Износостойкий сплав

 

Использование: для изготовления гарнитуры дисковых мельниц в целлюлозно-бумажной промышленности. Сплав содержит, мас. углерод 1,3 1,7; кремний 0,6 1,0; марганец 0,6 1,0; хром 12 17; никель 1,0 2,0; молибден 0,5 1,0; ванадий 0,5 2,5; цирконий 1,0 3,0; железо остальное. Допольнительно сплав содержит алюминий в количестве 1,0 3,00 мас. и азот в количестве 0,03 0,05 мас. 2 табл.

Техническое решение относится к составам легированных сплавов, предназначенных преимущественно для изготовления рабочих размалывающих органов аппаратов, производящих волокнистые полуфабрикаты в целлюлозно-бумажной промышленности (дисковых мельниц).

При создании таких сплавов приходится решать сложную и противоречивую задачу, находить компромисс, так как для получения высоких свойств материала требуется, с одной стороны, однофазная структура для коррозионной стойкости и вязкости и, с другой стороны, двухфазная структура с высокопрочной матрицей и твердыми включениями для хорошей износостойкости. Отливки размалывающих органов подвергаются термообработке закалке или нормализации с отпуском. Поэтому сплав должен обладать способностью претерпевать фазовые превращения, хорошей прокаливаемостью, стойкостью против коробления, деформации и образования закалочных трещин.

Известные износостойкие сплавы для изготовления гарнитуры дисковых мельниц содержат достаточно постоянный набор легирующих элементов и добавок, а именно, мас. углерод 0,5-3,5; кремний 0,5-2,0; марганец 0,3-1,5; хром 15-35; никель 0,5-3,0; молибден 0,5-2,5. Для повышения износостойкости ряд сталей дополнительно содержит титан в виде зерен карбидов в количестве 1-5% Углерод влияет на твердость и износостойкость, так как способствует образованию карбидов. Повышенное его содержание снижает коррозионную стойкость материала, пластичность и вязкость. Кремний является ферритообразующим элементом, повышает твердость стали, но резко снижает при высоких концентрациях ударную вязкость. Марганец способствует стабилизации аустенита и цементита в высокоуглеродистых сталях, увеличивает их прокаливаемость, но при увеличении содержания более оптимального снижает стойкость к абразивному износу. Хром и титан, являясь карбидообразующими элементами, увеличивают твердость и износостойкость, хром увеличивает коррозионную устойчивость, жидкотекучесть стали. Никель и молибден увеличивает прокаливаемость. Никель увеличивает твердость, ударную вязкость, расширяя область существования аустенита. Повышение его содержания более оптимального ухудшает жидкотекучесть. Молибден, кроме того, вводят в хромникелиевые сплавы для увеличения коррозионных и износостойких свойств. Введение его в количестве 0,4-0,7% подавляет склонность к отпускной хрупкости. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является сплав для изготовления гарнитуры дисковых мельниц, содержащая, мас. углерод 2-4; кремний не более 2; марганец менее 2; хром 20-30; молибден макс.5; никель 0,5-4; титан 1-5, а также ванадий, алюминий, цирконий, ниобий и тантал макс. 1.

Задачей при создании данного технического решения было создание отечественной стали для гарнитуры дисковых мельниц, работающих в условиях повышенного коррозионного и абразивного износа, имеющей высокий срок службы. Предлагаемый износостойкий сплав, решающий указанную задачу, содержит в своем составе, мас. углерод 1,2-1,7; кремний 0,6-1,0; марганец 0,6-1,0; хром 12-17; никель 1-2; молибден 0,5-1,0; ванадий 0,5-2,5; цирконий 1,0-3,0. Сплав может также содержать алюминий в количестве до 3% и азот в количестве 0,03-0,05% Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что не содержит в своем составе титан, а ванадий, цирконий и алюминий содержит в большем количестве. Предлагаемый состав сплава позволил получить металлическую литую гарнитуру дисковых мельниц, имеющую коррозионную устойчивость в 2 раза более известного сплава, что позволило значительно увеличить срок ее службы в агрессивных средах.

Известно, что ванадий и цирконий также являются карбидообразующими элементами. Но ванадий, образуя карбиды с твердостью ниже, чем твердость карбидов титана, на литейные и износостойкие свойства оказывает небольшое влияние. Его вводят в количестве 0,5-2,5% для повышения вязкости за счет мягкого зерна и устойчивости сплавов после отжига. Увеличение содержания ванадия более 2,5% приводит к снижению ударной вязкости. Алюминий способствует графитизации, что положительно влияет на твердость и износостойкость стали. Цирконий в периодической системе находится в одной группе с титаном, их карбиды имеют очень близкие показатели твердости, температуры плавления и прочности связи между атомами металла и углерода. Однако сведения о его влиянии на качество стали неоднозначны и противоречивы. Известно введение циркония в количестве 0,1-0,3% для раскисления, обессеривания и деазотации сплава. Известно легирование цирконием в количестве 1-10% быстрорежущей стали для повышения ее абразивной износостойкости. Однако нигде нет сведений о том, что цирконий по сравнению с титаном может значительно увеличивать коррозионную износостойкость сплава и стали.

Плавки стали проводили в индукционной высокочастотной печи ЛПЗ-67 с кислой футеровкой на шихтовых материалах, легирующих добавках и раскислителях, выпускаемых по следующим маркам: стальной пруток -50Х, феррохром низкоуглеродистый ФХО10Б, азотированный феррохром ФХМ 600А, ферромолибден ФМо60-1, феррованадий ФВд35у, ферровольфрам ФВ72, ферротитан Ти-2, ферробор ФБ17, ферросилиций ФО75, марганец металлический Мр2, алюминий АВ92, цирконий кальциетермический КТЦ-110, никель гранулированный Н-2, чугун чушковый Л5, ферроалюмоцирконий ФАЦр18.

Физико-механические свойства сплава определяли при нормальных температурах по стандартным методикам на серийных машинах. Определение ударной вязкости проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с U-образным надрезом на маятниковом копре МК-30А. Твердость стали определяли по методу Роквелла (шкала С) в соответствии с ГОСТ 9013-59 на приборе ТК-2. Микроструктуру исследовали при увеличении в 300 и 500 раз на микроскопе МИМ-8 шлифов после травления реактивом Гречко, а выявление карбидов, их формы, местоположения и количества проводили травлением реактивом Мураками. Концентрацию компонентов в сплаве определяли химически стандартными методами и спектрально. Испытания на абразивный и коррозионный износ проводили на установке, включающей шлифовальный диск, частота вращения которого составляла 250 об/мин, и держатель образца, вращающийся с частотой 52 об/мин в направлении, противоположном направлению вращения шлифовального диска. Образец подвергали истиранию в течение 2 мин обновляемой абразивной средой. При определении абразивного износа на шлифовальный диск крепили шлифовальную бумагу с абразивной поверхностью из карбида кремния, которую заменяли каждые 30 с. При определении коррозионного износа на шлифовальный круг крепили резину, а в пространство между диском и образцом подавали слабоабразивную взвесь мелкозернистой окиси алюминия в растворе серной кислоты. Элементный состав образцов сплава представлен в табл.1, свойства образцов сплава в табл.2. Так как оптимальное количество традиционных легирующих добавок в сплавах подобного назначения, указанное в формуле изобретения, определено мировой практикой, в примерах эти элементы взяты в количестве, находящемся в середине заявляемого интервала. Примеры 1,2,4,5 имеют соcтав по предлагаемому техническому решению, пример 3 по аналогу, имеющему состав, подобный предлагаемому, но содержащему титан вместо циркония, примеры 6-7 за пределами предлагаемого технического решения, примеры 8,9 по прототипу.

Как видно из приведенных данных, введение циркония вместо титана в тех же количествах (примеры 1 и 3) почти в 3,5 раза увеличивает коррозионную стойкость, снижает хрупкость изделия. Введение в композицию с цирконием алюминия позволяет сделать сплав более дешевым. При этом, несмотря на снижение твердости, не ухудшается абразивная стойкость, сохраняются преимущества предлагаемого состава в отношении коррозионной стойкости и хрупкости (пример 2). Сплав по прототипу, содержащий незначительные количества ванадия, циркония и алюминия, которые вводят для повышения жаростойкости, имеет по сравнению с предлагаемым составом при одинаковом показателе абразивного износа в 1,5-2,5 раза ниже коррозионную стойкость и худшую ударную вязкость (примеры 1,2 и 8 прототипа, пример 4 и 9 прототипа). При уменьшении содержания циркония ниже заявляемого резко снижается абразивный износ, при увеличении его более заявляемого качество сплава меняется незначительно, но удорожается производство сплава.

Формула изобретения

1. ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ преимущественно для изготовления гарнитуры дисковых мельниц, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, цирконий и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Углерод 1,3 1,7 Кремний 0,6 1,0 Марганец 0,6 1,0 Хром 12 17 Никель 1 2 Молибден 0,5 1,0 Ванадий 0,5 2,5 Цирконий 1 3 Железо Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий в количестве 1 3 мас.

3. Сплав по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит азот в количестве 0,03 0,05 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1