3.5 Визначення оптимального складу зносостійкого білого чавуну

Попередніми дослідженнями установлено, що найкращий комплекс технологічних і спеціальних властивостей має зносостійкий сплав на основі заліза – хромомарганцевий чавун – із вмістом 18...20% хрому й 3,8...4,5% марганцю, якому умовно надана марка 290Х19Г4.

Для забезпечення високої зносостійкості й тривалої експлуатації виробів в умовах інтенсивного гідроабразивного зносу високомарганцевий чавун доцільно додатково піддавати мікролегуванню або модифікуванню. Високі властивості хромомарганцевий чавун рекомендованого хімічного складу набуває після додаткового оброблення його ванадієм у кількості 0,8…1,2% або титаном у кількості 0,1...0,5%. Для виготовлення тонкостінних виливків, які працюють в умовах інтенсивного зносу, рекомендований чавун доцільно обробляти бором до 0,020%.

Відомо, що експлуатацiйнi та механiчнi властивості білих зносостійких чавунів залежать від багатьох факторів i, в першу чергу, від характеристик карбідної фази. Велика кiлькiсть твердих та крихких карбідних фаз визначає низькі пластичні властивості чавунів, але за умови міцного зв’язку їх з матрицею сплаву значно збільшує опір чавунів абразивній дії. Оскільки хром та марганець відносяться до групи карбiдоутворювальних елементів, то теоретичний та практичний інтерес мають дослідження, що спрямовані на вибір оптимальних концентрацій цих елементів у білих чавунах з метою одержання максимальної зносостiйкостi при збереженні задовільних ливарних властивостей.

Дослідженнями щодо ефективного співвідношення хрому і марганцю в цій роботі запропоновано заевтектичний хромомарганцевий чавун з вмістом хрому 16…19% і марганцю – 3,5…5,5%. Покращити його експлуатаційні властивості можна, як і попереднього чавуну, можна додатковим мікролегуванням. Вплив титану та різних режимів термічного оброблення на властивості зносостійкого заевтектичного хромомарганцевого чавуну 420Х18Г5 показано на рис. 3.30 і 3.31.

Зміну твердості залежно від режимів термічного оброблення показано на рис 3.32, а структури залежно від вмісту титану – на рис. 3.33.

1 – відносна зносостійкість; 2 – твердість HRC; 3 – еталон 280Х28Н2

Рисунок 3.30 – Зносостійкість і твердість заевтектичного хромомарганцевого чавуну (4,3 % C, 1,0 % Si, 18,0 % Cr, 5,0 % Mn) залежно від вмісту титану

1 – відпал при температурах 780 °С, 900 °С, 1000 °С, 1100 °С; 2 – гартування на повітрі з температур 780 °С, 900 °С, 1000 °С, 1100 °С

Рисунок 3.31 – Режими термічного оброблення високохромистого заевтектичного чавуну 420Х18Г5 (витримування за необхідної температури – 3 год)

1 – твердість в литому стані; 2 – твердість після відпалу, HRC; 3 – твердість після гартування на повітрі, HRC

Рисунок 3.32 – Твердість заевтектичного хромомарганцевого чавуну (близько 4,3 % C, 1 % Si, 18 % Cr, 5 % Mn) в литому та термообробленому стані залежно від температури термічного оброблення (відпалу та гартуваня)

а	б	в

а – без титану; б – 0,5 % титану, в – 1,5 % титану

Рисунок 3. 33 – Структура заевтектичного хромомарганцевого чавуну з різним вмістом титану (×100)

Високохромисті білі чавуни заевтектичного складу не набули широкого поширення в промисловості внаслідок їх високої крихкості, низьких механічних властивостей та складнощах при виробництві з них виливків.

Проте такі чавуни привертають увагу дослідників та експлуатаційників завдяки більш високому вмісту твердих та зносостійких карбідів типу Me₇C₃.

Застосування в деяких конкретних умовах зношування заевтектичних чавунів може значно підвищити стійкість литих деталей, підвищити економічну ефективність обладнання.

Спроби знизити великі економічні втрати від зношування насосів, що перекачують абразивні пульпи, призводить до використання заевтектичних хромистих чавунів.

Механічні властивості високохромистих заевтектичних чавунів можуть бути покращені легуванням і технологією, що забезпечує потрібну структуру сплаву Структуру металевої матриці високохромистих чавунів можна змінювати термічним обробленням.

У роботі проведено дослідження різних режимів термічного оброблення на твердість і структуру високохромистого заевтектичного чавуну складу, %: 3,8…4,3 С, 16,0…18,0 Cr, 0,6…1,5 Si, 4,0…5,0 Mn, 0,1 Ti, ≤ 0,09 P, ≤ 0,05 S.

Досліджено вплив гартування з температур 780 °С, 900 °С, 1000 °С, 1100 °С та відпалу при цих же температурах.

Першу партію зразків одного хімічного складу розмірами 20×30×100 мм нагрівали зі швидкістю 150…200 °С/год до заданої температури, витримували при цій температурі 3 год, після чого охолоджували на повітрі (повітряне гартування), другу партію зразків того ж складу залишали в печі і охолоджували разом з піччю, тобто здійснювали їх відпал.

Твердість зразків в литому стані становила 58…60 од. HRC.

Мінімальну твердість (44…45 HRC) зразків отримано при відпалі за температури 900 °С, структура сплаву складалася з первинних і евтектичних карбідів типу Me₇C₃, (див. рис. 3.33) продуктів розпаду аустеніту і залишкового аустеніту.

Зниження твердості на 15 од. можна вважати хорошим результатом, хоча при такій твердості механічне оброблення традиційними методами здійснити практично неможливо.

Максимальна твердість чавуну (60…62 HRC) отримана при гартуванні з 780 °С, структура сплаву складалася з первинних і евтектичних карбідів Me₇C₃, мартенситу, вторинних карбідів і залишкового аустеніту.

Підвищення твердості на кілька одиниць після гартування суттєво не змінить зносостійкість сплаву, проте таке гартування можна використовувати після пом’якшувального відпалу для повернення до початкової твердості сплаву.

З підвищенням температури гартування до 1100 °С твердість чавуну знижувалася до 50 HRC, що пов’язано з розчиненням вторинних карбідів і стабілізацією аустеніту в структурі.

Отже, використовуючи чавуни не тільки різного хімічного складу, але й відповідні режими термічного оброблення можна досягти високої зносостійкості, особливо в умовах гідроабразивного зносу.

Такі чавуни доцільно використовувати для виготовлення шнеків шламових транспортерів систем гідрозоловидалення теплових електростанцій та колін трубопроводів для транспортування вугільного пилу до паливоспалювальних пристроїв тощо за умови виконання технологічних процесів лиття і термічного оброблення.