ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ АУСТЕНИТНЫХ ЧУГУНОВ

 

Станчев Д.И., Высоцкий А.Г., Попов Д.А. (ВГЛТА, г. Воронеж, РФ)

 

The papers describes information of an austenitic manganese  iron and other cast irons deterioration conditions of dry rubbing friction, when used for brake units construction of forest machines.

 

Чугун является самым дешевым литейным материалом. Он широко применяется в различных отраслях машиностроения при производстве разнообразных и сложных отливок толщиной от 2 до 500 мм, массой от 10 г до 250 кг, с габаритами до 30 м. Это – станины металлорежущих станков, механических прессов, агрегатов металлургического оборудования, блоков цилиндров автомобильных, тракторных, судовых и стационарных двигателей внутреннего сгорания, картеры редукторов, коробок перемены передач и главных передач транспортных машин и многое другое. Чугунные отливки занимают не менее 70...75% от общего количества отливок из всех сплавов [1].

В настоящее время в двухкомпонентной системе Fe – C чугунами называются сплавы, содержащие более 2,14% углерода, что соответствует максимальной растворимости углерода в аустените при температуре 1147 ºС. Технические чугуны представляют собой многокомпонентные Fe – C – Si сплавы, содержащие примеси (Mn, P, S и др.), а также легирующие элементы. В зависимости от формы углерода в структуре чугунов различают следующие отливки [2]:

1 Отливки из серого чугуна, в которых весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии, чаще всего в виде пластинчатого графита.

2 Отливки из белого чугуна, в которых углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбидов железа, карбидов легирующих элементов или сложных карбидов.

3 Отливки из отбеленного чугуна, в которых часть сечения (внешняя) имеет структуру белого чугуна, а другая (внутренняя) – серого чугуна.

4 Отливки из ковкого чугуна, получаемые в результате отжига белого чугуна. В процессе отжига может происходить окисление и удаление углерода (обезуглероживание отливок) или распад карбидов с образованием в структуре свободного графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун после обезуглероживания  имеет светлый излом и называется белосердечным, а после второго способа отжига имеет бархатистый излом и называется черносердечным.

5 Отливки из высокопрочного чугуна, в которых углерод находится чаще всего в виде шаровидного графита.

В зависимости от степени графитизации серого, ковкого или высокопрочного чугуна структура металлической матрицы отливок может быть ферритной, феррито-перлитной, перлитной. При этом наряду с графитом пластинчатой, хлопьевидной или шаровидной формы в структуре чугунов могут присутствовать карбиды и фосфидная эвтектика. Следует также выделить возможность формирования в отливках из чугуна аустенитной металлической матрицы в результате легирования марганцем.

Фосфидная эвтектика, состоящая из железа и фосфида железа (Fe₃Р), имеет исключительно высокую твердость, сопоставимую с твердостью карбидных фаз (700…750 HBW). В узлах трения фосфидная эвтектика чугуна воспринимает на себя нагрузку и повышает износостойкость подшипника. Вместе с тем, выкрашиваясь в процессе трения, она играет роль абразива, понижая износостойкость чугуна. Однако при вязкой металлической матрице, способной удерживать твердые структурные составляющие, выкрашивание фосфидной эвтектики уменьшается, что способствует повышению износостойкости.

Включения графита особенно пластинчатой формы улучшают антифрикционные свойства чугуна, но снижают его прочность, так как нарушают целостность металлической матрицы, чем способствуют при трении отрыву частиц металла. Однако при жидкостном или граничном трении графит способствует адсорбции смазки на трущихся поверхностях, чем повышает антифрикционные свойства чугуна.

Известно [3], что легирование чугуна такими элементами как медь, алюминий, свинец, сурьма, хром, никель, титан, марганец и др. может привести к повышению его износостойкости как при сухом трении, так и при граничной смазке. При этом необходимо учитывать износ сопряженной детали, так как, зачастую, такая деталь имеет большую металлоемкость, сложную конфигурацию и значительную стоимость.

Легированные хромомарганцовистые, хромоникелевые и никельмарганцовистые чугуны получают аустенитную структуру металлической матрицы. При равных условиях испытания подшипников из хромомарганцовистого чугуна глубина наклепа его аустенита значительно больше, чем двух других чугунов. Этим объясняется высокая износостойкость хромомарганцовистого аустенитного чугуна [4].

Аустенитный чугун хорошо сопротивляется воздействию серной и соляной кислоты. Он обладает малой магнитной проницаемостью, высоким удельным электрическим сопротивлением и немагнитностью. Эти его свойства используются в электромашиностроении для изготовления различных деталей. Аустенитный чугун по своим магнитным свойствам почти не уступает таким немагнитным металлам и сплавам, как медь, алюминий, латунь и значительно превосходит их по своему электрическому сопротивлению. Таким образом, аустенитные чугуны обладают комплексом свойств, которые делают эти материалы весьма ценными при изготовлении различных деталей машин.

Однако высокая стоимость легирующих элементов этих чугунов в значительной степени ограничивает их применение. По этой причине никель частично или полностью заменяют более дешевым и менее дефицитным марганцем и медью.

Термической обработкой (отжигом, нормализацией, закалкой) чугуна можно значительно изменить его структуру и свойства. Вместе с тем легирование чугуна марганцем приводит к замене его феррито-перлитной матрицы на аустенитную, что обеспечивает существенное изменение свойств.

Испытания на износ [3] при возвратно-поступательном движении без смазки показали, что износостойкость модифицированного чугуна была примерно в 2,7 раза выше, чем немодифицированного. Это связано с тем, что у модифицированного чугуна пластинчатая форма графита хорошо адсорбирует смазку, а металлическая матрица хорошо сопротивляется выкрашиванию твердых структурных составляющих, действующих как абразив.

Следует отметить, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом сочетает в себе специфические свойства чугуна и в тоже время высокую прочность стали. Чугун с шаровидным графитом практически снимает ограничения в отношении прочности, имеющейся в антифрикционном чугуне с пластинчатым графитом. Высокопрочный чугун применяется взамен серого чугуна для удлинения сроков службы отливок (изложниц и прокатных валков в металлургии, поршней, поршневых колец, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозных барабанов автомобилей и др.), взамен стали с целью упрощения производства и удешевления деталей (коленчатых и распределительных валов двигателей, зубчатых колес различного назначения и др.) взамен дорогостоящих цветных сплавов.

Однако в условиях трения без смазки высокопрочный чугун оказывается менее износостойким, чем серый. Износостойкость кулачков распределительных валов и толкателей автомобильных двигателей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, а также из серого чугуна с пластинчатым графитом с трооститной структурой выше, чем из среднеуглеродистой и высокопрочной стали.

Проведенные испытания абразивной износостойкости различных чугунов на машине трения Х4-Б показали, что наибольшую износостойкость имеет белый чугун [4].

Представляет большой практический интерес испытание материалов и, прежде всего, чугунов, стойких в условиях кавитационного разрушения. В этих случаях, когда в аустенитном чугуне происходит его превращение в мартенсит, сопротивление кавитационному разрушению увеличивается.

Анализируя результаты многочисленных исследований [1, 2, 5, 6 и др.], можно сделать заключение о высокой износостойкости аустенитных марганцовистых чугунов с пластинчатым или шаровидным графитом. Неизученными остаются многие вопросы, так как отсутствуют фундаментальные исследования этих материалов.

В зависимости от условий изнашивания возможно создание различных по структуре аустенитных марганцовистых чугунов, которые обладали бы хорошими антифрикционными свойствами и износостойкостью.

Дальнейшие всесторонние исследования аустенитных марганцовистых чугунов в различных условиях трения позволят определить области его рационального использования в промышленности.

Анализ свойств чугунов, применяемых для изготовления деталей, работающих на износ, позволяет сделать следующие выводы:

1 Антифрикционными свойствами обладают нелегированные и легированные серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Для уменьшения коэффициента трения скольжения антифрикционных чугунов рекомендуется в их структуре иметь значительное количество графита.

2 Лучшей металлической матрицей структуры антифрикционных чугунов является перлит. Ферритная металлическая матрица обладает самой низкой износостойкостью. Карбиды значительно повышают хрупкость чугунов и вызывают большой износ сопряженной детали.

3 Графит в структуре чугунов с одной стороны способствует отрыву частиц металла при изнашивании, но с другой -  является смазочным материалом, противодействующим износу, и способствующим адсорбции жидкой смазки на трущихся поверхностях.

4 Аустенитные чугуны, легированные никелем, хромом и медью, имеют высокую износостойкость, однако они дороги и по этой причине их применение ограничено. Аустенитный  марганцовистый чугун значительно дешевле и во многих случаях является более износостойким.

5 Необходимы дальнейшие разносторонние исследования легированных чугунов, их термической обработки, физико-механических свойств и перспектив применения в машиностроении. Особый интерес представляет изучение аустенитных марганцовистых чугунов в различных условиях трения.

 

Литература

1 Пивоварский, Е. Высококачественный чугун [Текст] : в 2 т.  / Е. Пивоварский. – М. : Металлургия, 1965. – 1184 с.

2 Гиршович, Н.Г. Чугунное литьё [Текст] / Н.Г. Гиршович. – М.:  Металлургиздат, 1949. – 708 с.

3 Гречин, В. П. Износостойкие чугуны и сплавы [Текст] / В. П. Гречин. – М. : Машгиз, 1961. – 398 с.

4 Солдатов, Г. М. Исследование износостойкости марганцовистых сплавов при изнашивании в условиях скольжения и удара по абразиву [Текст] : автореф. дис. … канд. техн. наук / Солдатов Г.М. – М., 1984. – 289 с.

5 Станчев, Д. И. Перспективы применения специального аустенитного марганцовистого чугуна для деталей фрикционных узлов лесных машин [Текст] / Д.И. Станчев, Д. А. Попов // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : Материалы международной научно-технической конференции ВГТУ. – Вологда, 2007. – С. 109-111.

6 Станчев, Д. И. Конструкционные материалы для лесных машин [Текст]  / Д. И. Станчев. – Воронеж: ВГУ, 1982. – 172 с.