Сталь для молольних куль

Сталь для молольних куль, яка вміщує вуглець, кремній, марганець, алюміній, залізо, яка відрізняється тим, що вона містить компоненти у такому співвідношенні, мас. %: вуглець 0,65-0,85 кремній 0,30-1,00 марганець 1,10-1,80 алюміній 0,01-0,07 залізо решта. Винахід відноситься до металургії, зокрема, до сплавів, які використовують для виготовлення молольних куль. Молольні кулі працюють в умовах абразивного та ударно-абразивного зношування, тому їх експлуатаційна довговічність тісно пов'язана із твердістю. Відомо, що підвищення твердості куль знижує їхню питому витрату на одиницю переробленої сировини, тому всі кулі при виготовленні піддаються зміцнюючій термічній обробці. При цьому орієнтуються на отриманні мартенситної структури, бо вона забезпечує отримання максимальної зносостійкості в сталях різних систем легування. На металургійних підприємствах країн СНД найчастіше при виробництві сталевих куль використовують сталь М76, яка згідно з ГОСТ 24182, вміщує, в мас. %: Вуглець 0,71-0,82 Кремній 0,18-0,40 Марганець 0,75-1,05 Сірка 0,045 Фосфор 0,035 Залізо решта. Кулі великого діаметру (100-120мм) зі сталі М76 мають низьку довговічність в умовах експлуатації. Це пов'язано із недостатньою прогартованістю цієї сталі, що зумовлює невелику (5-6мм) глибину загартування куль на мартенситну стр уктур у. Після зношування загартованого шару швидкість зносу куль різко прискорюється; це зумовлює великі питомі витрати куль великого діаметру на гірничо-збагачувальних підприємствах України. Вирішення цієї проблеми здійснюється шляхом підвищення прогартованості сталі за рахунок коригування її хімічного складу. Відомою є сталь за [а.с. СРСР №1446189, С22С 38/16], яка вміщує, в мас.%: Вуглець 0,45-0,65 Марганець 0,6-1,0 Кремній 0,6-1,2 Алюміній 0,01-0,06 Бор 0,0025-0,004 Мідь 0,06-0,36 (19) UA (11) 85495 (13) (21) a200804271 (22) 04.04.2008 (24) 26.01.2009 (46) 26.01.2009, Бюл.№ 2, 2009 р. (72) ЄФРЕМЕНКО ВАСИЛЬ ГЕОРГІЙОВИЧ, UA, ТКАЧЕНКО ФЕДІР КОСТЯНТИНОВИЧ, UA, ЗІНЧЕНКО ЮРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ, UA, Г АНОШЕНКО ІГОР ВОЛОДИ МИРОВИЧ, UA, ЄФРЕМЕНКО ОЛЕКСІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, U A, ТРУФАНОВА ОКСАНА ІВАНІВНА, UA, КУРПЕ ОЛЕКСАНДР ГЕННАДІЄВИЧ, U A, КУЗЬМІН СЕРГІЙ ОЛЕГОВИЧ, UA (73) ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) UA, 60543, A, 15.10.2003 UA, 10414, A, 38/24, 25.12.1996 SU, 1446189, A1, 23.12.1988 SU, 1497262, A1, 30.07.1989 SU, 1733495, A1, 15.05.1992 RU, 2082812, C1, C22C 38/14, 27.06.1997 C2 1 3 85495 Титан 0,02-0,06 Залізо решта. Введення бору у склад цієї сталі уповільнює розпад переохолодженого аустеніту в перлітній області, тобто підвищує прогартованість. Однак, зменшення вмісту вуглецю (відносно сталі М76) призводить до зворотного ефекту, і сумарний ефект підвищення глибини загартування в кулях є незначним. Окрім того, недостатня кількість вуглецю не дозволяє отримувати в стр уктурі після загартування високовуглецевий мартенсит, який є більш придатним при абразивному та ударноабразивному зношуванні, аніж середньовуглецевий мартенсит. Таким чином, кулі із цієї сталі не будуть мати достатньої зносостійкості в умовах подрібнення твердих мінеральних матеріалів. Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю є сталь за [патентом України 10414А, С22С38/04, 38/24], яка вміщує, в мас. %: Вуглець 0,50-0,90 Кремній 0,20-0,80 Марганець 0,70-2,20 Хром 0,05-1,70 Миш'як 0,0005-0,12 Ванадій та/або титан, та/або ніобій, та/або алюміній 0,003-0,12 Залізо решта. Кулі самого різного діаметру (від 40 до 120мм), виготовлені із цієї сталі, характеризуються наскрізною прогартованістю і мають по всьому перетину стр уктур у мартенситу. Однак, таку сталь недоцільно використовувати за умов застосування технології термічного зміцнення куль з прокатного нагріву. Ця технологія застосовується при виготовленні сталевих молольних куль на всіх підприємства х країн СНД. При термозміцненні з прокатного нагріву, яке поєднує перерване загартування у воді з наступним самовідпуском у бункерах, кулі із наскрізним загартуванням на мартенсит розтріскуються по завершенні самовідпуску. Причиною є поява високих залишкових напруг розтягнення на поверхні термозміцнених куль. Наявність в кулях поверхневих тріщин прискорює їхнє зношування в млинах та ініціює розколювання, що є неприпустим. Крім того, ця сталь має досить високу вартість завдяки наявності у складі хрому. В основу винаходу поставлена задача розробки нової сталі для молольних куль, у якій масове співвідношення компонентів дозволяє підвищити їх експлуатаційну стійкість за рахунок підвищення глибини загартування при зменшенні собівартості виготовлення. Рішення задачі, що поставлена, досягається тим, що сталь, яка вміщує вуглець, кремній, марганець, алюміній, залізо, має компоненти у такому співвідношенні, мас.%: Вуглець 0,65-0,85 Кремній 0,30-1,00 Марганець 1,10-1,80 Алюміній 0,01-0,07 Залізо решта Головний принцип, що лежить в основі винаходу, полягає у тому, щоб забезпечити в кулях великого діаметру (100-120мм) підвищену глибину 4 загартування на мартенсит, високу стійкість до крихкого руйнування при експлуатації і при цьому запобігти виникненню гартувальних тріщин. Як показали результати досліджень, при термозміцненні за технологією перерваного загартування із самовідпуском максимальна глибина загартування на мартенсит в кулях діаметром не нижче 80мм не повинна перевищувати 40-45% від радіусу кулі. Наявність в серцевині кулі більш м'якої за мартенсит структури (сорбіту, перліту) сприяє виникненню оптимального розподілу залишкових напруг по перетину кулі, що запобігає утворенню тріщин на поверхні, а також зменшує вірогідність їх розколювання при роботі в млинах. Отримання оптимального за глибиною загартованого шару досягається введенням 0,30-1,00% Si та 1,10-1,80% Мn. Відомо, що ці елементи активно підвищують прогартованість сталі, тобто вони збільшують глибину загартування на мартенситну структур у. Особливо ефективним є спільне введення марганцю та кремнію, оскільки комплексне легування завжди посилює ефект відносно роздільного застосування елементів. При цьому марганець та кремній є найбільш дешевими легуючими елементами, тобто їх використання призводить до мінімального збільшення собівартості сталі. Застосування означених елементів у межах, що заявляються, дозволяє значно (в 2-3 рази) підвищити глибину загартування на мартенсит відносно сталі М76. При зменшенні кількості марганцю та кремнію нижче наведеної межі глибина загартування практично не змінюється, оскільки не зростає прогартованість сталі. Якщо вміст вказаних елементів перевищує вер хню означену межу, то це призводить до наскрізного загартування куль, що викликає масове їх розтріскування по завершені термозміцнення. Вуглець також вносить вагомий вклад в прогартованість сталі. Крім того, при загартуванні він утворює пересичений твердий розчин в а-фазі (мартенсит), який забезпечує сталі високий опір абразивному зношуванню. При вмісті вуглецю нижче 0,65% утворюється мартенсит із недостатнім опором деформуванню, тобто знижується рівень зносостійкості; також зменшується глибина загартування. Якщо вміст вуглецю перевищуватиме 0,85 %, то це може призвести до утворення сітки вторинного цементиту по границях бувших а устенітних зерен у внутрішніх шарах куль. Утворення цементитної сітки різко окричує сталь, тож наслідком цього буде розколювання куль при ударних навантаженнях в млинах. Сталеві кулі виготовляються методом прокатки чи штампування. Перед прокаткою кульова заготовка піддається нагріву до 950-1000°С, що призводить до росту в неї аустенітного зерна. Оскільки при подальшій термообробці зерно не подрібнюється, готові кулі мають крупнозернисту структур у, що негативно позначається на їх опорі крихкому руйнуванню. Мікролегування алюмінієм в кількості 0,01-0,07% передбачає розкислювання сталі, а також подрібнення аустенітного зерна за рахунок утворення дисперсних часток нітриду алюмінію. Введення алюмінію у кількості менше за 0,01% є неефективним, оскільки це не дозволяє 5 85495 істотно вплинути на розмір зерна, а також збільшує кількість металургійних дефектів у зв'язку із недостатнім розкисленням сталі; все це сприяє розколюванню куль у млинах. Якщо кількість алюмінію перевищує 0,07%, це також призводить до окрихчування сталі, оскільки нітриди у цьому випадку утворюються у вигляді плівкових включень, які розташовуються по границях та послаблюють зв'язок між зернами. Сталь виплавляли у 440-т мартенівських печах ВАТ « МК « Азовсталь» та розливали у зливки масою 10т (хімічний склад наведено в табл. 1). Із зливків прокаткою виготовляли кульову заготовку діаметром 120мм, яку перекатували на молольні кулі діаметром 120мм. Після прокатки з нагрівом 970-990°С кулі підстужували на повітрі до 870900°С, загартовували у воді в пристрої барабанно 6 го типу до середньомасової температури 250300°С та самовідпу скали в накопичувальних бункерах під кришкою. Після самовідпуску визначали поверхневу твердість куль, розподіл твердості по перетину та наявність гартувальних тріщин на поверхні. За глибину загартування приймали відстань від поверхні кулі до шару із твердістю 50 HRC (ця твердість відповідає структурі, в якій кількість мартенситу становить більше 50%). Ударостійкість куль визначали випробуванням у промислових млинах при подрібненні мартенівського шлаку на протязі 200 годин; за критерій ударостійкості приймали наявність та кількість розколотих куль. Властивості досліджених сталей наведено у таблиці 2. Таблиця 1 Хімічний склад досліджених сталей № складу 1 2 3 4 5 Відомий с 0,67 0,80 0,74 0,60 0,91 0,82 Si 0,33 0,93 0,61 0,23 1,16 0,55 Mn 1,12 1.77 1,40 0,98 1.95 1,38 Вміст, мас. % Cr As 1,10 0,005 Al 0,01 0,065 0,04 0,005 0,08 0,06 Fe решта ” ” ” ” ” Таблиця 2 Властивості куль із досліджених сталей № складу 1 2 3 4 5 Відомий Середня поверхнева твердість, HRC 55,0 52,4 53,5 53,5 52,5 53,6 Середня глибина загартування, MM 12 18 22 5 більше 60 більше 60 Кількість куль із гар- Кількість розколотих куль після тувальними тріщинавипробування в млині, % ми, % 0 не виявлено 0 не виявлено 0 не виявлено 0 8,7 42,5 випробування не проводилися* 38,5 випробування не проводилися* * Кулі зі сталі 5 та із відомої сталі не проходили випробувань в млині, оскільки велика їх кількість мала на поверхні гартувальні тріщини. Данні, наведені у табл. 2, показують, що оптимальне поєднання властивостей забезпечують сталі №№1, 2 та 3. Зокрема, глибина загартування на переважно мар-тенситну стр уктур у збільшена в 2-4 рази у порівнянні із загальновикористованою сталлю М76, при цьому кулі зберігають високу стійкість до розколювання при експлуатації. При вмісті легуючи х елементів, меншому за означені Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін межі, спостерігається істотне зниження глибини загартування та зменшення опору сталі крихкому руйнуванню (що призводить до розколу куль при випробуванні в млині). При введенні елементів вище меж, що заявлені, кулі загартовуються на мартенситну структур у до центра, що сприяє їх розтріскуванню при термічній обробці. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601