ВЫБОР СТАЛЕЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Медведев В.И., Кульбовский И.К., Лебедев А.В. (БГТУ, г.Брянск, РФ)
Основным материалом для производства деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, является аустенитная сталь 110Г13Л, обладающая повышенной вязкостью и способностью наклепываться в процессе эксплуатации. Однако эта сталь имеет низкую технологичность при производстве отливок и высокую себестоимость, в связи с этим проводятся исследования по разработке более технологичных износостойких сталей перлитного класса. Цель была достигнута путем решения следующих задач:
- выбора оптимального легирующего комплекса для достижения в среднеуглеродистых сталях наилучшего сочетания прочности, твердости, износостойкости наряду с высокой пластичностью и ударной вязкостью;
- разработки математической модели влияния легирующих элементов, различных режимов термической обработки на структуру, механические свойства комплексно-легированных сталей;
- установление взаимосвязи между структурой, механическими свойствами и стойкостью сталей при различных условиях износа;
- разработки программы расчета физико-механических свойств сталей при различных режимах термической обработки.
Для определения влияния химического состава на свойства стали был применен дробный факторный эксперимент (ДФЭ) 27-4. В качестве независимых факторов принято содержание в стали, %: 0.2-0.4 C; 0.7-1.7 Mn; 0.4-0.6 Si; 0.6-2.4 Cr; 0.1-0.9 Ni; 0.1-0.9 Cu; 0.1-0.5V. Всего исследовалось восемь выходных параметров литой стали и по 14 параметров после различных видов термической обработки.
В результате проведенной работы получены математические зависимости совместного влияния углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия на структуру и механические свойства стали. Приведенная система уравнений относится к сталям после двойной нормализации от 920 8С и 880 8С и отпуска при 630 8С:
sв = 864 + 78C + 52Mn - 17Si + 8Cr + 10Ni - 41Cu + 24V, МПа;
sт = 708 + 81C + 86Mn - 10Si + 34Cr + 46Ni - 28Cu + 25V, МПа;
HB = 269 + 24C + 18Mn + 3Si + 14Cr + 11Ni - 8Cu + 7V;
d = 12,9 – 2,4C – 1,13Mn – 0,8Si – 2,43Cr - 1Ni + 0,6Cu – 0,88V, %;
c = 32,42 –12,33C –6,95Mn–0,47Si –3,7Cr –2,47Ni+0,25Cu –4,75V, %;
KCU+20 = 376 - 78C - 49Mn+103Si- 101Cr- 91Ni +11Cu-26V, КДж/м2;
Е60 = 345 - 2C - 5Mn + 2Si - 17Cr + 5Ni + 2Cu - 10V, мг;
Е = 10,81 – 0,29C – 0,26Mn + 0,16Si – 0,26Cr + 0,46Ni – 0,26Cu, мг;
К(Ф) = 44,5 - 20C - 7,5Mn + 5Si - 12,5Cr - 2,5Ni - 7,5Cu + 2,5V, %;
К(П+Т)= 52,6 +20C +7,6Mn – 4,9Si +12,6Cr +2,6Ni +7.6Cu – 2,4V, %.
где Е60 - износ 100 граммового цилиндрического образца в шаровой мельнице при испытании в течение 60 часов; Е - износ стали при изнашивании по закрепленному абразиву на машине Х4-Б по ГОСТ 17367-71; К(Ф) - количество феррита; К(П+Т) - количество перлита и троостита.
Видно, что механические свойства металла в значительной мере зависят от массовой доли в нем углерода и марганца. С увеличением этих элементов возрастают прочностные характеристики при снижении пластичности. Кремний незначительно снижает прочностные характеристики, увеличивает ударную вязкость. Хром в исследуемых пределах повышает предел текучести, твердость стали, но существенно снижает относительное удлинение и ударную вязкость. Существенного положительного влияния при изменении содержания ванадия в заданных интервалах на механические свойства установить не удалось. Медь, снижая прочностные свойства, повышает пластичность и ударную вязкость.
Установлены корреляционные зависимости между твердостью и прочностью сталей, твердостью и износостойкостью. С увеличением твердости предел прочности и износостойкость увеличивается для всех сталей в исследуемых интервалах практически линейно. Повышение прочностных характеристик в сталях способствовало увеличение доли перлитной составляющей, а также измельчение микроструктуры. При этом твердость улучшенных образцов одинаковых химических составов в среднем на 30 - 75 единиц по Бринелю выше, чем после нормализации.
Пластические свойства сталей при закалке были практически одинаковыми независимо от среды закалки, но меньше чем после нормализации, особенно ударная вязкость. Это объясняется в основном наличием феррита в нормализованных сталях. Установлены количественные связи между структурой и механическими свойствами сталей.
Полученные результаты легли в основу разработанной программы расчета механических свойств стали. Программа составлена для персональных компьютеров. С помощью ЭВМ были выбраны оптимальные интервалы варьирования химического состава стали для производства отливок "Зуб ковша" экскаватора 8 м3, "Решетка", "Футеровка" для шаровых мельниц, обеспечивающие необходимые механические и эксплуатационные свойства.