Хромо-марганцево-кремниевые многокомпонентные литые поковки из сплавов

Когда видишь эту комбинацию в ТЗ, многие сразу думают о стандартной износостойкой стали типа 110Г13Л. Но тут тонкость — именно хромо-марганцево-кремниевые многокомпонентные литые поковки подразумевают не просто легирование, а именно сложнолегированную систему, часто с добавками ванадия, титана, иногда бора, и это именно поковки из литой заготовки, что меняет всю картину по сравнению с обычным литьём. В нашей работе для ООО ?Нинго Люйша Стройматериалы? (https://www.nglsjc.ru) это не абстрактный термин, а основа для тех самых износостойких шаров и футеровок для мельниц в энергетике. Ошибка — считать, что можно просто взять хромомарганцевку и отковать. Без правильного баланса кремния для жидкотекучести при литье заготовки и без контроля за карбидообразованием при последующей ковке получается хрупкий металл, который в мельнице разлетится быстрее стандартного.

От шихты до слитка: где теряется контроль

Начну с сырья. Для наших поковок под шары мелющие больших диаметров, скажем, 100-120 мм, важно не просто содержание хрома и марганца. Кремний — палка о двух концах. С одной стороны, без него литейная заготовка будет с раковинами, особенно в массивных сечениях. С другой — его избыток, особенно в сочетании с марганцем, ведёт к росту остаточного аустенита после ковки и термообработки. А это — падение твёрдости в готовом изделии. Мы в ООО ?Нинго Люйша Стройматериалы? через несколько партий пришли к своему диапазону: 0.8-1.2% Si, но с обязательным введением модификатора на основе церия для измельчения зерна. Без этого даже при идеальном химическом составе в центре поковки могла оставаться грубая ликвация.

Плавку ведём в индукционной печи, это даёт лучший контроль. Но ключевой момент — разливка. Температура перегрева должна быть минимально необходимой. Помню случай, пытались ускорить процесс, разлили с перегревом на 40°C выше обычного. Слитки внешне нормальные, но после ковки на прессе в нескольких шарах пошли внутренние трещины. При вскрытии — видна была дендритная структура, которую не удалось полностью разрушить даже при осадке. Пришлось партию пускать на переплав. Урок: для многокомпонентных литых поковок технологическая дисциплина на этапе заготовки важнее, чем сама ковка.

Ещё один нюанс — защита от обезуглероживания. Хром, как известно, активно выгорает. При литье заготовки под поковку мы используем специальные покрытия на основе стеклообразующих материалов. Но здесь важно не переборщить, иначе на поверхности слитка образуются силикатные включения, которые потом вдавятся в поковку и станут очагом усталостного разрушения. Подбирали составы покрытий почти полгода, пока не остановились на одном проверенном поставщике.

Ковка: не ?убить? легирование

Собственно, ковка литой заготовки — это и есть рождение поковки. Здесь главная задача — разрушить литую структуру, добиться равномерного мелкозернистого строения. Но с нашими сплавами есть загвоздка. Высокое содержание марганца и хрома повышает устойчивость аустенита. То есть, интервал ковочных температур сужается. Греть выше 1150°C — риск пережога по границам зёрен из-за образования легкоплавких эвтектик. Ковать ниже 900°C — резко растёт сопротивление деформации, могут пойти макротрещины.

Мы выработали свой режим. Нагрев — медленный, с выдержками в зонах фазовых превращений. Первые обжатия — небольшие, чтобы ?размять? сердцевину слитка. Основную деформацию ведём в диапазоне 1050-950°C. И вот что важно — после окончания ковки поковку (например, тот же шар или заготовку под футеровку) нельзя просто бросать на воздухе. Из-за повышенной прокаливаемости от легирования на поверхности идёт образование мартенсита, возникают термические напряжения. Обязательно — медленное охлаждение в изолирующем материале или печи-термосе. Однажды пренебрегли этим для срочного заказа — результат: сетка мелких поверхностных трещин на всей партии. Пришлось снимать припуск больше расчётного, экономический эффект от ускорения сошёл на нет.

Контролируем мы и степень деформации. Для ответственных поковок, которые идут на футеровки шаровых мельниц в энергоблоках, стараемся давать обжатие не менее 25-30%. Меньше — литая структура может сохраниться в сердцевине, что скажется на ударной вязкости. Проверяем это ультразвуком и макротравлением на контрольных образцах.

Термичка: поиск баланса между твёрдостью и вязкостью

После ковки идёт термообработка. И это, пожалуй, самая ?творческая? часть. Стандартный подход для износостойких сталей — закалка с высоким отпуском. Но для хромо-марганцево-кремниевых систем он часто не оптимален. Марганец сильно замедляет распад аустенита, поэтому после ковки в структуре может оставаться его изрядное количество. Если просто закалить, получим смесь мартенсита и остаточного аустенита, который в условиях ударно-абразивного износа в мельнице будет превращаться в мартенсит, вызывая рост напряжений и микротрещины.

Мы экспериментировали с изотермической закалкой, с отпуском при различных температурах. Оказалось, что для наших условий работы (измельчение угля на ТЭС) лучший результат даёт закалка в масле с последующим низким отпуском при 200-250°C. Это даёт твёрдость в районе 52-56 HRC, но при этом достаточный запас вязкости. Более высокий отпуск, до 450°C, хоть и повышает вязкость, но резко снижает износостойкость — карбиды коагулируют, матрица разупрочняется. В полевых испытаниях шары с такой термообработкой показывали на 15-20% меньший ресурс.

Важный контрольный параметр — количество остаточного аустенита. С помощью рентгеноструктурного анализа держим его в пределах -10-15%. Выше — риск нестабильности твёрдости в работе, ниже — материал становится излишне хрупким. Настроить это — дело опыта и точного ведения температурно-временных параметров.

Практика и неудачи: что не пишут в учебниках

В теории всё гладко, на практике — сплошные подводные камни. Например, зависимость от скорости охлаждения конкретной поковки. Шар диаметром 120 мм и массивная футеровка сложной формы остывают по-разному. Для футеровок мы иногда идём на ступенчатый режим охлаждения после закалки, чтобы минимизировать коробление и внутренние напряжения. Это увеличивает цикл, но снижает процент брака при механической обработке.

Был у нас неприятный опыт с поставкой партии шаров для одной сибирской ТЭЦ. Поставили, всё по техпроцессу. Через два месяца — рекламация: шары раскалываются. Стали разбираться. Химия в норме, твёрдость в норме. Металлография показала аномально крупные зерна в сердцевине. Причина? Оказалось, в партии шихты попался ферромарганец с повышенным содержанием азота. Азот в сочетании с алюминием (который был в модификаторе) образовал нитриды, которые задержали рекристаллизацию при ковке. Зерно не измельчилось. С тех пор ввели обязательный спектральный анализ не только на основные элементы, но и на газы для каждой плавки-партии сырья. Дорого, но надёжно.

Ещё один момент — сварка и наплавка для ремонта. Для футеровок мельниц это часто требуется. Наш сплав плохо сваривается обычными методами из-за склонности к образованию закалочных структур в зоне термического влияния. Пришлось совместно с технологами разрабатывать специальные режимы подогрева и термостатирования, подбирать сварочные материалы с близким, но более пластичным составом. Это уже ноу-хау, которое родилось из необходимости решать проблемы клиентов ООО ?Нинго Люйша Стройматериалы?.

Вместо заключения: почему это всё ещё актуально

Сейчас много говорят о керамике, о сверхтвёрдых сплавах. Но для массового измельчения в энергетике, где объёмы исчисляются тысячами тонн в год, хромо-марганцево-кремниевые многокомпонентные литые поковки остаются оптимальным по соотношению ?цена-надёжность-ресурс? решением. Да, это материал, требующий глубокого понимания металлургии, строгого контроля на всех этапах — от шихтовки до финишной термообработки. Он не прощает невнимательности.

Но когда всё сделано правильно, результат оправдывает усилия. Наши поковки в виде шаров и футеровок работают по 12-15 месяцев в тяжёлых условиях, показывая стабильный износ без катастрофических разрушений. Для компании, которая, как наша, специализируется на снабжении именно электроэнергетической отрасли, это вопрос репутации. Нельзя просто продать металл. Нужно продать гарантированный ресурс, а он рождается здесь — в точном балансе хрома, марганца, кремния и других компонентов, в правильно выбранном режиме деформации литой заготовки и в тонко настроенной термообработке. Всё остальное — просто слова в спецификации.