Высокопрочное литье TIC, армированное стержнем

Преимущества производительности отливок из композитного стержня из карбида титана с высоким содержанием хрома

Композитные стержни из карбида титана с высоким содержанием хрома представляют собой композитные отливки, образованные путем равномерного диспергирования твердых фаз карбида титана (TiC) в матрице из сплава с высоким содержанием хрома. Их эксплуатационные преимущества обусловлены синергетической взаимодополняемостью между высокой вязкостью и коррозионной стойкостью сплавов с высоким содержанием хрома и высокой твердостью и износостойкостью карбида титана. Они особенно подходят для суровых условий работы, связанных с износом, коррозией и ударными нагрузками. Ниже приведен подробный анализ их преимуществ в производительности литья:

I. Исключительная износостойкость: баланс между «износостойкостью» и «стойкостью к ударному износу».

Основным преимуществом износостойких отливок являются композитные стержни из карбида титана с высоким содержанием хрома, которые устраняют болевые точки традиционных износостойких материалов — «твердых, но хрупких» или «жестких, но не износостойких» — благодаря структурной конструкции, сочетающей «твердые фазы + прочную матрицу»:

Износостойкость, обусловленная твердостью, за счет твердых фаз: карбид титана (TiC), как основная износостойкая фаза, имеет твердость по шкале Мооса 9–9,5. Равномерно диспергированный в отливке в виде частиц микронного размера, он образует «жесткий износостойкий барьер». Под воздействием таких условий труда, как измельчение руды, истирание металла и воздействие частиц, TiC напрямую противостоит резке и экструзии абразивных сред. Его износостойкость в 2–4 раза выше, чем у обычного высокохромистого чугуна (например, серии Cr15), приближаясь к уровню износостойкости материалов из чистого карбида титана.

Удар�

II. Превосходная коррозионная стойкость: адаптация к суровым условиям с использованием различных сред

Сами по себе высокохромистые сплавы являются классическими коррозионностойкими материалами, а химическая инертность TiC еще больше повышает коррозионную стойкость композитных отливок, делая их пригодными для износостойких условий работы с агрессивными средами:

Пассивационная защита высокохромистой матрицы: В воздухе, воде или слабоагрессивных средах (например, серосодержащие сточные воды, слабокислая рудная пульпа) высокохромистый сплав быстро образует на своей поверхности плотную пассивационную пленку Cr₂O₃, предотвращая дальнейшее окисление или коррозию матрицы. Даже если пассивационная пленка локально повреждена, элементы Cr могут рассеивать ее и быстро восстанавливать, сохраняя коррозионную стойкость.

Повышение коррозионной стойкости за счет инертности TiC: TiC инертен по отношению к большинству черных металлов (например, углеродистой стали, нержавеющей стали), цветных сплавов (например, алюминия, меди), а также большинства кислот и щелочей (за исключением сильных окисляющих кислот, таких как концентрированная азотная кислота), и не вступает в реакцию с агрессивными средами. В композитных отливках дисперсное распределение TiC не только не повреждает пассивирующую пленку матрицы, но и уменьшает площадь контакта коррозионной среды с матрицей, еще больше снижая скорость коррозии. Его коррозионная стойкость на 30–50 % выше, чем у обычного высокохромистого чугуна, что делает его применимым в сценариях износа с коррозией, таких как прибрежная переработка руды и обработка остатков химических отходов.

III. Хорошая высокотемпературная стабильность: выдерживает условия износа при средних и высоких температурах.

По сравнению с большинством органических износостойких материалов или низколегированных изнашиваемых деталей композитные стержни из карбида титана с высоким содержанием хрома обладают значительными преимуществами в работе при высоких температурах и могут адаптироваться к средам износа при средних и высоких температурах (300–800 ° C), например, в футеровках оборудования для спекания и компонентах транспортировки горячего шлака:

Сохранение твердости TiC при высоких температурах: карбид титана имеет температуру плавления до 3140 °C и почти не размягчается при температуре ниже 800 °C. Его высокотемпературная твердость (HRA ≥ 85) снижается всего на 5–8% по сравнению с твердостью при комнатной температуре, что позволяет ему постоянно противостоять эрозии абразивных сред при высоких температурах. Напротив, обычный высокохромистый чугун претерпевает резкое снижение износостойкости (потеря твердости более 30%) из-за размягчения матрицы выше 500 °C.

Стойкость высокохромистой матрицы к высокотемпературному окислению: элементы Cr в высокохромистой матрице образуют более стабильную композитную оксидную пленку Cr₂O₃ + TiO₂ при высоких температурах (TiO₂, образующийся в результате окисления TiC, синергирует с Cr₂O₃, образуя плотную структуру). Эта пленка предотвращает диффузию кислорода внутрь отливки, предотвращая высокотемпературное окислительное растрескивание матрицы и обеспечивая структурную целостность в условиях высокотемпературной работы.

IV. Хорошая адаптируемость процесса литья и стабильность размеров

Хотя композитная структура стержней из карбида титана с высоким содержанием хрома содержит фазы TiC высокой твердости, они по-прежнему демонстрируют хорошую литейность, а отливки имеют превосходную точность размеров и стабильность эксплуатации после формования:

Совместимость с процессами литья: регулируя размер частиц TiC (обычно 5–50 мкм) и добавляя следы редкоземельных элементов (например, Ce, La) для улучшения смачиваемости, для производства можно использовать традиционные процессы, такие как литье в песчаные формы и центробежное литье. Отливки могут быть изготовлены в различных формах, таких как стержни, трубы и пластины, чтобы удовлетворить требования к установке различного оборудования (например, валков угольных мельниц, конвейерных шнеков).

Низкая устойчивость к усадке и деформации: разница в коэффициенте теплового расширения между TiC (7,4×10⁻⁶/°C) и матрицей с высоким содержанием хрома (11–13×10⁻⁶/°C) невелика, поэтому появление трещин, вызванных термическим напряжением, в процессе охлаждения отливки менее вероятно. При этом степень термического расширения композитных отливок стабильна от комнатной температуры до высоких температур (< 12×10⁻⁶/°С), при этом не возникает размерных деформаций из-за колебаний температуры в процессе эксплуатации, что обеспечивает точность подгонки оборудования (например, положений подшипников, уплотняющих поверхностей).

V. Длительный срок службы и экономичность: снижение комплексных затрат на использование

С точки зрения полного жизненного цикла, эксплуатационные преимущества композитных стержней из карбида титана с высоким содержанием хрома напрямую трансформируются в экономические выгоды:

Сверхдлительный срок службы: благодаря комплексным характеристикам, включая «износостойкость + коррозионную стойкость + ударопрочность», срок службы этих отливок обычно в 2–3 раза превышает срок службы обычных деталей из чугуна с высоким содержанием хрома и в 4–6 раз больше, чем у деталей из стали с высоким содержанием марганца. Это снижает частоту остановов оборудования для замены запасных частей (например, для молотов шахтных дробилок цикл замены может быть продлен с 1–2 месяцев до 6–12 месяцев).

Низкие затраты на техническое обслуживание и замену: хотя первоначальная стоимость покупки выше, чем у обычных износостойких материалов, совокупные затраты на использование в единицу времени (включая потери на покупку, установку и простои) могут быть снижены на 40–60% за счет продления срока службы и уменьшения количества ремонтных работ. Они особенно подходят для основных изнашиваемых частей крупного промышленного оборудования (например, цементных вертикальных мельниц, металлургических прокатных станов).

Подводя итог, можно сказать, что эксплуатационные преимущества отливок из композитных стержней из карбида титана с высоким содержанием хрома заключаются в «синергетической оптимизации множества свойств». Они не только сохраняют чрезвычайную износостойкость карбида титана, но также компенсируют недостатки хрупкости и коррозионной стойкости твердых материалов за счет матрицы с высоким содержанием хрома, одновременно балансируя литейность и экономичность. Они являются предпочтительными износостойкими отливками в таких отраслях, как горнодобывающая промышленность, производство строительных материалов, металлургия и химическое машиностроение для сценариев с «высоким износом и сложными условиями труда».