Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса 7
1.1. Химический, разовый и структурный составы марганцевых чугунов; влияние легирующих элементов на структуро-образование и свойства; термическая обработка . 7
1.2. Модифицирование марганцевых чугунов 18
1.3. Применение марганцевых чугунов 19
1.4. Основные закономерности изнашивания сплавов . 23
Ї.5. Выводы и задачи исследования 32
Глава 2. Методика исследований 34
2.1. Объект исследований 34
2.2. Общие положения методики 34
2.3. Исследование износостойкости 38
2.4. Исследование процесса модифицирования 41
Глава 3. Исследование процессов структурообразования и свойств комплексно-легированного марганцевого чугуна . 45
3.1. Термодинамический анализ условий карбидообразо-вания и' графитизации 45
3.2. Влияние химического состава марганцевого чугуна и различных видов термической обработки на его структуру и свойства 52
3.3. Выводы 74
Глава 4. Исследование процессов изнашивания деталей дробильно-размольного оборудования тепловых электростанций 78
4.1. Анализ условий изнашивания деталей дробильно--размольного оборудования . 78
4.2. Износостойкость при различных условиях испытания 83
4*3- Выводы 100
Глава 5. Исследование технологических и литейных свойств комплексно-легированного марганцевого чугуна 103
5.1. Термографический анализ 103
5.2. Содержание газов 103
5.3. Склонность к пленообразованию НО
5.4. Гидкотекучесть ИЗ
5.5. Линейная усадка 115
5.6. Выводы 115
Глава 6. Исследование и разработка технологического процесса получения отливок из комплексно-легированного марганцевого чугуна, промышленное внедрение и технико-экономическая эффективность 118
6.1. Выплавка чугуна 118
6.2. Модифицирование 122
6.3. Фильтрационное рафинирование 138
6.4. Изготовление бронефутеровочных плит углеразмольных мельниц методом непрерывного горизонтального литья 133
6.5. Промышленное внедрение результатов исследований 150
6.6. Технико-экономическая эффективность 158
6.7. Выводы ' 160
Общие выводы 162
Список использованной литературы
- Химический, разовый и структурный составы марганцевых чугунов; влияние легирующих элементов на структуро-образование и свойства; термическая обработка
- Исследование износостойкости
- Влияние химического состава марганцевого чугуна и различных видов термической обработки на его структуру и свойства
- Износостойкость при различных условиях испытания
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на IS8I-I985 годы и на период до 1990 года, а также Энергетической программой СССР на длительную перспективу /I/ , предусмотрено дальнейшее интенсивное развитие энергетики, строительство мощных тепловых энергетических блоков, использующих угли Энибастузского и Канско-Ачинского топливных бассейнов. В связи с этим к материалам деталей углеразмольного оборудования, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания, предъявляются всевозрастающие требования по повышению износостойкости и конструкционном прочности.
Увеличение надежности и ресурса работы дробильно-размольно-го оборудования тепловых электростанций может быть достигнуто путем создания ноеых износостойких чугунов на осноеє легирования недефицитными элементами, в частности, марганцем. Такие чугуны, полученные путем комплексного легирования, с применением современных методов модифицирования и литья, могут обладать высокими показателями специальных и прочностных свойств.
Целью настоящей работы являлась разработка химических составов, методов модифицирования марганцевых чугунов и их режимов термической обработки, обеспечивающих получение хорошего сочетания износостойкости при различных условиях изнашивания, физико-механических и литейных свойств, а также создание технологического процесса получения отливок из этих чугунов.
В работе установлены основные закономерности нормирования структуры и свойств комплексно-легированного марганцевого чугуна. При помощи анализа термодинамических параметров и кинетических ^акторов выявлено влияние легирования на стабильность карбидов, наблюдающихся в марганцевом чугуне, а также определе-
г 5 -
ны условия графитизации. С использованием методов математического планирования экспериментов получены многофакторные зависимости износостойкости и физико-механических свойств от химического состава модифицированного марганцевого чугуна в литом состоянии и после термической обработки, на основе которых произведена оптимизация его состава.
Экспериментально изучены закономерности изнашивания марганцевого чугуна в различном структурном состоянии при абразивном и ударно-абразивном воздействиях, характерных для условий работы деталей пылеприготовительного оборудования тепловых электростанций. Установлено, что максимальную износостойкость при абразивном изнашивании имеют чугуны с карбидо-мартенситной структурой, а при ударно-абразивном изнашивании - марганцевый чугун с шаровидным графитом.
Как показали проведенные исследования, марганцевый чугун обладает хорошими литейными свойствами, что позволяет изготавливать из него высококачественные фасонные отливки.
На основе экспериментальных исследований, выполненных в опытных и промышленных условиях, определены оптимальные параметры технологии получения отливок из марганцевого чугуна - его выплавки, сфероидизирующего модифицирования (с использованием различных модификаторов и способов обработки расплава), фильтрационного рафинирования, заливки, непрерывного горизонтального литья.
Промышленное опробование и внедрение результатов работы проводили в условиях экспериментальной литейно-металлургической базы НП0"ЦНИИТМА1", Сызранского турбостроительного завода и опытного завода НЙЙСЛ (г.Одесса). Эксплуатационные испытания деталей, работающих в сложных условиях изнашивания (бронефутеро-вочных плит углеразмольных мельниц, гильз электродообмазочных
прессов), показали, что применение разработанных марганцевых чу-гунов позволяет увеличить стойкость этих деталей от 1,5 до 8,0 раз (в зависимости от вида деталей, условий эксплуатации и применявшегося ранее материала).
Общий экономический эффект от внедрения марганцевого чугуна составляет 431,5 тысяч реблей.
Новизна разработанного чугуна, элементов технологического процесса и конструкции износостойких деталей защищена авторскими свидетельствами (№№ 761594, 969449 и 1053875).
Новая марка износостойкого чугуна с шаровидным графитом ЧГ6СЗП1 включена в ГОСТ 7769-82 "Отливки из легированного чугуна со специальными свойствами* Общие технические условия".
Результаты и практические рекомендации, полученные в настоящей работе, могут быть попользованы во всех отраслях промышленности, производящих и применяющих износостойкие отливки.
Химический, разовый и структурный составы марганцевых чугунов; влияние легирующих элементов на структуро-образование и свойства; термическая обработка
Детали дробильно-разиольного оборудования тепловых электростанций, работающие в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания, чаще всего изготовляют из сталей различных марок, например ІІОГІЗЛ, І6ГС, 70ХЛ и других. Большинство применяемых марок сталей не обеспечивает достаточно высокой износостойкости. Наиболее широко из них применяется марганцевая аустенитная сталь марки ІІОГІЗЛ, сочетающая высокую пластичность со способностью к упрочнению под воздействием ударных нагрузок. К недостаткам этой стали относятся низкая абразивная стойкость и неудовлетворительные литейные свойства.
Анализ литературных материалов показал, что существует большое количество белых легированных чугунов, обладающих высокой абразивной стойкостью. Однако, из-за повышенной хрупкости эти чугуны практически не применяют для изготовления деталей дробильно-размольного оборудования, где имеются ударные нагрузки и ударно-абразивное изнашивание.
Актуальной задачей является разработка чугуна, обладающего хорошим сочетанием износостойкости и прочностных свойств. Существенный интерес в этом отношении представляют комплексно-легированные чугуны, основным легирующим элементом в которых является марганец. В зависимости от химического состава, характера модифицирующей и термической обработки, такие чугуны могут иметь мартенситную, аустенитную или смешанную структуру металлической основы с различным количеством карбидов или включений графита (например, компактной или шаровидной форм).
Важной особенностью марганца,как легирующего элемента,является его способность приводить к образованию в структуре металлической основы метастабильного аустенита, что придает чугуну высокие физико-механические свойства, а также способность к упрочнению при многократных ударах и высоких контактных напряжениях.
Основные особенности фазовых превращений в марганцевых чугунах отражены в диаграммах состояния систем fe-Мл , М/7- ,
ге-М/7-2 # эти диаграммы или их сечения, а также данные о структуре и свойствах сплавов этих систем приведены в работах /2-9/.
Большой вклад в изучение механизма влияния марганца на отру» турообразование чугуна внесли К.П.Бунин, Ю.Н. Таран и сотрудники /ю-14/ . Результаты исследования фазовых равновесий в системе Fe-M7 f% ее термодинамический анализ, данные о свойствах сплавов этой системы приведены в работах И.Н.Богачева /6/, Л.А. Шевчука /7/, Г.И.Сильмана/8,9/ и их соавторов.
Исследованиям и разработке новых марок марганцевых чугунов посвящены работы советских /12-15,19,21,23-49/ и зарубежных/16--18,20,22/ исследователей. Работы /12-14,17,20-22/ посвящены преимущественно исследованию и разработке белых и ковких износостойких марганцевых чугунов, работы /23-29,46/ - аустенитных графитизированных марганцевых чугунов со специальными магнитными свойствами, а/30-45/ - износостойких и антифрикционных аустенитных чугунов с различными формами графита, работы /47-49/ - технологическим особенностям получения отливок из марганцевых чугунов.
На рис. I.I, представлен наиболее распространенный вариант диаграммы Fe-Mn. длЯ легирования чугунов наибольший интерес представляет левая часть диаграммы (со стороны железа), В этой части диаграммы наблюдается перитектическое равновесие при 1473С: твердый раствор S-Fe (9,5 / )t жидкость (13%/ ), твердый X -раствор (9,8 / /7 ). Ниже находится широкая область У -раствора.
Марганец расширяет область существования аустенита в сплавах железа, С увеличением содержания марганца температура превращения У- о резко понижается.
Й.Н.Богачев и В.Ф.Еголаев отмечают /6 /, что достоверность диаграммы в нижней части (область превращений в твердом состоянии) невелика, что связано с большой длительностью фазовых превращений (при 300С равновесие полностью не достигается и при истечении двух лет) вследствие замедленной диффузии марганца в об- и у -твердых растворах. По этой причине основное внимание при изучении низкотемпературной части диаграммы Fe-/ 7a уделяют бездиффузионным превращениям (мартенеитного типа).
В системе Fe-Mo имеется ряд полиморфных превращений, связанных с наличием твердых растворов на основе марганца: fitf и оС , Наблюдается два типа мартенситного превращения (/- С и У- -Є ), что приводит к изменению свойств сплавов.
При содержании до 10% Мл в результате распада аустенита при охлаждении образуется оС -мартенсит, механизм образования которого хорошо изучен и подчиняется известным закономерностям мартенситных превращений.
При содержании более 10$ Мп наряду с оС -мартенситом образуется 6 -мартенсит, В отличие от Х-+ - превращения, сопровождающегося увеличением объема, превращение у- - є происходит с уменьшением удельного объема. По данным работы /б /интервалы образования ог- и -фаз совпадают в некоторых пределах концентраций (от 11,8 до 14,5%).
Исследование износостойкости
Для определения износостойкости в условиях ударно-абра зивного изнашивания, близких к условиям размола в шаровых ба рабанных мельницах, использовали лабораторную планетарную мель ницу модели Fr Jcd pufreztse&e 5 / фирмы Fzcisc/r, ФРГ) (рис.2.3 и 2,4).
Два эталонных и два испытуемых образца (рис.2.5) вместе с абразивом (электрокорунд) помещаются в размольный сосуд. Одновременно три размольных сосуда закрепляются в консольных держателях по периферии несущего диска. Размольные сосуды вращаются вместе с несущим диском и одновременно вокруг собственной оси в противоположных направлениях. Соотношение скоростей вращения согласовано так, что находящийся в размольном сосуде материал осуществляет такое же движение, как в обычной шаровой мельнице. По сравнению с гравитационной и центробежной шаровыми мельницами размольные тела (образцы) планетарной мельницы достигают значительно более высокой энергии. Действующее центробежное ускорение регулируется и может доходить до двенадцатикратного превышения ускорения силы тяжести. На находящийся в размольном сосуде материал воздействуют центробежные силы, вызываемые вращением несущего диска и вращением самого сосуда. Так как направления вращения несущего диска и размольного сосуда противоположны, действие центробежных сил осуществляется попеременно в одинаковом и в противополокном направлениях. -а размольного сосуда - от 245 до 600 об»мин" (при постоянном соотношении чисел оборотов). Время испытания - I час, количество абразива в одном размольном сосуде.
Коэффициент относительной износостойкости при испытаниях на планетарной мельнице определяли по формуле 2.1. В качестве эталона сравнения при исследовании износостойкости были приняты стали марок 45 и ПОГСЗЛ.
Износостойкость промышленных деталей определяли по изменению их линейных размеров в процессе эксплуатации.
Исследовали особенности модифицирования комплексно-легированного марганцевого чугуна при использовании различных сфе-роидизирующих графит присадок (см.табл.2.1) и способов ввода их в расплав: в герметизированном ковше конструкции ЦНИИТМАШ емкостью 750 кг, в автоклаве модели КМ-2, в разливочных ковшах емкостью 150 кг и І і, непосредственно в литейной форме.
При обработке чугуна в герметизированном ковше и автоклаве в качестве модификатора применяли металлический магний, а при обработке в открытых разливочных ковшах - лигатуры &КМ-І, ЖКМК-2, /VI-Щ и С a-Ms/ .
Схема литейной формы, примененной при исследовании процесса модифицирования марганцевого чугуна различными присадками непосредственно в форме в процессе ее заливки, представлена на рис. 2.6. В форме изготавливается одна отливка бронефутеро-вочной плиты массой 100 кг. Литниково-питающая система состоит из стояка, шлаковника, питающей бобышки, являющейся одновременно реакционной камерой, и питателя. Масса литниково-питающей системы - около 25 кг. Соотношение площадей сечения стояка, шлаковника и питателя было принято следующим: Fc/л :Fwn:Fnvm=/2S6 W : /056м»г: 7OO"" =-S70:i&:i (2.2)
Такое соотношение площадей сечений элементов литниковой системы позволяет держать литниковую систему и реакционную камеру постоянно заполненными чугуном в процессе заливки. В этом случае соблюдаются наиболее благоприятные условия для растворения мо - 43 -дификатора - отсутствует контакт растворяющегося модификатора с атмосферой, что способствует уменьшению пироэффекта, газовыделения и улучшению усвоения модификатора.
Размеры верхней части питающей бобышки оставались во время опытов постоянными (диаметр - ИО мм, высота - 170 мм), глубину нижней части (реакционной камеры) изменяли от 70 до 125 мм в зависимости от количества вводимого модификатора (размер h на рис, 2.6).
На отливке бронефутеровочной плиты были предусмотрены приливные образцы для исследования неоднородности химического состава и микроструктуры чугуна по сечению отливки (обозначены цифрами 1,2,3 на рис.2.6). Для облегчения отделения приливных образцов использовались диафрагмы из кремнеземной стеклоткани марки КС-П-ЛА.
Влияние химического состава марганцевого чугуна и различных видов термической обработки на его структуру и свойства
Матрица планирования и результаты ее реализации представлены в табл.3.2. Последовательность реализации матрицы планирования определяли с использованием таблицы случайных чисел (порядковый номер плавки - цифра после буквы "Г" в шифре плавки).
Для точной реализации матрицы планирования была использована следующая методика. Предварительно в индукционной печи промышленной частоты ИЧТ-І выплавили базовый чугун. Содержание элементов в этом чугуне было следующим (массовая доля в процентах): углерод - 2,2; кремний - 0,71; марганец - 0,4; фосфор - 0,056; сера - 0,02. Получение необходимых составов производили переплавом базового чугуна в индукционной высокочастотной печи емкостью 50 кг с соответствующей ПОДШИХТОЕКОЙ. После перегрева чугун сливали в ковш, на дно которого предварительно помещали лигатуру ШШ-І в количестве 2,5% от массы обрабатываемого расплава.
Исследование микроструктуры и определение свойств чугуна всех плавок проводили как в литом состоянии, так и после термической обработки - нормализация (длительность выдержки при температуре 960С - 4 часа).
Статистически незначимые коэффициенты исключали из уравнений регрессии. Переход к переменным в натуральном виде осуществляли подстановкой: - л с , (3.14) где JX - переменная в кодированном виде; JC - переменная в натуральном виде; лос _. шаг варьирования; - значение переменной соответствующее верхнему уровню. Значения коэффициентов в уравнениях регрессии при переменных в натуральном виде (после произведенной замены и исключения незначимых коэффициентов) приведены в табл.3.4. Адекватность полученных уравнений проверяли с помощью F -критерия Фишера. Его расчетные значения определяли по фор муле: г Sнес/ре :. М (3.15) где Swage . - дисперсия неадекватности. Дисперсию неадекватности рассчитывали по формуле Ьмеадек " Л/-/С (3.16) где м 8 - число опытов по матрице планирования; / - 7 - число коэффициентов уравнения (включая 0 ); Уроч Уоп. - значение откликов в п. -ом опыте соответственно рассчитанные по уравнению регрессии и определен ные экспериментально. Гипотеза об адекватности уравнения принималась в том слу чае, когда рассчитанное значение Z7 -критериев не превышало табличного для выбранного уровня значимости С с О=0,05) т.е. когда _ _ .- Анализ уравнений показал их адекватность при 5%-ном уровне значимости.
Характер полученных многофакторных зависимостей свидетельствует, что легирование в исследуемых пределах концентраций и термическая обработка оказывает значительное влияние на износостойкость и физико-механические свойства марганцевого чугуна»
Как показывает анализ уравнений регрессии, в литом состоянии повышение содержания углерода, марганца и молибдена (в исследованном интервале концентраций) приводит к возрастанию коэффициента относительной износостойкости при абразивном изнашивании, что связано преимущественно с увеличением количества и микротвердости карбидов в структуре марганцевого чугуна. Легирование кремнием и алюминием препятствует образованию карбидов, приводя к снижению износостойкости литого чугуна.
Таким образом, для получения марганцевого чугуна, обладающего высокой стойвостью в условиях абразивного изнашивания, необходимо, чтобы содержание углерода, молибдена и марганца было на верхнем уровне, а кремния и алюминия - на ншснем. При осуществлении оптимизации состава следует, однако, учитывать, что с увеличением степени легирования происходит снижение механических свойств литого чугуна.
Б результате проведения высокотемпературной термической обработки (при 940-1020С) существенным образом изменяются структура и свойства марганцевого чугуна, дополнительно легированного кремнием, алюминием и молибденом. В процессе выдержки при высокой температуре происходит частичное или полное разложение карбидов. После охлаждения чугун приобретает структуру, состоящую, в зависимости от состава и скорости охлаждения, из аустенита или продуктов его распада.
На рис.3.3. представлены фотографии микроструктуры чугуна плавки Г-0 (основной уровень в матрице планирования), содержащего 4,5% Мл , и чугун плавки Г-8 с 6,8% Мл . Как видно из приведенных фотографий, в литом состоянии комплексно-легированный чугун имеет структуру, состоящую из различного количества карбидов, аустенита или продуктов его распада (в зависимости от содержания марганца), а также включений шаровидного й точечного графита. После нормализации эти чугуны имеют мартенситную (4,5% Мл ) и аустенитную (6,8% Мп ) структуру металлической основы с включениями графита шаровидной формы.
Нормализация с 960С, как это следует из анализа уравнений регрессии, способствует значительному увеличению уровня механических свойств марганцевого чугуна и снижению его твердости, что связано с разложением карбидов и графитизацией чугуна. Несмотря на то, что уровень абразивной стойкости после такой термической обработки снижается, однако формирование аустенитной, мартенеитной или смешанной структуры матрицы с включениями шаровидного графита, возросший уровень прочностных свойств, позволяют использовать такой чугун в условиях ударно-абразивного изнашивания.
Износостойкость при различных условиях испытания
Износостойкость комплексно-легированного марганцевого чугуна с различной структурой исследовали в сравнении с износостойкостью сталей марок 45 и ІІ0ПЗЛ, нелегированных чугу-нов с пластинчатым и шаровидным графитом, чугунов марок ЧХГ6М2 ("Клаймекс аллой-42")» ЧХ2Н4 ("Нихард-2"), ЧХ8Н6 ("Йихард-4"), 300ХІЗГЗС2М, часто применяющихся в качестве износостойких материалов (табл.4 1).
Данные о режимах термической обработки, структурном состоянии, твердости и износостойкости исследуемых материалов приведены в табл.4.2.
Из данных табл.4.2 и рис.4.4 видно, что в условиях абразивного изнашивания белые хромистые чугуны имеют преимущество по сравнению с другими сплавами. При этом важно подчеркнуть, что коэффициент относительной износостойкости при абразивном изнашивании увеличивается по мере увеличения твердости чугуна и достигает максимального значения у чугуна марки ЧЙ6М2, имеющего твердость 68 НС (рис.4.5).
При ударно-абразивном изнашивании коэффициенты относительной износостойкости у белых чугунов меньше, чем у эталона (стали марки 45) и уменьшаются по мере увеличения твердости (рис.4.5). Максимальную износостойкость при ударно-абразивном изнашивании имеет комплексно-легированный чугун с шаровидным графитом и мартенсито-аустенитной структурой металлической основы.
Сопоставление значений твердости и коэффициентов относительной износостойкости исследованных сплавов показывает (рис.4.5), что между ними отсутствует жесткая однозначная зависимость. Однако для определенных групп материалов при однотипном характере изнашивания такие закономерности существуют.
При абразивном изнашивании имеется общая тенденция увеличения износостойкости с ростом твердости. В группе белых легированных чугунов применение нормализации способствует формированию мартенситной структуры основы и соответствующему повышению твердости и износостойкости. Стали и чугуны с перлито-ферритной и аустенитной структурами металлической основы обладают относительно низкой стойкостью при абразивном изнашивании. Марганцевые комплексно-легированные чугуны обладают достаточно высокими коэффициентами износостойкости - от 2,48 до 6,82. В этой группе также с увеличением твердости абразивная стойкость растет, максимальной износостойкостью обладает чугун с мартенеито-карбидной структурой, минимальной -аустенитный чугун с шаровидным графитом.
При ударно-абразивном изнашивании низкой стойкостью обладают как белые чугуны с высокой твердостью, так и сплавы с низкой твердостью. Повышенной износостойкостью при ударно-абразивном нагрукении обладают комплексно-легированные чугуны с шаровидным графитом, аустенитной и аустенито-мартен-ситной структурами металлической основы имеющие твердость соответственно 248 и 363 НВ (образцы 9Н и ЮН).
Матовую рабочую поверхность без следов направленной шероховатости. Наиболее интенсивному изнашиванию подвергаются те участки образцов и деталей, на которые непосредственно направлен поток абразивных частиц. Расположенные на изнашиваемой поверхности усадочные, газовые дефекты, плены и неметаллические включения способствуют повышенному локальному износу в местах залегания этих дефектов.
Исследования, выполненные при помощи сканирующего электронного микроскопа S ezeoscan ?S0 Mav#2 позволили выявить особенности характера поверхностного разрушения различных материалов при абразивном и ударно-абразивном изнашивании (рис, 4.6-4.8, 4.10,4.11).
"Отливки, подвергнутые гидроабразивному изнашиванию,имеют относительно гладкую поверхность, на которой расположены микроскопические борозды и кратеры (рис.4.6). По-видимому, борозды получаются в результате царапания и деформирования поверхности отливки гранью абразивной частицы, двигающейся вдоль нее, а кратеры являются следствием лобового удара частицы (угол атаки близок к 90).
При ударно-абразивном изнашивании величина микронеровностей на рабочей поверхности существенно возрастает (рис. 4.7 и 4.8). Микрорельеф поверхности образцов белых чугунов свидетельствует о том, что изнашивание этих чугунов имеет хрупкий характер (рис.4.7). Можно предположить, что в результате удара абразивной частицей или мелющего тела происходит хрупкое выкрашивание чугуна в месте удара и удаление частиц износа с поверхности.
