Зміни ступеня легування чавунів не привело до помітної зміни металевої матриці стопів, але значно змінило кількість карбідної фази. Цей факт пояснює зниження ударної в’язкості та підвищення твердості із збільшенням вмісту вуглецю та хрому як основних карбідостворюючих елементів. Вплив марганцю за умов невеликих зразків встановити складно. Власних карбідів марганець не утворює (в досліджених стопах), а лише легує карбіди хрому та металеву основу. Розчинюючись у залізі, марганець розширює g-область, та збільшує кількість вуглецю в аустеніті, тим самим стабілізує аустеніт в області перлітного перетворення та підвищує здатність до гартування, а також зменшує загальну кількість карбідів.
Встановити зв’язок між співвідношенням Cr/C та ударно-абразивною зносостійкістю не вдалося. Але оптимальною структурою незалежно від вмісту вуглецю та хрому є мартенситна матриця з 25...28% карбіду типу М7С3. Певно, така структура оптимально поєднує твердість як фактор, що перешкоджає проникненню абразивної частки у тіло кулі, та достатню в’язкість як показник, що сприяє зниженню викришування карбідів у процесі зносу, та підвищенню ударостійкості куль.
Одержані залежності дозволили провести з врахуванням вимог до матеріалу мелючих куль комплексну оптимізацію хімічного складу зносостійкого чавуну з використанням графо-аналітичного методу. Визначено базовий склад чавуну, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 4,0%Mn. Такий склад чавуну забезпечує необхідний рівень властивостей при мінімально можливому вмісті хрому. Цей чавун також має ступінь евтектичності 0,8, що забезпечує покращення ливарних властивостей.
Вивчення впливу марганцю, нікелю, кремнію та титану на експлуатаційні властивості стопу ИЧ280Х15 проводили безпосередньо на кулях діаметром 100мм, що відливали у піщані форми.
Марганець вводили до стопу з метою забезпечення високої твердості не тільки на поверхні кулі, але й по всьому її перетину. При всіх вивчених вмістах марганцю стоп задовольняє умовам по ударостійкості. Твердість поверхні куль при вмісті від 1,0 до 4,0%Mn практично не змінюється, але у центрі кулі максимальне значення твердості має місце при 3,6...4,1%Mn. При такому вмісті марганцю металева основа як на поверхні, так і у центрі кулі представлена мартенситом. Вміст марганцю вище 4,1% знижує точку мартенситного перетворення настільки, що робить практично неможливим одержання структур гартування при кімнатній температурі. Кількість немагнітної складової структури - аустеніту збільшується до межі, коли кулі перестають задовольняти встановленим вимогам по магнітній проникливості, а також по твердості. Вміст марганцю нижче 3,3% приводить до збільшення кількості продуктів розпаду аустеніту у центральній частині кулі, що негативно відзначається на твердості та стійкості мелючих куль.
Кремній є розкислюючим та легуючим елементом і вноситься у чавун з шихтовими матеріалами. Кремній звужує g-область та значно знижує концентрацію вуглецю у аустеніті. У хромомарганцевих чавунах з високою стабільністю аустеніту кремній у визначеному діапазоні вмісту можна розглядати як корисний елемент, що підвищує температуру мартенситного перетворення та полегшує тим самим утворення мартенситу. Але підвищений вміст кремнію приводить до зниження твердості чавуну, оскільки ефект від збільшеня кількості продуктів перлітного розпаду з малою твердістю перекриває ефект від збільшення кількості мартенситу. Встановлено, що вміст кремнію у чавуні ИЧ280Х15Г4 не повинен перевищувати 1,0%.
Використання дорогого нікелю для легування маловідповідальних деталей повинно підтверджуватися його значимістю та необхідністю. Виключення нікелю із складу зносостійкого хромистого чавуну знижує ударостійкість литих куль нижче критичного рівня (Nу<15 ударів). За іншими параметрами стоп повністю відповідає встановленим критеріям. У зв’язку з цим виникла необхідність підвищення ударостійкості матеріалу за рахунок інших факторів. Найбільш перспективним у цьому плані виявилося модифікування стопу титаном.
Добавки титану у кількості до 0,3% приводять до подрібнення структури стопу за рахунок ефекту модифікування другого роду. Наслідком змін у структурі стопу є підвищення ударостійкості куль до необхідного рівня. Але при подальшому збільшенню вмісту титану у стопі має місце збільшення розміру зерна.
У результаті проведених досліджень для виробництва мелючих куль методом лиття запропоновано чавун марки ИЧ280Х15Г4Т, що містить, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 3,5...4,0Mn; не більше 1,0Si; 0,1...0,3Ti.
Проведено оптимізацію режиму термічної обробки мелючих куль з розробленого стопу за температурами повітряного гартування та відпуску. Встановлено, що підвищення температури повітряного гартування веде до зниження твердості та підвищення ударостійкості куль за рахунок збільшення кількості залишкового аустеніту у структурі стопу. Температура відпуску впливає аналогічно з різким збільшенням зростання при температурі вище 6500С, що обумовлено переходом точки перетворення А1 (»7500С). Впливу термічної обробки на первинні карбіди не встановлено. Оптимальним режимом термічної обробки мелючих куль із стопу ИЧ280Х15Г4Т є повітряне гартування з 950±200С та наступним відпуском при 450±200С.
4. Розроблення рекомендованої технології лиття мелючих куль
Розроблено дві модифікації кокілів для лиття мелючих куль:
-кокіль першої модифікації дозволяє одночасно відливати кулі діаметром 100, 80, 60, 40 та 20мм з живленням "відливку через відливок", що забезпечує направлену кристалізацію;
-кокіль другої модифікації розроблено для куль невеликого діаметру (до 60мм), що забезпечує нормальне заповнення форми під дією відцентрових сил з раціональним використанням розмірів кокіля.
З використанням модуля ВВЛ та кокіля першої модифікації провели дослідження впливу вібрації та відцентрових сил на структуру та властивості литих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т.
Встановлено, що зміни режиму роботи модуля ВВЛ практично не вплинули на кількісне співвідношення складових структури стопу, але значно вплинули на їх розміри та у деякий мірі на морфологію. Зі збільшенням частоти коливань та швидкості обертання кокіля зменьшується середній розмір зерна структури та часток карбідів. Цей факт, певно, пов’язаний зі збільшенням кількості центрів кристалізації, переохолодженням розплаву та з підвищенням однорідності стопу внаслідок його перемішування під дією вібрації.
Макроструктура куль у зломах щільна, чиста, за виключенням раковин усадочного характеру діаметром 12...15мм, що розміщуються поблизу живильника на відстані 9...20мм від поверхні кулі. У більшості випадків макроструктура темплетів куль однорідна, дрібнозерниста без видимих включень та тріщин.
Щільність матеріалу куль не залежить від режиму роботи модуля ВВЛ і становить 7,7062 г/мм3. Разом з цим, щільність відливків куль зі збільшенням частоти вібрації та швидкості обертання кокілю підвищується, а об’єм усадочної раковини зменшується (табл. 1). Це обумовлено підвищенням рідкотекучості, а також накладенням ефекту лиття під тиском за рахунок центрифугування при обертанні кокілю. Підвищення частоти коливань кокіля сприяє зниженню газонасиченості відливку та виведенню усадочних дефектів через ливникову систему у стояк. Результатом подрібнення структури чавуну та збільшення щільності відливку стало підвищення службових властивостей мелючих куль. Встановлено, що необхідна ударостійкість литих куль діаметром 80...100мм забезпечується, якщо сумарний об’єм усадочних дефектів не перевищує 1,20...1,25%, а об’єм концентрованої раковини - 0,40...0,45%. Основним результатом роботи стало значне підвищення ударостійкості куль (з 4 до 30 ударів) при збереженні високої твердості (HRC 58...60).
Таблиця 1 - Вплив режиму роботи модулю ВВЛ на щільність відливку мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т
| Режим роботимодулю ВВЛ | Діаметр кулі 40мм | Діаметр кулі 60мм | Діаметр кулі 80мм | |||||||||||||
| Частота вібрації | Швидкість обертання | Щільність кулі, r | Сумарний об’єм усадочних дефектів, åV | Щільністькулі, r | Сумарний об’єм усадочних дефектів, åV | Щільністькулі, r | Сумарний об’єм усадочних дефектів, åV | |||||||||
| Гц | об/хв. | г/см3 | см3 | % | г/см3 | см3 | % | г/см3 | см3 | % | ||||||
| 0 | 500 | 7,623 | 0,35 | 1,09 | 7,583 | 1,82 | 1,6 | 7,693 | 7,22 | 2,85 | ||||||
| 17 | 125 | 7,628 | 0,32 | 1,01 | 7,604 | 1,52 | 1,33 | 7,601 | 6,78 | 2,64 | ||||||
| 17 | 500 | 7,663 | 0,16 | 0,52 | 7,658 | 0,74 | 0,64 | 7,593 | 4,93 | 1,53 | ||||||
| 34 | 125 | 7,656 | 0,2 | 0,65 | 7,65 | 0,83 | 0,72 | 7,564 | 5,47 | 2,16 | ||||||
| 34 | 500 | 7,676 | 0,12 | 0,38 | 7,673 | 0,48 | 0,42 | 7,624 | 3,42 | 1,34 | ||||||
| 48 | 125 | 7,679 | 0,11 | 0,36 | 7,677 | 0,43 | 0,38 | 7,618 | 3,35 | 1,52 | ||||||
| 48 | 500 | 7,685 | 0,09 | 0,28 | 7,668 | 0,56 | 0,5 | 7,695 | 3,06 | 1,22 | ||||||
В роботі не виявлено зв’язку ударостійкості куль від параметрів мікроструктури матеріалу. Певно, що на кулях із значним об’ємом усадочних дефектів їх вплив на ударостійкість більш значний, ніж вплив розмірів мікроструктури. Можливо, що на більш щільних кулях вплив розмірів зерна та карбідів на ударостійкість буде значнішим.