1.5 Матеріали для виготовлення зносостійких литих деталей

Високомарганцеві зносостійкі сталі. Використовують для виготовлення футерувальних плит кульових млинів на теплових електростанціях, траків різного призначення, зубів екскаваторів тощо. Це сталі аустенітного класу, їх відносять до групи сталей з особливими фізичними властивостями. Основною спеціальною фізичною властивістю сталі є її опір зносу, найвищий у порівнянні з іншими відомими марками сталі. Оскільки сталь має аустенітну структуру, а тому вона немагнітна, що також визначає галузі її використання.

Практикою установлено, що біля 50% виливків, які виготовляють з легованих сталей, припадає на високомарганцеву сталь типу 110Г13Л. Сталь має порівняно невисоку вартість, відносно проста у виготовленні, має високі в’язкість та опір ударним навантаженням і тискам, наклепуваність у холодному стані і через це має високу зносостійкість.

Надзвичайно хороші результати мають місце при використанні цієї сталі для різних деталей дробарок, екскаваторів і інших машин, а також для бронеплит, молотів тощо замість швидкозношуваної в цих умовах звичайної сталі.

Після термічного оброблення марганцева сталь стає немагнітною. Оскільки сталі цього класу важко піддаються механічному обробленню, частіше всього їх використовують для виготовлення таких деталей, які не потребують або майже не потребують механічного оброблення.

Мікроструктура високомарганцевих сталей в основному складається із легованого аустеніту.

Окрім того, залежно від їх хімічного складу, в них можуть бути присутніми також мартенсит, перліт, троостит і карбіди. Різноманітність структурних складових, присутність яких обумовлена значною мірою термічним обробленням сталі, дуже велика.

Незважаючи на те, що ці сталі відносять до перших високолегованих сплавів на основі заліза ( використовують з 1885 року) на рівні з хромонікелевими, захищено значну кількість докторських і кандидатських дисертацій з метою покращання їх властивостей, але і на сьогодні достатньо багато не вирішених проблем щодо технологій виплавляння сталей та розливання їх у форми.

Дослідженнями установлено [17], що з покращанням умов живлення виливків під час їх тверднення, підвищуються фізична щільність і показники механічних властивостей сталі (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Вплив щільності на механічні властивості ливарної високомарганцевої сталі 110Г13Л [17]

Параметр контролю	Щільність, г/см3
	7,681 7,681	7,735	7,825	7,827
Тимчасовий опір при розриванні, МПа	632,0	678,0	721,0	730,0
Відносне подовження, %	17,4	18,6	27,6	28,2
Відносне звуження, %	17,0	19,1	28,1	29,5
Ударна в’язкість, KCU, МДж/м²	1,8	2,1	2,2	2,4

Найкращі умови живлення усіх зон виливка досягаються внаслідок процесів напрямленої кристалізації.

Для одержання високих механічних властивостей і зносостійкості виливків наявності аустенітної структури недостатньо. Установлено, що якість цієї сталі значною мірою визначається величиною зерна аустеніту. Більш високі показники міцності і пластичності забезпечуються при дрібному зерні. У виливках із аустенітної сталі, які не мають фазових перетворень, дрібнозерниста структура може бути одержана тільки шляхом регулювання процесів кристалізації рідкої сталі.

Сталь 110Г13Л має високу рідкотекучість внаслідок зниження температури ліквідусу і солідусу та малих поверхневого натягу і внутрішнього тертя, надзвичайно агресивна до кислих вогнетривів і ливарної піщаної форми. Взаємодія починається в ковші (шамотні вогнетриви) і закінчується в ливарній формі.

Виплавляння високомарганцевих сталей здійснюють виключно в печах з основною футеровкою, оскільки виплавляння сталей в печах з кислою футеровкою супроводжується швидким її роз’їданням.

Використовують три методи виплавляння високомарганцевої сталі: з окисленням (на свіжих шихтових матеріалах), переплавленням і сплавленням.

Для одержання якісного литва заливання форм необхідно здійснювати швидко і забезпечувати прискорене тверднення виливків як у піщаних, так і в металевих формах. Цим відвертають транскристалізацію сталі з високим вмістом марганцю і забезпечують одержання достатньо дрібнозернинної структури.

Таблиця 1.2 – Вплив температури заливання форм на механічні показники литих зразків сталі 110Г13Л [17]

Температура, °С	Механічні властивості
	σВ, МПа	δ, %	KCU, МДж/м²
1410	802	32,5	2,42
1450	730	29,5	2,13
1490	610	21,2	1,76
1530	568	17,4	1,23

Високомарганцева сталь має значну лінійну усадку (2,4...3,0%), тому для крупних і товстостінних виливків усадку приймають рівною 2,5...2,8%, а для довгих тонкостінних виливків усадка приймається різною: по довжині 2,7...3,0%, а по висоті – 1,5%.

Для запобігання утворення тріщин у виливках із високомарганцевих сталей форми руйнують після того, як температура виливка знижується до 1200...1250 °С, після чого виливки охолоджують з певною швидкістю, засипають сухою відпрацьованою сумішшю або піском. Повільне охолодження попереджає утворення тріщин у виливках при кімнатній температурі. У зв’язку з великою усадкою сталі виливки не повинні мати гострих кутів, різких переходів від однієї до іншої стінки, особливо складної конфігурації.

Установлено, що відношення Мn:С має бути більшим за 10. При товщині стінки виливка більше 120 мм сталь необхідно додатково легувати нікелем, а вміст вуглецю при цьому повинен бути мінімальним.

Температура гартування залежить від вмісту вуглецю в сталі. Чим більший вміст вуглецю в сталі, тим вищою має бути температура гартування, наприклад, при 1% С температура нагрівання виробів під гартування дорівнює 900 °С, а при вмісті 1,5% – 1050 °С . Підвищення температури нагрівання призводить до прискореного росту аустенітних зерен, але при цьому забезпечується повне розчинення карбідів, які погіршують якість виливків. Тривалість витримування при високій температурі залежить від товщини стінок виливка.

Зносостійкі чавуни. Для виготовлення литих зносостійких деталей багерних насосів та інших механізмів систем гідрозоловидалення теплових електростанцій, які працюють в умовах інтенсивного гідроабразивного зносу, використовують спеціальні високолеговані чавуни: 280Х28Н2, 270Х12Г5, 280Х12Г3М, 250Х17, 300Х12М, 280Х12Н3Г3, 300Х33Н3, 300Х17МТ, 280Х15М2, 250Х4Г7Д, 40ХГСМЛ, 250Г5Х5М4 тощо.

Проте зносостійкість цих сплавів не перевищує зносостійкості сплаву 280Х28Н2. Крім того, як це видно з маркування сплавів, багато з них вміщують у своєму складі дефіцитні молібден і нікель.

Зносостійкі білі чавуни – це група хромистих, хромомарганцевих, хромонікелевих чавунів, основною відмінністю яких є наявність у мікроструктурі легованих карбідів заліза і карбідів легувальних елементів, які забезпечують високу зносостійкість в умовах абразивного зношування [18].

Регулювання стану металічної основи легуванням, мікролегуванням, модифікуванням і термічним обробленням дає можливість в достатньо широкому діапазоні змінювати зносостійкість і оброблюваність білих чавунів.

Механічні властивості білих чавунів характеризуються, перш за все, високою твердістю, помірною міцністю під час розривання та згинання (табл. 1.3) і практичною відсутністю пластичності.

Основне їх призначення – захист вузлів машин від абразивного зношування. Обмеження, що створюються низькою міцністю білих зносостійких чавунів під час динамічних навантажень, можуть бути зняті після використання комбінованих виливків сталь – зносостійкий чавун.

Для цього робоча поверхня деталі захищається від абразивного зносу вставками із зносостійкого чавуну, а міцність деталі в цілому забезпечується сталевою основою.

Таблиця 1.3 – Механічні властивості білих зносостійких чавунів з різними типами карбідів [18]

Характеристика	Типи карбідів
	Ме3С	Ме7С3	Ме7С3 + М е23С6
Тимчасовий опір розриванню, МПа	150…390	170…1000	390…1000
Міцність на згин, МПа	330…600	490…1000	690…1200
Твердість, НВ	450…690	430…750	250…750
Модуль пружності, ГПа	169…183	154…190	154…190

Погана оброблюваність зносостійких білих чавунів різальним інструментом пов’язана з наявністю в їх структурі карбідів і морфологічними особливостями евтектики γ + карбіди. Однак оброблюваність чавунів з карбідами хрому в структурі може бути суттєво змінена термічним обробленням. Перспективним напрямком зниження трудомісткості механічного оброблення є використання електроіскрових методів оброблення, плазмового нагрівання зони різання тощо.

Ливарні властивості білих чавунів гірші, ніж сірих. Проте їх рідкотекучості достатньо для виготовлення литих заготовок з товщиною стінок від 6…8 до 3 мм у піщано-глинястих формах.

Лінійна усадка білих чавунів наближається до лінійної усадки вуглецевої сталі. Білі чавуни мають підвищену схильність до утворення гарячих і холодних тріщин, що пов’язано з широким інтервалом кристалізації сплаву, підвищеною лінійною усадкою та низькою теплопровідністю. Тому при конструюванні литих деталей з білого чавуну і проектуванні технології форми необхідно забезпечити мінімальне гальмування усадки, вирівнювання температур у різних перерізах виливка. Головні структурні складові білих зносостійких чавунів – карбіди і металева основа. Основними характеристиками карбідів, які мають вирішальний вплив на зносостійкість, механічні і технологічні властивості білих зносостійких чавунів є тип кристалографічної гратки, морфологія, кількість, розміри, орієнтування по відношенню до зношуваної поверхні.

За типом кристалографічної гратки карбідів білі зносостійкі хромисті чавуни поділяють на такі основні групи:

– чавуни з карбідами типу Ме₃С (нелеговані і низькохромисті чавуни);

– чавуни з карбідами типу Ме₇С₃ (основна група білих чавунів, легованих хромом);

– чавуни з карбідами типу Ме₂₃С₆ і Ме₇С₃ (група високохромистих білих чавунів).

За морфологією карбідної фази білі зносостійкі чавуни поділяють на дві групи:

– чавуни, в яких матричною фазою є карбід, а розгалуженою – аустеніт або продукти його перетворення (чавуни з карбідами типу Ме₃С);

– чавуни, в яких матричною фазою є аустеніт або продукти його перетворення, а розгалуженою – карбіди (чавуни з карбідами типу Ме₇С₃, Ме₂₃С₆).

Кількість карбідів у білих зносостійких чавунах визначається переважно вмістом вуглецю і складає від 12 до 50 %. Найрозповсюдженіші марки чавунів мають 25…30 % карбідів.

Розміри первинних і евтектичних карбідів визначаються головним чином швидкістю охолодження в інтервалі кристалізації.

Для виливків з товщиною стінки від 3 до 100 мм середній розмір карбідів Ме₇С₃ складає відповідно від 4 до 12 мкм. При цьому довжина карбіду більша його поперечника в 10 і більше разів [18].

Розміри вторинних карбідів, які виокремлюються із перенасиченого аустеніту або мартенситу, менші за 1 мкм.

Орієнтування карбідів по відношенню до зношуваної поверхні має значення для чавунів з карбідами типу Ме₇С₃, які відрізняються різними типами міжатомних зв’язків гексагональної кристалевої гратки.

Перевагу щодо зносостійкості має орієнтація карбідів перпендикулярно зношуваній поверхні.

Металева основа білих зносостійких чавунів – це аустеніт і продукти його перетворення. Її головними характеристиками, які впливають на зносостійкість, механічні і технологічні властивості, є мікротвердість, зв’язок карбід – матриця, який визначає міцність закріплення карбідів в основі, здатність до деформації і фазових перетворень у процесі зношування.

Як еталонний сплав для оцінки структури та властивостей зносостійких матеріалів, їх поведінки в гідроабразивних і абразивних середовищах, може бути прийнятий сплав 280Х28Н2.