В данной работе исследовались хромистые жаростойкие сплавы ЧХ28, ЧХ24ТЛ и 75Х28Н2СЛ, широко используемые в промышленности, в частности, для производства колос-ников спекательных тележек.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

80

В
ІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

200
8
р.
Вип.

№ 18


УДК 669:15’24:621.785.6


Чейлях А.П.
1
,
Прекрасный
С.В.
2
, Климанчук
В.В.
3
,
К
и
рильченко П.Н.
4


РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОГО
ЖАР
ОСТОЙКОГО СПЛАВА ДЛЯ КОЛОСНИКОВ

АГЛОМ
ЕРАЦИОННЫХ М
АШИН



Разработанный экономнолегированный жаростойкий сплав 65Х20Г2С2АЮТЛ в
условиях термоциклирования по механическим сво
йствам не уступает применя
ю-
щимся в производстве более дорогим высокохромистым жаростойким сталям и
чугунам.


Многие жаростойкие и износостойкие сплавы, применя
емые
в настоящее время
на мн
о-
гих предприятиях
для изготовления колосников спекательных тележек аг
ломашин
металлург
и-
ческого оборудования
, содержат значительное количество (25



30

%) хрома, некоторое кол
и-
чество 1,5



2

% остродефицитного в Украине
никеля

[1



4
]
. Массовое воспроизводство сме
н-
ных дет
а
лей требует значительного расхода этих и других легир
ующих компонентов, что не
всегда экономически оправдано. П
о
этому проблемы экономии легирующих компонентов при
массовом производстве сменных деталей агломерационного оборудования и повышения их н
а-
дежности и эксплуатационной долговечности весьма актуальны дл
я многих м
е
таллургических
предприятий.

Целью настоящей работы является разработка состава нового экономнолегированного
жаростойкого сплава для колосников спекательных тележек агломашин с целью экономии
хрома и дорогих легирующих компонентов при сохранении
на высоком уровне их эксплуат
а-
ционной долговечности.

В
данной
работе исследовались хромистые жаростойкие сплавы ЧХ28, ЧХ24ТЛ и
75Х28Н2СЛ, широко используемые в промышленности, в частности, для производства коло
с-
ников спекательных тележек. Эти сплавы содерж
ат хром, как основной легирующий элемент в
количестве от 22 до 30

%, что обеспечивает достаточную жаростойкость, горяче
-
абразивную и
газо
-
абразивную износостойкость колосников при температурах эксплуатации до 1000


С. Для
реализации поставленной цели, разр
аботан состав нового экономнолегированного жаростойк
о-
го сплава 65Х20Г2С2АЮТЛ.

В представленном материале
использовались металлографический метод, испытания
свойств на динамический изгиб образцов без надреза, испытания абразивной износостойкости в
абразивн
ой изнашивающей среде чугунной
дроби по методике аналогичной [
5
] но в сочетании
с естественным разогревом образцов в процессе изнашивания ориентировочно до 400
-
450


С.

Микроструктура используемых материалов в литом состоянии и нового сплава показаны
на рис
. 1 и 2. В структуре чугуна ЧХ28Л наблюдаются крупные зерна феррита и крупные ско
п-
ления карбидов
(
Cr
,

Fe
)
7
C
3
, а в структуре чугуна ЧХ24ТЛ также видны скопления колоний ка
р-
бидов
(
Cr
,

Fe
)
7
C
3
и выделенные по всей структуре дисперсные карбиды титана.


Учитывая
ферритообразующий характер влияния хрома, для получения аустенитной ма
т-
рицы в сплавах на основе
Fe
-
Cr
-
Mn
его содержание не должно превышать 15

% [6,

7]. Поэтому
структура сплава 65Х20Г2С2АЮТЛ представляет собой ферритную матрицу, армированную
карбидами ти
па
(
Cr
,
Fe
)
23
C
6
в количестве до 10

15

%. Поскольку сплав содержит относител
ь-
но невысокое количество углерода (до 0,75

%), содержание хрома в ферритной матрице будет
достаточным для обеспечения необходимой жаростойкости.

_____________________________

1
ПГТ
У, д
-
р техн. наук, проф.

2
ПГТУ, аспирант

3
ОАО «ММК им. Ильича», канд. техн. наук

4
ОАО «ММК им. Ильича», инж.


81

Легирование кремнием и
алюминием способствует пов
ы-
шению жаростойкости, а тит
а
ном
и азотом упрочне
нию
сплава.
Марганец в небольшом количес
т-
ве введ
ен для стабилизации нек
о-
торого количества аустенита.

Значения твердости образ
-
цов всех испытанных марок спл
а-
вов коррелируют с содерж
а
нием
углерода в сплаве, а также с к
о-
личес
т
вом карбидной фазы: чем
больше в сплаве содержится у
г-
лерода, тем выше твердость
этого
сплава. Т
а
ким образом, сплав
65Х20Г2С2АЮТЛ имеет на
и-
меньшую твердость (
HRC
24), а
чугуны ЧХ28 наибольшую


HRC

44
.


В соответствии с циклич
е-
ским характером измене
-
ния те
м-
пературы колосников во время
работы в агломашине [
8
,

9
], и
с
следовано
влия
ние тер
моцикл
и
ческой обработки (ТЦО) с бли
з-
кими параметрами термоцикл
и
рования, имитирую
щими в опр
е
деленной степени условия эк
с-
плуатации колосников

нагрев образцов в камерной электропечи до 700


С, выдержка 25

мин.,
о
х
лаждение на воздухе до темпер
а
туры 30
-
70


С
в течение 20
-
30

мин. в зависимости от колич
е-
ства обрабатываемых одновр
е
менно образцов. После 20, 40 и 60 циклов ТЦО отбирались о
б-
разцы от каждой марки сплава для п
о
следующих исследований и и
с
пытаний.

Под действием термоциклов ускоряются процессы диффузии
атомов внедрения (С,
N
)
[
10
]. Неоднородность химического состава литого металла, большое количество дефектов ми
к-
роструктуры, которые неизбежно возникают при литье, способствуют увеличению скорости
диффузии.

В структуре применяющихся стали 75Х28Н2СЛ и чуг
унов ЧХ28, ЧХ24Т в результате
многократных кратковременных
выдержек при 700


С образуются
участки обогащенные и обедне
н-
ные легирующими элементами,
что в конечном счете приводит к
образованию карб
и
дов и карб
о-
нитридов хрома, возможно также
образование и

-
фа
зы. Пара
л-
лельно с образова
-
нием карбидов
развиваются процессы их сф
е-
роидизации и коалесценции. Эти
процессы оказ
ы
вают влияние на
изменения состава и свойств ма
т
ричной фазы. Микроструктура стали 75Х28Н2СЛ и нового
спл
а
ва 65Х20Г2С2АЮТЛ после 60 те
р
моциклов п
оказана на рис. 3.

Несколько иначе происхо
-
дят изменения в структуре разр
а
ботанного сплава
65Х20Г2С2АЮТЛ. Этот сплав содержит меньшее количество хрома, чем рассмотренные выше
чугуны ЧХ24ТЛ, ЧХ28 и сталь 75Х28Н2СЛ, а
Mn
,
Si
,
N
и
Al
растворены в

-
твердом ра
ств
о
ре,

82

что способствует допол
-
нительному твердорастворному
упрочнению ферритной матрицы.
При ТЦО вероятно происходит
перераспределение легирующих
элементов в неравновесных у
с-
л
о
виях, способствующее выд
е-
л
е
нию при охлаждении отливок
некоторых элементов из тв
ердого
раствора в виде нитридов ал
ю-
миния, а также

-
фазы. Здесь
также имеют место процессы
сф
е
рои
-
дизации и коале
с
ценции
выде
ляющихся частиц.

Термоциклическая обр
а-
ботка, вызывающая измене
-
ния в
микроструктуре всех исслед
о-
ванных сплавов, оказы
вает сущ
е-
ст
венное влияние на механич
е-
ские свойства. Измене
ние тве
р-
дости образцов сплавов п
о
сле
ТЦО приведено на рис. 4.

В высокохромистых чугу
-
нах ЧХ24ТЛ, ЧХ28 и стали
75Х28Н2СЛ с увеличением кол
и-
чес
т
ва циклов ТЦО твер
дость
снижается. Это связано с выдел
е-
нием из т
вердого раствора вт
о-
ричных фаз и их коалесцен
цией.
Следует заметить, что наиболее
интенсивно твердость снижается
у ч
у
гунов ЧХ24ТЛ и ЧХ28Л, что
вероятно связано с более высоким
содержанием углерода и хрома в
твердом растворе матр
и
цы.

В стали 75Х28Н2СЛ с
о
д
ержится меньше углерода, чем в чугуне ЧХ28Л и больше хрома,
чем в ЧХ24ТЛ, поэтому твердый раствор содержит большое количество растворен
ного в нем
хрома и значительно меньшее кол
и
чество растворен
ного углерода. В результате этого ниже
вероятность связывани
я углерода в карбид, затрудняется его коале
с
ценция, поэтому снижение
твердости происходит менее инте
н
сивно.

Совершенно иначе изменяется твердость нового экономнолегированного сплава
65Х20Г2С2АЮТЛ: она возрастает с увеличением коли
чества термоциклов ТЦО и при
40

циклах достигает максимального значения. Повышение твердости сплава связано с диспе
р-
сионным твердением за счет выделения дисперсных карбидов, карбонитридов хрома и нитр
и-
дов алюминия. Процесс выделения дисперсных частиц вероя
тно идет медленнее, чем в ра
с-
смотренных выше сплавах ЧХ24ТЛ, ЧХ28Л и 75Х28Н2СЛ, что обусловлено меньшим соде
р-
жанием углерода в разработанном сплаве. В результате этого процессы разупрочнения (коале
с-
ценция избыточных фаз) протекают менее интенсивно, в связи
с чем, твердость сплава начин
а-
ет снижаться только после 40 термоциклов и снижается в меньшей степени, чем в ч
у
гунах
ЧХ28Л, ЧХ24ТЛ и даже чем в стали 75Х28Н2СЛ.


83

Влияние ТЦО на изменение ударной
вязкости сплавов приведено в таблице.
Ударная вя
з
кость образц
ов чугуна ЧХ28Л
после 20 циклов ТЦО несколько увелич
и-
вается с 39 до 59

кДж/м
2
. Её повышение
связано с разупрочнением твердого ра
с-
твора, повышением вязкости за счет обе
д-
нения феррита легирующими элементами.
Однако п
о
сле 40 циклов ударная вя
з
кость
снижается,
что может быть связано с в
ы-
делением

-
фазы по гр
а
ницам зерен.

Относительная износостойкость чугуна ЧХ28Л линейно уменьшается с увеличен
ием к
о-
личества циклов ТЦО (рис.

5). Это можно объяснить разупрочне
нием сплава, а также выкр
а-
ши
ванием хрупкой карбидной
фазы [1
1
]. Это облегчается за счет нарушения связи карбид


матрица под действием частых теплосмен, так как возникают термические напряжения из
-
за
разницы коэффициентов термического расширения карбидной фазы и ферритной матрицы.

Относительная износостойко
сть стали 75Х28Н2СЛ при ТЦО до 40 циклов, увеличивается
с 1,7 до 2,5, после чего при 60 циклах она снижается. Первое связано с дисперсионным тверд
е-
нием и упрочнением матрицы, а снижение

с развитием процессов коалесценции и уменьш
е-
нием упрочняющего эффект
а избыточных фаз. В отличии от известных сплавов износосто
й-
кость разработанного сплава 65Х20Г2С2АЮТЛ по мере термоциклирования постепенно н
е-
прерывно возрастает, достигая уровня износост
ойкости чугуна ЧХ24ТЛ (см.

рис.

5). Это можно
объяснить метастабильност
ью структуры, реализацией термодеформационных фазовых пр
е-
вращений, связанных с непрерывным дисперсионным упрочнением в процессе ТЦО, что п
о-
зволяет рассчитывать на повышение ресурса работы колосников.

Определенную роль в повышении долговечности колосников н
аряду с износостойкостью
играет жаростойкость материала. Очевидно, жаростойкость сплавов с меньшим содержанием у
г-
лерода 75Х28Н2СЛ и 65Х20Г2С2АЮТЛ будет превосходить жаростойкость чугунов ЧХ28Л и
ЧХ24Л, содержащих большее количество углерода, связывающего о
сновной элемент

хром в
карбиды. К тому же, как было показано выше в процессе ТЦО износостойкость ЧХ28Л непреры
в-
но и в значительной степени снижается до уровня сплавов с понижением содержания углер
о
да.
Следовательно, последние будут обладать лучшим сочета
нием горячей абразивной износостойк
о-
сти и жаростойкости, превосходящих свойства высокоуглеродистых сплавов (ЧХ28Л и ЧХ24ТЛ).

Производственные испытания в условиях аглофабрики ОАО «ММК им
.
Ильича» коло
с-
ников спекательных тележек агломашин из разработанного экономнолегированного сплава п
о-
казали, что их эксплу
атационная стойкость соответствует стойкости колосников из более дор
о-
гих высокохромистых сплавов, содержащих 25
-
30

% хрома. При этом разработанный сплав
65Х20Г2С2АЮТЛ является экономнолегированным и недорогим, по сравнению со сталью
75Х28Н2СЛ и чугунами ЧХ
24ТЛ и ЧХ28Л.

Дальнейшие исследования в данном направлении позволят оптимизировать составы жар
о-
стойких сплавов для обеспечения высокой жароизносостойкости при повышенных темпер
а
турах.


Выводы


1.

Разработанный экономнолегированный жаростойкий сплав

65Х20Г2С2
А
ЮТЛ, содержащий
на 25


30

% меньшее количество хрома в сравнении с применяющимися жаростойкими
спл
а
вами (75Х28Н2, ЧХ28Л, ЧХ24ТЛ)
не уступает им по механическим свойствам.

2.

Термоциклическое воздействие при ТЦО (аналогичное циклическому изменению темпер
а-
туры
колосников в процессе эксплуатации) в интервале температур 700

20


С обусловл
и-
вает структурные изменения, связанные с распадом твердых растворов и выделением изб
ы-
Таблица

1


Ударная вязкость исследованных
сплавов после ТЦО, кДж/м
2


Количество циклов, шт.

Марка

материала

литое

20

40

60

65
Х20Г2С2АЮТ

40,5

50,0

85,0

95,0

ЧХ28

39,0

59,0

40,0



ЧХ24Т



89,0






84

точных фаз: карбидов, карбонитридов и

-
фазы, вызывает снижение ударной вязкости, а в
разрабо
танном сплаве 65Х20Г2С2АЮТЛ

ее повышение.

3.

ТЦО снижает относительную абразивную (горячую) износостойкость в стандартном чугуне
ЧХ28Л, но вызывает ее повышение в экономнолегированном сплаве 65Х20Г2С2АЮТЛ, что
обусловлено метастабильностью его структуры и р
еализацией термодеформационных фаз
о-
вых превращений.

4.

Использованием метастабильности структуры нового сплава 65Х20Г2С2АЮТЛ можно
обеспечить ресурс долговечности и надежности деталей, поскольку в процессе ТЦО увел
и-
чивается относительная износостойкость и уд
арная вязкость.

5.

Промышленные испытания опытной партии колосников из сплава 65Х20Г2С2АЮТЛ пок
а-
зали, что его эксплуатационная стойкость не уступает стойкости применяющихся сплавов.
При этом новый сплав
дешевле, так как содержит на 20


30 % меньше хрома.


Пе
речень ссылок


1.

Гольдштейн М.И.
Специальные стали

/

М.И.

Гольдштейн, С.В.

Грачев, Ю.Г.

Векслер
.

М.: МИСИС, 1999.

408

с.

2.

Петров Л.А.
Исследование высокотемпературной коррозии чугунов ЧС5Ш, ЧХ28 и
ЧЮ22Ш

/

Л.А.

Петров, А.И.

Беляков, В.А.

Таржуманова

//

МиТОМ.

2000.



7.


С.

43



46.

3.

Влияние термообработки на фазовый состав, структуру, механические свойства, жар
о-
стойкость и износостойкость сталей (24
-
50)Х24Г(1
-
3)СФТЛ

/

Л.С.

Малинов,
А.П.

Чейлях, А.Б.

Гоголь и др.

//

Металл и литье Украины.

20
03.



1



2.

С.

20



21.

4.

Материалы в машиностроении: Справочник, Т

4

/

И.В. Кудрявцев
.

М.: Машин
о-
строение, 1969.

С.

176


180
.

5
.

А.с. 1820300 СССР, МКИ
G
01
N
3/56/

Установка для испытаний на ударно
-
абразивное
и
з
нашивание.

6
.

Банных О.А.
Принципы
легирования хромомарганцевых аустенитных сталей для раб
о-
ты при повышенных температурах

/

О.А.

Банных

//

МиТОМ.

1980.


7.

С. 7


10.

7
.

Аустеніт, ферит та
α→γ
перетворення в
Cr
-
Mn
-
(
Ni
)
-
N
жароміцних сталях

/

С.Я. Ш
и-
пицин, Ю.З. Бабаскін, Ш.Ф.

Кірчу та
ін.

//

Металознавство та обробка металів
.


2001.



4.

С.

3


9

8
.

Справочник агломератчика.

К.:
Техніка
, 1964.

С. 315


316.

9
.

Вовк А.А
. Пособие агломератчик
а

/

А.А.

Вовк, Г.А.

Чичиянц
.

К.:
Техніка
, 1990,
С.

104



105, 120



121.

10
.

Федюкин В.
В.
Термоциклическая обработка материалов и деталей м
а-
шин

/

В.В.

Федюкин, В.К. Смаголинский
.

Л.: Машиностроение, 1989.

225 с.

11
.

Цыпин И.И.
Белые износостойкие чугуны /

И.И.

Цыпин.


М
.
: Металлургия, 1983.

176 с
.




Рецензент: М.А. Шумилов

д
-
р техн.
наук, проф., ПГТУ









Статья поступила 11.03.2008



Приложенные файлы

  • pdf 44500445
    Размер файла: 911 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий