С каждым годом ужесточаются условия эксплуатации машин, которые работают в абразивных и гидроабразивных средах. Связи с этим повышаются требования к материалам, из которых изготавливают литые детали таких машин и механизмов. Несмотря на то, что в мировой практике накоплен значительный опыт применения в качестве износостойких материалов высокохромистых, хромомарганцевых, хромоникелевых и других белых чугунов для изготовления отливок специального назначения (рабочих деталей различного типа смесителей, шнековых классификаторов и др.) и деталей иного оборудования [1], проблема выбора известного сплава или разработки нового для конкретных условий эксплуатации остаётся открытым. Во многих промышленных компаниях способом литья в ХТС и ПГС получают до 70%отливок. Для производства тонны отливок с применением способа формовки в ПГС и ХТС расходуется от 5 до 10 тонн формовочной смеси, что в масштабах России составляет более 145 млн. тонн/год [2].Основными видами машин, используемых в промышленности для получения формовочных и стержневых смесей, являются смесители различного типа действия .Количество вихревых (как самых высоких производительных) смесителей иностранного производства закупленных и введенных в производство на литейных предприятиях РФ неуклонно возрастало до 2007-2014г.На данный момент их количество составляет более 70 % и для обеспечения их сменными рабочими деталями затрачивается значительные средства .В связи с этим разработка износостойкого чугуна отечественного производства и снижение себестоимости оборудования, увеличение межремонтного срока эксплуатации, является актуальной темой .Мировыми лидерами по производству и эксплуатационного смесеприготовительного оборудование являются смесеприготовительная системы «Magate», «DeutscheBadcok», «KUNKEL WAGNER».На их взгляд, самым эффективным и перспективным мате-риалом для изготовления для рабочих деталей смесителей являются комплексно легированные чугуны, обладающие высокими служебными свойствами. Так, например, для изготовления выше указанных деталей широкое распространение получил чугун марки «Нихард-4», разработчиком которого является фирма «ZIRLGUSSGES.M.B.H.» данный чугун относят к группе материалов, обладающих наибольшей устойчивостью к абразивному износу в тонкостенных отливках .Изношеннаялитая лопатка представлена на рис.1.
литом состоянии структура данного хромоникелевого чугуна состоит из аустенита, а после проведение термической обработки из мартенсита. Фаза карбидов состоит из карбидов цементитного, так и тригонального типа [3].По данным литературного поиска [4] выявлено, что чугун марки типа «Нихард –4» в литом состоянии имеет следующие механические свойства: относительную износостойкость Ки ≥ 2,0 ед, твердость 50≥HRC. Разрабатываемый чугун должен обладать следующими механическими свойствами по износостойкости Ки ˃ 2ед., твердость HRC≥ 50ед..Для обеспечение заданных свойств, чугун должен обладать следующей микроструктурой. Микроструктурой должно обеспечить в литом состоянии раз-личные сочетания структурных составляющих (аустенита, мартен-сита, троостита, перлита и феррита), первичных карбидов типа MC,М3С, М7С3, [5-6].Указанным требованиям, на наш взгляд, достаточно хорошо отвечают доэвтектические и эвтектические сплавы системы Fe-C-Cr-Mn-Ti, которые, в зависимости от соотношения содержания карбидообразующих элементов к углероду, кристаллизуются с раз-личным типом карбидной фазы: (FeCrMnTi)7C3.Кроме того, при легировании белых чугунов титаном образуются специальный карбид TiC, который характеризуется высокой твердостью, оказывает инокулирующее влияние, способствуют измельчению структурных составляющих чугуна, что положительно сказывается на износостойкости .Для определения содержания С, Cr, Mn, Ni и Ti, обеспечивающего максимальную износостойкость (Kи), твердость (HRC), был спланирован и проведен дробно факторный эксперимент ДФЭ 25-2в следующих факторах изменения, мас. %: Х1 (С –1,9 –2,6); Х2 (Mn –3-4); Х3 (Cr –15 –18); X4 (Ni –0,5 –1,0); X5 (Ti –0,02 –0,05).Опытные чугуны выплавляли в индукционной тигельной печи с основной футеровкой .Заливку осуществляли в кокиль, так как большинство производителей литых лопаток смесителей производят их именно таким образом .Химический состав образцов определяли спектральным методом на оптическом эмиссионном спектрометре «SpectromaXx» фирмы «Spectro» (Германия).Сравнительные испытания на износостойкость сплавов при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы проводи-лись на лабораторной установке по методике, регламентирован-ной ГОСТ 23.208-79. Твердость образцов по Роквеллу определяли на твердомере Ernst AT130 DR по ГОСТ 9013-59 вдавливанием алмазного конуса, имеющего угол при вершине 1200, с нагрузкой 1471 Н.Комплекс металлографических исследований был выполнен в ЦКП НИИ Наносталей при ФГБОУ ВО «МГТУ им Г.И. Носова». Для микроанализа из образца по стандартной методике на линии пробоподготовки фирмы Buеchler были приготовлены микрошлифы с использованием запрессовки образцов в смолу «Transoptic» на автоматическом прессе Simplimet 1000. Для выявления качественных и количественных характеристик структуры использовался оптический микроскоп Meiji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO .Структура полученных чугунов представляет собой комплексные карбиды типа (FeCrMn)7C3, карбиды TiC и металлическую основу в виде –фазы (аустенит). Полученные сплавы является доэвтектичсекими. При кристаллизации в образцах формируется структура, состоящая из избыточных дендритов аустенита и аустенитохромистокарбидной эвтектики, все образцы имеют в структуре не значительное количество дисперсные оксикарбонитриды титана .Значение твёрдости и износостойкости экспериментальных чугунов приведены в табл.1.На основе матрицы планирование и результатов эксперимента построилилинейные математические модели повлиянию химического состава на твердость, износостойкость, (HRC, ед; Ки, ед.;)типа y= b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5.
Таблица 1
Значение твёрдости и износостойкости экспериментальных чугунов.
Для проверки адекватности коэффициентов модели и модели в целом произвели расчет и проверку по критериям Стьюдента и Фишера.Коэффициенты математической модели зависимости твёрдости от химического состава и значение критериев Стьюдента и Фишерав табл.2-3.
Таблица 2
Коэффициенты математической модели зависимости твёрдости от химического состава и значение критериев Стьюдента и Фишера
Таблица 3
Коэффициенты математической модели зависимости износостойкости от химического состава и значение критериев Стьюдента и Фишера
Графические интерпретациисравнения практических и теоритических (расчетных) значений твердости и износостойкости приведены на рис. 2.Для выявления оптимального химического состава чугуна провели оптимизацию с помощью метода крутого восхождения. Для этого использовали математические модели (зависимости износостойкости и твердости от химического состава, полученные при проведении ДФЭ. Оптимизацию химических составов проводили по наибольшей износостойкости и твердости.
Анализ результатов показал, что оптимальный состав нового состава чугуна будет следующим, %: 2,0-2,5 C; 3,2-3,5 Mn; 17,0-18,0 Cr; 0,5-0,8 Ni; 0,3-0,4 Ti. При этом данный чугун должен со-держать технологическую добавку Si (0,4-0,6 %).ис.2.Сравнениепрактических и теоретических (расчетных) значений твердости и износостойкости.
Применение чугуна данного химического состава позволит получить у отливок отлитых в кокиль следующие свойства: твердость HRC=52-56 ед, износостойкость Ки=2,5-3,2 ед. Обладая такими свойствами, данный чугун можно рекомендовать для изготовления деталей, работающих в условия абразивного износа, в частности для изготовления литыхлопаток смесителей формовочных смесей.