ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ПОЛИМЕРА НА СВОЙСТВА ВЫСОКОМАРГАКНЦОВИСТОЙ СТАЛИ 110Г13Л

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние охлаждения в среде водного раствора полимера на механические свойства отливок из высокомарганцовистой стали 110Г13Л при термической обработке. В результате экспериментов установлено, что применение в качестве охлаждающей среды на основе водного раствора полимера при медленных скоростях охлаждения после термической обработки способствует повышению ударной вязкости, уменьшению деформации.

Медленное охлаждение в совокупности со свойствами водного раствора полимера приводит к выравниванию структуры по сравнению с охлаждением в воде или в масле.

ABSTRACT

In this paper, we study the effect of cooling in an aqueous polymer solution on the mechanical properties of castings from high-manganese steel 110G13L during heat treatment. As a result of the experiments, it was found that the use as a cooling medium based on an aqueous solution of a polymer at slow cooling rates after heat treatment contributes to an increase in impact strength and a decrease in deformation.

Slow cooling, combined with the properties of an aqueous polymer solution, leads to a leveling of the structure compared to cooling in water or in oil.

Ключевые слова: высокомарганцовистая сталь, ударная вязкость, водный раствор полимера, деформация, износостойкость.

Keywords: high-manganese steel, impact strength, aqueous polymer solution, deformation, wear resistance.

Надежность работы механизмов и машин, используемых при добыче, транспортировке и переработке рудных материалов, в высокой степени связана с ресурсом работы основных узлов машин и технологического оборудования. Такими узлами для экскаваторов являются коронки и передние стенки ковшей, для транспортных машин – кузова, для железнодорожного транспорта – крестовины и сердечники стрелочных переводов. Для дробильно-размольного оборудования – броня, элементы футеровки шаровых мельниц и многое другое.

Повреждение или выход из строя указанных выше отдельных узлов из-за преждевременного износа или их полное разрушение снижает показатели производительности, объемов добычи, увеличивает материальные и финансовые затраты на восстановление рабочей функции поврежденного узла и оборудования в целом.

В промышленности для изготовления быстроизнашивающихся деталей используется стали различных марок [2; 4].

Одним из наиболее широко применяемых износостойких материалов, признанных во многих странах, является высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л и ее модификации. Сталь названа в честь шведского автора изобретения Гадфильда. Уникальные свойства высокомарганцовистых сталей нашли применение в машиностроении для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Высокое сопротивление поверхности деталей в деформированном состоянии абразивному износу в сочетании с пластичностью и прочностью делает данную сталь незаменимой в различных отраслях промышленности.

Химический состав и механические свойства стали 110Г13Л в соответствии с назначением приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Химический состав и механические свойства стали 110Г13Л

Эти свойства обеспечиваются упрочнением аустенитных сталей за счет одновременного воздействия различных видов нагрузок – ударных и абразивных в процессе эксплуатации [1].

В условиях больших удельных нагрузок и ударных воздействий металл поверхностного слоя подвергается интенсивному наклепу, сталь приобретает высокую износостойкость. Однако широкие пределы концентрации углерода (0,9–1,4%) и марганца (11,5–15,0%) в химическом составе стали и ее высокая чувствительность к условиям плавки не гарантируют постоянства свойств даже для деталей одного и того же типа [5].

В настоящей работе исследовано влияние содержания фосфора и режимов термической обработки, скорости и состава среды охлаждения на механические свойства и износостойкость аустенитной марганцовистой стали.

Анализ литературных источников показывает, что на ухудшение комплекса механических свойств влияет повышенное содержание фосфора [2]. Предельное содержание фосфора, согласно ГОСТ 977-88, составляет 0,12%. Были проведены механические испытания различных плавок, полученных Центральным ремонтно-механическим заводом, имеющих различные концентрации фосфора.

Химический состав стали приведен в табл. 2.

Таблица 2.

Химический состав стали

По результатам испытаний при температуре 20 °С выявлено, что повышение содержания фосфора в стали до 0,2% снижает предел прочности и ударную вязкость.

Рисунок 1. Влияние содержания фосфора на прочность

Повышение содержание фосфора от 0,01 до 0,2% снижает предел прочности почти в три раза. Для обеспечения износостойкости в ударных условиях работы содержание фосфора должно быть минимальным.

Ударная вязкость стали является одной из основных характеристик надежности отливок, предназначенных для изготовления деталей. При нормальных условиях эксплуатации и испытаниях при комнатной температуре ударная вязкость стали по ГОСТ 977-88 должна быть не менее 150 Дж/см², при работе в условиях отрицательных температур – не ниже 80 Дж/см².

Для оценки макроструктуры отливок авторами [2] и литейными цехами предприятий обычно используется пятибалльная шкала. Шкалой предусмотрена оценка размера зерна и состояния макроструктуры, наихудший балл – 5, макроструктура имеет неудовлетворительную структуру.

Авторами работ [8] были проведены исследования по влиянию на рафинирование и модифицирование комплексом титан – бор – кальций. Титан, бор и кальций дополнительно раскисляют металл и повышают растворимость водорода в стали, предотвращая образование ситовидной пористости в отливках. Модифицирование титаном в объеме 0,06% уменьшает зерно металла в среднем на 2 балла, улучшает механические свойства. С уменьшением величины зерна одновременно с механическими свойствами улучшается хладостойкость, возрастают трещиностойкость и износостойкость. Повышение износостойкости происходит за счет измельчения зерен аустенита, твердорастворного и зернограничного упрочнения, повышения ударной вязкости.

При модифицировании титан также способствует очищению границ зерен от карбидов марганца, появлению карбидов титана, которые имеют высокую микротвердость.

Ударную вязкость модифицированной высокомарганцовистой стали приближенно можно определить исходя из состава по следующей эмпирической формуле [2]:

=36-3,3– 400[Р– 0,4– 0,08 (+25[Ti+0,2 (t – 20),

где  [c] – концентрация углерода в металле, %;

 [Р] – содержание фосфора в металле, %;

 Б – балл зерна металла отливки по пятибалльной системе;

 – суммарное содержание в шлаке перед выпуском плавки закиси железа и закиси марганца;

[Т] – остаточная концентрация в стали титана, %;

t – температура испытания образцов, °С.

Формула дает достаточную расчетную точность при содержании углерода в пределах 0,9–1,5% и концентрации фосфора не свыше 0,15%.

Выше было указано, что одним из факторов, влияющих на износостойкость, является ударная вязкость. С целью определения влияния скорости охлаждения и состава охлаждающей среды были проведены испытания с применением в качестве охлаждающей среды водного раствора полимера, модифицированного карбоксилметилцеллюлозой (Na – KMЦ) [3]. Термическая обработка проведена согласно требованиям ГОСТ 21357–87.

Известно, что ударная вязкость высокомарганцовистных сталей зависит от содержания концентрация марганца. На опытных образцах содержание марганца составляет 12,4%. Ударная вязкость образца, охлажденного после термической обработки в воде, составляла 152 Дж/см². Охлажденные в растворе полимера Na – КМЦ образцы имели ударную вязкость 163 Дж/см². Повышение ударной вязкости объясняется тем, что охлаждающая способность Na – КМЦ занимает промежуточное положение между маслом и водой. Исследованиями установлено, что у деталей, имеющих большую массу и неодинаковые сечения поверхности при охлаждении, по достижении температур детали 200–220 °С полимерная среда способствует образованию полимерной рубашки. Тем самым уменьшается теплоотвод в охлаждающую среду. Участки деталей, имеющие меньшие сечения, достигают указанных температур раньше, и охлаждение участков замедляется. Те участки, которые имеют большие сечения или массу, охлаждаются с более высокими скоростями. Такое охлаждение выравнивает температурные разности по объему детали и снижает термические напряжения. Снижение термических напряжений, в свою очередь, уменьшает величину остаточных напряжений и деформацию.

Металлографическими исследованиями установлено, что в литом состоянии структура стали представляет собой дендритное строение аустенита, между зернами расположены избыточные карбиды. Охлаждение в водном растворе полимера Na – КМЦ после термообработки нейтрализует разнотолщинность на границах зерен.

Величина твердости составила 160–170 НВ, на поверхности образцов – до 195 НВ.

В интервале температур кристаллизации микроструктура стали в сильной степени зависит от скорости охлаждения, образуется малое количество центров кристаллизации. Это обеспечивается охлаждающей способностью водного раствора полимера. Происходит интенсивный рост центров кристаллизации, и металл отливки переходит в упорядоченное состояние.

Были проведены дополнительные эксперименты по определению влияния эффективности скорости охлаждения водного раствора Na – КМЦ на структурные превращения и величину деформации образцах стали 45. Контроль температуры и кинетику структурных превращений изучали с помощью комплекса аппаратуры для дифференциального термического анализа [9]. Исследованиями установлено, что средняя скорость охлаждения водного раствора Na – КМЦ при минимальной устойчивости аустенита (600–400 °С) находится между скоростями охлаждения в масле и в воде.

Комплекс аппаратуры для дифференциального анализа позволяет также исследовать кинетику структурных превращений при нагреве и охлаждении образцов [6].

Испытания были проведены и на деталях, имеющих соотношение размеров длины и диаметра l >>d. Результаты экспериментов показали, что охлаждение в среде водяного раствора полимера в значительной степени повышает пластичность и уменьшает тепловую деформацию (рис.  2, 3, 4) [7].

а – охлаждение в масле, б – охлаждение в водном растворе полимера

Рисунок 4. Влияние охлаждения на образцы из стали 45

Результаты исследований позволили установить, что с увеличением ударной вязкости при охлаждении в водном растворе Na – КМЦ несколько снижается твердость стали, повышается износостойкость при переработке абразивных материалов. Обработанную по такой технологии сталь можно рекомендовать для изготовления износостойких деталей, работающих в условиях, где в основном преобладает абразивный износ.

Выводы

Охлаждение в водном растворе полимера в значительной степени влияет на формирование структуры после термической обработки высокомарганцовистой стали. Варьируя концентрацией водного раствора полимера в ванне для охлаждения, можно получить различные механические свойства и разнозернистую структуру.

Концентрацию водного раствора полимера в ванне для охлаждения необходимо выбирать в зависимости от конкретного состава отливки.

Список литературы:

1. Болобов В.И. Износостойкость стали Гадфильда при больших ударных нагрузках / В.И. Болобов, В.С. Бочков, Сюй Цинан // Горное оборудование и электромеханика. – 2012. – № 1. – С. 38–42.
2. Давыдов Н.Г. Высокомарганцовистая сталь // Металлургия. – 1982. – 273 с.
3. Закалочная среда // А/С 4393954/02 S41650725 А1 / Эргашев М. [и др.].
4. Кривцов Ю.С., Горбаченко С.Л. Развитие литых сталей // Материалы в машиностроении. – 2010. – № 5 (68). – С. 62–67.
5. Мульявко Н.М. Анализ эксплуатационной стойкости отливок из стали 110Г13Л // Известия Челябинского научного центра. – 2001. – № 4 (13). – С. 28–30.
6. Об одном из способов исследования кинетики превращений при электроконтактном припекании / М. Эргашев, З. Садуллаев, Ш. Хожибекова [и др.] // Universum: технические науки. – 2022. – № 4-2 (97) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/ob-odnom-iz-sposobov-issledovaniya-kinetiki-prevrascheniy-pri-elektrokontaktnom-pripekanii.
7. Определение остаточных деформаций при электроконтактном припекании композиционных порошков / М. Эргашев, Л. Рауфов, А. Абдукаххоров, Ш. Ходжибекова, Р. Муродкосимов // Universum: технические науки. – 2021. – № 12-1 (93) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-ostatochnyh-deformatsiy-pri-elektrokontaktnom-pripekanii-kompozitsionnyh-poroshkov.
8. Сысоев А.М. Бахметов В.В., Колокольцев В.М. Рафинирование и модифицирование стали 110Г, 13Л комплексом титан – бор – кальций // Вестник МГТУ им. Носова. – 2008. – № 1. – С. 43–45.
9. Ergashev M., Butunov J., Mamasodikov X. The Experience of Using Polymer Coolant in Electrical Contact Baking // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2020. – № 7.6.