Національна академія наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Шалевська Інна Анатоліївна

УДК 620.18:621.891

ПІДВИЩЕННЯ ГІДРОАБРАЗИВНОЇ ЗНОСОСТІЙКОСТІ

ЛИТИХ ДЕТАЛЕЙ

З ВИСОКОХРОМИСТИХ ЧАВУНІВ

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному

університеті ім. В. Даля МОН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Гутько Юрій Іванович, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля МОН України , завідуючий кафедрою.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кірієвський Борис Абрамович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідуючий лабораторією;

кандидат технічних наук, доцент Федоров Григорій Єгорович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" МОН України, доцент.

Провідна установа:

Запорізький національний технічний університет, кафедра „Машини і технологія ливарного виробництва”, МОН України , м.Запоріжжя.

Захист відбудеться “ 26 “квітня 2007р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м.Київ-142, МСП, бульвар Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м.Київ-142, МСП, бульвар Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий “ 16 “березня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук М.І.Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одним з основних напрямків сучасного науково-технічного прогресу є розвиток машинобудування, створення нових машин, механізмів та агрегатів, які мають високі експлуатаційні характеристики.

Проблема забезпечення надійності та довговічності набуває особливого значення під час створення об’єктів нової техніки для таких важливих галузей промисловості як енергетика, вугледобування, нафтодобування, тощо.

Одним з самих розповсюджених видів руйнування поверхні матеріалів в умовах гідродобування, гідротранспортування та збагачення вугілля, роботи обладнання гірничорудної, цементної, енергетичної промисловостей є абразивне зношування. Абразивностійкий матеріал повинен мати ерозійну і корозійну стійкість та високі механічні і технологічні властивості.

Накопичений досвід використання матеріалів для роботи в умовах впливу абразиву на відповідальні деталі агрегатів, зокрема насосного обладнання, свідчить, що найбільш перспективним є використання високохромистих чавунів. Експлуатаційні властивості виливків з високохромистих чавунів багато в чому залежать як від ступеня гетерогенності структури, так і від природи їх структурних складових. При вибиранні легувального комплексу виходять з особливостей впливу окремих елементів на властивості чавунів у твердому стані, не враховуючі при цьому змін параметрів кристалізації. Разом з цим від особливостей протікання кристалізації суттєво залежать технологічні та службові властивості виливків. Важливішою технологічною операцією при виготовленні деталей з зносостійких високохромистих чавунів є термічна обробка. В зв’язку з цим важливе значення має дослідження механізму і кінетики структурних і фазових перетворень при термічній обробці, тобто розкриття тих закономірностей, які керують умовами формування структури.

Досягнення максимальної зносостійкості повинно базуватися на використанні всіх внутрішніх резервів, які має зносостійкий матеріал даного хімічного складу. Необхідно досягти такого вихідного стану робочого шару чавуну, при якому в конкретних умовах експлуатації було б забезпечено формування дисипативних структур з великим опором руйнуванню. Саме це визначає актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану науково-дослідних робіт кафедри промислового та художнього литва СНУ ім.В.Даля (БМ-7-99 „Фізико-хімічні та технологічні основи зварювальних, ливарних і споріднених процесів обробки металів”), та мала зв’язок з держбюджетною науково-дослідницькою роботою Міністерства освіти і науки України КГН-11-2004 „Розробка і дослідження високощільних конструкційних порошкових матеріалів на основі заліза з використанням мікромеханічних методів інтенсифікації процесів пластичної деформації”, номер держреєстрації 0104U008266 (участь здобувача – як виконавець).

Мета роботи та задачі дослідження. Метою роботи є одержання литих зносостійких матеріалів з такими характеристиками зміцнювальної фази і матриці, які забезпечують високу твердість та запас пластичності, а також розробка технології виготовлення литих деталей робочих коліс насосів.

Досягнення потрібних властивостей у високохромистих чавунах може бути забезпечене багатокомпонентним легуванням та модифікуванням з їх подальшою термічною обробкою.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені такі наукові і практичні задачі:

1. Розроблені методи управління вихідним структурним станом високохромистого чавуну, який забезпечує формування в умовах експлуатації високого опору руйнуванню.

2. Досліджено:

– вплив комплексного легування та режимів термообробки (високий відпуск та гартування і нормалізація) на формування структури та зносостійких характеристик хромистих чавунів з вмістом вуглецю 2,1...2,8% та хрому 18...22%;

– вплив хрому та вуглецю на фазові перетворення в металі під час термічної обробки і, як наслідок, на твердість і зносостійкість;

– механізм зміцнення поверхневих шарів деталей з високохромистих чавунів в умовах гідроабразивного зношування.

3. Забезпечена необхідна структура в приповерхневих шарах деталей в умовах гідроабразивного зношування шляхом легування, модифікування та термічною обробкою.

4. Визначені технологічні властивості досліджених сплавів, що дало можливість рекомендувати їх для виготовлення зносостійких деталей. Розроблена і впроваджена у виробництво технологія лиття робочих коліс насосів.

Об’єкт дослідження: нові абразивностійкі сплави на основі системи Fe-Cr-C, для виробів, які працюють в умовах абразивного і гідроабразивного зносу.

Предмет дослідження: хімічний склад, структура та властивості високохромистих чавунів і технологія виготовлення із них литих деталей робочих коліс насосів.

Методи досліджень. Мета і поставлені в роботі задачі обумовили проведення досліджень з використанням комплексу методів, до складу яких входять теоретичний аналіз і експериментальне перевірення передумов дослідження.

Експериментальні дослідження проводились за допомогою легування, модифікування високохромистого чавуну і використання раціональних режимів термічної обробки. Структуру та властивості сплавів досліджували структурним аналізом; вимірюванням твердості металу та +мікротвердості його структурних складових; випробуванням зразків в умовах гідроабразивного зношування, а також іспитів конкретних виливків в промислових умовах; рентгеноструктурним дослідженням фазового складу та тонкої структури поверхневих шарів виливок, деформованих абразивом. Кількість фаз визначали за зміною інтегральної інтенсивності ліній (110) і (111) .

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Встановлено:

– працездатність хромистого чавуну в умовах гідроабразивного зношування залежить від релаксаційних властивостей чавуну, контролюється мікромеханізмами перетворення структури в умовах деформування і залежить від легування та модифікування металу, що, в свою чергу, забезпечує управління метастабільним аустенітом та формування мартенситу деформації і визначає кількість, тип і розмір карбідної фази;

– висока зносостійкість металу в умовах абразивного зношування досягається за наявністю в високохромистому чавуні не більше 30% метастабільного аустеніту і залежить від його характеристик та параметрів деформування. Досліджений механізм зміцнення поверхневих шарів деталей із високохромистих чавунів під впливом абразиву. Встановлено, що здатність чавуну чинити опір впливу абразиву залежить від протікання ?-? перетворень в структурі поверхневого шару та деформаційного зміцнення фаз;

– легування хромистого чавуну 0,8...1,3% молібдену ефективно збільшує вміст хрому в основі та сприяє збільшенню в структурі карбідів Ме23С6 замість первинних карбідів Ме7С3;

– додаткові легувальні елементи /Mo-0,9%, Nb-0,4%/ впливають на розміри і морфологію евтектичних карбідів; максимальна зносостійкість спостерігається при вмісті вуглецю, близькому до евтектичного складу /2,5...3,0%/. Вміст хрому при цьому становить18...21%.

2. Досліджено, що максимальне збільшення мікротвердості в деформованому абразивом поверхневому шарі спостерігається в сплавах, що вміщують 4...5% Mn. Зниження абразивної зносостійкості і мікротвердості поверхневого шару чавуну при збільшенні вмісту Mn понад 6% пов`язано з підвищенням стабільності аустеніту і його впливу на ?-? перетворення при деформуванні.

3. Визначені основні технологічні властивості (рідкоплинність - 580мм, лінійна усадка - 1,8%, тріщиностійкість - 1/1) розробленого зносостійкого чавуну.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений і рекомендований для виробництва зносостійких литих деталей новий високохромистий чавун (С–2,5...2,6%; Сr–20...21%, Mn–3,4...3,6%, Mo – 0,9%, Nb – 0,3%, Се – 0,2%; Si до 1%). Цей чавун доцільно використовувати для виробництва відповідальних деталей устаткування вуглезбагачувального комплексу, теплоенергетики (багерні насоси, системи гідрозоловидалення) тощо, оскільки навіть у литому стані зносостійкість Cr-Mn-Mo чавуну, додатково легованого Nb або V в 1,6...2 рази вища, ніж литого чавуну ИЧХ28Н2 (за РТМ 28-61). Розроблено ливарну технологію, яка забезпечує виготовлення якісних виливків робочих коліс насосів. Технологія виготовлення робочих коліс насосів із зносостійкого сплаву прийнята у виробництво на ТОВ „Сплав-100”, що підтверджено актом впровадження. Рекомендований чавун може бути використаний для виготовлення великої гами литих деталей, які працюють в умовах абразивного і гідроабразивного зносу.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем проаналізовано сучасний стан проблеми підвищення зносостійкості деталей машин, які працюють в гідроабразивних середовищах, зроблено відповідні висновки та сформульовано задачі дослідження, вирішення яких забезпечить суттєве підвищення зносостійкості виливків з хромистих чавунів. Визначені фактори, від яких залежить знос литих деталей вуглезбагачувального обладнання, розглянуто основні види зносостійких легованих сплавів, які використовуються для швидкозношуємих деталей[1], розроблено технологію виготовлення виливків коліс грунтових насосів із дослідного сплаву [2].

Визначений вплив комплексного легування на характер евтектичних композицій та на структуру металевої основи, розглянуто величину співвідношень карбідообразуючих елементів та вуглецю в хромистих чавунах, досліджено вплив вмісту Cr і С на зносостійкість високохромистих чавунів, проаналізований вплив легування високохромистих чавунів марганцем та молібденом для стабілізації аустеніту в литому стані, а також показано, що зносостійкість хромистого чавуну в умовах абразивного зношування залежить від ?-? перетворень при деформуванні [3, 4, 5, 6, 7].

Обговорення результатів досліджень та формування основних висновків і рекомендацій виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів роботи. Основні наукові положення дисертації доповідались та обговорювались на: ХІ Міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіон”/ Міжнародні Далівські читання/, Луганськ, 2005; Міжнародній науково-технічній конференції “Технологія та обладнання сучасного машинобудування”, Кременчук, 2006; науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім.В.Даля (2002-2006); на технічних нарадах ЗАТ “Луганський машинобудівний завод ім.О.Я. Пархоменка”, ТОВ “Сплав-100”.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 7 друкованих працях, з них 5 у фахових виданнях ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 125 аркушах, містить 15 таблиць та 22 рисунки, складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел із 123 найменувань і 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена загальна мета та поставлені основні задачі для її досягнення, показано зв’язок з науковими програмами, наведені основні результати дослідження, визначена їх наукова новизна і практичне значення, викладено особистий внесок здобувача у виконання роботи та апробація її результатів.

У першому розділі подано аналітичний огляд проблеми підвищення зносостійкості литих матеріалів, розглянуто вплив твердості матеріалу, що зношується, на абразивну зносостійкість. Поставлені мета і задачі досліджень.

Аналіз літературних даних дає можливість зробити висновок, що основний шлях синтезу зносостійких сплавів – це створення матеріалів із структурою, яка здатна поглинати енергію, що вноситься із зовні, та розсіювати її внаслідок зворотних фазових і структурних перетворень.

Вирішальним фактором, який визначає можливість використання будь-якого сплаву, є його технологічність, тобто комплекс відповідних ливарних властивостей, які проявляються під час виплавляння і заливання у ливарну форму, та надійне поєднання високих механічних і спеціальних властивостей з технологічними.

Механізм руйнування матеріалів аналізують з різних положень металознавства і фізики твердого тіла, термодинаміки, механіки тощо.

Механізм процесу руйнування приповерхневого шару деталей залежить від умов взаємодії матеріалу з абразивними часточками. Переважаючим під час абразивного зношування є процес механічного руйнування.

Опір поверхонь деталей абразивному зношуванню деякою мірою визначається їх твердістю, але тільки для одноманітних структур.

Білі чавуни з однаковою твердістю можуть відрізнятись за зносостійкістю вдвічі, а чавуни з однаковою зносостійкістю можуть мати більшу відмінність за твердістю. Разом з тим наведені різними авторами залежності щодо визначення зносу в абразивних середовищах, враховують, переважно, твердість зношуваного матеріалу. Аналіз багатьох літературних джерел показав, що твердість не може бути універсальним покажчиком зносостійкості, вона може тільки характеризувати відносну зносостійкість для сплавів з одноманітними структурами.

Аналіз характеристик ряду сполук, які зустрічаються в сплавах і які розглядаються як зміцнювальні фази (карбіди, нітриди, бориди, ?-фази) тощо – дає можливість зробити висновок щодо неможливості вибору зміцнювальної фази, яка б призводила до найкращого поєднання всіх механічних характеристик. Це призвело до пошуку критеріїв, за якими можна інтегрально оцінювати доцільність використання тієї чи іншої зміцнювальної фази з урахуванням умов навантаження сплаву в процесі експлуатації. Таким параметром може бути величина енергії, яка витрачається на руйнування одиниці об'єму матеріалу.

Наведені в літературі дослідження зносостійких чавунів дають підставу вважати, що найбільш точною є їх класифікація, в основі якої є мікроструктура, тобто тип карбідів і металевої основи. Мінімальний знос легованих чавунів спостерігається в сплавів з регулярною тонкодиференційованою евтектичною структурою. В області евтектичних концентрацій стан легованих чавунів характеризується максимальним, для даної системи, ступенем локалізації електронів або максимальною часткою направлених зв`язків у сплаві.

Підвищення зносостійкості хромистих чавунів можна досягти регулюванням об'єму, розміру, форми карбідної фази, в тому числі і вторинних карбідів. Значний вплив на властивості сплавів справляє розподіл карбідів у структурі.

Однією з основних тенденцій сучасного матеріалознавства є створення матеріалів з метастабільними структурами, які здатні під впливом зовнішніх дій до самоорганізації. Це дає можливість їм адаптуватись до умов навантаження і набути необхідних властивостей. При цьому реалізується найбільш енергетично вигідний квазістаціонарний стан. Стосовно високохромистих чавунів можна розглядати перетворення, які виникають внаслідок деформування аустенітної матриці абразивом.

Термічна обробка є найважливішою технологічною операцією під час виготовлення деталей із високохромистих чавунів. У поєднанні з легуванням термічна обробка забезпечує високі фізико-механічні властивості металу через формування оптимальної вихідної мікроструктури.

На підставі критичного аналізу науково-технічної літератури за темою дисертації сформульовані мета і основні напрямки досліджень для вирішення поставлених задач.

У другому розділі обґрунтовано створення вихідного структурного стану високохромистого чавуну, який забезпечує формування в конкретних умовах експлуатації високий опір руйнуванню; наведено перелік матеріалів та хімічний склад сплавів, які досліджувались.

Проведено розгляд механізму гідроабразивного зносу на прикладі колеса вуглесосу УЦ900/85, який працював на перекачуванні вугільної пульпи з розміром часток біля 3мм.

Як базові відібрані сплави, які містять 2,1...2,8%С і 18...22%Сr. Додатково вводились такі легуючі елементи: марганець, молібден, ванадій і ніобій (табл.1).

Таблиця 1

Хімічний склад досліджених сплавів

Інд.

плавок | Вміст елементів, % (масовий) | C | Cr | Mn | Ni | Mo | Nb | Al | B | V | Si | Ce | Ti

1 | 2,77 | 21,8 | 4,08 | - | 1,28 | 0,3 | - | - | - | 0,6 | - | -

2 | 2,77 | 21,8 | 4,08 | - | 1,28 | 0,3 | 0,1 | 0,1 | - | 0,6 | - | -

3 | 2,1 | 19,65 | 4,1 | - | 1,24 | - | - | - | 0,35 | - | - | -

4 | 2,1 | 19,65 | 4,1 | - | 1,24 | - | - | - | 1,0 | 0,6 | - | -

5 | 2,07 | 17,7 | 3,55 | - | 0,82 | - | - | 0,1 | - | 0,6 | - | -

6 | 2,07 | 17,7 | 3,55 | - | 0,82 | 0,3 | - | - | - | 0,6 | - | -

7 | 2,23 | 19,2 | 3,6 | - | 1,12 | - | - | - | - | 0,6 | - | 0,3

9 | 2,33 | 19,2 | 3,8 | Cu1,8 | - | - | - | - | - | 0,6 | - | - | 10 | 2,52 | 19,54 | 4,49 | - | 0,81 | - | - | 0,1 | - | 0,34 | 0,3 | - | Продовж. табл. 1

1* | 2,9 | 29,0 | 0,6 | 2,1 | - | - | - | - | - | - | - | - | 2* | 2,1 | 21,0 | 2,1 | - | 0,9 | - | - | 0,2 | 0,9 | - | - | -

3* | 2,5 | 20,7 | 3,6 | - | 0,9 | 0,4 | - | - | - | - | - | - | 4* | 2,6 | 20,8 | 3,6 | - | 0,9 | 0,3 | - | - | - | - | 0,2 | -

5* | 2,5 | 20,9 | 3,7 | - | 0,9 | - | - | - | 0,45 | - | - | - | 6* | 2,6 | 20,8 | 6,2 | - | 0,9 | 0,4 | - | - | - | - | - | - | 8* | 2,6 | 20,2 | 10,3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 9* | 2,7 | 20,5 | 8,2 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 11* | 2,6 | 20,6 | 6,1 | - | 0,9 | 0,4 | - | - | - | - | - | - | 12* | 2,7 | 20,3 | 6,1 | - | 0,9 | - | - | - | - | - | - | - | 13* | 2,7 | 20,8 | 3,7 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 14* | 2,8 | 30,0 | - | 2,0 | - | 0,4 | - | - | - | - | 0,3 | - | Примітка: 1* – Еталонний сплав з ИЧХ28Н2 /хімічний склад за РТМ 28-61/.

Металографічний аналіз зразків досліджуваних сплавів проводили з метою встановлення впливу легувальних елементів і модифікувальних добавок на структурний стан високохромистого чавуну і його зносостійкість після різних режимів термічної обробки. Препарування зразків для металографічного аналізу складалося із холодного закладання зразка епоксидною смолою в мідній трубці і наступного виготовлення косого шліфа, що забезпечувало 10-кратну розтяжку досліджуваної зони. Виготовлення шліфа здійснювали за схемою, яка включає мокре шліфування на шкурках зернистістю 5, М40, М28 за ГОСТ 10054-75; полірування на алмазних пастах зернистістю 5/3, 3/2, 2/1 за ГОСТ 9206-70, фінішне полірування на фетровому колі з суспензією оксиду хрому.

Виявлення мікроструктури проводили з використанням методу електролітичного травлення в 5%-ному розчині щавелевої /НООССООН?Н2О/ кислоти і 0,5%-ному розчині гідрооксиду натрію. Тип і характер розподілу карбідів оцінювали за часом їх виявлення під наглядом на приладі “ЕЛИПОВІСТ”. Дослідження проводили методами світлової і електронної мікроскопії. Основою для проведення структурного аналізу була оптична металографія. Дослідження проводились за допомогою мікроскопів МІМ-8, МІМ-10.

Заміри твердості та мікротвердості виконували за стандартними методиками визначення твердості при вдавлюванні конуса з попереднім навантаженням за Роквеллом /ГОСТ 9013-89/ і мікротвердості /ГОСТ 9450-76/. Твердість і мікротвердість визначали на приладах ТК-2 “Супер Роквелл” і ПТМ-3.

Гідроабразивний знос суттєво залежить від схеми випробувань /кута атаки поверхні зразка пульпою/. У дослідній практиці використовують стенди з кутами атаки пульпи ? = 30...700. Під час випробувань першої партії /плавки 1...10/ використовували піщану пульпу консистенцією 1кг/л води, розмір зерна піску – 1...1,5мм. Під час випробувань зразків плавок 1*...14* як тверді абразивні часточки використовували електрокорунд з твердістю за МООСом-9. Розмір часток у пульпі розподілявся таким чином: O3мм – 84%; O1мм - 14%; O0,4мм – 2%.

Дослідження фазового складу і тонкої структури здеформованого металу проводили рентгеноструктурним методом на установці Дрон-05. Кількість фаз визначали за зміною інтегральної інтенсивності ліній (110) та (111).

У третьому розділі розглянуті процеси формування структури, твердості та абразивної зносостійкості високохромистих чавунів, вплив ?-? перетворень при деформуванні під час експлуатації деталей з високохромистого чавуну на їх зносостійкість.

Досліджено вплив термічної обробки, в тому числі відпуску – при температурах 6800С, 7400С і 7800С, на особливості мікроструктури, твердості і зносостійкості в умовах гідроабразивного впливу. Дослідження низькотемпературної термічної обробки проведено з метою розроблення режимів, які не потребують високотемпературних термічних печей. Вибір температур нормалізації /1050...11000С/ грунтувався на необхідності збільшення кількості метастабільного аустеніту і ефективного вмісту хрому в металевій основі. При цьому аналізувалась зміна властивостей та зносостійкості сплаву. Одночасно оцінювався структурний стан чавунів, як наслідок перетворень при термічній обробці та зміни твердості.

Мікроструктура досліджених сплавів у литому стані складається із надлишкового аустеніту і аустеніто-хромистокарбідної евтектики, в складі якої тригональний первинний карбід /Cr,Fe/7С3. Твердість чавунів у литому стані 40...42HRC. Мікротвердість аустеніту 340...420Н?. Оскільки вміст хрому в досліджених сплавах практично однаковий, кількість евтектичної складової визначається вмістом вуглецю і додаткових карбідоутворюючих елементів. Додаткові легувальні елементи впливають на розміри і морфологію евтектичних карбідів.

Основним легуючим елементом чавунів, що досліджувались, є хром. В промислових високохромистих марках чавунів вміст хрому знаходиться в діапазоні від 12 до 22% і вище. Тому однією з найбільш важливих задач було вивчення впливу вмісту хрому на фазові перетворення під час термічної обробки і, відповідно, на твердість і зносостійкість.

Досліджувались сплави, які вміщують вуглець від 2 до 3,0% і хром від 12 до 24%. При цьому вміст вуглецю підвищували через кожні 0,5%, а хрому – через кожні 3% .

Зразки виготовляли в сухих піщано-глинястих формах. Швидкість охолодження виливків під час кристалізації перевищувала 500С/хв для зменшення розмірів первинних карбідів у структурі з метою підвищення позитивного їх впливу на зносостійкість. Структура литих сплавів складається з метастабільного аустеніту, продуктів його розпаду і первинної карбідної фази. З підвищенням вмісту вуглецю первинні карбіди збільшуються. При підвищенні вмісту хрому спостерігалось подрібнення карбідної сітки, карбіди виокремлюються і збільшуються їх розміри. Кількість евтектики зменшується.

Далі було проведено термічну обробку по наступним режимам:

1. Відпал – завантаження в піч при температурі 2000С > нагрів із швидкістю 30...500С/год до 650...6800С > нагрів із швидкістю 1000С/год до 920...9500С > витримка протягом 3-4год. > охолодження з піччю з швидкістю 300С/хв до 3000С.

2. Гартування > нагрів із швидкістю 50...700С/год до температури 650...6800С > нагрів із швидкістю 1000С/год до 950...9700С > витримка 30 хвилин і охолодження в маслі > відпуск протягом 1,5 годин при 180...2000С для зняття напруг.

Мартенсітно-карбідна структура дозволяла виключити вплив деформаційного зміцнення матриці і більш чітко визначити роль карбідної фази на формування зносостійкості сплавів.

Карбідний аналіз показав, що збільшення в чавуні вмісту вуглецю від 2,0 до 2,5% при 15% хрому приводить до зросту кількості карбідної фази на 5,4%. Збільшення кількості карбідів супроводжується ростом здатності протистояти руйнуванню в умовах впливу абразиву. Оскільки в даному дослідженні відсутній вплив структурного стану матриці, то можна вважати, що зростання зносостійкості здійснюється саме внаслідок збільшення кількості карбідів. Найвищу зносостійкість мають чавуни з вмістом хрому 18...21%, вуглецю 2,5...3,0% (рис.1).

Рис.1. Відносна зносостійкість високохромистих чавунів:

1 – 2,0% вуглецю; 2 – 2,5% вуглецю; 3 – 3,0% вуглецю.

На процеси формування структури значною мірою впливає температура нагрівання. Її вплив, в першу чергу, позначається на схильності аустеніту до розпаду взагалі і до виокремлення надлишкового карбіду, зокрема. У процесі нагрівання при температурі 450...5000С надлишковий аустеніт відрізняється високою стійкістю. З підвищенням температури до 600...6500С помічено виділення дисперсних карбідів межами субзеренної структури.

Пояснити той факт, що перетворення починається в аустеніті евтектики можна, мабуть, меншим ступенем їх легованості хромом.

Подальший нагрів в температурному інтервалі 700...9000С характеризується інтенсивним виокремленням карбідної фази /Cr,Fe/23С6. У результаті ізотермічних витримок виявили повне перетворення аустеніту в ферито-карбідну суміш.

Встановлено, що нагрівання досліджуваних чавунів до температури 1000...12000С значно впливає на схильність аустеніту до розпаду в процесі охолодження і наступного відпуску. Найстійкішим є аустеніт чавунів, нагрітих до 12000С. Нагрівання до різних температур в межах 1000...12000С приводить аустеніт до різного структурного стану. У результаті аустеніт має різну здатність до розпаду, а це впливає на фазовий склад чавунів, мікроструктуру і його властивості, як після термообробки, так і після деформування.

Твердість сплавів, нормалізованих від 1050...10600С, залежить від хімічного складу і може досягати 59...62 HRC /табл.2/.

Таблиця 2

Режими термічної обробки і твердість чавунів плавок 1* – 14*

Інд.

плавок | Режими термообробки | Твердість HRC | ? HRC

литі | термооброблені

1* | Нормалізація 1 год. при 11000С і

відпуск 5600С ? = 2,5 год. | 27 | 49 | +22

2* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 41 | 62 | +21

3* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 41 | 59 | +18

4* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 39 | 55 | +16

5* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 44 | 51 | +7

6* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 41 | 51 | +10

8* | Гартування від 10800С | 40 | 48 | +8

9* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 42 | 47 | +5

11* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 36 | 49 | +13

12* | Нормалізація 10500С – 10600С, ? = 1 год. | 36 | 51 | +15

13* | Нормалізація ? = 1 год. при 11000С і

відпуск 5600С ? = 2,5 год. | 44 | 57 | +13

14* | Нормалізація 1 год. при 11000С і

відпуск 5600С ? = 2,5 год. | 43 | 50 | +7

Випробування зразків плавок 1*-14* на зношування в середовищі пульпи з електрокорундом наведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Відносна зносостійкість досліджених сплавів

Інд. сплаву | Cтан чавуну | Характеристики зносостійкостіРежим термообробки | Характеристики зносостійкості | К1К2К3 | 1* | Литий | 1 | Нормалізація, відпуск | 2,3 | 1 | 2* | Литий1,65 | Нормалізація | 3,0 | 1,3

3* | Литий1,05 | -”- | 3,5 | 1,5 | 4* | Литий1,2 | -”- | 2,5 | 1,0 | 5* | Литий1,5 | -”- | 3,0 | 1,3 | 6* | Литий1,27 | -”- | 2,0 | 0,8 | 8* | Литий1,49 | - | - | - | 9* | Литий2,16 | - | - | - | 11* | Литий1,49 | Нормалізація | 3,0 | 1,3 | 12* | Литий1,2 | -”- | 2,5 | 1,0 | 13* | Литий- | Нормалізація, відпуск | 2,2 | 0,9 | 14* | Литий- | -”- | 2,1 | 0,9 | Примітка: Термічну обробку проведено відповідно до даних таблиці 2.

К1 - відношення величини втрати маси литого зразка-еталона ИЧХ28Н2 до втрати маси литого досліджуваного зразка;

К2 - відношення величини втрати маси литого зразка-еталона ИЧХ28Н2 до втрати маси термообробленого досліджуваного зразка;

К3 - відношення величини втрати маси зразка-еталона ИЧХ28Н2 після термообробки /згідно РТМ 28-61/ до втрати маси термооброблених зразків.

Рис.2. Залежність втрати маси матеріалів у гідроабразивних середовищах від часу випробувань:

1-сталь20; 2-ИЧХ28Н2; 3 – область литих дослідних чавунів(плавки 2*...9*); 4 – область термооброблених чавунів (плавки 2*,4*); нормалізація 1060...10800С + відпуск 200...2500С

У литому стані зносостійкість досліджених легованих хромомарганцевомолібденових сплавів в 1,6...2,0 рази вища литого чавуну ИЧХ28Н2 /рис.2/. У нормалізованому стані зносостійкість досліджених сплавів у 2...3 рази вища, ніж литого ИЧХ28Н2 /рис.2 /, а в порівнянні з термообробленим чавуном ИЧХ28Н2 – в 1,3...1,5 рази вища.

Формування структури приповерхневого шару високохромистих чавунів, деформованих абразивом, обумовлено силовими та температурними полями, що викликають у приповерхневих зонах деформацію та фазові структурні перетворення.

Процес взаємодії абразивних часток з робочою поверхнею чавуну супроводжується накопиченням напружень у приповерхневому шарі. Напружений стан у цьому шарі є інтегральним фактором, який підсумовує вплив геометричних параметрів абразиву, структурного стану приповерхневого шару і фізико-механічних властивостей матеріалу. Наявність зміцнювальних часток у приповерхневому шарі, які є уламками карбідів, що утворилися під час подрібнення карбідних вкраплин, дещо знижує рівень напружень у матриці. Як тільки напруження перевищать межу плинності /?и/, відбудеться їх розрядка /релаксація/ шляхом фрагментації. При цьому утворюється мікротріщина і відокремлення частки зношування. У зв`язку з цим слід підкреслити особливу роль релаксації напружень у деформованому абразивом металі під час фазових ?-? перетворень, що затримує момент утворення втомних тріщин. Характер розповсюдження мікротріщин у поверхневому шарі залежить від інтенсивності протікання деформаційного мартенситного ?-? перетворення. У чавунів з відносно високою стабільністю до ?-? перетворень поверхневий шар зазнає лише частковий розпад, і його структура містить частину аустеніту, що не зазнав перетворення.

Релаксація напружень під час ?>? перетворення, а також зміцнювальна дія мартенситних пластин забезпечує більш тривале збереження у матриці запасу пластичності і в`язкості.

Міцність мартенситу деформації залежить від вмісту в гратах вуглецю та легувальних елементів і від величини енергії зв`язку між дислокаціями та атомами вуглецю в мартенситі. Таким чином є можливість суттєво змінювати ефективну міцність і зносостійкість чавунів. Це, насамперед, легування хромом, який підвищує енергію зв`язку дислокацій з атомами вуглецю в ?-фазі. Найбільш перспективним є дослідження легування чавунів марганцем (Мn) і молібденом (Mo).

У роботі релаксаційна спроможність матриці змінювалась внаслідок різного вмісту в чавуні /С-2,7%; Cr-18%/ марганцю. У табл.4 наведені усереднені значення мікротвердості у перерізі зразків після випробувань у піщано-гравійному середовищі протягом 3-х годин.

Таблиця 4

Розподіл мікротвердості твердого розчину в перерізі зразків високохромистих чавунів при різному вмісті марганцю

Вміст Mn, % | Мікротвердість деформованого абразивом поверхневого шару на глибині

10мкм | 20мкм | 50мкм | 100мкм | 200мкм

1,97 | 600 | 495 | 396 | 305 | 230

4,08 | 810 | 650 | 550 | 335 | 360

5,86 | 1340 | 830 | 500 | 370 | 350

8,16 | 570 | 485 | 410 | 340 | 295

Результати вимірювань мікротвердості свідчать, що у всіх зразків має місце значне підвищення мікротвердості поверхневого шару відносно до вихідної структури. Найбільш високого значення мікротвердість досягає в приповерхневому шарі на глибині приблизно 10 мкм, потім різко знижується, що пов’язано зі зміною кількості карбідів у контактній зоні. Загальна глибина зміненого шару дорівнює біля 100 мкм і не залежить від вмісту марганцю. Дослідження процесу в деформованому абразивом поверхневому шарі по фізичному уширенню ліній ? /110/ мартенситу та ? /222/ аустеніту показало, що максимальне збільшення мікротвердості в поверхневому шарі при даному деформуванні спостерігається в сплавах, що вміщують 4...5% Mn. Розширення зазначених дифракційних ліній вказує на значні спотворення кришталевих граток і утворення полів пружних деформацій, які, як відомо, призводять до підвищення міцнісних властивостей матеріалу. Щільність дислокацій мартенситу з збільшенням вмісту Mn також значно збільшується і досягає максимуму в локальних об’ємах з більш високими значеннями мікротвердості. Максимум густини дислокацій аустеніту спостерігається при вмісті 1...2% Mn. Величина блоків аустеніту з підвищенням вмісту Mn дещо збільшується. При збільшенні товщини знятого шару відбувається поступовий перехід структури до вихідної. Товщина цього шару становить 60...80 мкм. Зниження абразивної зносостійкості і мікротвердості поверхневого шару чавуну при збільшенні вмісту Mn понад 6% пов`язано з підвищенням стабільності аустеніту і його впливу на ?-? перетворення при деформуванні.

Таким чином, основною причиною підвищення зносостійкості деталей з високохромистих чавунів під впливом абразиву є часткове перетворення метастабільного аустеніту в мартенсит і деформаційне зміцнення фаз. При цьому міцність мартенситу, що утворився контролюється введенням у чавун відповідних легувальних елементів.

в литій структурі евтектика, в якій матрицею є аустеніт з впровадженими в нього хромистими карбідами, забезпечує структурне злиття периферійних зон дендритів надлишкового аустеніту з евтектичним. Додаткові легувальні елементи /Mo-0,9%, Nb-0,4%/ впливають на розміри і морфологію евтектичних карбідів; максимальна зносостійкість спостерігається при вмісті вуглецю, близькому до евтектичного складу /2,5...3,0%/. Вміст хрому при цьому становить18...21%. Висока зносостійкість високохромистих чавунів у гідроабразивному середовищі досягається регулюванням кількості і розподілу карбідної фази, мартенситу і залишкового аустеніту.

У четвертому розділі роботи викладено розроблення технологічних процесів виготовлення дослідних виливків коліс насосів та їх термічної обробки.

Враховуючи комплексний характер легування дослідних сплавів і можливі звуження інтервалів кристалізації, були визначені основні технологічні властивості п`яти дослідних сплавів (2*, 3*, 4*, 5*, 11*), які показали за результатами стендових досліджень гідроабразивну стійкість в 1,5...2,0 рази перевищуючу стійкість еталонного сплаву – ИЧХ28Н2.

Технологічні властивості п`яти сплавів (рідкоплинність, лінійна та об`ємна усадки, тріщиностійкість) визначали за допомогою комплексної проби Ю.А.Нехендзі і І.В. Купцова. Критичні точки сплавів (tlicv і tsolid) заздалегідь визначали шляхом зняття кривих охолодження за допомогою однокрапкового потенціометру ЭПП-09 і термопари ПП-1 з погрішністю 1000 ± 50С. Метал охолоджувався в двокілограмовому алундовому тиглі. Мала швидкість охолодження металу в тиглі дозволила записати на діаграмі потенціометру ЭПП-09 криву охолодження з явно вираженими поличками кристалізації. Результати досліджень наведено в таблиці 5.

Таблиця 5

Технологічні властивості дослідних сплавів

Маркування сплаву | Температура, 0С | Рідкоплинність,

мм |

Лінійна усадка, % | Сумарний об`єм усадочних раковин і пор, % | Тріщино-

стійкість,

мм

ліквідус, t licv |

солідус,

t solid |

заливан-ня проб

1* | 1295 | 1275 | 1400 | 630 | 1,7 | 7,6 | -

2* | 1300 | 1270 | 1400 | 410 | 1,7 | 7,8 | -

3* | 1275 | 1265 | 1376 | 485 | 1,7 | 8,0 | 1,7/1

4* | 1270 | 1240 | 1370 | 580 | 1,8 | 7,5 | 1/1

5* | 1270 | 1250 | 1370 | 500 | 1,9 | 7,9 | 1,4/2

11* | 1275 | 1250 | 1375 | 523 | 2,1 | 8,4 | -

Примітка: 1.Тріщиностійкість за методикою Нехендзі-Купцова оцінювали за сумарною довжиною тріщин (у знаменнику вказано кількість тріщин).

2. 1* – Еталонний сплав з ИЧХ28Н2.

З таблиці 5 видно, що всі сплави мають вузький інтервал кристалізації (не більш 300С), значну лінійну усадку і задовільну рідкоплинність. Найбільшу лінійну усадку має сплав з найбільшим вмістом марганцю. Рідкоплинність дослідних сплавів дещо нижча рідкоплинності сплаву ИЧХ28Н2, що було враховано під час розробки технології виготовлення литих коліс із дослідних сплавів. Найближчі до ИЧХ28Н2 значення рідкоплинності показав сплав плавки 4*, який має високі спеціальні і технологічні властивості. Тому його було запропоновано для виготовлення робочих коліс грунтових насосів.

Колеса грунтового насосу виготовляли із сплаву 260Х20Г3М (4*). Хімічний склад сплаву: С– 2,5...2,6%; Cr – 20...21%; Mn – 3,5...3,6%; Mo – 0,9%; Nb – 0,3%; Се – 0,2%; Si до 1%.

Як дослідний виливок з використанням піщано-глинястих форм виготовляли робоче колесо вуглесоса УЦ-900/85 і робоче колесо насоса 5ГР-8. Виливки робочих коліс насоса 5ГР-8 виготовляли в піщано-глинястих формах. Форму заливали при температурі 1350...14100 С для запобігання утворення наскрізної транскристалізації і грубозернистої литої структури. Лита заготовка охолоджувалася в формі 8...10 год., виходячи із розрахунку 1год на 10кг металу.

Для забезпечення високої точності одержуваних виливків і зменшення витрат на механічну обробку розроблено технологічний процес виготовлення робочих коліс насоса ШН-270 методом лиття за моделями, що газифікуються, гравітаційним заливанням у вакуумовані форми.

Для виготовлення моделей, що газифікуються, автоклавним способом використовували полістирол суспензійний спінюючий Stiropor (BASF). З метою забезпечення оптимальної (0,020-0,025 г/см3 ) густини одержуваної моделі проводили попереднє спінювання полістиролу в паровій ванні при температурі 98...100 оС. Час попереднього спінювання складав 6 хвилин. Для активації гранул пінополістиролу після підспінювання їх поміщували в місткість для вилежування (короб об'ємом 0,5м3). Проникнення повітря в гранули в процесі вилежування збільшує здібність гранул до зростання при подальшому нагріванні, тобто активізує гранули і забезпечує активність пінополістиролу при формуванні конфігурації моделі. Операція вилежування гранул продовжувалась 20 годин. Насипна густина спіненого полістиролу склала 0,018 г/см3.

Спікання моделей в автоклаві відбувалось при тиску 0,20МПа та температурі 115оС. Після операції спікання для стабілізації розмірів моделі прес-форми з моделлю поміщали у ванну для охолодження з температурою води 15оС. Час охолодження складав 10 хв. Для видалення вологи і стабілізації розмірів (усадка 0,1%)