Єфременко Василь Георгійович. Розвиток теоретичних і технологічних основ виробництва і зміцнення сталевих молольних куль з метою підвищення їхньої якості та експлуатаційної довговічності

brief description

Єфременко Василь Георгійович. Розвиток теоретичних і технологічних основ виробництва і зміцнення сталевих молольних куль з метою підвищення їхньої якості та експлуатаційної довговічності : дис... д-ра техн. наук: 05.16.01 / Приазовський держ. технічний ун-т. - Маріуполь, 2006

Єфременко В.Г. Розвиток теоретичних і технологічних основ виробництва і зміцнення сталевих молольних куль з метою підвищення їхньої якості та експлуатаційної довговічності. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів. - Приазовський державний технічний університет. - Маріуполь, 2006.
Дисертація присвячена розвиненню наукових і технологічних основ виробництва сталевих молольних куль, що дозволяє шляхом розробки и впровадження ефективних заходів з удосконалення технології виготовлення, включаючи використання оптимальних параметрів легування и режимів термічної зміцнювальної обробки, досягти істотного підвищення якості та експлуатаційної довговічності куль. Визначено причини крихкого руйнування куль та домінуючі механізми їх зношування при експлуатації, досліджено вплив структурних факторів на критерії експлуатаційної довговічності куль, запропоновано принципи вибору матеріала з визначенням оптимального типу і мікроструктури сплаву для різних умов експлуатації куль. Встановлено механізми формування осьової порожнистості в кулях під час прокатки, надано рекомендації щодо поліпшення макроструктурного стану катаних куль. З побудовою математичних моделей досліджено розподіл температури та напружено-деформований стан по перетину кулі під час загартування, розроблено методику розрахункового визначення глибини загартування куль. З використанням комп’ютерного моделювання розроблено нові марки сталі з підвищеним рівнем зносостійкості та прогартованості для виробництва куль, оптимізовано технологію їхнього термозміцнення задля забезпечення потрібного рівня твердості за відсутності гартувальних тріщин. Основні результати дисертації впроваджено на ВАТ МК Азовсталь” та ВАТ ХЗКВ” із загальним економічним ефектом 1,797 млн. грн.

У дисертації представлено вирішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення якості сталевих молольних куль, засноване на розробці комплексної концепції керування структурним станом куль, що враховує отримані нові дані про вплив різноманітних факторів на експлуатаційну довговічність куль і причинах їх виходу з ладу, про особливості фазових і структурних перетворень, що протікають у сплавах на Fe-C основі як у процесі термічної обробки, так і при зношуванні, про динаміку напружено-деформованого стану в кулях при термозміцненні, що включає розробку і вибір оптимального матеріалу куль для конкретних умов здрібнювання, розробку нових марок кульової сталі, а також коригування зміцнювальної обробки куль, що в сукупності забезпечило підвищення ефективності використання молольних куль у споживачів при зростанні їхньої конкурентоспроможності на внутрішньому і зовнішньому ринках.
1. Дослідженням характеру зношення поверхні термозміцнених куль 60-120 мм зі сталі М76 встановлено, що при помолі в умовах каскадного” режиму кулі зношуються переважно за полідеформаційним абразивним механізмом. У випадку водоспадного” і змішаного режимів кулі піддаються, в основному, ударно-абразивному зношуванню, а абразивний вплив є лише супутнім процесом. Показано, що за зростанням поверхневої твердості куль механізм ударно-абразивного зношування змінюється від інтенсивного пластичного деформування (розкльопування) поверхні до переважно втомлювального руйнування із розвиненням сколів поверхневих макро- і мікрооб’ємів куль.
2. Отримано нові дані про вплив мікроструктури і хімічного складу на зносостійкість сталей і білих чавунів в умовах, що імітують роботу молольних куль у млинах, на основі чого сформульовано основні вимоги до фазового і структурного стану металу куль. Визначено, що максимальну абразивну зносостійкість серед досліджених сплавів мають білі чавуни з мартенситно-аустенітною матрицею, які містять 3-3,5 % С, 3,5-4,5 % Mn, а також 3,7-4 %Ti або 13-17% Cr. Найбільша абразивна зносостійкість у сталях досягається при мартенситно-аустенітно-карбідній структурі, в якій аустеніт є схильним до ДМП при зношуванні.
Вперше встановлено, що максимальну зносостійкість при помолі в умовах ударно-абразивного й ударно-абразивно-корозійного зношування мають заевтектоїдні сталі, що містять 1,1-1,5 % С, з аустенітно-мартенситною чи аустенітно-мартенситно-карбидною (із зернистими карбідами) структурою. Близьку до них зносостійкість демонструють сталі з 0,7-0,8 % С зі структурою мартенситу відпуску.
3. Показано, що стосовно до умов експлуатації молольних куль наявністьАзалу структурі є позитивним фактором, при цьому оптимальні кількість і схильність аустеніту до ДМП залежать від особливостей помолу. Визначено, що для помолу із переважно абразивним характером зношування в заевтектоїдних сталях кращою є структура із 30-37 % аустеніту, який має високу схильність до ДМП (з перетворенням до 50 %Азал). Для умов ударного помолу кількість аустеніту повинна становити 45-50 % при його підвищеній стийкості до ДМП (з перетворенням не більше 10 %Азал). Встановлено, що низький відпуск загартованої на аустенітно-мартенситну структуру сталі різко дестабілізує аустеніт до ДМП при зношуванні за рахунок зменшення мікровикривленнь уa- іg-фазах. Істотне підвищення ударно-абразивної зносостійкості, що спостерігається при цьому, пов’язано зі збільшенням здатності мартенситної складової до мікропластичної деформації в контакті з абразивом.
4. Показано необхідність диференційованого підходу до вибору матеріалу молольних тіл відносно до конкретних умов експлуатації. З урахуванням критеріїв експлуатаційної довговічності, до яких відносяться: абразивна й ударно-абразивна зносостійкість, опір ударно-втомлювальному руйнуванню, опір розколюванню, опір зношуванню за наявності корозійоно-активних середовищ, рекомендовано для виготовлення молольних куль, які працюють у каскадному” режимі помолу, використовувати чавуни, що містять 3-3,5 % С, 3,5-4,5 % Мn, а також 3,7-4 % Ti або 13-17 % Cr із мартенситно-аустенітним типом матриці. В змішаному режимі сухого й мокрого помолу при швидкостях обертання млина до ~70 % від критичної слід використовувати кулі з чавунів тієї ж системи легування, але зі зниженим до 2-2,5 % вмістом вуглецю. При більшій швидкості обертання млина (змішаний і водоспадний” режими помолу) варто застосовувати кулі із заевтектоїдних сталей з термообробкою на аустенітно-мартенситну чи аустенітно-мартенситно-карбідну (із зернистими карбідами) структуру, або із евтектоїдних сталей з одержанням структури мартенситу відпуску.
5. Встановлено, що вуглець і хром підвищують, а кремній знижує схильність заевтектоїдних сталей до утворення цементитної сітки при охолодженні з аустенітної області. Визначено, що концентрація кремнію, яка необхідна для запобігання утворенню карбідної сітки в сталі із 1,15 % С и 1,2-1,4 % Mn, становить не менше 1,16 %. Для молольних куль, які експлуатуються на перших стадіях помолу, розроблено сталь 120Г2С2Т. Після термообробки на аустенітно-мартенситну структуру із вмістом 45-50 %Азалвона на 20-30 % перевищує за зносостійкістю евтектоїдну сталь із твердістю 59-60 HRCэ. Сталь 120Г2С2Т забезпечує наскрізне загартування в кулях діаметром до 80 мм, включно, і відсутність карбідної сітки при загартуванні в центрі куль діаметром до 120 мм, включно.
6. Уточнено і доповнено дані щодо впливу малих домішок хрому, марганцю і молібдену на перетворення переохолодженого аустеніту в сталі із 0,75-0,80 % С. Встановлено, що при 0,3-1,3 % Mn хром у кількості до 0,8 % однаково інтенсивно збільшує стійкість аустеніту в усьому інтервалі температур нижчеАс1з відокремленням бейнітної області. Марганець у кількості до 1,8 %, впливаючи на перлітний і бейнітний інтервали розпаду, у більшій мірі підвищує стійкість аустеніту в проміжній області; вплив молібдену в кількості до 0,25 % обмежується перлітним інтервалом. Встановлено, що прогартованість низьколегованих сталей (при загартуванні із аустенітної області) змінюється в залежності від вмісту вуглецю за кривою із максимумом, який відповідає ~1,20 % С. Із застосуванням математичного планування експерименту отримано регресійні рівняння, що описують вплив марганцю і хрому на діаметр куль зі сталі, яка містить 0,75-0,80 % С, при наскрізному загартуванні при охолодженні у воді чи маслі.
7. Показано, що метод коефіцієнтів-множників (Гросмана) дозволяє з достатнім ступенем надійності прогнозувати структуроутворення за перетином молольних куль із евтектоїдної сталі під час загартування. Вперше знайдено коефіцієнти-множники для Mn, Cr, Mo і діаметра аустенітного зерна - стосовно сталі із 0,75-0,80 % С, а також коефіцієнт-множник для вуглецю - стосовно низьколегованих сталей. Встановлено, що коефіцієнти-множники марганцю і хрому не є постійними величинами, а змінюються в залежності від вмісту цих елементів в сталі.
8. Розроблено математичну модель для розрахунку температурного поля і процесу структуроутворення в сталевих кулях під час термозміцнення, що враховує експериментально отримані температурні залежності коефіцієнта тепловіддачі. Розроблено й адаптовано до умов МК Азовсталь” методику аналітичного прогнозування структурного стану і твердості за перетином куль з низьколегованих сталей із 0,75-0,80 % С, яка базується на розрахунку критичного діаметра сталі за її хімічним складом, розрахунку критичних швидкостей охолодження на різну структуру й аналізі температурного поля кулі при загартуванні.
9. Встановлено, що руйнування сталевих молольних куль при експлуатації відбувається за механізмами розколювання, пітингоутворення і лущіння”; крім того, вперше виявлене й описане руйнування куль за механізмом фрагментації. Показано, що у випадку помірної твердості (менше 45 HRCэ) основним фактором, що визначає схильність молольних куль до об’ємного руйнування, є стан макроструктури, зокрема, наявність флокенів і осьових порожнин (порожньотілості). При задовільному стані макроструктури руйнування куль викликається залишковими гартувальними напругами.
10. Показано, що причиною утворення порожньотілості при прокатці куль зі сталей М74 і М76 є розкриття закатаних залишків усадкової раковини, а також прокатне розрихлення осьової зони заготовки, яке ініціюється наявністю флокенів, флокеноподібних тріщин і (або) забрудненням металу крихкозруйнованими неметалевими включеннями, що формують підусадкову ліквацію балу не нижче 3,0. Вперше розроблено класифікацію типів порожньотілості в катаних молольних кулях.
11. Отримано рівняння регресії, які дозволяють вибирати параметри режиму термозміцнення куль 40-120 мм із застосуванням гартувального барабана в залежності від хімічного складу кульової сталі і необхідного рівня твердості. Розроблено математичну модель напружено-деформованого стану куль, яка враховує особливості термічного зміцнення за схемою перерваного загартування із самовідпуском. Аналітично показано, що, з метою запобігання тріщин при обробці куль на твердість понад 55 HRCэ початкова температура самовідпуску повинна становити не менш 250оС; середня швидкість післягартувального охолодження куль із сталей з невеликою прогартованістю (із глибиною загартування до 0,40 радіуса виробу) повинна становити не більш 18оС/год. Кулі зі сталі зDкрdкіз наскрізною мартенситною прогартованістю треба охолоджувати на стадії самовідпуску із середньою швидкістю не вище 7оС/год.
12. Розроблено принципи системного керування якістю катаних молольних куль і програмний продукт Grinding Ball Soft” для комп’ютерного вибору технології виробництва сталевих куль. Систему керування якістю апробовано на ВАТ МК Азовсталь” і ВАТ ХЗКВ” при розробці і впровадженні технологій виробництва куль різного діаметра підвищеної якості (кулі 60 і 80 мм 4-ї групи ДСТУ 3499, кулі 40-80 мм із наскрізним загартуванням, кулі 100 і 120 мм 3-ї групи ДСТУ 3499), що забезпечило істотне збільшення їхньої експлуатаційної довговічності. Реальний економічний ефект від впровадження результатів дисертації становить 1,797 млн. грн.