ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ ЧУГУНОВ

 

Федоров Г.Е., Платонов Е.А., Кузьменко А.Е., Ямшинский М.М., Могилатенко В.Г., Цоновский С.И.*, Партала Л.П.

 

(НТУУ «КПИ», Киев, Украина; *СЕ „Електроремонт” Донбассэнерго, Донецк, Украина)

 

With the purpose of replacement of expensive nickel in chrome-nickel cast-irons, influences of chrome, manganese, antimony and coniferous forest are explored on a structure and properties of white cast-irons for the increase of his operating descriptions

 

Несмотря на то, что в мировой практике накоплен значительный опыт применения в качестве износостойких материалов для изготовления литых деталей машин и механизмов, работающих в абразивных и гидроабразивных средах, высокохромистых, хромомарганцевых, хромоникелевых и других белых чугунов, проблемы остаются, поскольку с каждым годом ужесточаются условия эксплуатации таких машин, увеличиваются объемы производства продукции и др.

Открытым остается вопрос выбора материалов для изготовления литых деталей шнековых классификаторов, колес, крышек и корпусов багерных, песковых и шлаковых насосов, импеллеров флотационных машин и деталей иного оборудования обогатительных фабрик, шаровых мельниц, лопаток дробеметных аппаратов и др.

Данная работа выполнялась применительно к условиям эксплуатации литых деталей систем гидрозолоудаления (ГЗУ) тепловых электростанций, где наиболее быстро изнашиваются витки шнеков шлаковых транспортеров, колеса и корпуса багерных насосов, колена пульповых трубопроводов и др.

Анализом эксплуатации этих деталей установлено, что сопротивление металла гидроабразивному изнашиванию зависит от состояния металла – его химического состава, структуры, режимов термической обработки, которые придают ему высокую твердость, с одной стороны, и условий эксплуатации деталей, с другой.

Следует отметить, что износ в гидроабразивных средах является сложной и неоднозначной функцией условий взаимодействия металла детали с абразивными частицами и средой. Он зависит от многих факторов: продолжительности эксплуатации, концентрации абразива в жидкости, размера, формы и твердости абразивных частиц, их скорости в момент удара о поверхность детали, угла атаки частицами изнашиваемой поверхности, снижения механических свойств материала вследствие разупрочняющего воздействия на него среды и др. Кроме того, в последние годы на длительность эксплуатации деталей машин систем ГЗУ существенное влияние оказывает использование некондиционного топлива на тепловых электростанциях.

Поскольку управлять перечисленными факторами в условиях производства практически невозможно, остается только одно – улучшение свойств материала, то есть его эксплуатационных характеристик.

Одним из направлений решения такой задачи может быть использование теоретических и технологических наработок управления процессами формирования структуры и свойств метала в отливках из белых чугунов определением соотношения в них основных химических элементов, комплексным их легированием, микролегированием и модифицированием, изменением условий кристаллизации металла в отливках и режимами их термической обработки.

В качестве гидроабразивной среды (пульпы) использовали смесь кварцевого карьерного песка и воды в различных пропорциях, а в качестве эталона сравнениея – образцы, изготовленные из хромоникелевого сплава 280Х28Н2.

В промышленных условиях в качестве материала для изготовления литых деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа, используют высоколегированный хромоникелевый чугун 280Х28Н2, который содержит в своем составе дорогой и дефицитный никель, и имеет плохую обрабатываемость на металлорежущих станках. Поэтому теоретический и практический интерес представляют исследования свойств и структуры других белых чугунов, например, хромомарганцевых.

Известно, что эксплуатационные и механические свойства белых износостойких чугунов [1…3] зависят в первую очередь от карбидной фазы. Большое количество твердых и хрупких карбидных фаз определяет низкие пластические свойства чугунов, однако при  условии прочной связи их с матрицей сплава значительно повышает сопротивление металла абразивному воздействию.

Поскольку хром и марганец относятся к группе карбидообразующих элементов, то теоретический и практический интерес представляют исследования, направленные на определение оптимальных концентраций этих элементов в чугуне с целью получения максимальной износостойкости и сохранения удовлетворительных литейных и механических свойств.

Исследованиями влияния хрома на износостойкость белого чугуна с содержанием около 4% марганца установлено, что наивысшую (на 20…25% выше, чем чугуна 280Х28Н2) износостойкость имеет чугун с содержанием 17…22% хрома (рис.1). Несмотря на дальнейший рост твердости после повышения содержания хрома вследствие увеличения и коагуляции карбидов хрома цементитного типа, износостойкость чугуна уменьшается, поскольку увеличивается ферритная составляющая в матрице металла.

Марганец способствует стабилизации аустенита в белых чугунах, поэтому с увеличением его содержания в хромистом чугуне твердость снижается вследствие увеличения остаточного аустенита в основе металла. Износостойкость сплава при этом также уменьшается и уже при содержании марганца около 9% она стает меньшей, чем сплава 280Х28Н2.

Таким образом, по результатам исследований предложен базовый хромомарганцевый чугун с содержанием 18…20% хрома и 3,8…4,5% марганца, которому присвоена марка 290Х19Г4.

 

Относительная износостойкость		Твердость, HRC	Относительная износостойкость		Твердость, HRC
	Содержание хрома, %			Содержание марганца, %

Рисунок 1-  Изменение твердости и износостойкости белых чугунов в зависимости от содержания в них хрома (а) и марганца (б): 1 – относительная износостойкость; 2 – твердость; 3 – эталон 280Х28Н2

 

Легирование чугуна никелем способствует стабилизации аустенита и расширяет область γ-Fe. В то же время увеличение количества аустенита в белых чугунах заметно снижает их стойкость против износа. Поэтому количество аустенита в них должно определяться  тем минимумом, при котором сохраняются необходимые прочность и износостойкость во время эксплуатации литых деталей.

Установлено, что изменение концентрации никеля от 0 до 2,9% существенно  влияет на основные эксплуатационные характеристики. Наивысшую износостойкость имеет хромомарганцевый чугун без никеля, хотя твердость его ниже легированного никелем. Это можно объяснить тем, что хромомарганцевые чугуны имеют, в основном, мартенситную структуру. Однако такая структура имеет минимальную пластичность и быстро разрушается под действием даже незначительных динамических нагрузок. Основа износостойкого чугуна должна содержать в своем составе такие составляющие как феррит, перлит или аустенит.

Для производства литых деталей багерных насосов содержание никеля в базовом чугуне может быть на уровне 0,3…1,0%.

Повышения износостойкости белых чугунов можно достичь дополнительным микролегированием и модифицированием.

Исследованием влияния сурьмы на свойства чугуна 290Х19Г4 в диапазоне ее концентраций от 0 до 1,0% (по присадке) установлено, что небольшие присадки  (до 0,15%) способствуют повышению износостойкости чугуна на 15…20% вследствие ее влияния не только на эвтектическое превращение, но и на кристаллизацию аустенита.

Сурьма сдвигает эвтектическую точку в сторону меньшего содержания углерода, увеличивает количество эвтектики и изменяет ее.

Дальнейшее увеличение присадки сурьмы резко снижает износостойкость чугуна вследствие образования не мелкодисперсной эвтектики, а  сплошного поля структурно-свободного цементита, который ослабляет связь с матрицей сплава и легко выкрашивается под действием абразива.

Таким образом, для повышения износостойкости хромомарганцевого чугуна его целесообразно дополнительно микролегировать сурьмой в количестве 0,1…0,15% (по присадке).

Исследовано влияние бора на эксплуатационные характеристики хромомарганцевого чугуна в диапазоне концентраций от 0 до 0,1% (по присадке). Установлено, что дополнительная обработка базового чугуна бором существенно улучшает износостойкость и повышает твердость металла.

Бор оказывает сильное влияние на процессы кристаллизации чугуна как поверхностно-активный элемент, измельчает зерно и осуществляет дополнительное раскисление металла. Бор изменяет и состояние границ зерен, и пограничных слоев, что положительно влияет на свойства чугуна.

Микролегирование чугуна бором повышает его технологические и эксплуатационные свойства и этим снижает содержание в чугуне хрома, марганца, никеля и других элементов.

Однако исследования показали, что к обработке чугуна бором необходимо подходить очень осторожно, поскольку уже при присадке 0,03% чугун приобретает хрупкий излом при комнатной температуре, а его износостойкость практически остается без изменений.

Для повышения эксплуатационных характеристик белых чугунов их целесообразно модифицировать бором в пределах 0,005…0,020% (по присадке).

Литейные свойства исследованных чугунов (жидкотекучесть – 500…580 мм; линейная усадка 1,72…2,20%; объемная усадка – 7,2…7,8%) дают возможность изготавливать отливки любых масс и геометрии с различной толщиной стенок.

Исследования позволили реализовать в качестве материала для изготовления литых деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа, хромомарганцевый чугун 290Х19Г4 состава, % углерод – 2,8…3,2; хром – 18…20; марганец – 3,8…4,5; кремний – 0,6…0,8; сурьма – 0,10…0,15 (по присадке); бор – 0,005…0,020 (по присадке).

Литература

1.    Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. –М.: Металлургия, 1983. – 176 с.

2.    Гарбер М.Е. Отливки из белых износостойких чугунов. – М.: Машиностроение, 1972. – 112 с.

3.    Войнов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. – М.: Машиностроение, 1980. – 11 с.