ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ Российский патент 1995 года по МПК C22C38/50 

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.

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.

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.