Оптимизация состава самозакаливающихся чугунов

УДК 621.74: 669.13

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА САМОЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ ЧУГУНОВ

© 2017 Л.С. Печенкина

Детали экскаваторов подвергаются интенсивному абразивному изнашиванию. Для таких условий работы оптимально использовать комплексно-легированные белые чугуны. Повышенными износостойкостью и механическими свойствами будут обладать белые чугуны со специальными эвтектиками, которые стали объектом исследования. За счет расположения фаз в них обеспечивается получение композиционной структуры. Сочетание в структуре сплавов мягкой металлической матрицы и твердых упрочняющих включений фаз внедрения придает этим сплавам свойства антифрикционности и износостойкости. Исследования зависимости износостойкости комплексно-легированных белых чугунов от структуры металлической основы показали, насколько важно обеспечивать мартенситную или мартенсит-но-аустенитную структуру основы в отливках деталей экскаваторов, подвергающихся интенсивному износу, а во многих случаях еще и большим динамическим нагрузкам.

Задачей исследования является получение требуемой структуры в чугунных отливках, способных получить мар-тенситную (или мартенситно-аустенитную) структуру металлической основы и высокую твердость непосредственно в литом состоянии без упрочняющей термической обработки (самозакаливающиеся белые чугуны - СБЧ), за счет оптимизации химического состава.

Для выбора оптимального состава чугуна проведена серия плавок. Исследованы структура и свойства СБЧ. Научно обосновано и экспериментально определено: при мартенситной структуре матрицы и высокой твердости (НЕ£э 60-63) детали характеризуются высокой износостойкостью (Ки и 6), однако отливки часто поражены микротрещинами. На опытном производстве втулок гидрораспределителя экскаватора найден оптимальный химический состав самозакаливающегося белого чугуна, при котором указанные дефекты в отливках исключаются. Установлено, что максимальной износостойкостью обладают сплавы, в структуре которых содержится 20-35% аустенита. В целом можно сделать вывод, что с увеличением количества углерода повышается износостойкость чугуна, но при этом снижается ударная вязкость. Поэтому для обеспечения достаточной износостойкости отливок при повышенной ударной вязкости рекомендуется малоуглеродистый комплексно-легированный белый чугун, содержащий 2,3% углерода, 4,2% марганца, 6,5% хрома

Ключевые слова: самозакаливающийся белый чугун, аустенит, ударная вязкость, легирование, износостойкость

Введение

Интенсивному абразивному изнашиванию подвергаются многие детали экскаваторов. Для таких условий работы оптимально использовать комплексно-легированные белые чугуны. Повышенными износостойкостью и механическими свойствами будут обладать белые чугуны со специальными эвтектиками. За счет расположения фаз в них обеспечивается получение композиционной структуры [1]. Эффект композиционного упрочнения - это положительный эффект, обусловленный чисто геометрическими факторами: взаимным расположением составляющих, геометрической формой и размерами включений, ориентацией их относительно действующих напряжений и т.д. при резко различающихся свойствах составляющих. Эвтектические композиции в белых чугунах могут формироваться на основе специальных карбидов (типа М7С3, МС) и их сочетания.

Сочетание в структуре сплавов мягкой металлической матрицы и твердых упрочняю-

Печенкина Лариса Степановна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: pls-7@mail.ru

щих включений фаз внедрения придает этим сплавам свойства антифрикционности и износостойкости. По данным [2], износостойкость сплавов монотонно повышается с увеличением количества упрочняющей фазы, но при этом растет износ контртела, а кривая суммарного износа обнаруживает минимум вблизи эвтектического состава.

Очень сильное влияние на износостойкость чугунов оказывают количество, размеры и форма включений карбидной фазы. При увеличении количества карбидной фазы до 3035% значительно повышается износостойкость у чугунов, имеющих в структуре (на поверхности трения) карбиды в виде мелких изолированных включений, равномерно распределенных в металлической основе.

Как показано в работе [3], металлическая основа белых износостойких чугунов слабее влияет на механические свойства чугунов, чем карбидная фаза. Однако структурное состояние матрицы оказывает большое влияние на износостойкость белых чугунов.

Исследования зависимости износостойкости комплексно-легированных белых чугунов от структуры металлической основы показали, насколько важно обеспечивать мартенситную

или мартенситно-аустенитную структуру основы в отливках деталей экскаваторов, подвергающихся интенсивному износу, а во многих случаях еще и большим динамическим нагрузкам. Получение требуемой структуры возможно в чугунах, способных получить мар-тенситную (или мартенситно-аустенитную) структуру металлической основы и высокую твердость непосредственно в литом состоянии (самозакаливающиеся белые чугуны - СБЧ).

Целесообразность получения и использования СБЧ объясняется несколькими факторами:

- значительное упрощение технологического процесса получения износостойких деталей;

- резкое снижение трудоемкости, материалоемкости и энергоемкости процесса;

- уменьшение брака деталей из-за исключения или сокращения операций термической обработки;

- возможность полной механизации и автоматизации процесса.

По влиянию закаленной структуры металлической основы (мартенсит, мартенсито-аустенит, аустенит) на износостойкость единого мнения пока нет.

Данные [4] позволяют сделать вывод, что удельная нагрузка определяет оптимальный тип структуры. Наиболее благоприятной является аустенито-мартенситная матрица. Это связано с тем, что сопротивляется износу именно мартенсит, а вот противодействует выкрашиванию карбидов - аустенит. Большое значение имеет при этом способность аустени-та упрочняться под действием абразива. Матрица на основе мартенсита подходит для тех случаев, когда характер износа приближается к эрозии. Аустенитная матрица выгодна в условиях высоких давлений, при больших углах атаки и наличии ударов. Целью исследования является получение требуемой структуры в чугунных отливках, способных получить мар-тенситную (или мартенситно-аустенитную) структуру металлической основы и высокую твердость непосредственно в литом состоянии без упрочняющей термической обработки, за счет оптимизации химического состава.

Методика эксперимента

Плавку чугуна в лабораторных условиях проводили в индукционной печи ИСТ-0,06 с основной хромомагнезитовой футеровкой. В качестве шихтовых материалов использовали стальной лом (сталь 3), ферромарганец, метал-

лический марганец, феррохром, феррованадий, ферросилиций. Науглероживание проводили электродным боем. Стальной лом представлял собой отходы стальных труб диаметром 30-100 мм, прутков диаметром 10-30 мм, отходы листовой стали 5=1-5 мм, сталь угловую №2,510. Кроме стального лома в составе металлической части шихты часто использовали стальную и чугунную стружку (до 40% от общего веса шихты). Стальную и чугунную стружку вводили в печь после расплавления стального лома. Оптимальная температура перегрева жидкого металла в печи емкостью 60 кг составляла 1450-1470оС. В заводских условиях плавку проводили в печах ИСТ-0,25 с кислой футеровкой на шихте, состоящей из стального лома, ферросплавов и электродного боя. Жидкий чугун перегревали до 1520-1550оС и разливали ковшами емкостью 100 кг.

Образцы для испытаний на разрыв отливали в сухих песчано-глинистых формах по модельным комплектам из пенополистирола. Плоские образцы для испытаний на износ и ударный изгиб также отливали в сухих песча-но-глинистых формах и вырезали из тела отливки. Литники и прибыли удаляли с отливок с помощью вулканитового круга на специальной установке маятникового типа.

Плоские образцы подвергали механической обработке путем шлифования.

Для проведения металлографического исследования на микроскопе Neophot32 была использована стандартная методика подготовки шлифов.

Экспериментальные данные по износу в условиях сухого трения (без смазки) металл по металлу получены на машине МИ-1М (контртело - сталь 45 с твердостью НRC 45-46). Эталон - сталь ШХ 15, термообработанная на твердость НRC 61.

Проведение исследования

Исходя из указанных выше рекомендаций для изготовления отливок маслот, втулок гидрораспределителя экскаватора был предложен СБЧ (рис.1). Ранее тонкостенные втулки изготавливали из стального проката (сталь 12ХН3А) путем его механической обработки, причем более половины металла уходило в стружку. Втулки запрессовывались в корпус гидрораспределителя. Для обеспечения износостойкости внутренняя поверхность втулки подвергалась цементации, закалке и отпуску. Весь процесс изготовления деталей отличался сложностью, громоздкостью и очень высокой

трудоемкостью (11 часов занимала только термообработка).

Рис. 1. Отливка «Маслота» (масса 1,4 кг).

На основе результатов термодинамического анализа и исследования микроструктуры выполнена ориентировочная оценка оптимального химического состава чугуна. Для выбора оптимального состава чугуна была проведена серия плавок.

Для всех сплавов рассчитано содержание аустенита в структуре матрицы А (%) по формуле:

А = ехр

где РА - параметр аустенизации, являющийся функцией химического состава, %;

К - коэффициент пропорциональности.

Ра = С + Мп + 0,5Сг + 0,2У -

Значение коэффициента К принято равным 0,35, что соответствует охлаждению отливок в литейной форме.

Из всех отлитых образцов были изготовлены микрошлифы.

На рис. 2, 3 показана микроструктура СБЧ при 2,2% С, 2,2% Мп, 6,0 % Сг, 6,1%У, 0,83% Si, состоящая из мартенсита и тройной эвтектики А + МС + М7С3, выделяющейся в виде сетки по границам колоний двойной эвтектики и зерен избыточного аустенита.

Научно обосновано и экспериментально определено: при мартенситной матрице СБЧ и с высокой твердостью (НКСэ 60-63) детали характеризуются высокой износостойкостью (Ки « 6), однако отливки часто поражены микротрещинами.

Рис. 2. Микроструктура отливки, х 300

Рис. 3. Микротрещина в отливке, х 1200

Так как сетка тройной эвтектики является наиболее хрупкой составляющей в структуре сплава, именно в участках тройной эвтектики происходит формирование трещин критической длины, приводящих к хрупкому разрушению сплава (рис. 3). Особенно характерно это явление при динамическом нагружении деталей. Поэтому сетка тройной эвтектики является нежелательной структурной составляющей.

Этот дефект полностью устраняется при переходе на мартенситно-аустенитный чугун с содержанием в структуре 40-50% аустенита. Твердость такого чугуна несколько ниже (БКСэ 46-52), но по износостойкости он вполне отвечает предъявляемым требованиям (Ки « 4) и обеспечивает надежную работу втулок гидрораспределителя.

Результаты экспериментов обработаны с использованием регрессионного анализа в виде однофакторных зависимостей.

Основные зависимости ударной вязкости КС и коэффициента износостойкости Ки от содержания углерода и аустенита приведены на рис.4-6.

Ки

9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -

0--

0

А,%

а)

КС,Дж/см 16 -, 14 -12 -10 -8 - ♦ 6 -4 -2 -0--

0

А, %

б)

Рис. 4. Зависимости коэффициента износостойкости Ки (а) и ударной вязкости КС (б) от содержания аустенита

Рис. 5. Зависимость ударной вязкости от содержания углерода: 1 -при 1,8-2,2% Мп, 2- при 4,2-5,5% Мп

Ки

10 8 6 4 2 0

С,%

1,4

1,6 1,8 2 2,2 2,4

Рис. 6. Зависимость коэффициента износостойкости от содержания углерода

Заключение

Анализ зависимостей показал следующее. Углерод снижает ударную вязкость в двух группах сплавов примерно с одинаковой интенсивностью. В наибольшей степени это связано с формированием сетчатой структуры. Наблюдается значительное снижение ударной вязкости при 12-25% А или при 1,8-2,2% Mn, что соответствует максимальной степени мар-тенситного превращения в сплавах. Максимальной износостойкостью обладают сплавы, в структуре которых содержится 20-35% А. В целом можно сделать вывод, что с увеличением количества углерода повышается износостойкость чугуна, но при этом снижается ударная вязкость. Поэтому для обеспечения достаточной износостойкости отливок при повышенной ударной вязкости рекомендуется малоуглеродистый комплексно-легированный белый чугун (2,2% С, 4,2% Mn, 6,5% хрома, 6,9% V, 0,58% Si).

Литература

1. Печенкина Л.С. Разработка износостойких самозакаливающихся сплавов для тонкостенных точнолитых деталей: Дис. канд. техн. наук: 05.16.01 : защищена 20.06.2000 : утв. 12.12.2000 / Л.С. Печенкина- Курск, 2000. - 193 с.

2. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства/ И.И. Цыпин.- М.: Металлургия, 1983. - 176 с.

3. Печенкина Л.С. Влияние содержания структурообразующих компонентов на твердость малоуглеродистых белых чугунов/ Л.С. Печенкина // Вестник Воронежского государственного технического университета.

- 2017. - Т.13. - № 3. - С.134-138.

4. Гарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация/ М.Е. Гарбер.

- М.: Машиностроение, 2010. -112 с.

12 24

С,%

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

Воронежский государственный технический университет

COMPOSITION OPTIMIZATION OF SELF-HARDENING CAST-IRON

L.S. Pechenkina

PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: pls-7@mail.ru

Details of the excavators are subjected to intensive abrasive wear. For such operating conditions, it is optimal to use complex-alloyed white cast irons. White cast iron with special eutectics, which have become the object of the study, has increased wear resistance and mechanical properties. A composite structure is obtained due to the arrangement of phases. The combination of a soft metal matrix in the structure of the alloys and solid hardening inclusions of the phases gives these alloys the properties of anti-friction and wear resistance. Investigations of the wear resistance of complex-alloyed white cast iron

from the structure of the metal substrate have shown how important it is to provide a martensitic or martensitic-austenite structure of the base in the castings of parts of excavators subjected to intensive wear, and in many cases also to large dynamic loads.

The aim of the study is to obtain the required structure in cast iron foundings capable of obtaining a martensitic (or mar-tensitic-austenitic) structure of the metal substrate and a high hardness directly in the cast state without hardening heat treatment (air-hardening white cast irons), by optimizing the chemical composition.

For the selection of the optimal composition of cast iron, a series of melting was carried out. The structure and properties of the air-hardening white cast irons are investigated. It has been scientifically justified and experimentally determined: with martensitic structure of the matrix and high hardness (HRCe 60-63), the parts are characterized by high wear resistance (Ki = 6), however the castings are often affected by microcracks. On the experimental production of the bushings of the hydraulic distributor of the excavator, the optimum chemical composition of self-hardening white iron was found, in which these defects in the castings are excluded. It is established that alloys with a structure of 20-35% of austenite have maximum wear resistance. In general, it can be concluded that as the amount of carbon increases, the wear resistance of cast iron increases, but the impact elasticity decreases. Therefore, to ensure sufficient wear resistance of castings with increased impact elasticity, low-carbon complex-alloyed white iron is recommended, containing 2.3% of carbon, 4.2% of manganese, 6.5% of chromium

Key words: air-hardening white cast iron, austenite, impact elasticity, alloying, wear resistance

References

1. Pechenkina L.S. Development of wear-resistant self-hardening alloys for thin-walled precision parts: Dis. Cand. Tech. Sciences: 05.16.01: it is protected 20.06.2000: it is approved. 12.12.2000 ("Razrabotka iznosostojkih samozakalivajushhihsja splavov dlja tonkostennyh tochnolityh detalej: Dis. kand. tehn. nauk: 05.16.01 : zashhishhena 20.06.2000 : utv. 12.12.2000 "), Kursk, 2000, 193 p.

2. Tsypin I.I. "White wear-resistant cast iron. Structure and properties" ("Belye iznosostojkie chuguny. Struktura i svojstva"), Moscow, Metallurgy, 1983, 176 p.

3. Pechenkina L.S. "The Influence of content of core components on hardness of low carbon white cast irons", Bulletin of Voronezh state technical University, vol. 13, no. 6, 2017, pp.13-17.

4. Garber M.E. "Wear-resistant white cast irons-properties, structure, technology, and operation" ("Iznosostojkie belye chuguny: svojstva, struktura, tehnologija, jekspluatacija"), Moscow, Mashinostroenie, 2010,112 p.