Кафедра ливарного виробництва чорних та кольорових металів

Національний технічний університет України "КПІ ім. Ігоря Сікорського"

Українська (UA)Русский (RU)English (UK)Deutsch (DE)
FacebookTwitterGoogle+

34. Каждый может умереть как богач, если согласится жить как бедняк. (Генри Гулд)


Знайшли помилку в тексті? Виділіть текст, натисніть Shift+Enter і відправте нам повідомлення.

Радченко Костянтин Сергійович Хромомарганцеві зносостійкі чавуни для роботи в умовах гідроабразивного зношування

Радченко Костянтин Сергійович Хромомарганцеві зносостійкі чавуни для роботи в умовах гідроабразивного зношування. Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Робота виконана на кафедрі ливарного виробництва чорних і кольорових металів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Ямшинський Михайло Михайлович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри ливарного виробництва чорних і кольорових металів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бубликов Валентин Борисович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділу високоміцних та спеціальних чавунів

доктор технічних наук, професор Хричиков Валерій Євгенович, Національна металургійна академія України МОН України, завідувач кафедри ливарного виробництва.

Актуальність теми. Абразивне зношування є основною причиною виходу з ладу значної кількості литих деталей машин, що працюють в теплоенергетичній, гірничодобувній, металургійній, хімічній та інших галузях. Збитки від простою устаткування та витрати на його ремонт часто перевищують вартість самих деталей. Правильний вибір сплавів для виготовлення швидкозношуваних деталей визначає економічну ефективність роботи тієї чи іншої машини, установки або цілої системи.
Для виготовлення литих деталей, що працюють в умовах абразивного та гідроабразивного зношування, використовують високолеговані білі чавуни, які за кількістю литва, що з них виготовляють, посідають одне з провідних місць серед чавунів із спеціальними властивостями.
Більшість сучасних сплавів, які використовують у теплоенергетиці як зносостійкі, вміщують у своєму складі значну кількість дорогих елементів, таких як нікель, молібден, ванадій, хром тощо. У світовій та вітчизняній практиці накопичений значний досвід використання як зносостійких матеріалів раціонально легованих високохромистих і хромомарганцевих чавунів. Проте такі чавуни не завжди відповідають необхідним вимогам щодо зносостійкості та механічних властивостей. Вони схильні до утворення тріщин у виливках у процесі їх тверднення або термічного оброблення, погано оброблюються на металорізальних верстатах тощо.
Аналізом літературних даних з цього питання установлено, що покращити технологічні і експлуатаційні властивості хромомарганцевих чавунів можна додатковим легуванням, мікролегуванням, модифікуванням та відпрацюванням усіх операцій технологічних процесів виготовлення виливків та їх термічного оброблення.
Гідроабразивний знос литих деталей агрегатів систем гідрозоловидалення (ГЗВ) теплових електростанцій наносить значну шкоду господарству, а витрати на заміну таких деталей обчислюються сотнями тисяч гривень за рік. Тому задачі пошуку нових зносостійких сплавів для підвищення довговічності роботи машин і механізмів після з’ясування причин, які сприяють зносу металу в гідроабразивному середовищі, є досить актуальними.
Актуальність проблеми для України полягає ще й у тому, що з одного боку відсутні ресурси дорогих легувальних елементів (Ni, Mo, Co, W), які успішно використовують у світовій практиці для виготовлення литих деталей із зносостійких сплавів, а з іншого боку, в різних галузях промисловості (як в Україні, так і за кордоном) спостерігається тенденція до погіршання умов роботи машин і механізмів внаслідок інтенсифікації абразивного та гідроабразивного видів зношування.
Так, наприклад, аналізом показників витрат металу на одиницю виробленої електроенергії тепловими електростанціями (ТЕС) України установлено: щороку безповоротно витрачаються тисячі тонн металу литих деталей високої вартості. Підвищення цього показника за останні роки спостерігається в Україні через погіршання якості палива, тобто вугілля, яке вмістить у своєму складі до 50 % негорючих, але досить абразивних речовин. Тому умови роботи зносостійких деталей агрегатів систем приготування палива та ГЗВ ТЕС з часом тільки погіршуються.
У роботі розглянуто питання, що пов’язані з покращанням експлуатаційних характеристик існуючих зносостійких сплавів та пошуком нових, які не вміщують у своєму складі дорогих і дефіцитних хімічних елементів.
Узагальнення лабораторних досліджень зносостійкості високолегованих чавунів в абразивному і гідроабразивному середовищах, дослідно-промислові випробовування технологічних процесів виготовлення литих деталей багерних насосів та інших пристроїв систем ГЗВ дало можливість автору рекомендувати як зносостійкий матеріал безнікелевий хромомарганцевий чавун, який має високий опір зношуванню і задовільну оброблюваність на металорізальних верстатах після відповідних режимів термічного оброблення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота має зв’язок з темами, які виконувалися на кафедрі ливарного виробництва чорних і кольорових металів НТУУ «КПІ», а саме НДР: № 2265п «Теоретичні і технологічні принципи керування спеціальними властивостями високолегованих сплавів для литих деталей особливо відповідального призначення» (номер держреєстрації 0109U000571); № 2431п «Теоретичні і технологічні принципи розроблення новітніх сплавів із спеціальними властивостями для виробництва деталей різними способами лиття» (номер держреєстрації 0111U002533); № 2632п «Розроблення методології прогнозування структури і властивостей металу у виливках із сплавів на основі заліза з високим вмістом хрому» (номер держреєстрації 0113U000649). У перерахованих роботах здобувач приймав безпосередню участь як виконавець.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення нових високоефективних зносостійких сплавів на основі заліза на підставі теоретичних основ легування, мікролегування, модифікування та термічного оброблення, визначення комплексу їх ливарних, механічних і спеціальних властивостей. Розроблені сплави повинні мати високі експлуатаційні властивості, зокрема зносостійкість в абразивних і гідроабразивних середовищах, й задовільні технологічні характеристики.
Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовано і вирішено такі наукові та практичні задачі:

1. На підставі дослідження експлуатаційних та механічних властивостей визначено оптимальні діапазони концентрацій основних легувальних елементів – хрому та марганцю – для високохромистих чавунів, з урахуванням умов роботи литих деталей механізмів систем ГЗВ ТЕС, їх конфігурації, маси та габаритних розмірів.
2. Установлено доцільність додаткового легування, мікролегування та модифікування базового хромомарганцевого чавуну такими елементами, як Ti, V, B, Sb і рідкісноземельні метали (РЗМ) окремо, а також спільно Ti та РЗМ. Визначено оптимальні концентрації цих елементів з урахуванням умов роботи машин і механізмів.
3. Досліджено вплив термічного оброблення на структуру та властивості рекомендованих сплавів. Визначено оптимальні режими термічного оброблення залежно від необхідних твердості та зносостійкості литої деталі.
4. Розроблено технології виплавляння рекомендованих хромомарганцевих чавунів в дугових та індукційних електропечах з використанням недорогих шихтових матеріалів і виготовлення із них якісних виливків різних габаритних розмірів.
5. Виконано виробничі випробовування конкретних виробів, виготовлених із рекомендованих сплавів, і доказана доцільність використання їх у промисловості.

Матеріали дисертації відповідають вимогам одержання науково-обґрунтованих теоретичних і практичних результатів, які суттєво доповнюють відомості щодо створення нових ефективних металевих матеріалів на основі заліза.

Об’єкт дослідження: процес розроблення нових зносостійких чавунів для умов інтенсивного абразивного та гідроабразивного зношування.

Предмет дослідження: хімічний склад, структура, ливарні, механічні та спеціальні властивості зносостійких чавунів.

Методи досліджень. Мета і поставлені в роботі задачі обумовили проведення наукових досліджень з використанням сучасних методів та устатковання для визначення ливарних, механічних та експлуатаційних характеристик сплавів з високими достовірністю та відтворюваністю результатів (наведено в розділі 2)

Наукова новизна отриманих результатів. Дослідженнями процесів легування, мікролегування та модифікування розширено наукові уявлення щодо впливу основних (Cr, Mn, Ni), а також додаткових (Ti, V, Sb, B та РЗМ) елементів на структуроутворення та експлуатаційні властивості хромомарганцевих чавунів. Деякі особливості впливу Sb та РЗМ на властивості чавунів установлено вперше.

1. Дослідженнями впливу процесів легування, фазових перетворень під час термічного оброблення на структуру, гідроабразивну зносостійкість сплавів в нейтральному середовищі та твердість установлено, що вміст хрому в білому чавуні можна знизити з 28 % до 19 % без утрат експлуатаційних властивостей при збереженні технологічних показників, а 1,5…3,0 % Ni в хромонікелевому чавуні замінити 2,5...4,5 % Mn, який є значно дешевшим.
2. Дослідженнями процесів мікролегування та модифікування доповнено наукові дані щодо впливу добавок Ti (до 1,2 %), V (до 1,1 %), Sb (до 1,0 %), B (до 0,1 %), РЗМ (до 0,8 %), а також спільного впливу Ti (до 0,2 %) та РЗМ (до 0,5 %) на структуроутворення, експлуатаційні та механічні властивості високохромистого чавуну на прикладі нового зносостійкого хромомарганцевого чавуну. Зокрема встановлено, що за 1,0 % сурми в базовому хромомарганцевому чавуні розгалужені дендрити аустеніту в тонкостінних виливках не утворюються, а набувають глобулярної форми. Комплексні добавки Ti та РЗМ діють одночасно як модифікатори І та ІІ роду, причому таку дію проявляють обидва елементи.
3. Установлено, що додавання в хромомарганцевий чавун окремо 0,4…0,5 % титану підвищує зносостійкість сплаву в нейтральному гідроабразивному середовищі на 15 %; 0,5…0,8 % ванадію – на 22 %, 0,1…0,2 % сурми – на 20%, 0,01…0,02 % бору – на 20 %, 0,1…0,25 % РЗМ – на 18 %, а спільне оброблення чавуну 0,1…0,2 % титану та 0,15…0,25 % РЗМ – на 13 %.

Практичне значення отриманих результатів. За результатами роботи запропоновано зносостійкі хромомарганцеві чавуни, які можна використовувати для виробництва литих деталей, що працюють в умовах інтенсивного абразивного та гідроабразивного зношування, наприклад для виготовлення литих деталей машин і механізмів систем гідрозоловидалення теплових електростанцій. Розроблені зносостійкі чавуни мають високі експлуатаційні та задовільні технологічні властивості і можуть успішно замінити дорогі хромонікелеві чавуни. Економічний ефект від використання рекомендованого чавуну замість чавуну 280Х28Н2 складає 8700 грн на тонну рідкого металу, а показники відносної ефективності розроблених чавунів вищі за еталонний хромонікелевий чавун.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення дисертаційної роботи, що виносяться на захист, сформульовані автором особисто. Автору належать: аналіз літературних даних, визначення мети та постановка завдання дослідження, розроблення та удосконалення існуючих методик дослідження ливарних властивостей сплавів, гідроабразивної зносостійкості, виготовлення зразків, шліфів, проведення металографічних досліджень, рентгеноструктурного, мікрорентгеноспектрального та дюрометричного аналізів, проведення різних режимів термічного оброблення, обробка та аналіз отриманих даних. Постановку задач, обговорення результатів досліджень та формулювання основних висновків і рекомендацій виконано спільно з науковим керівником і співавторами публікацій.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 24 наукових працях, у тому числі в 7 статтях у наукових фахових виданнях, з яких 1 стаття у виданні, що індексується в базі даних SCOPUS та 3 статті у виданнях іноземних держав, 17 тезах доповідей в збірниках матеріалів наукових конференцій.


Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, рекомендацій, переліку використаних джерел із 102 найменувань, 3 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 159 c.

Автореферат дисертації

 

03056, м. Київ - 56, вул. Політехнічна 35, корпус 9, поверх 4. Тел.: +38(044)204-82-16. Кафедра ЛВЧКМ КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2010-2017©

Розробка: shevchuk.ua