Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка и обоснование сталей, работающих при повышенном износе 9
1.1. Анализ эксплуатационной стойкости сталей, работающих в условиях износа 9
1.2. Виды изнашивания и закономерности износа 15
1.3. Влияние термической обработки на структуру и свойства среднелегированных сталей, устойчивых против абразивного износа 25
1.4. Стали и сплавы, применяемые для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного износа 45
Задачи исследования 56
Глава 2. Материалы и методы исследования 57
2.1. Выбор типа сталей для проведения эксперимента 57
2.2. Выплавка экспериментальных образцов 59
2.3. Обоснование режимов термической обработки 61
2.4. Установка и методика проведения испытаний на абразивную стойкость..62
2.5. Установка и методика определения ударно - абразивной стойкости 65
2.6. Эмиссионный спектральный анализ 67
2.7. Металлографические исследования 69
2.8. Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ 70
2.9. Электронная микроскопия 74
2.10. Определение количества остаточного аустенита в стали 77
2.11. Выбор программы для проведения оптимизации химического состава стали 78
2.12. Нахождение оптимального легирующего комплекса 81
Глава 3. Моделирование экспериментальных сталей 84
3.1. Проведение эксперимента 84
3.2. Технология выплавки экспериментальной износостойкой стали 89
3.3. Обработка опытных данных на ЭВМ и построение математических и графических зависимостей. Использование пакета прикладных программ «KOMPLEX» для оптимизации экспериментальных данных 93
3.4. Выбор оптимального химического состава ударно — абразивной стали 102
3.5. Метод расстановки приоритетов 103
3.6. Построение пространственной модели «состав - свойство» и нахождение оптимального легирующего комплекса методом наложенных проекций 110
3.7.Статистическая оценка корреляционного распределения экспериментальных данных 115
Выводы по главе 3 119
Глава 4. Оптимизация режимов термической обработки опытной стали 120
4.1. Эмиссионный спектральный анализ экспериментальной марки стали 120
4.2. Результаты фазового исследования экспериментальной стали после различных режимов термической обработки 122
4.2.1. Состав и структура стали в литом состоянии 122
4.2.2. Фазовый состав и структура стали после отжига 126
4.2.3. Закалка экспериментальной стали 136
4.2.4. Высокотемпературный отпуск опытной стали 145
4.3. Результаты рентгеноструктурного исследования сплава в литом и термообработанном состоянии 150
4.4. Исследование фазового состава и структуры стали после эксплуатации в условиях абразивного износа 155
4.5. Особенности механических свойств литой экспериментальной стали 160
Глава 5. Оценка экономической эффективности экспериментальной стали 164
5.1. Изготовление опытной партии отливок 164
5.2. Расчет ожидаемого экономического эффекта 171
Выводы 174
Список использованных источников 176
Приложение 189
- Виды изнашивания и закономерности износа
- Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ
- Фазовый состав и структура стали после отжига
- Изготовление опытной партии отливок
Введение к работе
Актуальность темы. Одна из самых острых проблем современности -износ машин и механизмов. Расходы на восстановление машин в результате износа значительны, причем ежегодно они увеличиваются. Увеличение срока службы машин и оборудования равноценно вводу новых производственных мощностей.
Разрушению подвергаются детали буровых долот, камне- и рудомелю-щих агрегатов, породоразрушающий инструмент пневмо- и гидроударников, детали гусеничного хода машин, бронеплиты машин непрерывного литья заготовок и др. Например, в условиях металлургического комбината ОАО «Уральская сталь» (г. Новотроицк Оренбургской обл.) потребность в бронефутеровоч-ных плитах конвейеров чугунно-литейных машин, бункеров доменного, агломерационного и коксохимического цехов, изготавливаемых из стали НОГ 13Л, составляет 48000 штук в год. Известно, что данные детали металлургических агрегатов работают в сложных условиях абразивного и ударно-абразивного износа, где сталь Гадфильда обеспечивает работу в течение 5-7 дней. Еженедельно оборудование выводится в ремонт, связанный с заменой бронеплит на новые, что снижает его производительность. В связи с этим, проблема, связанная с разработкой экономно-легированной стали, пригодной для использования в условиях комбинированного износа, является актуальной, что влечет за собой необходимость проведения поисковых работ для выявления оптимального химического состава, структуры сплава и способа термической обработки, обеспечивающих более длительную и безаварийную эксплуатацию оборудования в сложных условиях износа.
В научной литературе отсутствуют конкретные данные, рекомендующие сплавы для изделий, работающих при комбинированном, в частности ударно-абразивном износе. Оптимизация комплекса состава, структуры и свойств легированных сталей, включая удовлетворительную себестоимость, связана с проведением сложных и трудоемких исследований.
В данной работе использовались как методы математического планирования при помощи пакета прикладных программ «KOMPLEX», так и традиционные методы исследования сплавов.
Целью настоящего исследования является повышение работоспособности и надежности деталей, используемых в условиях ударно-абразивного износа, за счет поиска и оптимизации состава и режимов термической обработки изделий. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
разработать оптимальный химический состав среднелегированной стали с заданным комплексом свойств (абразивная стойкость, ударно-абразивная стойкость, разгаростойкость и твердость) для длительной эксплуатации в условиях комбинированного износа;
провести комплексное исследование и оптимизацию химического состава опытной стали с помощью методов математического планирования и статистической обработки экспериментальных данных;
повысить эксплуатационные свойства разработанной стали в условиях комбинированного износа;
изучить влияние режимов термической обработки на технологические характеристики износостойких сталей;
проверить работоспособность отливок бронефутеровочных плит бункеров из опытной стали в производственных условиях.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
с использованием методов математического планирования составлена матрица планирования эксперимента с целью изучения комплексного влияния на износостойкость сплавов следующих карбидообразующих элементов - Сг, Мп, Ті, Mo, В;
применение пакета прикладных программ «KOMPLEX» позволило в 5-6 раз сократить количество опытов и получить оптимальный химический состав среднелегированной стали для обеспечения высоких значений износостойкости;
установлен оптимальный режим термической обработки опытной стали (отжиг при 1015-1080С, закалка с температуры 1050С в масло и высокий отпуск при температуре 550С), позволяющий значительно увеличить износостойкость и разгаростойкость готовых изделий;
изучен механизм фазовых превращений в процессе термической обработки; показано, что лимитирующей стадией является переход аустенита в мар-тенситную и трооститную структуру, в то время как при отпуске происходит распад остаточного аустенита и вторичное дисперсионное твердение сплава;
установлено, что в процессе эксплуатации экспериментальной стали в условиях ударно-абразивного износа в поверхностном слое возможны не только микропроцессы закалки, но и выделение карбидов; при этом в микропластических областях может образовываться оптимальная структура (мартенсит-карбид), в которой импульсные процессы нагрева и охлаждения при эксплуатации, а также фазовые превращения обратимы.
Практическая значимость заключается в следующем:
полученный в процессе исследования оптимальный химический состав стали обеспечивает повышение ударно-абразивной стойкости в 3-4 раза по сравнению с подобными литейными сталями типа 110Г13Л, что позволяет увеличить межремонтные периоды оборудования, работающего в условиях комбинированного износа;
метод построения моделей «состав - свойство» рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности для оптимизации сплавов с требуемым комплексом свойств;
разработанный режим термической обработки устраняет недостатки литой структуры и повышает стойкость деталей, эксплуатируемых в условиях комбинированного износа;
получена опытная партия бронеплит бункеров доменного цеха, что подтверждено соответствующим актом.
На защиту выносятся:
- новые составы износостойких сталей с заданным комплексом свойств,
обеспечивающие более длительную безаварийную работу оборудования в ус
ловиях износа;
математическое моделирование оптимального состава среднелегиро-ванной износостойкой стали при помощи методов математической статистики и пакета современных прикладных программ;
результаты термической обработки экспериментальной стали, позволившие увеличить износостойкость готовых изделий;
- результаты исследования структуры, фазового состава и свойств экспе
риментальной стали, рекомендуемой для изготовления деталей оборудования,
работающих в условиях комбинированного износа;
- результаты производственных внедрений экспериментальной литой
стали.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты данного исследования представлялись и получили одобрение на II и III всероссийских научно-практических конференциях «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Орск, 2001, 2002), IV всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2001), международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Орск, 2008); научно-практической конференции преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ОГУ (Орск, 2006). По материалам диссертации опубликовано 13 работ в научно-технических изданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 199 страницах печатного текста, включая 85 иллюстраций, 38 таблиц, а также список использованных источников из 158 наименований.
Виды изнашивания и закономерности износа
Известно, что износ является сложным процессом, зависящим от свойств металла и абразива, химического состава и структуры металла, режимов термической обработки, способов упрочнения основы металла и поверхностного слоя, а также условий работы детали с учетом приложенных нагрузок, скорости перемещения, агрессивности среды и температуры [4].
Согласно действующему в настоящее время ГОСТ 27.674-88, изнашивание -процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении от поверхности материала и в его остаточной деформации. Изнашивание деталей машин и механизмов принято квалифицировать по причинам, в соответствии с которыми различают - механическое, молекулярно-механическое, абразивное, гидроабразивное, газо-абразивное, усталостные и другие виды износа.
Одним из наиболее распространенных видов изнашивания деталей является абразивный износ, который проявляется в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц, чаще всего минерального происхождения. Необходимым, условием возможного проявления абразивного изнашивания является большая твердость в процессе трения изнашивающегося тела. При этом размеры деталей уменьшаются в результате разрушения поверхностных слоев за счет отделения микрообъемов металла под действием абразивных зерен. Процесс длительного воздействия микро- и макроскопических царапин приводит к износу.
Изнашивание может происходить при наличии прослойки из абразивных частиц между механическими деталями, при этом на него будет влиять сочетание трех материалов (двух металлов и абразива).
Разновидностью абразивного изнашивания считают изнашивание металла в потоках газа и жидкости, увлекающей абразивные частицы, его называют также кавитационным изнашиванием. В разновидностях абразивного изнашивания общим является механизм процесса, который заключается во внедрении абразивного тела в металл и его продвижении при трении вдоль поверхности, вследствие чего происходит пластическое деформирование металла (выдавленная царапина) или отделение микростружки или скол.
Известна следующая классификация абразивного износа:
1. Изнашивание без ударных нагрузок.
2. Изнашивание со значительными ударными нагрузками.
3. Изнашивание с очень большими ударными нагрузками.
4. Гидроабразивное изнашивание.
В условиях многочисленных ударов абразивных частиц изнашивание может происходить по следующим схемам:
1) наклепанный металл периодически отделяется в соответствии с расположенными растягивающими напряжениями;
2) толщина определенного слоя уменьшается, если нарушение плотности материала вызвано действием наибольших касательных напряжений;
3) отдельные частицы металла становятся малыми и удаляются с поверхности наклепанного слоя вследствие циклического сжатия и растяжения.
Испытание углеродистых, легированных, инструментальных и жаропрочных, коррозионно-стойких сталей показало, что механизм изнашивания связан со схватыванием металлов в точках контакта неподвижного и вращающегося абразивов. При скольжении за время перехода точек соприкосновения в соседнее положение происходит окисление, степень которого зависит от свойств стали и скорости скольжения.
Многочисленные работы [54, 56] указывают на то, что проблема комбинированного износа еще недостаточно изучена и пока не удовлетворяет требованиям практики. Современный этап развития науки о трении и износе характеризуется трех стадийным процессом: первая стадия - взаимодействие трущихся поверхностей; вторая - изменения, которые протекают на этих поверхностях в процессе трения; третья - разрушение поверхности.
Поскольку изнашиванию каждый конкретный промежуток времени подвергаются очень тонкие поверхностные слои металла и сам процесс чаще всего изолирован от прямого наблюдения и объективной оценки, исследование явлений износа связано с большими трудностями.
Известно, что при разрушении твердых тел решающую роль играет пластическая деформация, всегда предшествующая разрушению. В этих случаях процесс пластической деформации обычно состоит из нескольких последовательных этапов: уменьшение максимального упрочнения металла, перехода его в критическое напряженное состояние и разрушение, т.е. отделение микрообъектов.
Пластическая деформация увеличивает физико-химическую активность поверхностных слоев, протекание явлений физической и химической адсорбции, возможность схватывания соприкасающихся металлов.
Известно, что в процессе пластической деформации происходит упрочнение металла. Наклеп металла может достигать большой величины. Например, для марганцевых и хромомарганцевых сталей отмечено двухкратное увеличение твердости. Наклеп поверхности под давлением на него зерен твердого абразива возникает в отдельных точках. При увеличении числа этих точек и, следовательно, площади наклепанной поверхности происходит общее повышение твердости и износостойкости металла [8].
Одним из путей повышения износостойкости деталей, работающих в контакте с абразивной средой, может быть применение метастабильных аустенитных сталей с включением карбидов в аустенитной основе.
В процессе трения возможны не только микропроцессы закалки, но и процессы растворения и выделения карбидов. При благоприятных условиях в микроскопических областях может образовываться оптимальная структура (мартенсит - аустенит - карбид), в которой импульсные процессы нагрева и охлаждения при трении и фазовые превращения обратимы [14].
Сплавы с нестабильной аустенитной матрицей, даже не содержащие карбидной фазы, обладают сравнительно высокой износостойкостью. В процессе изнашивания поверхностные слои таких сплавов претерпевают значительные структурные превращения параметров кристаллической решетки с образованием мартенсита деформации [22].
При решении проблемы повышения износостойкости металлических материалов используют конструкционные, технологические и эксплуатационные методы. Все они направлены на снижение интенсивности изнашивания, а также предупреждение недопустимых разновидностей поверхностной повреждаемости. К конструкционным средствам относят оптимальный подбор материалов, определение форм и размеров рабочих поверхностей, выбор системы смазки.
Эффективными технологическими средствами повышения износостойкости являются различные способы уменьшения шероховатости поверхности, упрочнения поверхностных слоев (химико-термической обработкой, нанесением покрытий, поверхностным наклепом). Многого можно добиться и за счет использования эксплуатационных средств - подбора оптимальных режимов и условий нагружения, температуры, среды (промежуточного вещества) [2].
Согласно результатам многочисленных исследований, выполненных в России и за рубежом, трибологические свойства металлов и сплавов определяются не только исходными структурой, физическими и механическими свойствами рассматриваемых материалов, но и в значительной мере структурным состоянием и комплексом свойств, формирующихся на поверхности материалов в процессе их контактною взаимодействия [1-11]. Высокие контактные напряжения, фрикционный нагрев, активная окружающая среда вызывают развитие в поверхностном слое трущихся материалов сложных структурных и фазовых превращений, которые оказывают большое влияние на прочность, коэффициент трения и износостойкость металлических поверхностей. Главным (первичным) фактором, обусловливающим развитие процессов упруго-пластической деформации и разрушения (изнашивания) поверхностного слоя контактирующих материалов при трении скольжения, являются высокие локальные напряжения, возникающие в зоне фрикционного контакта. Наличие неровностей па поверхности реальных тел является причиной того, что их касание происходит на отдельных элементарных площадках пятнах фактического контакта [12]. Микрообъемы металла, примыкающие к пятнам касания, претерпевают интенсивную упруго-пластическую деформацию. В процессе относительного перемещения (скольжения) трущихся тел пятна касания выходят из контакта вследствие локальной пластической деформации металла и меняют свое расположение, перемещаясь по поверхности трения. При этом происходит последовательное вовлечение всей геометрической поверхности контакта и придающих к ней микрообъемов материала в деформационное взаимодействие.Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей образованных микронеровностями.
Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ
Рентгеноструктурный анализ основан на получении и анализе дифракционной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта.
Для проведения исследований использовали отполированные образцы, наклеиваемые на пластилин в стандартные кольца-держатели. Рентгеноструктурный анализ проводили на стационарной установке ДРОН-2,0 предназначенной для широкого круга рентгеноструктурных исследований.
Приставки, входящие в комплект аппарата, позволяют:
- производить исследования общего характера (качественный и количественный фазовый анализ, исследование твердых растворов, определение макро- и микронапряжений, изучение ближнего порядка и др.);
- получать полный набор интегральных интенсивностей отражений от монокристаллов;
- определять ориентацию срезов монокристаллов;
- исследовать текстуру.
В аппарате используется схема фокусировки по Бреггу-Брентано: рентгеновское излучение от источника, находящегося на круге фокусировки, через формирующую систему щелей и систему щелей Соллера, ограничивающих расходимость пучка в вертикальном («антибрегговском») направлении, попадает на исследуемый образец, плоскость которого является касательной к фокусирующей окружности.
Дифрактограмма многофазной системы представляет собой результат наложения дифрактограмм отдельных фаз, интенсивности линий которых пропорциональны количеству фазы образца. Поэтому фаза, содержание которой в образце невелико, будет представлена на дифрактограмме лишь ограниченным числом наиболее интенсивных (из присущего ей ряда а"Нкь) линий. Из-за наличия на дифрактограммах большого числа интерференционных максимумов и возможности наложения линий разных фаз, рентгенограммы многофазных систем снимали в «мягком» излучении, а для уменьшения числа линий без ущерба для точности идентификации фазы использовали селективно-поглощающий фильтр или монохроматор. При выборе излучения учитывали возможность возникновения вторичного флюоресцентного излучения, которое приводит к появления фона на рентгенограмме и существенно ухудшает её качество. Применение монохроматора на дифрагированном пучке позволяло устранить Р-линии и существенно снизить уровень фона.
Каждая линия на дифрактограмме получалась в результате отражения п-го порядка от плоскостей с определённым межплоскостным расстоянием d. Чтобы исключить величину п, рассматривали каждую линию, как получившуюся в результате отражения 1-го порядка от плоскостей с межплоскостным расстоянием d/n. Эта величина d/n, принимаемая за межплоскостное расстояние, определялась рентенографически. Величину d/n подсчитывали с помощью формулы Вульфа — Брэггов по уравнению
В качестве значения X в этом уравнении обычно используют Хср К-серии:
На дифрактограмме первый дифракционный максимум отвечает наибольшему межплоскостному расстоянию СЦК Ь СІІ.
Знания табличных рядов dHKL достаточно для исключения их из общего ряда dHKL , если соответствующая фаза в системе имеет стехиометрический состав. Если же табличные данные в системе относятся к фазе, а расчетные — к твёрдому раствору на её основе, то оба ряда значений dHKL различаются. Поэтому по исключаемым значениям dHKL рассчитывали периоды решетки этой фазы и сопоставляли их с данными для интервала гомогенности фазы. Получив ряд dHKL и их интенсивности, соответствующие известной фазе, сопоставляли его с общим рядом dHKL и исключали dHKL известной фазы, следя за тем, чтобы интенсивности исключаемых линий были пропорциональны интенсивности табличных значений и чтобы в числе исключенных оказались наиболее интенсивные табличные линии. Линии с большими углами 0 у фаз, дисперсных и имеющих микроискажения, размыты и визуально выглядят как малоинтенсивные. Проверив правильность исключения линий известной фазы расчетом её периодов, пересчитывали относительные интенсивности оставшегося ряда dHKb нормируя их к самой сильной из оставшихся линий, и устанавливали вторую фазу. Относительная ошибка определения периода решетки оценивается по формуле
При постоянной величине А0 ошибка уменьшается с ростом 0, поэтому для прецизионных измерений выбирают излучение и схемы съемки, при которых можно получить отражения в наиболее благоприятной области углов от 60 до 81 ... 84. При больших углах дифракционные линии оказываются заметно размытыми из-за «естественной» ширины линии рентгеновских спектров.
Погрешность при определении центра тяжести (при работе по точкам) связана главным образом с присутствием фона на дифрактограмме:
Одна из составляющих полной систематической погрешности при дифрактометрическом определении межплоскостных расстояний по центрам тяжести интерференционных пиков (погрешность, обусловленная вертикальной расходимостью пучка) не обращается в нуль при экстраполяции к 0=90. Эту погрешность следует исключить, прибавив соответствующее значение к величине, полученной методом экстраполяции. Можно показать, что в общем случае:
Погрешность, вызванная преломлением, не зависит от угла 0 и не устраняется при экстраполяции к 8=90.
Если определения периода ведутся с точностью до 2-Ю4 А, то в большинстве случаев поправкой на преломление пренебрегают, если же случайная ошибка меньше, то после построения экстраполяционного графика и нахождения значения к этой величине прибавляют Лапр. Коэффициент преломления рентгеновских лучей у меньше единицы, а величина 5=1 -v очень мала. Находим 8 по формуле: где: р—плотность вещества образца; LZ — сумма зарядов; ЕА — сумма атомных масс атомов элементарной ячейки. Получаем Аапр = аэКСтр5 Окончательно имеем: Доточи = кстр " " ДаВ" " Аапр (2.11).
Общая точность измерений в нашем случае составляет порядка 2,5 — 3%, где значения Аав /аэКстр и Аапр /аэкстр не превышают в сумме 0,4%.
Фазовый состав и структура стали после отжига
Предварительным этапом термической обработки является гомогенезационный отжиг при температуре 950 С и времени выдержки 2 часа, с последующим медленным охлаждение в течение 18 часов. Температура и временной интервал выбирались исходя из содержания значительного количества различных по диффузионной подвижности легирующих элементов.
Охлаждение проводили вместе с печью вплоть до комнатной температуры, так как легирующие элементы при охлаждении на воздухе способствуют самозакалке стали. Целью отжига являлось измельчение крупных карбидов, устранение карбидной сетки, максимальное растворение и перераспределение легирующих элементов по металлической матрице, кроме того выравнивание размеров зерна по всему сечению, снятие напряжений после кристаллизации и стабилизация свойств сплава.
Твердость стали после отжига составила 26 - 28 HRC, что свидетельствует о распаде мартенсита, растворении карбидной сетки и уменьшении доли свободных карбидов.
Микротвердость среднелегированной стали после отжига составляет:
- карбидная фаза 8 000-9 000 Н/мм2;
- сорбито - перлитная металлическая матрица 2 400-3 100 Н/мм ;
- ледебуритная эвтектика 6 300 Н/мм ;
Из рисунка 4.13 видно, что в процессе отжига образовалась относительно равномерная перлитная матрица с более равновесным распределением карбидов в отличии от литой структуры; грубые игольчатые включения растворились и произошло перераспределение углерода по металлической основе.
Легирующие элементы и интерметаллиды распределились тоже более равномерно. Зона карбидной эвтектики, существовавшая по границам зерен, стала более тонкой, разорванной и менее протяженной.
Анализ отожженной микроструктуры позволяет сделать вывод, что распределение легирующих элементов и свойств по всему объему образца стало более однородным, но все же некоторые легирующие элементы, такие как титан, существуют в виде отдельных включений.
Структурно - фазовый состав образца характеризуется полным распадом аустенита на карбидную фазу и механическую смесь феррита и цементита. Металл характеризуется наличием большого количества карбидных включений внутри исходного аустенитного зерна. Ожидаемый состав карбидной фазы, рис. 4.16, близкий по свойствам к легированному цементиту. Электронная микроскопия показывает, что иглы в структуре больше не встречаются, но вместо них появилось много карбидных частиц ТІС и Мо2С, которые являются сильно диспергированными и встречаются в виде относительно мелких включений. Описанные выше карбиды хрома коагулировали.
Размер зерна стали в отожженном состоянии соответствует 7 баллу. Благодаря тому, что большинство легирующих элементов, присутствующих в сплаве (Сг, Мп, Мо) имеют кубическую решётку, растворимость их в железе в твёрдом состоянии при отжиге увеличивается. Некоторые элементы (Сг, Si) обладают способностью образовывать стойкие поверхностные плёнки окислов, защищающие легированную этими элементами сталь от коррозии. Многие легирующие элементы при нагреве имеют склонность к карбидообразованию (Мп, Сг, Мо, Ті), что позволяет улучшить эксплуатационные свойства после термообработки, посредством дополнительного выделения и перераспределения карбидов.
При охлаждении с температуры отжига легирующие элементы также существенно изменяют кинетику и характер превращения переохлаждённого аустенита, поскольку при легировании могут образовываться новые фазы и кинетика становиться зависимой ещё и от диффузионной способности атомов легирующих элементов, которая обычно меньше чем у железа. Электронная микроскопия не выявила грубых карбидных включений в свободном виде, спектры взятые с общего фона и карта распределения легирующих элементов свидетельствуют о их равномерном растворении в металлической основе, однако, карбидная сетка не растворившаяся полностью по прежнему содержит повышенное количество хрома и молибдена, но при одновременном повышенном содержании их в матрице сплава.
После проведения предварительного этапа термической обработки — отжига, следует этап термической обработки - закалка.
Изготовление опытной партии отливок
Бункерная эстакада доменного цеха предназначена для хранения оперативного запаса шихтовых материалов (агломерат, окатыши, кокс, известняк, бокситы) и их дозированной выдачи. Стенки бункеров испытывают постоянное абразивное и ударно - абразивное воздействие шихтовых материалов. Для увеличения срока их службы стенки бункеров и их течки футеруют специальными бронеплитами, которые отливают из стали 110Г13Л.
Основная проблема при обслуживании и эксплуатации бункерной эстакады заключается в проведении частых текущих ремонтов (каждые 5-7 дней), которые сопровождаются значительными затратами трудовых и материальных ресурсов, (необходимость очистки и ремонта бункера в тяжелых и опасных условиях труда для обслуживающего персонала, связанных с повышенной запыленностью и вибрацией).
На основании проведенных исследований был получен оптимальный химический состав износостойкой стали для изготовления футеровочных бронеплит бункеров доменного цеха, работающих в условиях повышенного износа, а в отдельных случаях при повышенных температурах до 250-300С, (для горячего агломерата).
Литейные формы для получения отливок бронеплит изготавливали из песчаной жидко-стекольной смеси с химическим твердением. Формовку проводили на встряхивающих формовочных машинах модели 233М с верхней подпрессовкой. Перед сборкой полуформы просушивали газовыми горелками до температуры 350С. Затем полуформы покрывали противопригарным покрытием (спиртоводный раствор циркониевой пасты).
Опытную сталь марки 100Х4Г2МТР выплавляли в фасонно — литейном цехе ОАО «Уральская сталь» в электропечи ДСП-6.0 с основной футеровкой.
Шихту загружали в «горячую печь» после слива промывочной плавки стали марки 20Л. В центральную часть печи, ближе к электродам загружали крупные куски (40%), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и наверх загрузки мелкий лом (15%). Плавку проводили без окислительного периода.
После расплавления металла и выравнивания жидкой ванны по химическому составу и температуре наводили известковый шлак с основностью 2.7. Известь содержала не более 90% СаО, менее 2% Si02, менее 0,1% S и вводилась в свежеобожженном состоянии, чтобы не вносить в металл водород.
После расплавления из печи отбирали пробы для экспресс анализа на углерод. Температура металла в момент выпуска в ковш - 1620С. Замер температуры проводили W-Re термопарой в печи и в ковше.
Порядок ввода легирующих элементов был следующим:
- ферромолибден присаживали в печь в начале плавки;
- феррохром вводили после предварительного раскисления, за 10 мин до выпуска металла из печи;
- ферромарганец вводили в печь в начале и по ходу рафинировки по расчету с учетом остаточного;
- чушковый алюминий присаживали в ковш для окончательного раскисления в количестве 1,2 кг/т;
166 - ферробор в количестве 233 кг присаживали на дно ковша при выпуске металла из печи.
После окончания плавки и снятия напряжения с электропечи приступали к разливу металла. Готовый металл сливали в 5 тонный стопорный ковш, предварительно высушенный и подогретый газовыми горелками до температуры 400-500 С. Продолжительность выпуска составляла 10 мин.
При заливке форм обеспечивали определенную высоту струи, скорость, продолжительность заливки и наводку струи в центр воронки, (рисунок 5.1).
Пробы для химического анализа, механических испытаний и на образцы - свидетели для контроля основных этапов термической обработки брали в начале, в середине и в конце заливки.
Продолжительность охлаждения стальных отливок массой до 150 кг составляла 45-60 мин. После затвердевания металла разгружали опоки, раскрепляли форму для обеспечения свободной усадки. Было залито 12 литейных форм и получено 24 шт. отливок бронеплит, (рисунок 5.2).
Выбивку отливок производили на инерционных решетках, отделение элементов литниково-питающих систем осуществляли электросваркой, затем проводили дробеструйную обработку. Выход годных отливок по отношению к массе шихты составил 85%.
Литая поверхность изготовленных отливок была удовлетворительной, хотя на трех из них присутствовала поверхностная газовая пористость, что уменьшило срок их эксплуатации на 10%. Чертеж и фотографии отливок бронеплит из опытной стали с элементами литниково-питающих систем в различных ракурсах представлены на рисунках 5.3. и 5.4.
Всю экспериментальную партию отливок заклеймили и отправили в механический цех на термическую обработку. Термообработку (отжиг, закалку и высокотемпературный отпуск) проводили в механическом цехе №2 ОАО «Уральская сталь» в камерной электропечи марки СНОЛ 1000/12. График термической обработки приведен на рисунке 5.5. Твердость поверхности бронеплит после термической обработки составляла 296 НВ.
Термообработанные бронеплиты бункеров поступили в доменный цех, где были проведены опытно — промышленные испытания. Опытные бронеплиты были установлены на бункерах №2 и №3 бункерной эстакады доменного цеха ОАО «Уральская сталь», одновременно с базовыми бронеплитами из стали 110Г13Л на бункерах №4 и №5 15 апреля 2005г. в 10.00. Схема бункерной эстакады приведена на рисунке 5.6. Осмотр бункеров с целью определения степени износа бронеплит из опытной и базовой стали проводили один раз в сутки до их полного износа.
Временные периоды эксплуатации отливок из базовой и экспериментальной стали приведены в таблице 5.2.
Бункерная эстакада состоит из ряда рудных бункеров призматической формы с выходными отверстиями и разделенными между собой вертикальными стенками, которые футеруются бронеплитами. Сверху бункера, чтобы избежать попадания в них больших кусков шихты и для обеспечения безопасности людей, перекрыты решеткой из рельсов или толстых полос так, что образуются отверстия размером 200х200-К300х300 мм.
На каждую доменную печь приходится два коксовых бункера, расположенных напротив печи, 14—18 бункеров для руды, 6—10 бункеров для флюсов и 5-6 бункеров для металлических добавок.
Внедрение предложенной технологии разработки и упрочнения износостойкого сплава для бронеплит бункеров в количестве 24 штук из стали марки 100Х4Г2МТР позволило повысить их работоспособность по сравнению с данными деталями из стандартных сталей.
