Выбор базового состава чугуна для изготовления литых мелющих тел

УДК 669.13.018.256

Вдовин К.Н., Синицкий Е.В., Волков С.Ю., Абенова М.Б.

ВЫБОР БАЗОВОГО СОСТАВА ЧУГУНА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ

Аннотация. Были проведены исследования по легированию чугуна для мелющих шаров, определено влияние легирования на специальные свойства, в частности на износостойкость. Математическая обработка данных с использованием ней-росетевого моделирования показала, что помимо содержания легирующих элементов большую роль играет также дисперсность структуры, которая определяется параметрами кристаллизации и термической обработкой.

Ключевые слова: мелющие тела, гидроабразивный износ, ударно-абразивный износ, легирование, нейронная сеть, доля карбидов, твердость, износ.

Для деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания при комбинированном воздействии абразивных сред и ударных нагрузок, целесообразно использовать чугуны со специальными эвтектиками, расположение фаз в которых обеспечивает проявление эффекта композиционного упрочнения.

В связи с этим актуальной является задача повышения стойкости мелющих тел при сохранении низкого уровня их стоимости. Для ее решения необходим комплексный подход: применение рационального состава сплава и технологии изготовления мелющих тел.

Для многих машин и механизмов долговечность и надежность тесно связаны с износостойкостью их деталей. Особенно велико значение этих свойств для быстро изнашивающихся деталей горно-

обогатительного оборудования, так как оно работает в условиях интенсивного гидроабразивного и ударно-абразивного износа при дроблении и измельчении сырья. Основными потребителями мелющих тел являются горно-металлургическая, цементная и энергетическая отрасли [1].

Диаграмма потребления мелющих тел в России (рис. 1) может быть представлена так: для твердых и относительно бедных железных руд - 43%; для медных и никелевых руд - 22% и 10% приходится на цемент [4].

Мелющие тела практически полностью изнашиваются при эксплуатации (износ до 0,5-2 кг/т), и расходы на их приобретение составляют, по разным оценкам, от 15 до 35% от общих технологических затрат. То есть повышение долговечности мелющих тел является актуальной задачей [4].

Никель

Уран

Агшн1

Жмно

Золото

Цсыснт

Уголь

Мед;,

Алюъмнин

Прочее

Рис. 1. Диаграмма потребления мелющих тел по отраслям России

Из практики эксплуатации чугунных мелющих шаров известно, что они показывают стойкость выше, чем стальные в 3-5 раз [1]. Это связано с тем, что в

структуре чугуна присутствует значительное количество карбидов, обладающих высокой твердостью. Чтобы повысить свойства чугуна для изготовления

мелющих шаров, можно применить легирование, а чтобы не повысилась стоимость чугуна, провели оптимизацию его состава.

Исследовали легированный чугун для мелющих шаров со следующим химическим составом, %: 2,17— 3,93 С; 0,23-1,68 Si; 0,11-4,0 Мп; 0,32-1,0 Сг; 01,82 №; 0-2,64 Мо; V 0-8,5; 0-0,89 Тц 0-1,2 Си; 00,25 В; 0-0,025 Sb; 0-0,07 Са.

Влияние легирования на специальные свойства сплавов (в частности, на износостойкость) имеет одинаковый механизм для широкого диапазона варьирования содержания легирующих элементов. Элементы, упрочняющие сплавы за счет растворного легирования и образования промежуточных фаз, наиболее существенно повышают износостойкость. Общими и основными легирующими элементами для железоуглеродистых сплавов являются хром, ванадий, титан, молибден. Однако математическая обработка данных с использованием статистических методов и нейросе-тевого моделирования показывает, что влияние легирующих элементов носит неоднозначный характер. Помимо содержания легирующих элементов в сплаве большую роль играет также дисперсность структуры, которая определяется параметрами кристаллизации и термической обработкой.

Влияние какого-либо одного легирующего элемента на свойства сплавов и износостойкость имеет значительно меньшую значимость, чем комплекса легирующих элементов. Это обусловлено тем, что одинаковые механические, специальные и служебные свойства могут принадлежать разным макро- и микроструктурам сплавов со схожими механическими свойствами. Таким образом, оценить влияние легирующих элементов без учета микро- и макроструктуры, а также условий их формирования с достоверной точностью затруднительно.

В характере влияния основных механических свойств сплавов на их износостойкость также прослеживается одинаковый механизм и наблюдается тесная взаимосвязь всего комплекса свойств.

В многокомпонентных сплавах углерод может присутствовать в виде растворов, в виде отдельной фазы (графит) или виде химических соединений (карбиды и комплексные соединения). Ввиду этого, для комплексно-легированных железоуглеродистых сплавов использование параметра - содержания углерода без учета содержания иных элементов нецелесообразно (рис. 2).

Из представленного графика видно, что поле рассеяния экспериментальных данных и их дисперсия велики, а достоверность аппроксимации при расчете регрессионной зависимости довольно низка.

Аналогичная картина наблюдается при попытках описать влияние на износостойкость карбидооб-разующих элементов, таких как Сг, Мо, V, Т1

14

X 2

0 -1-1-1-

2 2.5 3 3.5 4

Содержание С, %

Рис. 2. Влияние содержания углерода на износостойкость

Таким образом, при использовании единичного показателя (содержание С, Сг, Мо, V, К) прогнозирование износостойкости комплексно-легированных сплавов затруднительно.

Более целесообразно использование для прогнозирования и оптимизации свойств чугунов характеристик, явно и опосредованно описывающих макро- и микроструктуру сплавов и их механические свойства. Такими характеристиками могут выступать количество карбидов, их размер, твердость, параметры матрицы, механические свойства (рис. 3-7).

Рис. 3. Влияние количества карбидов на износостойкость

Рис. 4. Влияние размера карбидов

на износостойкость

Ад

Ж

т

♦ ♦ 1т г

♦ ♦♦

гггпппгтппгтп шппшпп н к,

Рис. 5. Влияние микротвердости карбидов на износостойкость

ные для усталостного износа и выкрашивания карбидной фазы. Увеличение размеров карбидов также приводит к падению износостойкости из-за их хрупкого разрушения при абразивном воздействии и перехода механизма изнашивания в область хрупкого и усталостного разрушения. При прочих равных условиях повышение микротвердости карбидов положительно влияет на износостойкость сплавов (рис. 5).

Комплексное применение характеристик, свойств и описания карбидных фаз для прогнозирования и оптимизации свойств чугунов является одним из наиболее достоверных методов.

Наряду с характеристиками микроструктуры для прогнозирования и оптимизации механических свойства сплавов целесообразно применение таких характеристик, как: твердость и предел прочности [2] (рис. 6, 7).

Нейросетевая обработка экспериментальных данных показала, что для прогнозирования и оптимизации чугунов на заданные свойства необходимо применение комплексного показателя, включающего в себя содержание легирующих элементов, характеристик микроструктур и механические свойства сплавов.

ппшпппп н RC, Ш Рис. 6. Влияние твердости HRC на износостойкость

0

1

Ч.А

И»

-Яг

ппшш шпшшшац ппп

Рис. 7. Влияние предела прочности ав на износостойкость

Регрессионные зависимости, полученные при обработке экспериментальных данных, имеют следующий вид:

Ku=-0,0159qk2+1,2094qk-12,949 R2=0,5872;

Ки=-0,0191тк2-0,3115тк+12,854 R2=0,7786;

Ки=8Е-0,8Нк2-0,012Нк+9,3415 R2=0,7068;

Ku=0,005HRC2-0,26HRC+7,2088 R2=0,6619;

Ки=1Е-0,5ав2+0,0026ав+2,9947 R2=0,8384.

Проанализировав уравнения регрессии, видно, что повышение доли карбидов в микроструктуре приводит к изменению характера износа поверхности, в котором начинают преобладать процессы, характер-

Рис. 8. Зависимости между основными свойствами мелющих тел: 1 — ударостойкость; 2 — износостойкость

За основу принята твердость чугуна, поскольку она легко контролируется у производителя и потребителя мелющих тел. Ударостойкость оценивается на специальном копре с энергией 530 Дж по количеству ударов до разрушения, которое выдержит отливка. Износ достаточно монотонно падает с увеличением твердости. Ударостойкость изменяется более сложным образом [2]. С увеличением твердости растет количество хрупкой карбидной фазы, однако при повышении содержания хрома в карбиде прочность его возрастает. Дальнейшее увеличение содержания хрома изменяет тип карбидов, что также сопровождается ростом ударостойкости (рис. 8).

Литературно-патентный анализ показал, что для деталей, работающих в условиях абразивного и удар-

но-абразивного изнашивания при комбинированном воздействии абразивных сред и ударных нагрузок, целесообразно использование чугунов со специальными эвтектиками, расположение фаз в которых обеспечивает проявление эффекта композиционного упрочнения. В большинстве случаев такие чугуны имеют углеродный эквивалент, равный 2,2-3,5 мас.% и более, и могут дополнительно подвергаться упрочняющей термообработке. Однако в процессе формирования структуры в них возникают большие внутренние напряжения, приводящие к образованию микротрещин и, как следствие, возможному развитию усталостного износа.

Поэтому необходимо разработать такой состав чугуна для получения необходимой структуры, который позволил бы исключить износ по усталостному типу, образование дефектов в отливках и существенно повысить коэффициент ударной износостойкости сплава, твердости при достаточно высоких уровнях вязкости.

Из табл. 1 видно, что составы чугунов для изготовления мелющих тел отличаются мало. Это связано с подобием условий эксплуатации (ударно-абразивный износ) и схожестью предъявляемых к материалу требований. Кроме указанных, в случаях повышенных требований к износостойкости применяют специальные чугуны с высоким содержанием хрома [3].

В результате проведения комплексной оптиизации при помощи нейросетевой обработки был получен оптимизированный состав, представленный в табл. 2. В настоящий момент проводится полный комплекс исследований состава с целю дальнейшего внедрения в промышленность нового состава сплава для мелющих тел, участвующих в процессах дробления и измельчения. Это существенно снизит затраты на электроэнергию (до 20%) и повысит качество размола сырья.

Вывод

Получены математические модели, которые позволяют прогнозировать свойства сплавов от химиче-

ского состава и, наоборот, для заданных свойств выбирать состав сплава.

Таблица 1

Химический состав и твердость чугуна для изготовления мелющих тел, мас. %

Материал С Si Mn Cr Ni HB

Низколегированный белый 2,8 0,3 0,4 - - 415-477

чугун

Низколегированный хромистый 3,2 0,6 0,5 2,0 - 477-555

чугун

Низколегированный белый 3,5 0,5 0,5 0,5 - 477-534

чугун

Нихард 3,2 0,5 0,3 1,4 3,5 555-627

Получены рекомендации по выбору базового легирующего комплекса для отливок деталей специального назначения в зависимости от условий работы и по выбору дополнительных легирующих и модифицирующих комплексов для обеспечения наиболее высоких эксплуатационных и литейных свойств.

Литература

1. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Пенкин Н.С., Капралов Е.П., Маляров П.В. и др. М.: Недра, 1992. 265 с.

2. Колокольцев В.М. Теоретические и технологические основы разработки литейных износостойких сплавов системы железо-углерод-элемент: дис. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск, 1995. 427 с.

3. Износостойкие чугуны для отливок деталей дробемет-ных камер / В.М. Колокольцев, О.А. Назаров, В.В. Ко-ротченко и др. // Литейное производство. 1992. №7. С. 11-12.

4. Стеблов А.Б., Березов С.Н., Козлов А.А. Литые чугунные шары для помола материалов // Литье и металлургия. 2012. № 3. С. 45-50.

Таблица 2

Оптимизированный химический состав и твердость чугуна для изготовления мелющих тел, мас. %

С Si Mn Cr Cu V Ni

3 0.4 0.4 1.5 1 2.5 3

Сведения об авторах

Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой литейного производства и материаловедения института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-84-19.

Волков Сергей Юрьевич - аспирант, мл. науч. сотрудник института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: Vs_mgtu@mail.ru

Синицкий Евгений Валерьевич - канд. техн. наук, доц. института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Абенова Маркаба Борановна - аспирант института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

♦ ♦ ♦