т», Сг, Мп, Ре, Со, Мо, Яи, ЯЬ, Яе, Об, ¿г;

- износостойкие с нижней границей по меди: V, Си, Эе, 1МЬ, Щ РсI, Р1;

- слабоизносостойкие: Мд, А1, Ип, У, Ад, Сс(, вп, БЬ, Аи, РЬ, В\.

Предложенная классификация может использоваться при выборе элементов в качестве основы износостойкого сплава и при выборе легирующих элементов для конкретной основы сплава.

Сопоставление периодических зависимостей износостойкости, модуля упругости, микротвердости, пределов прочности и выносливости и других от

номера элемента показало их идентичность. Экстремальные точки зависимостей практически совпадают. Это говорит о взаимосвязи износостойкости с рядом физико-механических свойств элементов, что подтвердили нижеприве-

денные адекватные регрессионные зависимости:

К„ = -0.278+0,0073НВ-0,072ств+0,095ак+0,083Е-0,1134'-

-4,3 10-®Не2+0,0002аДо,0001сгя2-7,6 Ю"5Е2 +0.0012Ч'2 (1)

К„ = -0,091 + 0,012 Нм - 5,9 10'3 Н2Ц (2)

К„= -1,8 + 0.03НВ - 0,02510"4 НВ2 (3)

К„ = -1,9 + 0,11Е + 0,'4'Ю"4 Е2 (4)

К«= -1,41 + 0,06 ов+ 0,610"5ав2 (5)

Ки = -0,43 + 0,13ак- 0,0003сг„2 + 10"6 сг„3 (6)

К„= 3,1 + 0.001К - 0,38 10_8К2 (7)

В условиях трения скольжения при действии зерен электрокорунда высокой твердости (-2300 НУ) микрорельеф в зоне изнашивания имеет ярко выраженные следы в виде рисок, как результат микрорезания. В ходе взаимодействия происходит внедрение в поверхность образца частицы абразива и ее продвижение по ней с пластическим деформированием и микрорезанием. При подобном взаимодействии определяющими факторами износостойкости металлов являются механические свойства, в частности прочностные.

Способность абразивных частиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении можно приближенно оценить по соотношению твердостей испытуемого металла и абразива (коэффициент твердости Ктв=НУмет/НУабр), что многократно описано в научной литературе. Считается, что критическое значение КТв=0,5-0,7. В случае Ктв<0,5 происходит прямое разрушение микрообъемов поверхностного слоя отливки, при Ктв>0,7 прямое разрушение маловероятно и процесс изнашивания переходит в многоцикло-вый с резко снижающейся интенсивностью по мере увеличения Ктз.

В данном исследовании при использовании в качестве абразива электрокорунда с твердостью 2300 Н\/ коэффициент твердости для чистых металлов изменялся в пределах 0,002-0,19. Разрушение проходило вследствие прямого внедрения частицы электрокорунда в поверхность образца и продвижения по ней. Поверхность разрушения покрыта продольными канавками различной длины и глубины по ходу движения абразивной частицы, что напрямую связано с Ктв. Чем он выше, тем труднее внедриться частице в поверхностный слой и продвинуться в нем. Это хорошо заметно при разрушении мягких малопрочных (РЬ, Бп, А), Мд и др.) и твердых прочных (Сг, П, Мо, \Л/ и др.) металлов. Связь К», чистых металлов с Кта с высокой точностью описывается уравнением:

Кй = 102,28 Кта0'87 (8)

Исследование связи износостойкости с типом и параметрами кристаллической структуры металлов и сплавов весьма важны, так как они могут позволить выбирать и совершенствовать физические критерии износа. В данном исследовании в качестве характеристик кристаллической структуры элементов были приняты металлический радиус по Бокию (гмет), атомный объем (\/ат), тип и периоды решеток.

Ки = Ю-6'135• гкет7'293 (9) Ки -10"12'19 '^ (10)

Было установлено, что при одном типе кристаллических решеток процессы износа тесно связаны с величиной ее параметра. Наиболее высокой износостойкостью обладают металлы с плотно упакованной решеткой малых размеров.

Обобщение данных по влиянию основных показателей механических свойств на К« чистых металлов (рис. 1) позволило сделать вывод о том, что решающим фактором, определяющим сопротивление металлов абразивному изнашиванию, является прочностная основа. Чем выше показатели их прочностных свойств, тем выше Кв.

Обобщенное влияние показателей механических свойств чистых металлов на их износостойкость

о

С ЗОС7 4500 но О

<4* , <ТК , Л^Г/а ; е ^ гпа

Л?

23"

а

а г&оа зоосу ^¿>00

Рис. 1

По силе влияния на износостойкость отдельных показателей механических свойств их можно расположить в следующий возрастающий ряд:

Нц -> ств —> НВ -» стя -> Е.

Сравнение значений К« металлов, наиболее широко использующихся в качестве основы литейных сплавов, позволило получить следующие ряды по возрастанию износостойкости в группах сплавов:

- легкоплавкие: РЬ вп Сс£ —► ¿п;

- легкие: Мд -> А1 .-> П -> Ве;

-тяжелые: Си ЫГ-> Ре-»Со;

- тугоплавкие: ЫЬ ->■ V -> Сг -> Мо -> \Л/;

- благородные: Аи -> РсЗ —> Ад —>■ Р1

£2 £ >

Полученные в данном разделе результаты дополняют совокупность знаний об износостойкости чистых металлов и ее взаимосвязи с их кристаллической структурой и основными свойствами.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДВОЙНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ СПЛАВОВ

Изучали бинарные сплавы железа с В, С, 31, Мп, Сг, N1, Мо, V,.Т), Си, Со, А1, \Л/, (рис. 2).

Влияние легирования на износостойкость двойных сплавов железо-элемент

Исследования макро- и микроструктуры литых сплавов показали существенное влияние на Ки характеристик первичной структуры. Было выявлено, что грубокристаплическая структура с зональной и дендритной ликвацией существенно снижает износостойкость, и наоборот, тонкокристаллическая -

повышает К,. Анализ разрушения поверхностей образцов выявил его связь с прочностными характеристиками и коэффициентом твердости: Ки = - О,93+О,ОО45НВ+О,ОО71ав-1,3-1О"5НВ-<з0+

+5,36-10"вНВг-2,9-10"9ае2 (11)

Ки = 0,576+15,30Ктв-43,32-10"9Ктв (12)

Для всех сплавов характерно прямое разрушение поверхностного слоя под действием частиц электрокорунда. Величина износа и рельеф поверхности разрушения определяются структурой двойного сплава. При этом большую роль играют тип матрицы, наличие и количество вторых фаз, их свойства, распределение. В области твердых растворов различие в рельефе состоит лишь в глубине внедрения абразивных частиц в поверхность и длине их продвижения. Чем больше Ктв, тем больше сопротивление твердого раствора абразивному износу.

Появление в структуре частиц второй фазы с высокой твердостью и прочностью или структурных составляющих в результате фазовых превращений более существенно препятствует как внедрению, так и продвижению абразивных частиц. При этом может происходить их проскальзывание по изнашиваемой поверхности, что заметно у сплавов железа с С, Э), Сг, \Л/, Т1, А!, В, N6. Наиболее высокой износостойкостью обладают сплавы, в которых структура состоит из твердых износостойких частиц вторых фаз, изолированно располагающихся в более мягкой металлической матрице (карбиды в сплавах Ре-С, а-фаза в сплавах Ре-Сг, РегИ в сплавах Ре-Т| и др.).

Сравнение влияния легирующих элементов на износостойкость железа при их различном содержании позволило построить ряды износостойкости (по возрастанию ) в группах сплавов:

- низколегированные сплавы с содержанием второго элемента 1,0%: элемент № Мп Сг V -» №Ь -» Мо —» Со-»

К, 1,08 1,21 1,22 1,22 1,25 1,29 1,30

элемент Си \Л/ -> А1 -» "П -> С

Ки 1,32 1,35 1,35 1,43 1,52 1,56

- среднелегированные сплавы с содержанием второго элемента 5,0%: элемент [\П Сг -> Со~> Си V Мо -» Мп -»

К„ 1,28 1,40 1,49 1,52 1,52 1,58 1,60

элемент А1 31 "П

К 1,65 1,75 1,83 1,91

- высоколегированные сплавы с содержанием второго элемента 10%: элемент N1 Сг ->• Со Мо Мп \Л/ ~> А1 ->

К„ 1,38 1,55 1,68 1,70 1,80 1,88 1,93 2,18 Во всех трех группах наилучшие результаты достигаются при легировании железа такими элементами, как алюминий, кремний, титан, вольфрам, а в целом при создании износостойких сплавов можно использовать элементы С, Сг, Мп, "П, А1, Си, В.

В результате проведенных исследований получены зависимости износостойкости для Метасистемы Ре-Э от предела растворимости второго компонента и от изменения периода решетки ос-Ре (рис. 3, 4):

Ки= 1,0+0,2SCp-0,031Cp2 К„= 1,06+907,63Аа-226355,65Ла2

Износостойкость сплавов железо-элемент на пределе растворимости добавок (Ср)

f^sci

f,2S f,/DO

> а

Рис. 3

Зависимость износостойкости сплавов железо-элемент на пределе растворимости.добавок от изменения периода решетки a-Fe (Adcp)

1,25

f,ao ______________

-аз - оя о о,г Q¿f 46 йсееА*го**м

Рис. 4

Зависимости могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с ранее известными, например для прочности, твердости, жаропрочности, при разработке новых сплавов с высоким комплексом основных механических и специальных свойств.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ТРОЙНЫХ СПЛАВОВ

Исследовали две группы тройных железных сплавов:

- железо-углеродистые сплавы при легировании их Mn, Cr, V, Ti, Мо;

- железо-хромовые сплавы Fe - Cr - Ni и Fe - Cr - Mn. Необходимо отметить следующие особенности данных сплавов:

- сплавы относятся к металлическим системам с ограниченными твердыми растворами;

(13)

(14)

Si к Гг- vv.

\ S^At >

- компоненты сплавов имеют различную растворимость в a-Fe, причем углерод весьма ограниченно растворим; марганец, никель, молибден, титан - более существенно; хром и ванадий неограниченно растворимы;

- все металлы тройных железоуглеродистых сплавов являются карбидо-образующиыи элементами и по сродству к углероду располагаются в следующий возрастающий ряд: Fe->Mn->Cr->Mo->V-»Ti.

Эти особенности накладывают отпечаток на формирование литой структуры, механических свойств и износостойкости сплавов.

Наиболее перспективными в качестве базовых композиций для создания износостойких сплавов являются железоуглеродистые сплавы (рис. 5, 6). Изучение поверхностей разрушения образцов из этих сплавов показало существенное влияние карбидной фазы на процесс изнашивания. Карбиды, особенно такие высокотвердые как (Cr,Fe)7C3, TiC, VC, МоаС затрудняют прямое внедрение и продвижение абразивных частиц. Поверхность износа у таких сплавов покрыта короткими неглубокими рисками. Наблюдаются следы проскальзывания частиц по поверхности образца. Вначале разрушается металлическая матрица, на которой возвышаются островки карбидной фазы, а затем, после многократного взаимодействия с абразивом - и сами карбиды.

Износостойкость тройных железо-углеродистых сплавов с марганцем (а), хромом (б), титаном (в), ванадием (г), молибденом (д)

Рис. 5

Связь износостойкости тройных сплавов Ре-С-Э (а) и Ре-Сг-Э (б) с коэффициентом твердости

к

е 5 4

3

2 /

г, о

0,050 Ц075 а ЮО qf25 К та

Рис. 6

В процессе разрушения сплавов Ре-С-Э наряду с карбидами немаловажна роль и металлической основы. Было определено, что износ резко снижается, если металлическая матрица имеет высокую твердость, прочно удерживает частицы карбидов и не деформируется при действии абразива. Поэтому сплавы с ферритной и перлитной основами при одном типе и количестве карбидов уступают по износостойкости сплавам с аустенитной, мартенситно-аустенитной и мартенситной основами.

Сравнение износостойкости тройных железоуглеродистых сплавов расположило элементы по влиянию на Ки в следующий возрастающий ряд: Мп->Сг-*Мо-»\Л-»И Наиболее сильно действует титан. Для достижения одинаковых значений К* его добавок нужно в несколько раз меньше, чем других элементов. Легирующие элементы 8 данном ряду, располагаются идентично своим местам в ряду по силе их карбидообразующей способности,- Это еще раз подтверждает силу влияния карбидной фазы в формировании износо-

стойкости как свойства гетерогенных сплавов.

У тройных железо-хромовых сплавов с Мп и в отличие от железоуглеродистых, механизм износа связан с прямым внедрением абразивных частиц вглубь поверхности и более длинному продвижению по ней со снятием стружки. Поверхность износа более грубая со следами глубоких протяженных рисок.

Отсутствие в структуре сильных упрочняющих фаз (карбидов) не позволяет достигать высоких значений износостойкости (рис.6,б; 7).

Износостойкость тройных железо-хромовых сплавов

Рис. 7

В данных сплавах только свойства твердых растворов определяют ее показатели. Причем Ки сплавов Ре-Сг-Мп существенно выше, чем у сплавов Ре-Сг-М. Одинаковых значений Ки можно достичь при содержании марганца в 1,5-2,0 раза меньше, чем никеля. Исследования по влиянию типа матрицы на К« железохромовых сплавов с Мп и N1 показали, что переход от однофазных структур (а или у) к двух-, трехфазным (а+у, а+у+а (е)) существенно повышает износостойкость. При анализе действия на Ки всех трех элементов установлено решающее влияние хрома, который непрерывно повышает износостойкость независимо от количеств марганца и никеля. Влияние марганца и никеля - экстремально. Максимум К„ в пределах 8,0 - 12,0 % для Мп и 4,0 -8,0 для №.

Обобщая результаты проведенных исследований можно сделать вывод о том, что наиболее высокой износостойкостью обладают сплавы с мартен-ситной, мартенситно-аустенитной или аустенитной матрицами,, в которых равномерно и изолированно друг от друга расположены высокотвердые частицы второй фазы, в частности специальные карбиды легирующих элементов.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И РАЗРАБОТКА ИХ НОВЫХ СОСТАВОВ

Современные белые износостойкие чугуны представляют собой многокомпонентные системы с целым набором структурных составляющих. Износостойкость их в первую очередь связана с наличием, количеством, типом и распределением избыточных карбидных фаз и строением эвтектик.

Ниже обобщены результаты исследования структуры, свойств и износостойкости более 70 составов белых сложнолегированных чугунов с содержанием элементов в следующих пределах, %: 2,1 - 3,9 С; 0,2 - 1,8 Si; 0,1 - 3,0 Мп; 10,0-33,0 Сг; 0,2-2,0 Ni; 0,2--2,0 Mo; 0,15-1,8 V; 0,02- 1,0 Ti; 0,2 -1,3 Си; 0,003 - 0,3 В; 0,001 - 0,01 Са-, 0,005 - 0,03 Sb.

Легирование. Оценка взаимосвязи между значениями износостойкости, прочности, твердости, микротвердости, количествами карбидов и остаточного аустенита, размерами карбидов и химическим составом исследованных чугунов, а также влияние отдельных легирующих элементов на выше приведенные характеристики сплавов, в частности на Ки, достаточно точно описываются квадратичными уравнениями:

К„ = 8,7+0,27C+1,15Si-0,31 Mn-0,001 Cr+0,65Ni-1,47Мо+ +3,05V+4,48Ti-3,26Cu-8,08B-660,04Sb-221157,1 Са--1,39C2-4,66Si2+0,43Mn2+0,12Cr-0,37Ni2+2,35Mo2--4,1 V2-4,4Ti2+3,1 Cu2+1,7B2+140,1 Sb2+146,2Caz (15)

crE=-782,0+509,6C-235,6Si+43,3Mn+57,9Cr-0,64Ni+ + 165,8Mo-157,4V+495,7Ti-27,5Cu+868,5B+5698,3Sb+ +37878i4Ca-93,0C2+18,9Si2-39,8Mn2-1,19Cr2-23,7Ni2--60,8Mo2+138,2V2-570,2Ti2+45,1Cu2-3459,6B2-

-132169,4Sb2-47661157,5Ca2, МПа (16)

HRC=107,3-8,52C-1,49Si-8,79Mn+0,009Cr-3,76Ni-2,25Mo--2,15V-23,2Ti-8,82Cu-492,2B-18925,7Sb-106619,OCa--48,5C2+7,96Si2+4,43Mn2-0,0110^+2,81Ni2+5,43Mo2+ +3,68V2+21,6Ti2+8,58Cu2+121,4B2+631, 0Sb2+686,9Ca2 (17)

Графическая интерпретация парных взаимосвязей показана на рис. 8-10.

В зависимости от содержания элементов литая структура высокохромистых доэвтектических чугунов представляет собой первичные кристаллы аустенита с продуктами его распада и эвтектику, состоящую из карбидов

Зависимость износостойкости белых чугунов от количеств карбидов и остаточного аустенита, микротвердости и среднего размера карбидов

Рис. 8

Влияние легирующих элементов на износостойкость белых чугунов

Ки 95 г,О ¿,5

5,0 #

Кч

№

5,0 15

гргГ

3,0

Сг^

/

/ а

3,5 0,%

1,6 22 ¿1 Ь-,%

!

/ л

//

\\

Г

о,}

0,5 ТгСи.'м

и

\\

2

ЩШ цд75о,он 5¿,% О 0,ас>г о,(ю4

2,н ьтт^схъ Пс1до1 о,оо 1 Рис. 9

0,0/

й.о

Зависимость износостойкости белых чугунов от их прочности, твердости и микротвердости матрицы

-3

-5'74УО

Рис. 10

ТОО

ОД . Л^/Т^У

^»е с

(Ре,Сг)уСз и аустенита, а заэвтектических чугунов - первичные карбиды (Ре.СфСз, (Ре,Сг)гзСб и эвтектику. Причем в эвтектике могут также присутствовать продукты распада аустенита - мартенсит, троостит, перлит. Наряду с карбидами (Ре.СфСз в сплавах с молибденом, титаном, ванадием выделяются карбиды (Ре,Мо)гС, УС, "ПС.

В чугунах с добавками Мо, V, В, Т'| уже в литом состоянии образуется мартенсит и его тем больше, чем выше содержание этих элементов. Максимальное количество мартенсита (~ 30 %) наблюдается у сплавов, одновременно легированных элементами в количестве до 1,0% Мо, 0,7% "П, 0,5% V, 0,015% В.

Большое влияние на показатели износостойкости, прочности и твердости белых чугунов оказывает характеристика карбидов при первичной кристаллизации. Введение в чугуны бора, сурьмы, кальция, как модификаторов в количестве до 0,015% каждого способствует измельчению карбидов, утончению и уменьшению длины их осей, равномерному распределению в структуре. Кроме этого, измельчаются и дендриты первичного аустенита. Это повышает свойства белых чугунов.

К факторам, снижающим износостойкость исследованных чугунов в литом состоянии следует отнести повышенные добавки кремния, марганца, никеля и выделение крупных разветвленных заэвтектических карбидов (Ре.СфСз, а также карбидов (Ре,Сг)2зСв при содержании Сг>25% и С> 3,5%.

Особенностью литого состояния данных комплекснолегированных хромистых чугунов является разнородное строение металлической матрицы. В ней наряду с аустенитом и мартенситом могут присутствовать троостит и перлит. Износостойкость чугунов с такой матрицей невысока (Ки=3,0-5,0) даже при наличии большого количества карбидов (25-30%).

При анализе влияния механических свойств на износостойкость чугунов выявилась весьма характерная особенность: одной механической характеристике сплава всегда соответствует несколько значений износостойкости. Это говорит о том, что ни одна из гостированных механических характеристик не может быть критерием оценки абразивной износостойкости белых чугунов. Видимо, каждая характеристика вносит свой вклад в величину износа и чтобы судить косвенно о роли каждой (ств или НЯС), проведен анализ их парных взаимосвязей.

Взаимосвязь предела прочности и твердости интересна тем, что это две прочностные характеристики из одной группы. Для данных сплавов характерна общая тенденция роста прочности с ростом твердости. Однако их вклад в износостойкость различен и более ощутим при их взаимном влиянии. При низких значениях твердости высокая износостойкость достигается при высоких значениях прочности и наоборот, при высокой твердости для достижения одинаковой износостойкости прочность может быть пониженной. Произведение Св-НРС может служить оценкой износостойкости хромистых комплексно-легированных чугунов. Данное предположение реализовано в виде номограммы (рис. 11), которая позволяет оценивать К„ сплавов данной группы.

Безусловно, такая номограмма не учитывает ряда частных особенностей изнашивания. Фактически схема взаимодействия абразивной частицы с ли-

Номограмма износостойкости чугунов с учетом их прочности и твердости

Рис. 11

той поверхностью отливки значительно сложнее. В связи с этим, важным фактором, определяющим процесс разрушения чугунов под действием абразивных частиц, будет соотношение, их твердости с твердостью абразива или величина Кта:

К.,= -3,77+61,25 Ктв - 69,72Ктв2 (18)

Высокое сопротивление внедрению абразивной частицы в поверхность контакта и продвижению в глубине ее связано с присутствием в структуре данных чугунов высокотвердых карбидов типа М7С3 и МС. В частности, твердость (Сг,Ге)7Сз=1400-2400. Н\/ сопоставима с твердостью электрокорунда (2300 НУ), а карбидов "ПС и УС (~3000 НУ) - выше. Рельеф поверхности разрушения чугунов с карбидами данного типа характеризуется наличием коротких неглубоких тонких прерывистых рисок.

При появлении в структуре карбидов цементитного типа в рельефе обнаруживаются ямки, которые образуются в результате выламывания и отрыва таких карбидов из металлической основы. Под действием абразивных частиц ямки укрупняются и процесс изнашивания интенсифицируется. Поэтому, чтобы иметь высокую износостойкость чугунов необходимо создать структуру с карбидами М7С3 и МС небольших размеров, равномерно и изолированно располагающихся в мартенситной или мартенситно-аустенитной матрице.

Задачу выбора оптимальных химических составов, обеспечивающих наилучшие сочетания механических свойств и износостойкости чугунов, решали с применением стандартных программ оптимизации пакета электронных таблиц, используя регрессионные зависимости'(15-17).

С целью проверки сходимости расчетных и экспериментальных данных провезли выплавку оптимизированных составов в заданных пределах по содержанию легирующих элементов и изучение их структуры и свойств. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по свойствам показало их достаточно высокую сходимость с разницей не более 15%. Подобный факт гово-

рит о возможности использования полученных математических моделей по взаимосвязи химического состава, структуры, свойств и износостойкости белых высокохромистых чугунов в практических целях для выбора их новых составов с учетом наличия тех или иных ферросплавов с легирующими элементами. Созданная в работе база данных поззоляет достичь этого без привлечения широкого эксперимента. В табл. 1 и 2 представлены механические и литейные свойства новых износостойких чугунов.

Таблица 1

Механические свойства чугунов в литом состоянии

Марка чугуна сгв, МПа HRC Ки

ИЧ300Х24МФДР 660-706 57-58 8,9-9,5

И4280X25ГНТД 630-680 53-56 8,1-8,8

ИЧ300Х24ТР 680-730 55-57 9,1-9,7

Таблица 2

Литейные и физические свойства чугунов

Линей- Жидко- Балл по

Марка Температура, ная текуч есть склон-

чугуна °С усадка, при ности к

% 1400°С, горячим

ликвидус сол иду с X, мм трещинам

ИЧ300Х24МФДР 1285 1242 1,95 435 2

ИЧ280Х25ГНТД 1300 1255 2,02 390 2

ИЧ300Х24ТР 1290 1250 1.92 405 2

Известный 1295 1265 1,94 350 3

ИЧХ28Н2

Все три состава обладают довольно высокими значениями износостойкости, что обусловлено инвертированием их структуры. Сферолиты эвтектических колоний в этих чугунах состоят из карбидного скелета, расположенного в аустенитной матрице, окружающей ветви карбида.

Технологические факторы. Присутствие в структуре белых чугунов карбидов типа М3С -и МгзСб, а также первичных карбидов, снижает износостойкость и другие свойства.

Одним из источников первичных заэвтектичееких карбидов является высокоуглеродистый феррохром, используемый для выплавки высокохромистых чугунов. Поступающие в расплав из такой шихты крупные карбиды, по-видимому, не успевают полностью раствориться при выплавке чугунов и остаются в структуре после затвердевания отливки. Проведенные в работе исследования показали целесообразность использования низкоуглеродистых марок феррохрома (табл. 3).

Но это не всегда может быть экономически оправдано. В таком случае можно применять, феррохром двух, марок - низкоуглеродистый и высокоуглеродистый. При использовании для выплавки белого чугуна высокоуглеродистых марок феррохрома ФХ650 и ФХ800 для улучшения свойств можно ре-

комендовать гомогенизирующую выдержку расплава при температуре 1500 -1550 °С в течение 5-15 мин. Это также снижает количество первичных карбидов и повышает износостойкость (табл. 4).

Таблица 3

Влияние марок феррохрома при выплавке на износостойкость белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД

№ Марка феррохрома Количество первичных карбидов; % Общее количество карбидов, % Твердость HRC Кц

1. ' ФХ025 2,6 35,0 57 9,0

2. ФХ100 4,7 34,0 55 7,3

3. ФХ850 13,7 ■ 35,0 53 6,8

4. ФХ800 15,8 35,0 54 6,3

5. ФХ025 + ФХ650 (50%) (50%) 6,1 34,0 55 8,2

6. ФХ025 + ФХ850 (50%) (50%) 8,3 35,0 55 8,0

Таблица 4

Влияние гомогенизирующей выдержки при выплавке на. износостойкость белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД

№ п/п Температура, °С Время выдержки, мин. Кол-во первичных карбидов, % Твердость HRC Ки

1. ' 1500 5 10,4 53,0 6,9

2. 1500 10 9,6 55,0 7,4

3. 1500 15 8,0 55,0 8,0

4. 1550 5 4,0 57,0 8,4

5. 1550 10 3,4 . 59,0 9,0

6. 1550 15 3,0 58,0 9,0

7. 1600 5 3,0 58,0 8,9

8. 1600 10 3,0 59,0 9,1

9. '1600 15 2,6 59,0 9,5

Большое влияние на формирование литой структуры и свойств отливок из белых чугунов оказывают температура заливки форм и скорость охлаждения отливок в формах (табл. 5, рис. 12).

Таблица 5

Влияние температуры заливки на износостойкость белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД

Свойство Температура заливки, "С

1350 1380 1410 1450 1480 1510 1540 1570

К 8,9 8,8 8,5 8,5 7,6 7,1 7,0 7,0

HRC 56 56 56 53 50 50 48 47

Влияние приведенного размера отливки и типа литейной формы на абразивную износостойкость, твердость и размер карбидов чугуна ИЧ280Х25ГНТД

х - песчано-глинистая форма, • - кокиль Рис. 12

Увеличение температуры заливки выше 1410 °С приводит к появлению зоны столбчатых кристаллитов и нежелательной морфологии карбидов. Карбиды выделяются крупными, разветвленных форм и неравномерно распределяются э структуре. Появляются участки оголенной матрицы. Это снижает износостойкость.

Кроме этого, высокие температуры заливки способствуют образованию пригара, в ряде случаев трудноудалимого, и трещин.

Влияние скорости охлаждения изучали через воздействие толщины стенки отливки, ее приведенный размер и тип литейной формы.

Снижение скорости охлаждения приводит не только к укрупнению карбидов, но и к увеличению дендритов первичного аустенита и расстояния между карбидами е эвтектике. Это снижает свойства чугунов. Влияние скорости охлаждения на абразивную износостойкость чугунов проявляется через дисперсность литой структуры и возможность получения требуемой структуры непосредственно после литья.

Металлическая основа исследованных высокохромистых чугунов состоит из аустенита и продуктов его распада (мартенсита, троостита, перлита). Количество продуктов распада аустенита определяется в первую очередь химическим составом и условиями кристаллизации. Элементы, стабилизирующие аустенит в эвтектоидном интервале температур (N1, Мп, Си, Мо), способствуют увеличению доли мартенсита и троостита в литом состоянии, а при закалке позволяют получать чисто мартенситную матрицу. Особенно ярко это проявляется при комплексном легировании белых чугунов элементами, повышающими его закаливаемость и прокапиваемость (N1, Мо, Си, Мп, В, Т1).

С целью управления абразивной износостойкостью чугунов при термической обработке были проведены обширные эксперименты.

Часть литых образцов была подвергнута отпуску при температурах 100, 200, 300, 400, 500, 600 °С в течении 2 часов, а другая часть - нормализации при'температурах 950, 1000, 1050, 1100 °С и времени выдержки 1, 3, 5 часов.

При повышении температуры нагрева под нормализацию от 950 до

1100 °С и времени выдержки от 1 до 5 часов твердость и износостойкость изменяются по кривым с максимумами, так как растворение карбидов в ау-стените приводит к его обогащению углеродом и легирующими карбидообра-зующими элементами. В начале твердость и износостойкость растут из-за увеличения твердости мартенсита, а затем начинают снижаться в результате возрастания количества остаточного аустенита. Максимальные значения этих свойств для всех трех чугунов наблюдаются в районе температур 950-1050 °С. Фазовый состав чугунов после нормализации представлял собой карбиды (Fe,Cr)7C3, мартенсит достаточный аустенит. Структура - двойная эвтектика, состоящая из первичных и вторичных карбидов (Fe,Cr)7C3 и мартенсита с остаточным аустенитом, мартенситная или мартенситно-аустенитная матрица.

Выбор оптимальной температуры отпуска является важным фактором в обеспечении высоких свойств износостойких отливок особенно из чугунов, способных к вторичному твердению. Результаты эксперимента показали что разработанные составы чугунов склонны к повышению твердости при отпуске в интервале температур 300 -400 °С. Для определения природы вторичной твердости новых износостойких чугунов проводили их фазовый анализ после отпуска при вышеуказанных температурах: Было установлено, что повышение твердости связано с распадом остаточного аустенита в литой структуре чугуна.

На основании анализа раздельного влияния температур отпуска и нормализации на свойства чугуна были установлены рациональные области изменения этих факторов для выбора оптимального режима термической обработки новых чугунов: температура закалки 950 -1050 °С, температура отпуска 300 - 400 °С, время выдержки 1 - 3 ч.

После планирования, проведения и обработки результатов дробного факторного эксперимента типа ДФЭ 24"1 получили адекватные регрессионные зависимости свойств чугуна от параметров термической обработки:

К, = 0,71 + 0,009t3 - 0,003тотп+ Q,42tV 0,029т2ог„ (19)

HRC = 33,3 + 0,026Í3 +• 0,003tOTn + 1,05t2, - 0,1т2отп (20)

Данные зависимости позволили оптимизировать режим термической обработки:. нормализация от 1050 °С после выдержки в течение 3 часов и отпуск при 350 °С в течение 2 часов. В табл. 6 приведены свойства новых чугунов в термически обработанном состоянии.

Таблица 6

. Свойства чугунов в термически обработанном состоянии

Чугун К« HRC св, МПа KCU, МДж/м'

ИЧЗООХ24МФДР 10,7-11,4 64-66 800-850 0,23-0,30

ИЧ280Х25ГНТД 9,8-10,6 63-65 790-820 0,27-0,33

ИЧ300Х24ТР 9,5-10,4 62-64 750-780 0,20-0,23

Известный ИЧХ28Н2 5,8 50 520 0,31

Принимая во внимание результаты исследований о влиянии нормализации и отпуска на твердость и износостойкость высокохромистых чугунов, проведено сравнение свойств чугунов после нескольких видов режимов термиче-

ской обработки с целью последующей возможности выбора того или иного режима в зависимости от требований к свойствам отливок и условий их производства. Результаты сравнительного исследования показали, что в ряде случаев дорогостоящую операцию - нормализацию можно не применять, а подвергать отливки отпуску при температуре 300-400 °С. Использовать отливки без термической обработки также не рекомендуется вследствие высоких остаточных напряжений, которые могут способствовать их разрушению в рабочих условиях.

Таким образом, исследования по влиянию технологических факторов на износостойкость чугунрв показали возможность и необходимость управлять этим свойством в процессе производства отливок.

Разработанные новые составы износостойких чугунов защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Они прошли широкое опытно-промышленное -опробование и внедрение в условиях Волжского ли-тейно-механического завода, Челябинского производственного объединения "Трубодетапь", Челябинских тракторного завода и завода им. С.Орджоникидзе, Ярославского ПО "ЯЗМЗ", Качканарского завода по ремонту горного и обогатительного оборудования и Качканарского горно-обогатительного комбината при изготовлении отливок дробеметных камер (лопасти, импеллеры, распредкамеры), Песковых; грунтовых, шламовых насосов (рабочее колесо, корпус, защитныйдиск) и других.

По результатам исследований с целью повышения износостойкости деталей насосов внесены изменения в состав чугуна в ТУ 26-06-1484-87 "Отливки из чугуна ИЧХ28Н2 для деталей насосов" (извещение об изменении ТУ-06-1484-87 № 3 (53) от 18.09.91 г. НПО ВНИИГидроМаш).

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

С целью обоснованного выбора эффективных путей повышения эксплуатационной стойкости деталей проведено комплексное исследование по влиянию легирования, модифицирования и некоторых технологических факторов на структуру, механические свойства, износостойкость литых комплексноле-гированных высокомарганцевых сталей.

Анализ причин выхода из строя отливок горно-металлургического оборудования (детали дробилок, ковшей экскаваторов, скрубберов и т.п.) из стали 110Г13Л показал, что основная из них - абразивный износ. Поэтому повышение абразивной износостойкости аустенитных марганцевых сталей без заметного снижения основных свойств существенно повысит ресурс работы оборудования, машин, механизмов. .

Разработка технологии внепечного модифицирования стали 110Г13Л с целью повышения износостойкости отливок

Одним из способов повышения износостойкости является регулирование

характеристик кристаллической структуры и микроструктуры стали и отливок.

Высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л сочетает в себе низкую теплопроводность, достаточно большую линейную скорость кристаллизации и усадку, обладает повышенной склонностью к столбчатой кристаллизации, имеет крупнозернистое строение с карбидами, расположенными преимущественно по границам зерен металла. Измельчить структуру последующей термической обработкой практически невозможно, так как сталь не претерпевает фазовых превращений. Существенного улучшения первичной литой структуры сталей данного типа можно достичь за счет операций комплексного раскисления и модифицирования.

В качестве модификаторов были выбраны три высокоактивных элемента "Л, V, Са, обработка которыми жидкой стали позволила совместить известные виды модифицирования, что привело к ограничению роста кристаллитов, образовании? дополнительных центров кристаллизации, изменению морфологии неметаллических включений.

С целью определения оптимальных концентраций этих элементов на первом этапе методом фракционной разливки исследовали раздельное влияние П до 0,24%, V до 0,19%, Са до 0,022% на структуру и свойства стали 110Г13Л. Было установлено одинаковое влияние элементов на свойства и износостойкость, характеризующееся экстремальным характером изменения свойств.

' На втором этапе изучали комплексное модифицирование. При этом важным является не только количество вводимых добавок, но и порядок их ввода, так как эти элементы обладают различной активностью по отношению к кислороду, сере, азоту.

Исследовали четыре варианта подачи раскислителей - модификаторов:

1. Первым на желоб под струю жидкого металла подавали ферротитан, затем смесь силикокэльция и феррованадия.

2. Первым подавали феррованадий, затем смесь ферротитана и силико-кальция.

3. Первым подавали ферротитан, затем феррованадий и в последнюю очередь - силикокальций.

4. Первым подавали силикокальций, затем смесь феррованадия и ферротитана.

Порядок ввода существенно сказывается на усвоении модификаторов. Введение первым одного из них приводит к снижению усвоения этого элемента расплавом, т.е. его повышенному угару. Особенно сильно угорает кальций. Введение первым феррованадия на 25—50% увеличивает его угар. С этой точки зрения порядок ввода РеП, БЮа +■ Ре\/ дает лучшее усвоение модификаторов, чем остальные способы ввода ферросплавов. Максимальная загрязненность стали, как общая, так и границ зерен, наблюдается при вводе модификаторов по второму варианту: общая загрязненность возросла на 20%, а загрязненность границ зерен - на 40%, что ведет к снижению пластических и вязкостных свойств.

Предел прочности на растяжение и предел текучести при всех вариантах ввода добавок остаются близкими, а пластические и вязкостные свойства

наихудшие при втором варианте ввода. Износостойкость в первом случае выше на 4%, чем при введении первым силикокальция и на 25% по сравнению с введением первым феррованадия. Лучшие свойства имеют стали, в которых первым вводился ферротитан, а наихудшие - при введении первым феррованадия. Ввод первым силикокальция приводит к практически полному его окислению. Сталь при этом менее загрязненная. Однако структура получается крупнозернистая и повышения механических свойств не наблюдается, а износостойкость и ударная вязкость даже снижаются.

Наиболее рациональным является введение ферросплавов в следующей последовательности: ферротитан, силикокальций + феррованадий.

При этом остаточное содержание модификаторов в стали должно быть Т|=0,06-0,15%; У=0,02-0,2%; Са=0,005-0,01%.

Обработка стали 110Г13Л тройным комплексом И+\/+Са существенно изменила ее литую структуру. Наряду с измельчением макро- и микроструктуры, изменилась морфология карбидов. Исчезла карбидная сетка, характерная для структуры стали 110Г13Л, уменьшились размеры карбидов, более благоприятным (равномерным) стало их распределение между границей и телом зерна. Это существенно облегчает растворение карбидов при термообработке и способствует получению гомогенной аустенитной структуры. Микроструктура модифицированной стали 110Г13Л представляет собой аустенит с зерном 4-5 балла. Неметаллические включения глобулярной формы, малых размеров (до 12 мкм), располагаются внутри зерна равномерно без скоплений.

В процессе исследований было установлено важное влияние загрязненности границ зерен на износостойкость. Чем больше включений расположено на границе зерен, тем ниже Ки стали. Подобный факт для износостойкости отмечен впервые, хотя для других свойств (прочность, пластичность) это известно.

Разработанная технология внепечного комплексного модифицирования стали 110Г13Л защищена патентом Российской Федерации и внедрена в условиях литейного производства АО ММК. Срок службы отливок горнометаллургического оборудования при этом увеличился в 1,5-1,6 раза (щеки и конуса дробилок, брони, облицовки и др.)

Повышение абразивной износостойкости за счет разработки нового состава стали

Химический состав и-свойства аустенитных сталей

Выбор рациональных пределов концентраций легирующих элементов был проведен на основе анализа влияния легирования на свойства и износостойкость двойных и тройных железных сплавов, литературно-патентных данных с учетом реальных условий работы деталей. Пределы их содержаний в опытных сплавах следующие, % масс: 0,5-1,3 С; 0,17-1,35 51,- 5,0-12,5 Мп,-1,0-5,9 Сг; 0,01-0,35 V, 0,01-0,31 "П. В процессе подготовки расплавов сталей проводили их обработку в ковше силикокальцием на остаточное содержание кальция 0,001-0,01%. Для получения аустенитной структуры стали подверга-

ли термической обработке по режиму: закалка в воде от 1100 °С.

Исследовано более 30 составов хромо-марганцевых аустенитных сталей с различным содержанием легирующих элементов в вышеуказанных пределах {рис. 13).

К* = 1,81+6,24С-0 9731+0,18Мп+0,26Сг+1,97У-5,3271-

-3,41С2+0,5031-0,01Мп2-0,020^-8,01У2+20,57Т12 (21)

ав = 146,9+1057, ОС-170,93(+13,2Мп+69,5Сг+540,7\/-869,4~П-

-566,0С2+106,051г+0,37Мп2-7,48Сг2-2797,5У2+3806,6"П2 (22)

КСУ= 0,57+0,68С+0,2231-0,05Мп-0,04Сг-0,04У+0,75Т|-

-0,52С2+0,043р+0,01Мп2~0,010^+2,74Уг-2,9"П2 (23)

НВ= 96,3+176, ОС-8,5551+0,65Мп+10,5Сг+286,2У-129,6"П-

-88.5С2—6,2512+0,002Мп2-0,45Сг2~1100,8\/2+696,1"П2 (24)

Влияние легирующих элементов на износостойкость сталей Км

г,о !,5

»

о ~$5 $0 Мп'°/в

2,00 №

1,5 __________________________

О О,Об £>А2 0,16 а,29 Т1,у,%

%0 2,0 3,0 4 0 5,0 Сг,%

РИС. 13

Микроструктура всех сталей - хромо-марганцевый аустенит с карбидами (Ре, Сг)3С, (Ре, Мп,Сг)3С, (Рерг)7С3. В зависимости от содержания хрома и марганца и их соотношения меняется количество, тип и расположение карбидов. Негативную роль в морфологии карбидов играет кремний. В сталях с его

N Сгу^ /V уу

Ту/

содержанием более 0,4% в литом состоянии карбиды покрывают границы аустенита практически сплошной сеткой. Термическая обработка лишь частично устраняет эти пограничные выделения. Поэтому все основные свойства стали: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость и износостойкость при увеличении содержания кремния снижаются. Для обеспечения удовлетворительных свойств необходимо ограничить содержание кремния в хромо-марганцевых сталях до 0,4%.

Углерод влияет на все свойства экстремально с максимумом значений в интервале 0,6... 1,0%. Увеличение содержания марганца ведет к монотонному изменению свойств.

Специфическим оказалось влияние хрома, отличное от результатов других исследований. Хром повышает прочность, твердость, износостойкость во всем интервале изученных концентраций. Ударная вязкость повышается при содержании хрома до 3%, затем резко падает.

Сложный характер носят зависимости свойств от введения в сталь ванадия и титана. При их содержании до 0,06% прочность, твердость и износостойкость снижаются, а при увеличении до 0,24% наблюдается резкий рост. Последующее увеличение концентраций титана и ванадия приводит к скачкообразному падению этих показателей. Обратная картина наблюдается для пластических свойств и ударной вязкости сталей, которые непрерывно возрастают до 0,18% содержания ванадия и титана, и лишь затем снижаются. Следует отметить идентичный характер влияния титана и ванадия на все свойства сталей.

Анализ результатов исследований и их сравнение с ранее полученными для чистых металлов, двойных, тройных сплавов и чугунов, показывает, что для данных сталей прочностные свойства также являются основой абразивной износостойкости. Наиболее высокой абразивной износостойкостью обладают стали с высокими значениями прочности, предела текучести, твердости, ударной вязкости, коэффициента качественности К - ств-

Взаимосвязь механических свойств и износостойкости. При выборе составов износостойких сталей для изготовления отливок, работающих в сложных условиях совместного действия динамических, статических, знакопеременных нагрузок при воздействии на их поверхность абразива, необходимо учитывать не только уровень всех показателей механических свойств, но и их взаимосвязь.

Проведенные расчеты позволили получить адекватные регрессионные зависимости, описывающие эти взаимосвязи (рис. 14, 15).

С увеличением твердости сталей происходит повышение пределов текучести, прочности, износостойкости. В свою очередь износостойкость повышается с ростом критерия К = ав- "Р, а прочность - с увеличением предела текучести. ;

Результаты исследований и расчеты позволили построить номограмму износостойкости хромо-марганцевых сталей в связи с их прочностью и твердостью, которая, как и вышеприведенная для белых чугунов может использоваться для предварительной оценки К, сталей данного структурного класса (рис. 16).

Связь износостойкости сталей с прочностью, твердостью, ударной вязкостью (а), коэффициентом К, баллом зерна (б)

2.23"

а —г~

10&

ячо не

г, 4 КС ЧМАж/нг *

К*

2,25

&

г1

26 К'(СГе Ч')/о

1 2 „ З 6

исгл-л зернсг , ¿х

Рис. 14

Взаимосвязь свойств аустенитных Сг-Мп сталей

мпо

___

-Ж? С» АбО

2/О

КСУ. МДж/!»*

11*0

не

еео

9ЧО О в, мПо

Рис. 15

Номограмма износостойкости Сг-Мп аустенитных сталей в связи с их прочностью и твердостью

г. г г. о

'А

/ео /во гоо его нв Рис. 1.6

На первом этапе, когда единичная частица под действием нагрузки стремится внедриться в поверхность, мерой сопротивления ее внедрению будет твердость. В дальнейшем при перемещении внедрившейся частицы мерой сопротивления ее движению является прочность.

Характер связи абразивной износостойкости исследованных сталей с коэффициентом твердости подобен таким же зависимостям для вышеизучен-ных сплавов:

Кц=53,6-1780,5Ктв+19837Кта2-71665,7Кте3 (25)

В отличие от белых высокохромистых чугунов в структуре данных сталей нет такого количества высокотвердых карбидов. Их твердость намного ниже. Рельеф поверхности разрушения более грубый со следами многочисленных рисок, что говорит о прямом внедрении и разрушении под действием абразива.

Определение оптимальных концентраций элементов в износостойкой стали проводили по вышеописанной методике. Для этого использовали регрессионные зависимости (21-24).

Пределы ограничений на содержание элементов и свойства выбраны исходя из анализа парных регрессионных зависимостей и предыдущих результатов исследований. При этом поочередно определяли химический состав стали, обеспечивающий максимум одного из свойств при заданных ограничениях на другие свойства. В результате проведенных расчетов была разработана, выплавлена и исследована новая износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ.

Микроструктура стали в литом состоянии представляет собой зерна ау-стенита с размерами от 1 до 5 баллов и карбиды, которые расположены как по границам, так и внутри зерен. После термической обработки - гомогенный аустенит. Карбиды по границам зерен отсутствуют. Свойства стали в термически обработанном состоянии следующие:

ае=780-840 МПа; ао,2=440-480 МПа; 5=18-21%;

¥=23-26%; НВ=200-230; К„=1,6-2,0.

КСУ+2о=0,95-1 ,4 МДж/м2; КСУ"6о=0,4-0,5 МДж/м2;

Разработанный состав стали 90Х2Г9АФТЛ защищен патентом Российской Федерации и внедрен для изготовления износостойких отливок в условиях литейного производства АО ММК.

Большое влияние на структуру и основные механические свойства отливок из сталей аустенитного класса оказывает скорость охлаждения в формах, что достаточно широко рассмотрено в научной литературе. Данных же по влиянию этого фактора на абразивную износостойкость довольно мало. Проведенные автором исследования дополняют эти сведения (рис. 17).

Вшяние приведенного размера отливки и типа литейной формы на абразивную износостойкость и твердость стали 90Х2Г9АФТЛ

к„ не

2,5 225

2,0

но

(.5 195

3 5 7 5 И ап,мм

х-яшано-глинистая ¿рерма, »-кокиль

Рис. 17

Увеличение скорости охлаждения существенно повышает износостойкость отливок, полученных как в песчано-глинистых формах, так и в кокилях. Однако падение свойств при снижении скорости охлаждения менее заметно для кокильных отливок по сравнению с литьем в ПГФ. Это особенно важно при выборе условий охлаждения отливок с различными толщинами стенок с целью управления их износостойкостью.

Отливки, полученные из стали 90Х2Г9АФТЛ, имеют износостойкость в 1,6-2,0 раза выше, чем отливки из стали 110Г13Л. Это связано с большей способностью данной стали к поверхностному упрочнению, чем стали 110Г13Л (рис. 18). Способность стали к поверхностному упрочнению определяли методом вдавливания стального шарика диаметром 10 мм в поверхность образцов на прессе Бринелля при нагрузке 0,03 МН. Твердость в центре лунки измеряли на приборе Виккерса.

Для достаточной работоспособности отливок из износостойких сталей важен не только уровень показателей механических свойств, но и их взаимосвязь. Проведенные исследования позволили получить основные закономерности взаимосвязи механических свойств стали 90Х2Г9АФТЛ:

<ТВ =418,41 + 1.43НВ (26)

00,2=61,40+ 1.75НВ сте/о0,2 = 231 - 0.003НВ К(СГв-Ч') = -12428,8 + 135,8НВ Ки = -0,19 + 0.008НВ К = -0,48 + 0.00012К Ки = -5,73 + 0,01ав Кя = -1,97 + 0,08cj0,2 = 419,54 +0,7 сг0,2

Зависимость твердости сталей 90Х2Г9АФТЛ (1) и 110Г13Л (2) от числа вдавливаний шарика

HV

воо 500 400

зоо

SOD

а 2 4 6 S

Число Sda&ALiSaMtJL/ ¿¿/фрика

Рис. 18

С увеличением твердости стали происходит повышение предела текучести, прочности, критерия К-сгв-*Р, коэффициента относительной износостойкости. Износостойкость стали повышается с ростом критерия К = сгв • Т, а прочность - с увеличением предела текучести.

Следует отметить, что износостойкость стали определяется комплексом механических свойств, и наибольшие ее значения будут при максимальных., значениях прочности, предела текучести, твердости.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе теоретических, экспериментальных, промышленных исследований, а также результатов опробования и внедрения, изложенных в материалах диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Изучена и показана связь абразивной износостойкости чистых элементов с их положением в Периодической системе Д.И.Менделеева и получена периодическая зависимость Ки от номера элемента. Зависимость имеет синусоидальный характер с платообразными максимумами. В каждом периоде таких максимумов может быть от одного до трех. Предложена классификация элементов по износостойкости:

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

У Ai. ——rt-т

: //

л

- высокоизносостойкие с нижней границей По железу: Ве, В, И, Сг, Мп, Ре, Со, Мо, Ии,, Шт, W, Яе, Оэ, 1г;

- износостойкие с нижней границей по меди: 81, V, Си, ве, ЫЬ, Hf, Рс1, Р1;

- слабоизносостойкие: Мд, А1, 2п, У, Ад Сс1, Бп, вЬ, Аи, РЬ, Вг

Предложенная классификация может использоваться при выборе элементов в качестве основы износостойкого сплава и при выборе легирующих элементов для данной основы.

2. Сопоставление периодических зависимостей износостойкости, прочности, твердости, модуля упругости, металлического радиуса и др. от номера элемента показало их идентичность. Экстремальные точки зависимостей практически совпадают. Это показывает на взаимосвязь износостойкости с физико-механическими свойствами чистых элементов.

3. Изучена и установлена связь абразивной износостойкости чистых элементов с основными механическими свойствами, типом и параметрами кристаллической структуры. Показано, что К* чистых элементов зависит от их прочностной основы: износостойкость тем выше, чем выше значение прочности, твердости, предела выносливости, модуля упругости. Получены математические зависимости, адекватно описывающие эти связи.

4. Построен ряд по силе влияния отдельных показателей механических свойств на износостойкость чистых металлов: Нд-» сгв н> НВ -> ар; -> Е. Получены ряды износостойкости металлов, наиболее широко использующихся в качестве основ сплавов:

-легкоплавкие сплавы: РЬ Бп -» Сс1 -> 2п;

- легкие: Мд А! "П Ве;

- тяжелые:,Си -> № -> Ре -»Со;

- тугоплавкие: ЫЬ V Сг■-» Мо УУ;

- благородные: Аи -> Рс) -> Ад Р1;

5. Исследованы и получены новые научные результаты по износостойкости двойных и тройных литых железных сплавов. Они могут использоваться в качестве базы данных для оценки влияния легирующих элементов на износостойкость железа и для выбора их концентраций как при создании новых износостойких сплавов, так и для повышения этого свойства у известных. Построены ряды легирующих элементов по их влиянию на износостойкость железа для низко-, средне- и высоколегированных сплавов. В этих рядах элементы могут занимать различные места в зависимости от их влияния на структуру и свойства при том или ином содержании.

6. Получены зависимости "износостойкость - состав" и "износостойкость - изменение периода решетки а-Ре" для метасистемы железо-элемент на пределе растворимости добавок. Показано, что решающий вклад в повышение износостойкости вносят элементы, существенно отличающиеся от железа размерами и строением атомно-кристаплических решеток, то есть элементы, дающее наибольшее упрочнение.

7. Абразивная износостойкость двойных и тройных железных сплавов является структурно-чувствительным свойством и определяется свойствами

металлической матрицы и промежуточных фаз. Наиболее высокой износостойкостью обладают сплавы с мартенситной или мартенситно-аустенитной матрицей и высокотвердыми частицами второй фазы. Износостойкость гомогенных сплавов существенно ниже износостойкости гетерогенных, но в любом случае с увеличением степени легирования износостойкость твердых растворов увеличивается. В гетерогенных сплавах износостойкость определяется типом матрицы и структурных составляющих и их свойствами. В таких сплавах износостойкость может и увеличиваться, и уменьшаться. Сила влияния элементов на износостойкость тройных железоуглеродистых сплавов напрямую связана с их сродством к углероду. Чем выше сродство к углероду легирующего элемента, тем эффективнее его влияние. Ряд по влиянию карбидо-образующих элементов на К„ тройных железоуглеродистых сплавов выглядит следующим образом: Мп ->Сг -»Мо -»V -»"П. В тройных железохромистых сплавах марганец действует сильнее никеля.

8. Установлена взаимосвязь износостойкости и прочностных характеристик (прочности и твердости) двойных и тройных литых железных сплавов. Причем, при одной и той же твердости износостойкость тем выше, чем выше прочность, но при одинаковых значениях прочности увеличение твердости не всегда ведет к повышению Ки. Это связано с перенапряжением матрицы и возрастанием доли хрупкого разрушения поверхности износа под действием абразивных частиц. В целом, чем больше у сплавов комплекс прочностных свойств, тем выше их абразивная износостойкость.

9. Проведены исследования и получены новые научные результаты по износостойкости белых высокохромистых чугунов с эвтектикой на базе карбидов М?Сз и дополнительно легированных Мп, Мо, V, "П, Си, В, ЭЬ, Са, которые могут использоваться в качестве базы данных для выбора новых составов. Заданный комплекс свойств наиболее высок только у чугунов с многофазной структурой. Поэтому основным требованием к их структуре является гетерогенность.

10. Назначение легирования белых износостойких чугунов - упрочнение твердого раствора и образование раздробленных карбидов минимальных размеров и равномерно располагающихся в металлической матрице. Это достигается за счет выбора оптимального легирующе-модифицирующего комплекса. Причем необходимо учитывать влияние элементов на структуру и свойства чугунов как в литом, так и в термообработанном состояниях. Элементы, способствующие увеличению прокаливаемости и закаливаемости чугунов и не снижающие при этом точки начала мартенситного превращения (Мо, V, "П, В), повышают количество мартенсита в питой структуре и, наряду с образованием своих карбидов, повышают износостойкость, прочность, твердость. Элементы, увеличивающие прокаливаемость и закаливаемость чугунов и снижающие точку Мн(Мп и №), увеличивают долю остаточного аустени-та в литом состоянии и снижают износостойкость. При термической обработке (закалке) все эти элементы действуют одинаково и способствуют получению мартенситной структуры. Поэтому выбор легирующего комплекса необходимо связывать с наличием или отсутствием упрочняющей термической обработки износостойких чугунов.

11. Наибольшее влияние на износостойкость и прочностные характеристики белых чугунов оказывает морфология карбидной фазы при первичной кристаллизации. Модифицирование сплавов небольшими количествами бора, сурьмы, кальция измельчает карбиды, утончает их, уменьшает длину осей, способствует более равномерному распределению в матрице с образованием своеобразного армирующего наполнителя. Наряду с этим происходит измельчение и кристаллов первородного аустенита как в матрице, так и в ау-стенитохромистокарбидной эвтектике. Высокой абразивной износостойкостью обладают чугуны с мартенситной матрицей и карбидами типа М7С3 и МС.

- 12. Установлена взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости комплекснолегированных белых высокохромистых чугунов. Получены математические зависимости, описывающие эти взаимосвязи и позволяющие оптимизировать составы сплавов на заданные свойства. Показано, что основой износостойкости исследованных чугунов являются их прочностные свойства. Построена номограмма износостойкости белых высокохромистых чугунов в связи с их прочностью и твердостью, позволяющая оценивать их износостойкость.

13. Изучено и показано влияние ряда технологических факторов на износостойкость чугунов, что дает возможность управлять этим свойством в процессе производства отливок, в частности:

- установлено, что выплавка чугунов с использованием в шихте высокоуглеродистых марок феррохрома снижает износостойкость вследствие выделения первичных заэвтектических карбидов; для устранения этого рекомендуется гомогенизирующая выдержка расплава при температурах 15001550 °С в течение 5-15 мин. или использование низкоуглеродистых марок феррохрома;

- изучено влияние температуры заливки форм на износостойкость и выбраны оптимальные температуры, обеспечивающие благоприятное сочетание характеристик литой структуры и свойств чугунов;

- определено влияние скорости охлаждения отливок в формах на износостойкость и установлено, что управляя этим фактором, можно получить требуемые структуру и свойства непосредственно после литья;

- исследовано влияние режимов термической обработки на структуру и свойства сплавов и выбран оптимальный режим, позволяющий получать мартенситную матрицу; показано, что в ряде случаев закалку сплавов можно не проводить, а применять только отпуск; это возможно благодаря высоким исходным свойствам чугунов в литом состоянии;

- исследованы и определены основные литейные свойства оптимальных составов чугунов, которые удовлетворяют получению из них качественных отливок.

14. Разработаны, прошли широкое опробование и внедрены в производство новые составы износостойких чугунов, защищенные авторскими свидетельствами и патентом Российской Федерации на изобретения.

15. Изучена и показана взаимосвязь технологических факторов, химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости комплекснолегированных аустенитных хромомарганцевых сталей:

- статистический анализ плавок сталей методами переплава и окисления показал несущественную разницу в их химическом составе, структуре и свойствах, что делает эти два метода равноценными и дает возможность их применения в зависимости от характера производства высокомарганцевого литья;

- разработана технология комплексного раскисления - модифицирования высокомарганцевых сталей, позволяющая существенно улучшить износостойкость отливок из них в рабочих условиях; установлены порядок ввода и количество вводимых добавок, а также особенности формирования литой структуры под их воздействием;

- показано влияние общего индекса загрязненности и индекса загрязненности границ зерен неметаллическими включениями, балла зерна на износостойкость сталей и установлено, что для достижения высоких свойств необходимо иметь балл зерна не ниже 3, общий индекс загрязненности не выше 0,020 и отсутствие включений по границам зерен.

16. Изучено влияние содержаний С, 3», Мп, Сг, V, "П на структуру, механические свойства и износостойкость литых комплекснолегированных аусте-нитных сталей. Определены оптимальные концентрации легирующих элементов и оптимизирован на заданные структуру и свойства новый состав износостойкой стали, защищенный патентом Российской Федерации. Сталь сочетает в себе высокие механические и эксплуатационные свойства. Показаны особенности влияния легирующих элементов ка литую структуру, механизм разрушения исследованных сталей под действием абразива, что дает возможность управлять их свойствами через химический состав.

17. Существенное влияние на износостойкость оказывают механические свойства сталей, а также их взаимосвязь. Наиболее высокую износостойкость имеют стали, у которых высокие значения всех основных механических свойств (прочности, предела текучести, твердости, вязкости), но особенно прочностных. По силе влияния на износостойкость на первом месте стоят именно прочностные характеристики сплавов. Поэтому получение гарантированно высоких механических .свойств литых сталей обеспечивает и их высокую износостойкость, что подтверждает номограмма износостойкости.

18. Опытно-промышленное опробование и внедрение стали в производство износостойких отливок горно-металлургического оборудования показало стойкость в 1,6-2,0 раза выше, чем стойкость отливок из стали 110Г13Л и дало ощутимый экономический эффект порядка 200 млн.руб/год в ценах 1996 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя общие итоги проведенной работы, необходимо отметить, что несмотря на внешнее различие в объектах исследования (чистые металлы, двойные, тройные железные сплавы, многокомпонентные чугуны и стали), работа объединена единством методологического подхода к анализу сложных процессов формирования износостойкости как свойства сплавов. Единство подхода состоит в изучении процессов, развивающихся при становлении структуры и свойств реальных литых металлических сплавов в одинаковых

условиях исследования.

Изложенный в диссертации материал охватывает не все факторы, которые определяют условия, качественную картину, механизмы и критерии износостойкости чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей. Эта многофакторная проблема еще не имеет той стадии законченности, когда по полученным данным можно было бы сделать окончательный вывод. Однако научная и практическая значимость исследований по изучению абразивного изнашивания до сих пор не потеряла своей актуальности, особенно для литых материалов.

Ключевым вопросом, исследуемым в настоящей работе, заявлена абразивная износостойкость литых железных сплавов, хотя достаточно подробно, особенно по части двойных, тройных и многокомпонентных сплавов, рассмотрены и другие основные свойства. Поэтому в целом ряде решенных прикладных задач учитывали весь комплекс физико-механических и литейных свойств и их взаимосвязь между собой, износостойкостью и структурой.

Анализ характера влияния легирования на абразивную износостойкость двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей показывает практически одинаковый механизм формирования ее значений. Элементы, упрочняющие сплавы за счет растворного легирования и образования промежуточных фаз, наиболее существенно повышают износостойкость. Большую роль играет и дисперсность литой структуры, которой можно управлять в процессе производства сплавов.

В характере влияния основных механических свойств на износостойкость чистых металлов и сплавов также прослеживается одинаковый механизм и наблюдается тесная взаимосвязь всего комплекса свойств и износостойкости. Но основополагающей здесь является прочностная основа.

; На основании этого можно сделать вывод об одинаковой природе абразивной износостойкости для чистых металлов и сплавов, что несколько упрощает их выбор для конкретных условий работы.

Представленные в диссертации расчетные данные позволяют глубже вникнуть в сущность процесса абразивного изнашивания и производить предварительную оценку износостойкости сплавов. Это дает возможность повысить эксплуатационные характеристики машин и механизмов, где используются износостойкие детали, увеличить срок их службы, сократить расходы на производство и ремонт.

В работе показано также, что широко использующиеся литейщиками методы управления структурой и свойствами литых сплавов могут быть с успехом применимы и к управлению износостойкостью, в частности, в процессах выплавки, конечных операций раскисления-модифицирования, запивки и охлаждения форм, термической обработки. Установленные закономерности взаимосвязи данных факторов и износостойкости позволят обоснованно выбирать нужные технологические параметры, обеспечивающие высокий уровень данного свойства.

Основные научные и практические результаты по диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.М.Колокольцев. Легирование и модифицирование литых сталей: Учебное пособие. - Магнитогорск, изд. МГМИ, 1993. 80 с.

2. Выплавка, легирование, модифицирование литейных сталей/ В.М.Колокольцев, К.Н.Вдовин, В.В.Бахметьев, В.А.Куц. - Магнитогорск: ПМП Мини Тип, 1996. 88 с.

3. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов/ В.М.Колокольцев, В.В.Бахметьев, К.Н.Вдовин, В.АКуц. - М.: ПМП Мини Тип, 1997. 148 р.

4. Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии. Т.1. Изготовление валков/ ААГостев, К.Н.Вдовин, В.А.Куц,

A.Ю.Фиркович, В.Е.Хребто, В.М.Колокольцев и др. -М.: Академия проблем качества, 1997. 185 с.

5. Колокольцев В.М., Малыхин И.А. Общие положения выбора рядов легирующих элементов для синтеза хладо- и износостойких сталей// Повышение эффективности литейного производства: Материалы семинара, Ленинград, 1987. С. 39-41.

6. Пути повышения износостойкости стальных отливок/

B.М.Колокольцев, Е.Г.Козодаев, В.И.Кирюшкин и др.// Прогрессивные технологии производства литых заготовок: Тез. докл. научно-техн. конф., Челябинск, 1988. С. 61-62.

7. Колокольцев В.М., Назаров О.А, Долгополова Л.Б. Износостойкие чугуны и стали для отливок горно-металлургического оборудования// Охрана труда и прогрессивные технологические процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении: Тез. докл. межреспубл. научно-практич. конф., Чебоксары, 1990. С. 54-55.

8. Пути повышения служебных свойств отливок из износостойких сталей/ В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, В.В.Конюхов и др.// Состояние тех-нич. уровня и тенденции развития литейного производства в Красноярском крае: Тез. Краевой научно-технич.. конф., Красноярск, 1990, С. 20-21.

9. Улучшение свойств стали 110Г13Л модифицированием/

B.М.Колокольцев, А.Ф.Мипяев, Л.Б.Долгополова и др.//Литейное производство, 1990, № 9.С.7-8.

10. Назаров O.A., Колокольцев В.М., Маринин В.А. Износостойкие чугуны с повышенными служебными свойствами для лопаток дробеметных камер// Повышение технич. уровня и совершенств, технологич. процессов производства отливок: Тез. докл. V Республ. научно -технич. конф, Днепропетровск, 1990, С. 73-75.

11. Колокольцев В.М., Гуляев Б.Б., Миляев А.Ф. Выбор легирующих элементов для разработки новых составов износостойких сталей// Повышение технического уровня и совершенствование технолог, проц. производства отливок: Тез. докл. V Республ. научно-технич. конф., Днепропетровск, 1990.

C. 11-12.

12. В.М.Колокольцев, АФ.Миляев, Л.Б.Долгополова. Повышение слу-

жебных свойств износостойких отливок горно-металлургического оборудования// Соврем, технолог, проц. в литейном производстве: Тез. докл. научно-технич. конф., Киев, 1991. С. 35-36.

13. Колокольцев В.М., Гильманов И.А, Назаров O.A. Разработка новых составов белых износостойких чугунов для отливок очистного и горного оборудования// Современные технологич. процессы в литейном производстве: Тез. докл. научно-технич. конф., Киев, 1991.С.37-38.

14. Выбор состава специального чугуна для износостойких отливок дро-беметных камер/ В.М.Колокольцев, О.А.Назаров, И.А.Гильманов и др.// Соврем. литейные материалы и технология получения отливок: Материалы научно-технич. конф., Ленинград, 1991. С. 24-26.

15. Износостойкие литейные стали с повышенными служебными свойствами для отливок горнометаллургического оборудования/ Л. Б. Долго-полова, В.М.Колокольцев, В.В. Конюхов и др.// Соврем, литейные материалы и технология получения отливок: Материалы научно-технич. конф., Ленинград, 1991. С. 33-35.

16. В.М.Колокольцев, В.В. Конюхов, Л.Б.Долгополова. Неметаллические включения и характер разрушения питых хромомарганцевых износостойких сталей// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Тез. докл. VI Республ. научно-технич. конф., Запорожье, 1991. С. 23-24.

17. Колокольцев В.М., Маринин В.А., Назаров O.A. Влияние морфологии карбидов на износостойкость белых высокохромистых чугунов// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Тез. докл. Vi Республ. научно-технич. конф., Запорожье, 1991. С. 95-96.

18. Износостойкие чугуны для отливок деталей дробеметных камер/ В.М.Колокольцев, О.А.Назаров1, В.В.Коротченко и др.// Литейное производство, 1992, № 7. С.11-12.

19. Колокольцев В.М. Влияние химического состава и структуры на износостойкость белых высоколегированных чугунов// Антифрикционные и износостойкие чугуны: Материалы международной научно-технич. конф., Винница, 1992. С.27-28.

20. Колокольцев В.М., Адищев В.В., Милюков C.B. Исследование износостойкости чугунов для литых бандажей дробильно-размольного оборудования// Антифрикционные и износостойкие чугуны: Материалы международной научно-технич. конф., Винница, 1992. С. 30-31.

21. Влияние химического состава и режимов термической обработки на износостойкость чугунов для деталей очистного оборудования/ В.М.Колокольцев, О.А.Назаров, А.Ф.Миляев и др.// Производство чугуна: Межвуз. сб., Магнитогорск, изд. МГМИ, 1992. С. 70-79.

22. Специальные чугуны для сменных деталей дробеметных камер/ В.В.Коротченко, И.А.Гильманов, В.АМаринин, В.М.Колокольцев и др.// Производство чугуна: Межвуз. сб., Магнитогорск, изд. МГМИ, 1992. С.70-79.

23. В.М.Колокольцев. Взаимосвязь механических свойств и износостойкости литой стали 90Х2Г9АФТЛ с пониженным содержанием марганца// Соврем. технологические процессы и оборудование в машиностроении: Материалы международ, научно-технич. конф., Чебоксары, 1992. С. 114-115.

24. Колокольцев В.М., Назаров O.A. Износостойкость двойных сплавов системы железо-элемент// Современные технология, процессы и оборудование в машиностроении: Мат-лы международ, научно-технич. конф., Чебоксары, 1992. С. 112-113.

25. Колокольцев В.М. Выбор легирующих элементов и комплексов для разработки составов литейных износостойких сталей// Совершенствование технологии и автоматизации сталеплавильных процессов: Межвуз.сб., Магни-тогроск, изд МГМИ. 1992. С.27-36.

26. Износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ ' для отливок горнометаллургического оборудования/ В.М.Колокольцев, Л.Б.Долгополова, В.В. Конюхов и др.//Литейное производство, 1993, № 6. С. 14-15.

27. Колокольцев В.М., Адищев В.В., Назаров O.A. Изучение износостойкости белых легированных чугунов: Метод, указ. к лаборат. работе, Магнитогорск, изд.МГМИ, 1993. 18с.

28. В.М.Колокольцев. Повышение износостойкости литейных сплавов -путь к снижению металлоемкости оборудования// Состояние и перспективы развития научно-технич. потенциала Южно-Уральского региона: Тез. докл. научно-технич. конф., Магнитогорск, 1994. С. 46-47.

29. Новая износостойкая сталь 90Х2Г9АФТЛ для отливок/ В.М.Колокольцев, А.Ф.Миляев, В.Д.Науменко и др.// Сталь, 1994, № 3. С.62.

30. Совершенствование режимов плавки высокохромистого чугуна и термообработки отливок из него/ В.М.Колокольцев, В.Н.Аксенов, Н.Р.Забелин и др.// Литейное производство, 1994, № 3. С.5-6.

31. Колокольцев В.М. Основы синтеза износостойких сталей и чугунов// Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докл. межгосударств. научно-техн. конф., Магнитогорск, 1995. С. 143-144.

32. Колокольцев В.М., Долгополова Л.Б. Повышение срока службы горно-обогатительного оборудования// Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докл. межгосударств, научно-технич. конф., Магнитогорск, 1995. С. 111-113.

33. Колокольцев В.М. Основы синтеза износостойких литейных сталей и чугунов// Литейное производство, 1995, № 4-5. С.6-7.

34. Колокольцев В.М., Долгополова Л.Б. Создание теоретических основ синтеза износостойких чугунов и сталей для отливок, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа// Фундаментальные проблемы металлургии: Тез. докл. Российской межвузовской научно-технич. конф., Екатеринбург, изд. УГТУ, 1995. С.62-6Э.

35. Совершенствование технологии электроплавки высокомарганцовистых износостойких сталей/ В.М.Колокольцев, К.Н.Вдовин, Л.Б.Долгополова и др.// Соврем, проблемы элетрометаллургии стали: Тез. докл. IX международ, конф., Челябинск, 1995. С. 37-38.

36. Колокольцев В.М. Исследование износостойкости бинарных сплавов железа//Трение и износ, 1995, т.16, № 4. С.719-726.

37. Колокольцев В.М. Износостойкость двойных сплавов на основе железа// Литейное производство, 1996, № 4. С. 5-7.

38. Колокольцев В.М., Румянцев М.И. Износостойкость белых сложно-

легированных чугунов// Изв. вузов. Черная металлургия, 1998, № 8. С. 49-52.

39. Износостойкость чугунов для литых валков и бандажей/ В.М.Колокольцев, С.В.Милюков, В.В.Бахметьев и др.// Пути развития машиностроительного комплекса ММК. Вып. 2. Прокатные валки. - Магнитогорск: ПМП Мини Тип, 1996. С. 88-91.

40. Колокольцев В.М., Долгополова Л.Б. Износостойкость тройных железо-углеродистых сплавов//Литейное производство, 1997, №2. С. 10-11.

41. Колокольцев В.М. Теоретические и технологические основы управления абразивной износостойкостью железных сплавов// Литейное производство, 1997, №5. С. 14.

42. Бахметьев В.В., Колокольцев В.М. Улучшение свойств сталей воздействием на их расплав//Литейное производство, 1997, № 5. С, 30-31.

43. № 1663042 С22С 37/06, Чугун. Бюл. изобрет., 1991, № 26.

44. A.C. № 1694681 С22С 37/06. Износостойкий чугун. Бюл.изобрет., 1991, №44.

45. A.c. №1700090 С22С 38/38. Литая износостойкая сталь. Бюл. изобрет., 1991. №47.

46. Патент Р.Ф.№1693082 С21С 7/06. Способ внепечной обработки литой стали. Бюлл. изобрет., 1991, Na 43.

47. Патент Р Ф. №17?1115 С22С 38/38. Сталь. Бюлл. изобр., 1992, № 11.

48. №1763506 С22С 37/10. Износостойкий чугун. Бюл.изобрет., 1992. №35.

49. Патент Р.Ф. № 1788069 С22С 37/08. Чугун для лопастей дробемет-ных аппаратов. Бюл. изобрет., 1993, № 2.

т2/ ¿/<¿¿>3 06 4?- -76 ^Ь У

Магнитогорская государственная горно-металлургическая академия им.Г.И.Носова

На правах рукописи КОЛОКОЛЬЦЕВ Валерий Михайлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД - ЭЛЕМЕНТ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

резиднум ВАК Росс.--

Магнитогорск 1998

Основные условные обозначения

Ки - коэффициент относительной износостойкости; гмет " металлический радиус по Бокию, нм; Уат - атомный объем, м3/моль; с1 - период решетки, нм; Е - модуль упругости, ГПа;

СГВ - временное сопротивление при растяжении, МПа; <7К - предел выносливости, МПа; 8 - относительное удлинение после разрыва, %;

- относительное сужение после разрыва, %; КСУ, КСи - ударная вязкость, определенная на образцах с концентраторами напряжений вида У или II, мдж/м2;

00,2 - условный предел текучести с допуском на величину

пластической деформации 0,2% при нагружении, МПа; НВ - твердость по Бринеллю,МПа; НУ - твердость по Виккерсу; НИА, НИС - твердость по Роквеллу; Н^ - микротвердость, МПа;

Ср - критерий предельной растворимости легирующего

элемента в основе сплава, % ат.; К - коэффициент качественности сплавов, равный СТв ' ^ <1к> 1а - количество карбидов и остаточного аустенита, %; Шк - средний размер карбидов, мкм;

Ктв - коэффициент твердости, равный отношению твердости металла или сплава к твердости абразива, Ктв-НУмет/НУабр, г - парный коэффициент корреляции; И - множественный коэффициент корреляции; Г - число Фишера.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................17

1.1. Общая характеристика основных видов абразивного изнашивания отливок.................................................17

1.2. Теории абразивного знашивания..................................28

1.3. Связь изнашивания со структурой и свойствами сплавов.....................................................................33

1.4. Существующие износостойкие чугуны и стали

для отливок...............................................................37

1.4.1. Износостойкие чугуны.......................................37

1.4.2. Литейные износостойкие стали...........................44

1.5. Пути повышения свойств износостойких

чугунов и сталей для отливок.....................................50

1.6. Цель и задачи работы.................................................54

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ.............................56

2.1. Испытания на износостойкость....................................56

2.2. Выплавка опытных, опытно-промышленных и промышленных сплавов, заливка форм, определение химического состава...................................................60

2.3. Изучение литейных, механических свойств

и металлографические исследования сплавов................65

ГЛАВА 3. СВЯЗЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОЛОЖЕНИЕМ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА И НЕКОТОРЫМИ ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ............................68

Выводы...........................................................................97

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДВОЙНЫХ И ТРОЙНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА...................................................................99

4.1. Износостойкость двойных железных сплавов................103

4.2. Износостойкость тройных сплавов..............................128

Выводы....................................................................156

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ И РАЗРАБОТКА ИХ НОВЫХ СОСТАВОВ...............................................................159

5.1. Химический состав и износостойкость..........................162

5.2. Структура и износостойкость......................................179

5.3. Оптимизация химических составов износостойких чугунов. Исследование их структуры, механических и литейных свойств.......................................................198

5.4. Исследование влияния технологических факторов..........211

5.4.1. Влияние режимов выплавки чугунов, температуры заливки форм и скорости охлаждения отливок в формах.............................211

5.4.2. Влияние термической обработки..........................222

5.5. Опытно-промышленное опробование и внедрение новых износостойких чугунов в производстве отливок..............235

Выводы.......................................................................246

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ АБРАЗИВНОЙ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ.........................................250

6.1. Анализ стойкости отливок из стали 110Г13Л...............253

6.2. Статистический анализ плавок стали 110Г13Л.............258

6.3. Повышение абразивной износостойкости отливок из стали 110Г13Л путем ее внепечной обработки.............268

6.4. Повышение абразивной износостойкости за счет разработки нового состава

стали......................................................................286

6.4.1. Химический состав и свойства

аустенитных сталей..........................................286

6.4.2. Взаимосвязь механических свойств и износостойкости...............................................303

6.4.3. Оптимизация химического состава износостойкой стали. Исследование ее структуры, литейных и механических свойств.......................................309

6.4.4. Термическая обработка стали.............................318

6.4.5. Опытно-промышленное опробование и внедрение стали 90Х2Г9АФТЛ в производство

отливок...........................................................325

Выводы..........................................................................337

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................340

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................348

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................................351

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................377

ВВЕДЕНИЕ

Повышающиеся требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам литейных сплавов требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства. От этого зависит увеличение срока службы современного оборудования, машин и механизмов. В этой связи важным является повышение абразивной износостойкости литых деталей.

Проблема повышения абразивной износостойкости отливок актуальна для многих отраслей промышленности [1-15]:

- металлургической - детали засыпных аппаратов доменных печей и футеровочные плиты, валки и ролики прокатных станов, ролики машин непрерывной разливки стали и др.;

- горнодобывающей - детали Песковых, грунтовых, шламовых насосов, оборудования по измельчению горных пород и полезных ископаемых, бурильного оборудования и др.;

- машиностроительной - детали дробеметных очистных аппаратов, пескометов, бульдозеров и экскаваторов, стрелки и крестовины железнодорожных и трамвайных путей, детали оборудования для клепки, штамповки, обрубки и др.;

- строительной - детали оборудования и механизмов разрушения бетона и кирпичной кладки, вскрытия асфальта и бетона, рыхления грунта, забивания свай и др.

Потери от выхода из строя по причине изнашивания деталей машин, оборудования, транспортных средств ежегодно составляют в России десятки триллионов рублей, в США - более 46 млрд. долларов, в Германии - более 100 млрд. марок. Значительны они и в других

странах. Освоение новых месторождений полезных ископаемых в труднодоступных районах и на больших глубинах, повторная переработка отвалов и руд с высоким содержанием пустой твердой породы, несоответствие применяемых сплавов для изготовления износостойких отливок и ряд других причин еще более увеличивают эти потери. Существенного снижения потерь можно достичь путем создания новых износостойких сплавов, принципов их легирования, совершенствованием технологии производства. Для этого широко используется метод прогнозирования свойств сплавов по диаграммам состояния с использованием зависимостей типа "состав-свойство". Однако, если для основных механических и литейных свойств такие зависимости известны, то для ряда важных специальных или служебных свойств данных недостаточно. К ним, в частности, относится абразивная износостойкость.

Теоретические и экспериментальные работы, выполненные с целью изучения абразивной износостойкости, показывают на взаимосвязь химического состава, технологии изготовления, структуры и износостойкости литейных сплавов и отливок, но не позволяют однозначно определить критерии ее оценки и численные характеристики. Поэтому важно выявление закономерностей изменения износостойкости, начиная с чистых металлов, через двойные и тройные железные сплавы к многокомпонентным чугунам и сталям и непосредственно к отливкам.

Целью работы является дальнейшее развитие теоретических и технологических основ управления абразивной износостойкостью и создание литых износостойких железных сплавов с высокими служебными свойствами.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе были сформулированы следующие задачи:

- обобщить и дополнить совокупность знаний о методах управления абразивной износостойкостью литейных сплавов;

- изучить связь износостойкости чистых металлов с их положением в Периодической системе Д.И.Менделеева и рядом важных физико-механических свойств;

- исследовать износостойкость сплавов двойных и тройных систем на основе железа и многокомпонентных чугунов и сталей;

- установить связь износостойкости сплавов с их положением на диаграмме состояния;

- получить математические зависимости взаимосвязи абразивной износостойкости, химического состава, структуры и основных физико-механических свойств сплавов;

- определить приоритетность влияния одного свойства или комплекса свойств на износостойкость сплавов на основе железа;

- разработать новые составы износостойких литейных сталей и чугунов;

- изучить влияние технологических факторов на износостойкость и разработать рекомендации по обеспечению высоких значений этого свойства в процессе производства сплавов и отливок.

Научная новизна работы

Изучена и показана связь абразивной износостойкости (Ки) чистых элементов с их положением в Периодической таблице Д.И.Менделеева и рядом важных физико-механических свойств: ме-

таллическим радиусом, атомным объемом, типом и размерами атомно-кристаллических решеток, твердостью, микротвердостью, модулем упругости, прочностью, пределом выносливости, коэффициентом качественности К=0"в • Т. Дана классификация элементов по износостойкости, позволяющая выбирать основу износостойкого сплава.

Построены ряды по силе влияния отдельных показателей механических свойств на износостойкость чистых металлов и ряды износостойкости чистых металлов, используемых в качестве основ литейных сплавов.

Установлена взаимосвязь износостойкости двойных и тройных железных сплавов с их положением на диаграмме состояния, структурой, свойствами, механизмом разрушения в процессе износа, что позволяет прогнозировать характер ее изменения от содержания легирующих добавок и рекомендовать элементы и их комплексы для создания новых сплавов. Получены зависимости "состав - износостойкость" для метасистемы железо - элемент и ряды легирующих элементов по силе их влияния на абразивную износостойкость железа для низко-, средне-, высоколегированных сплавов. Элементы в рядах могут занимать различные места в зависимости от их воздействия на структуру и свойства при том или ином содержании.

Показаны взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости комплекснолегированных литейных сталей и чугунов и получены математические модели, описывающие эти взаимосвязи. Использование математических моделей износостойких сплавов позволяет прогнозировать и рассчитывать их свойства в заданных областях концентраций легирующих элементов.

Установлены общие закономерности изменения износостойкости

и механизма абразивного износа для чистых металлов, двойных, тройных железных сплавов, чугунов и сталей от физико-механических свойств, а также общие закономерности влияния легирования на износостойкость железных сплавов, проявляющиеся в одинаковой природе формирования их структуры и свойств под воздействием добавок. Одни и те же структурные составляющие и свойства идентично влияют на абразивную износостойкость независимо от вида сплава. Большую роль в достижении высоких значений износостойкости играет первичная литая структура сплавов, которой можно управлять посредством выбора оптимального легирующего комплекса.

Показана связь характера разрушения чистых металлов и сплавов при абразивном изнашивании с коэффициентом твердости, что дает возможность прогнозировать механизм износа и управлять им по величине этого коэффициента.

На основе анализа влияния технологических факторов предложены, теоретически и экспериментально обоснованы технологические методы управления абразивной износостойкостью в процессе производства сплавов и отливок из них, что особенно важно в части повышения этого свойства для известных сплавов.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученных теоретических и технологических разработок позволило установить пути управления абразивной износостойкостью литейных сталей и чугунов, осуществляя выбор легирующих элементов, их комплексов, модификаторов на основе анализа характера изменения износостойкости для чистых металлов, двойных, тройных железных

сплавов, чугунов и сталей.

Полученные математические модели могут использоваться для практических расчетов при выборе износостойких чугунов и сталей, исходя из требований к их химическому составу и структуре, а номограммы износостойкости позволяют оценивать ее по значениям нормированных механических свойств.

Разработаны новые технологические мероприятия, позволяющие управлять износостойкостью сплавов в процессе их производства и получения отливок.

По результатам работы с целью повышения износостойкости деталей насосов внесены изменения в состав чугуна в ТУ 26-06-1484-87 "Отливки из чугуна ИЧХ28Н2 для деталей насосов" (извещение об изменении ТУ 26-06-1484-87 №3 (53) от 18.09.91 г. НПО ВНИИ Гид-роМаш). Новизна технических разработок подтверждена авторскими свидетельствами и 3 патентами на изобретения. Ряд выполненных разработок прошел широкую опытно-промышленную проверку и внедрен в производство в условиях ЗАО "Марс" АО ММК, литейно-механического завода г. Волжска, ПО "Трубодеталь" г. Челябинска, Магнитогорского завода металлургического машиностроения. Часть результатов исследований использована автором в учебном процессе студентов по специальности 1104 - Литейное производство черных и цветных металлов: поставлена и выполняется лабораторная работа "Изучение износостойкости белых легированных чугунов", издано учебное пособие "Легирование и модифицирование литых сталей", выполняются курсовые и дипломные проекты и исследовательские работы; изданы три монографии "Выплавка, легирование, модифицирование литейных сталей", "Абразивная износостойкость литых ста-

лей и чугунов", "Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии".

На защиту выносятся:

1. Абразивная износостойкость чистых металлов зависит от их положения в Периодической системе Д.И.Менделеева и определяется комплексом важных физико-механических свойств: параметрами атомно-кристаллической структуры, прочностью, модулем упругости, пределом выносливости, твердостью, микротвердостью.

2. Результаты исследований абразивной износостойкости двойных, тройных и многокомпонентных литых железных сплавов, которые могут использоваться в качестве базы данных для создания новых износостойких сплавов с требуемым уровнем основных механических свойств.

3. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности формирования износостойкости двойных и тройных сплавов на основе железа, показывающие ее связь с диа-

V сс _ и «1

граммои состояния; зависимости состав - износостойкость и

¿г м и

свойства - износостойкость сплавов.

4. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности о взаимосвязи химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости двойных, тройных железных сплавов, комплекснолегированных чугунов и сталей, а также установленные общие закономерности влияния легирующих элементов на механизм износа и износостойкость.

5. Новые составы литейных износостойких сталей и чугунов с высоким уровнем служебных свойств.

6. Разработанные технологические решения по обеспечению не-

обходимой износостойкости сплавов и отливок в процессе их производства.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ с предприятиями (1987 - 1992 гг.), тематика которых была включена в планы Академии наук и государственную научно-техническую программу "Разработка теории и технологии ресурсосберегающих и экологически безопасных процессов производства черных металлов", а также в рамках двух грантов (1993 - 1995 гг.) по фундаментальным проблемам в области металлургии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 16 международных, союзных, российских, республиканских научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях: "Повышение эффекти�