Комплексное исследование химического состава, морфологии и эксплуатационных характеристик белых высокохромистых чугунов

“Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 161 Машиностроение и энергетика Бразилия, Япония, Австралия, Украина, Польша, Индия, Китай, Беларусь, Иран, Мексика и ряд других государств выступают ведущими производителями, обеспечивая 60–70 % мирового выпуска деталей из белого чугуна. Ежегодный рост объёмов производства и возрастающие требования к качеству обусловили необходимость разработки и внедрения технологий, позволяющих получать износостойкие отливки с более низкой себестоимостью за счёт ресурсосбережения [4-6]. Повышение износостойкости деталей из белых хромистых чугунов представляет собой комплексную задачу, включающую подбор состава сплава в зависимости от условий работы, определение оптимальных технологических параметров литья и разработку рациональных режимов получения отливок. Существенное влияние на эксплуатационные характеристики оказывают параметры кристаллизации, определяющие морфологию и пространственное распределение карбидных фаз. Увеличение скорости охлаждения расплава при затвердевании, а также использование методов направленной кристаллизации позволяют целенаправленно регулировать размер, форму и ориентацию карбидных включений, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик литых деталей. Таким образом, выбор оптимальной технологии производства отливок из хромистых чугунов имеет не меньшее значение, чем разработка их химического состава, так как именно структура, формируемая в процессе кристаллизации, определяет комплекс свойств сплавов и долговечность деталей в реальных условиях эксплуатации [7-11]. Методы исследования и использованные материалы. В качестве исследуемого материала были выбраны износостойкие белые чугуны 280Х29НЛ и 330Х17Л. Данные чугуны применяются для отливок горно-обогатительного оборудования, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (питающие диски, подложки, плит для дробилок). Образцы отливали в песчано формы для определения механических свойств абразивного износа белого износостойкого чугуна. Для определения механических свойств образцов сплава использовали электроразрядный станок ДМ 80 Cormak, применяемый на Навоийском машиностроительном заводе, изготавливаемый в США на основании ГОСТ 1497-84. (рис. 1). а) б) Рисунок 1. Образцы, приготовленные для определения механических свойств сплава, а) для определения ударная вязкости, б) для предела прочности Для проведения исследований отлиты образцы (рис. 2.) из белых износостойких чугунов марки 280Х29НЛ и 330Х17Л на индукционной печи ИЧТ-2,5 (пр-во Россия). Для выявления структуры образцы подвергнуты травлению реактивом следующего состава: 15 мл азотной кислоты, 15 мл соляной кислоты и 15 мл глицерина. Время травления 10 мин., при температуре реактива 60˚С [12-15]. Для изучения микроструктуры образцов изучали на микроскопе марке cканирующий Рисунок 2. Образцы белых износостойких чугунов. 1- 280Х29НЛ, 2 – 330Х17Л “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 162 Машинасозлик ва энергетика электронный микроскоп (СЭМ) четвертого поколения TESCAN VEGA (пр-во Германия). Для измерения твердости по HRCэ использовался твердомер ТК-2М и для измерения твердости по HV50 использовался твердомер ПМТ – 3М. Химический состав отливок, приготовленных в промышленных условиях, определены эмиссионным спектральным методом на приборе Spectro-Lab –M (пр-во Германия). Микрошлифы подготовили на шлифовально-полировальном станке «НЕРИС» (пр-во Латвия). Для шлифовки образцов применены шлифовальный шкурки зернистостью от 180 до 1500 мкм. Полировка поверхности микрошлифов произведены с помощью алмазной пасты ASM зернистостью 1/0, 2/1 и 3/2. Таблица 1. Составы чугунов, предназначенных для изготовления наковальни № Марка чугуна Содержание химических элементов, % по массе С Si Cr Mo Ni Ti P S 1 280Х29НЛ 2,55 ≤ 1,5 28,0 - 0,6 1 ≤ 0,1 ≤ 0,1 2 330Х17Л 3,40 0,6 16,5 0,5 0,6 - ≤ 0,01 ≤ 0,01 Образцы чугунов для испытаний отливали в земляные формы. Износостойкость изучали в режиме сухого трения. Хромистый чугун 330Х17Л был выбран как наиболее распространенный износостойкий чугун в Республике Узбекистан. Легированный никелем чугун 280Х29НЛ обладает хорошими механическими свойствами, хорошо зарекомендовал себя в горнорудной промышленности, при изготовлении детали «питающие диски» дробилка роторная модели KEV 96. Для изготовления сплавов использовали индукционную печь объемом 2,5 т., шихтовый материалы следующего состава: чушковый чугун в количестве 400 кг, феррохром (марка ФХ 100А) 300 кг, никель – от 1 до 2 кг в зависимости от состава конечного сплава, ферромарганец – от 3 до 5 кг и электробой до 5 кг. Температура плавки составила 1400 ˚С. Выбранная температура превышает температуру полного перехода сплава в жидкое состояние на 150 – 200 градусов. Температура литья составила 1380 ˚С, которая выбрана на основании практики литья и с целью снижения объема полной литейной усадки. Скорость охлаждения сплавов при литье в землю составила 100 ˚С/минуту, при литье в металлическую изложницу 235 ˚С/минуту. Рафинирование сплавов не проводили, очистку поверхности расплава от шлаков проводили в течение 5-10 минут после снижения температуры расплава до температуры литья. Механические свойства сплавов определяли по ГОСТ 1497-84. Структур сплавов изучали на микроскопе марке cканирующий электронный микроскоп (СЭМ) четвертого поколения TESCAN VEGA при увеличениях ×500, ×2000, ×5000. Результаты исследования и их анализ. С целью сопоставительного анализа характеристик чугунов разных марок, предназначенных для изготовления детали «наковальня», была определена твердость готовой детали. Результаты испытаний на твердость HRCэ приведены в табл. 2. При этом твердость по Роквеллу была определена на поверхности и сердцевине детали, поскольку ее габариты позволили предполагать наличие градиента скорости охлаждения по сечению детали в процессе кристаллизации. Таблица 2. Относительная износостойкость и механические свойства хромистых чугунов (литье в земляные формы). Марка чугуна 330Х17Л 280Х29НЛ Твердость на поверхности в литом состоянии HRCэ 57-62 46-47 Твердость в сердцевине в литом состоянии HRCэ 47-48 40-41 “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 163 Машиностроение и энергетика Высокохромистый белый чугун марки 280Х29НЛ по показателям твердости и износостойкости уступает сплаву 330Х17Л. Однако с экономической точки зрения он также не является оптимальным выбором, так как стоимость сплава 280Х29НЛ примерно в 1,5 раза выше, чем у 330Х17Л, при этом эксплуатационные характеристики остаются ниже. В связи с этим для получения литых деталей с высокими механическими и эксплуатационными свойствами необходимо выбирать оптимальные режимы литья, а также научно обоснованно регулировать соотношение легирующих элементов в составе сплава. Для термодинамического анализа использовалась база данных TCFE7 программы Thermo-Calc, обновлённая в мае 2018 года и являющаяся результатом более чем 30-летних исследований шведских учёных. Преимуществом версии TCFE7 по сравнению с предыдущими является её расширение за счёт включения 20 дополнительных элементов при минимальном содержании железа 50 %, что позволяет рассчитывать трёхи четырёхкомпонентные диаграммы состояния. Важным отличием этой базы является также более высокая точность термодинамических данных и возможность моделирования фаз, образующихся при малых добавках ванадия (V), молибдена (Mo), титана (Ti), ниобия (Nb) и вольфрама (W). На основании химического состава белого чугуна 280Х29НЛ в программе Thermo-Calc была рассчитана диаграмма состояния четырёхкомпонентной системы Fe–2,6C–Cr–Ni при температуре 2000 °С. В ходе анализа установлено, что варьирование концентрации никеля и хрома приводит к формированию различных фаз в металлической основе и карбидных соединений. При содержании 1,2 % Ni и 16 % Cr структура сплава характеризуется металлической основой с остаточным графитом, ферритной и аустенитной фазами, а также карбидами типа M₃C₂. В интервале 16–25 % Cr и более 1,1 % Ni в структуре формируются устойчивые аустенитные и ферритные фазы с карбидами M₃C₂ и M₇C₃. Следует подчеркнуть, что при увеличении концентрации хрома до 26 % в металлической матрице сохраняются аустенит и феррит, при этом наблюдается полное образование карбида M₇C₃ (рис. 3). Рисунок 3. Диаграмма состояния Fe-2,6C-Cr-Ni. Т-2000С При содержании хрома свыше 16 % и увеличении концентрации никеля до 1 % в структуре сплава наблюдается формирование ферритной металлической матрицы с полностью кристаллизованными карбидами типа M₇C₃. Дальнейшее повышение содержания хрома до 26 % при сохранении никеля на уровне 1 % способствует образованию смешанной металлической основы (феррит + аустенит) с одновременным формированием карбидных фаз M₇C₃ и M₂₃C₆. На основании химического состава белого чугуна марки 280Х29НЛ была построена термодинамическая диаграмма состояния четырёхкомпонентной системы Fe–2,6C–Cr–Mn. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 164 Машинасозлик ва энергетика Согласно полученным данным, в структуре сплава формируется феррит как основная металлическая фаза, а также графит, не подвергшийся полному разложению. При содержании до 45 % хрома и до 9 % марганца фиксируется полное формирование металлической матрицы с карбидными соединениями типов M₃C₂, M₇C₃ и M₂₃C₆. Следует отметить, что при увеличении концентрации марганца свыше 9 % в структуре сохраняются графитовые включения, свидетельствующие о неполном разложении сплава до металлической основы (рис. 4). Рисунок 4. Диаграмма состояния Fe-2,6C-Cr-Mn. Т-2000С При содержании марганца на уровне 3–4 % в структуре сплава наблюдается полностью сформированная ферритная металлическая основа, а также устойчивые карбидные фазы типа M₇C₃ и M₂₃C₆. Особенно примечательно, что при пониженном содержании марганца (0,7–0,8 %) и высоком содержании хрома (16–45 %) структура сохраняет ферритный характер, при этом, несмотря на низкую концентрацию марганца, формируются устойчивые карбиды M₇C₃. Высокая концентрация марганца в белом чугуне оказывает отрицательное влияние на фазообразование: она способствует выделению графита и препятствует стабильному формированию карбидных фаз. В результате в структуре фиксируются участки частичного феррита, незрелые графитовые включения и хрупкие карбиды типа M₃C₂, что сопровождается снижением механических свойств сплава. Согласно термодинамическому анализу системы Fe–2,6C–Cr–Mn для чугуна ИЧ280Х29НЛ, оптимальное содержание марганца составляет 0,4–0,6 %, а минимально необходимое содержание хрома должно быть не менее 16,5 %. Рисунок 5. Диаграмма состояния Fe-2,6C-Cr-Si. Т-2000С На основании химического состава белого чугуна 280Х29НЛ с использованием программы Thermo-Calc построена фазовая диаграмма системы Fe–2,6C–Cr–Si. Анализ диаграммы показал, что фазовый состав существенно зависит от соотношения кремния и “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 165 Машиностроение и энергетика хрома. Так, при содержании кремния выше 4,5 % структура сплава характеризуется ферритной металлической матрицей с остаточным графитом, не подвергшимся полному разложению. При увеличении концентрации хрома до 25–26 % графит полностью растворяется, а структура переходит в ферритную фазу (рис. 5). Анализ диаграммы состояния системы Fe–2,6C–Cr–Si показал, что при определённых соотношениях кремния и хрома в структуре, помимо карбидных фаз M₃C₂, M₇C₃ и M₂₃C₆, формируется интерметаллид Cr₃Si. Основным фактором его образования является повышенное содержание кремния (свыше 2,5–3 %) в сочетании с высоким содержанием хрома (более 26–27 %). Возникновение этой фазы связано с тем, что кремний неравномерно распределяется в металлической основе и при высоких концентрациях хрома взаимодействует с ним с образованием соединения Cr₃Si. Дополнительно установлено, что при содержании хрома выше 42 % образование Cr₃Si становится более интенсивным. Следует отметить, что данный карбид характеризуется низкой твёрдостью и хрупкостью и, в отличие от карбидов хрома, не способствует повышению прочностных характеристик сплава. В целом определено, что оптимальное содержание кремния в белом чугуне не должно превышать 1 %, что является достаточным для стабилизации металлической матрицы и предотвращения образования нежелательных фаз. Диаграмма термодинамического состояния четырёхкомпонентной системы Fe–2,6C– Cr–Ti при температуре 2000 °С демонстрирует образование различных фаз в зависимости от концентрации титана и хрома. При содержании до 16 % Cr и до 10 % Ti в структуре фиксируются ферритные и аустенитные участки, а также остаточные графитовые включения; из карбидных фаз формируется преимущественно M₃C₂. При увеличении содержания хрома до 16–26 % наблюдается полное растворение графита, металлическая основа становится ферритно-аустенитной, а в структуре формируются карбиды M₃C₂ (частично) и преимущественно M₇C₃. При дальнейшем росте содержания хрома до 26–42 % металлическая основа сохраняет ферритно-аустенитный характер, но при этом в структуре полностью формируются карбиды M₇C₃ и M₂₃C₆. Только при содержании хрома более 42 % сплав характеризуется окончательным формированием карбидной фазы M₂₃C₆, что определяет специфику его структурного состояния (рис. 6). Рисунок 6. Диаграмма состояния Fe-2,6C-Cr-Тi. Т-2000С Из образовавшихся фаз на диаграмме видно, что титан в сплаве первоначально вызывает образование металлической основы сплава и мелкозернистость основного металла. После этого, в зависимости от количества прироста хрома, обеспечивает образование карбидов твердого типа. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 166 Машинасозлик ва энергетика В результате анализа термодинамических диаграмм состояния сплавов рассчитан химический состав марки 330Х17Л из высокопрочного белого чугуна. В соответствии с ней было подобрано оптимальное количество молибдена для сохранения оптимального соотношения углерода и хрома в сплаве и образования в сплаве М7С3 и М23С6 карбидных фаз. В результате анализа термодинамических диаграмм состояния двух-, трёх- и многокомпонентных систем, а также исследования микроструктуры сплавов были получены следующие основные выводы: 1. С использованием программного комплекса Thermo-Calc выполнен анализ термодинамических диаграмм состояния для двух-, трёх- и многокомпонентных систем. Проведено исследование фазового состава высокохромистых белых чугунов марок 280Х29НЛ и 330Х17Л. Установлено, что устойчивое формирование определённых фазовых составляющих может оказывать негативное влияние на долговечность литых деталей. 2. Изучено влияние легирующих элементов (Cr, Ni, Mo, Ti, W, V и др.) на фазообразование в белом чугуне. Рассмотрены закономерности изменения количества легирующих элементов и их роль в формировании карбидных фаз. Для оптимизации их содержания в сплаве применялись расчётные возможности программы Thermo-Calc. 3. Определены условия образования карбидных фаз в зависимости от химического состава белого чугуна. Проведён анализ механизмов увеличения их количества и способов пространственной ориентации карбидов в структуре сплава. 4. Осуществлён микроструктурный анализ белых чугунов марок 280Х29НЛ и 330Х17Л. Установлено, что морфология, дисперсность и количественное содержание карбидных фаз типов M₇C₃ и M₂₃C₆ играют ключевую роль в обеспечении механических и эксплуатационных характеристик сплавов. Авторы выражают искреннюю признательность руководству Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва, Российская Федерация) за предоставленную возможность использования высокоточного лабораторного оборудования и современных программных средств. Библиографический список 1. Гарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. — М.: Машиностроение, 2010. — 280 с. 2. Барановский К.Э., Мансуров Ю.Н., Жумаев А.А., Дувалов П.Ю. Повышение ресурса работы деталей из износостойких хромистых чугунов // Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск: БНТУ, 2019. – Вып. 40. - С. 78-83. 3. А.А. Жумаев, Ю.Н. Мансуров, Дж.Дж. Маматкулов, К.С. Абдуллаев. Фазовые превращения в сплавах железа с углеродом, легированных редкоземельными и переходными металлами. // Черные металлы, № 11 (1067). 2020. – С.22 – 29. 4. А.А. Жумаев, Ю.Н. Мансуров, Дж. Дж. Маматкулов, Г. Д. Улугов. Оптимизация состава и структуры износостойких белых чугунов, используемых в горнодобывающей промышленности. // Черные металлы, № 12 (1068). 2020. – С.4 – 10. 5. Kopyciński, D., Piasny, S. Influence of tungsten and titanium on the structure of chromium cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2012, No 12(1), - Р 57-60. 6. U. Pranav, M. Agustina, F. Mücklich. A Comparative Study on the Influence of Chromium on the Phase Fraction and Elemental Distribution in As-Cast High Chromium Cast Irons: Simulation vs. Experimentation. // Metals. 2020, No 12, - P 4-17. 7. Ponomareva A.V., Ruban A.V., Mukhamedov B.O., Abrikosov I.A. Eff ect of multicomponent alloying with Ni, Mn and Mo on phase stability of bcc Fe–Cr alloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 150. - P. 117–129. 8. Mukhamedov B. O., Ponomareva A. V., Abrikosov I. A. Spinodal decomposition in ternary Fe– Cr–Co-system // Journal Alloys Compd. 2017. Vol. 695. P. 250–256. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 167 Машиностроение и энергетика 9. Ali K., Ghosh P. S., Arya A. A DFT study of structural, elastic and lattice dynamical properties of Fe2Zr and FeZr2 intermetallics // Journal Alloys Compd. 2017. Vol. 723. - P. 611–619. 10. Konar B., Kim J., Jung I. Critical Systematic Evaluation and Thermodynamic Optimization of the Fe-RE System: RE = La, Ce, Pr, Nd // Journal Phase Equilibria and Diffusion. 2016. Vol. 37, Iss. 4. - P. 438–458. 11. Kolokoltsev V. M., Petrochenko E. V., Molochkova O. S. Influence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heat- and wear-resistant white cast iron // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. - P. 11–15. 12. А. А. Жумаев, К.Э. Барановский, Ю. Н. Мансуров, Х.И. Ахмедов. Результаты исследования структуры отливок из белых износостойких чугунов. // Черные металлы, № 2 (1082). 2022. – С.4 – 10. 13. Abrikosov I. A., Ponomareva A. V., Steneteg P., Barannikova S. A., Alling B. Recent progress in simulations of the paramagnetic state of magnetic materials // Current Opinion Solid State Materials Science. 2016. Vol. 20. - P. 85–106. 14. Ahmad J. K. Melting of a new carbon –free waxed sponge iron in Electric Arc Furnace (EAF) for steelmaking // International Journal of Materials Science and Applications. 2015. Vol. 4. No. 1-2. - Р. 1–6 15. Shamelkhanova N. A., Uskenbayeva A. M., Volochko A. T., Korolyov S. P. The Study of the Role of Fullerene Black Additive During the Modification of Ductile Cast Iron // Materials Science Forum. Switzerland. 2017. Vol. 891. - P. 235–241. Ахмедов Хасан Исламович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Навоийского государственного университета горного дела и технологий. Тел.: +998 97-228-37-57 (моб.) E-mail: kh_akhmedov@mail.ru IKKI ROTORLI SHAMOL TURBINASINI MATLAB/SIMULINK TIZIMIDA MODELLASHTIRISH VA OPTIMAL PARAMETRLARINI ANIQLASH Sayfiddinov Q.E. Buxoro davlat texnika universiteti. Annotatsiya. Maqolada quvvati 20,5 kW bo‘lgan gorizontal o‘qli shamol energetik qurilmasi o‘zgaruvchan shamol oqimlarida va parraklarining turli ortilish burchaklarida energetik ko‘rsatgichlarini anilash imkonini beradigan modellashtirish blok-sxemasi Matlab/Simulink tizmida ishlab chiqilgan. Tadqiqot natijalariga ko‘ra shamol tezligi o‘zgarish diapozoni 3…12 m/s, parraklarning o‘rnatilish burchaklar oralig‘i 0o…10o bo‘lganda rotor aylanish tezligi 7…25 rad/s, turbina mexanik momenti 45,71…821 Nm va turbina mexanik quvvati 0,32…20,6 kW ga teng bo‘lishi aniqlangan. Shamol turbinasi parraklari 0o burchak ostida o‘rnatilgan parraklarning tez aylanuvchanlik koeffisienti optimal 8,1 ga teng bo‘lishi asoslangan. Kalit soʻzlar: gorizontal o‘qli shamol turbinasi, shamol tezligi, shamol energiyasidan foydalanish koeffisienti, mexanik quvvat va moment, Matlab/Simulink, modellashtirish. MODELING A DUAL-ROTOR WIND TURBINE IN MATLAB/SIMULINK AND DETERMINING ITS OPTIMAL PARAMETERS Sayfiddinov Q. E. Bukhara State Technical University. Annotation. In this paper, a modeling block diagram of a horizontal-axis wind energy system with a capacity of 20.5 kW has been developed in MATLAB/Simulink. The model allows for the analysis of energy performance under varying wind flows and different blade pitch angles. According to the research results, when the wind speed varies between 3–12 m/s and the blade pitch angle ranges from 0° to 10°, the rotor speed is between 7–25 rad/s, the turbine torque is 45.71–821 Nm, and the mechanical power of the turbine reaches 0.32–20.6 kW. It has been substantiated that the optimal tip speed ratio is 8.1 when the turbine blades are set at a 0° pitch angle. Keywords: horizontal-axis wind turbine, wind speed, wind energy utilization coefficient, mechanical power and torque, MATLAB/Simulink, modeling. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 168