Исследование гидроабразивной износостойкости серых и высокопрочных чугунов, микролегированных оловом и сурьмой

УДК 669.131.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СЕРЫХ И ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ОЛОВОМ И СУРЬМОЙ

С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., К.А. Демьянец, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты исследования гидроабразивной стойкости чугунов с разной формой графита, нелегированных и микролегированных оловом и сурьмой. Проанализировано влияние на гидроабразивную стойкость перлитизации матрицы в результате микролегирования чугунов.

Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, шаровидный графит, ударная вязкость, концентрация абразива, скорость изнашивания, гидроабразивная износостойкость.

Введение

Проточные части насосов оросительных систем работают в тяжелых условиях, испытывая гидроабразивный, коррозионный и кавитационно-абразивный износ. В настоящее время в качестве материала проточных частей насосов в основном используется чугун СЧ20, который обладает низкой гидроабразивной стойкостью. В связи с этим вопрос повышения эксплуатационной стойкости деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа, является весьма актуальным.

Анализ публикаций

В ряде работ показано, что гидроабразивная износостойкость существенно зависит от таких механических свойств как твердость и ударная вязкость [1, 2]. В связи с этим представляется целесообразным более широкое использование в качестве материала проточных частей насосов чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом, обладающих более высоким комплексом свойств.

В работе [3] исследовалась структура, механические свойства и гидроабразивная износостойкость СЧ20, ЧПГ, ЧШГ и ЧВГ, легированных &, ^, №, Mo. Было показано, что гидроабразивный износ легированного ЧШГ, определяемый по схеме «ролик-колодочка» в суспензии (песок в воде), намного ниже, чем у СЧ (ролика в 2,7 раза, а колодочки в 19,5 раз).

В работе [4] была исследована гидроабразивная износостойкость на специально разработанной установке нелегированных ЧПГ и ЧШГ и ЧПГ, ЧШГ, микролегированных Sn, и ЧВГ, микролегированного Sb. Было установлено, что наивысшую гидроабразивную износостойкость при концентрации абразива 1% имеет нелегированный ЧШГ с перлитно-фер-ритной основой. Все легированные чугуны, имеющие перлитную основу, имеют больший износ, особенно ЧВГ.

Был сделан вывод, что гидроабразивная стойкость определяется не только прочностными свойствами, но в значительной мере показателями пластичности и вязкости. В целом в литературе недостаточно данных о взаимосвязи структуры и механических свойств, а также концентрации абразива и гидроабразивной износостойкости.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было изучение гидроабразивной стойкости чугуна СЧ20, ЧПГ и ЧШГ, микролегированных оловом, и ЧВГ, микролегированного сурьмой, при разной концентрации абразива.

Необходимо было выбрать условия испытаний на гидроабразивный износ, наиболее приближенные к условиям эксплуатации деталей проточных систем насосов.

Исследование гидроабразивной стойкости

Материалом исследования служили следующие чугуны: чугун с пластинчатым графитом (ЧПГ) - СЧ20; нелегированный чугун с шаровидным графитом (ЧШГ), микролегиро-ванные Sn (0,02%) ЧПГ и ЧШГ и чугун с вер-микулярным графитом (ЧВГ), микролегиро-ванный Sb (0,035%). Содержание основных элементов в исследуемых чугунах было примерно одинаковым и составляло (%мас.): 3,38-3,43С; 2,24-2,95Si; 0,73-0,85Мп; 0,0055-

0,0066S; 0,054-0,062Р. Чугуны с шаровидным графитом содержали 0,045-0,048% Mg, чугуны с вермикулярным графитом - 0,05% Mg.

В качестве эталона при испытаниях на гидроабразивный износ служила сталь 45 в горячекатаном состоянии.

Структура металлической основы СЧ20 и нелегированного ЧШГ была перлитно-феррит-ной (П 70), у всех остальных исследованных

чугунов перлитная с небольшим количеством феррита (4-6%).

Гидроабразивная стойкость материалов определялась на специально разработанной установке с горизонтальным расположением вала

[4].

Специфической особенностью данной установки является способ закрепления и форма образцов. В установке на валу привода неподвижно закреплён диск, на котором имеется 6 отверстий для крепления образцедержа-телей.

Такая конструкция установки позволяет закреплять на каждом образцедержателе по несколько образцов, что повышает количество одновременно испытываемых образцов в

2 - 4 раза по сравнению с существующими установками. Кроме того, на установке можно испытывать не только цилиндрические,

Таблица 1 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 5 %

№ Материал Величина износа, мг Скорость изнашивания, мг/см2час Относительная стойкость, %

Время испытания, мин

80 160 240

1 ЧПГ (СЧ20) 29,5 56,8 90,2 4,51 62

2 ЧПГ, микролегированный 8п 29,4 57,1 87,6 4,38 63

3 ЧШГ, нелегированный 23,6 47,1 69,7 3,49 80

4 ЧШГ, микролегированный 8п 24,9 50,6 75,9 3,80 73

5 ЧВГ, микролегированный 8Ь 26,6 54,1 81,6 4,08 68

6 Сталь 45 (горячекат.) 19,5 37,3 55,7 2,78 100

Таблица 2 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 10%

№ Материал Величина износа, мг Скорость изнашивания, мг/см2час Относительная стойкость, %

Время испытания, мин

150 300 450

1 ЧПГ (СЧ20) 86,2 159,4 244,2 6,51 63

2 ЧПГ микролегированный 8п 81,1 158,0 235,2 6,27 66

3 ЧШГ нелегированный 59,2 122,2 187,5 5,00 83

4 ЧШГ микролегированный 8п 61,8 125,2 193,9 5,17 80

5 ЧВГ микролегированный 8Ь 61,2 130,3 205,6 5,48 75

6 Сталь 45 (горячекат.) 51,6 103,7 154,9 4,13 100

но и плоские образцы в виде шайб с отверстием в центре. При этом можно менять угол наклона образцов по отношению к направлению их движения от 0 до 90°. В результате оказывается возможным испытывать плоские образцы при различных углах взаимодействия рабочих поверхностей с гидроабразивной смесью, что позволяет в наибольшей мере приближаться к реальным условиям эксплуатации деталей проточной части насосов. К тому же плоские образцы позволяют наилучшим образом исследовать поверхность материала после испытаний, в частности, использовать непосредственно металлографические, рентгенографические и другие методы анализа.

При выборе условий гидроабразивного испытания необходимо было оценить и выбрать скорость взаимодействия абразивных частиц с поверхностью образцов, угол атаки, размер и состав абразивных частиц, концентрацию абразива.

Скорость взаимодействия абразивных частиц с поверхностью материала составляла 15 м/с, что примерно соответствовало условиям работы деталей проточной части насосов для воды. Угол атаки был взят равным 45°, так как угол наклона лопастей рабочих колёс составляет 40 - 50°.

В качестве абразива был использован кварцевый песок с размером песчинок ~ 0,2 мм. Концентрация абразива составляла 5 и 10 %. Величина износа образцов оценивалась весовым методом.

Результаты испытаний материалов на гидроабразивное изнашивание приведены в табл. 1, 2.

Как следует из приведенных данных, все высокопрочные чугуны имеют более высокую гидроабразивную стойкость по сравнению с серыми чугунами. Это, несомненно, связано с шаровидной формой графита, который в меньшей мере ослабляет металлическую матрицу, чем пластинчатый.

Однако прямой, непосредственной связи между гидроабразивной стойкостью чугунов и формой графита, как это имеет место для механических свойств (ов), не прослеживается. Так если образование шаровидного графита в чугуне взамен пластинчатого при

неизменной структуре металлической матрицы приводит к повышению уровня прочности в 4 раза, то при этом абразивная стойкость возрастает лишь на 30 %.

Перлитизация металлической матрицы в результате введения микролегирующих элементов (олово и сурьма), хотя и способствует повышению твердости серых и высокопрочных чугунов, не приводит к заметному росту гидроабразивной стойкости.

Наименьший гидроабразивный износ имеет нелегированный чугун с шаровидным графитом с перлито-ферритной матрицей (П70). Это говорит о том, что разрушение материала под действием абразивных частиц связано с сопротивляемостью материала деформации, но во многом определяется также уровнем пластичности и ударной вязкости.

В случае микролегирования оловом и, особенно, сурьмой в результате изменения состояния границ зерен, очевидно, понижается ударная вязкость. В связи с этим, несмотря на более высокую твердость, микролегиро-ванный оловом чугун обладает меньшей по сравнению с нелегированным гидроабразивной стойкостью. Не исключено, что введение олова в некоторой степени снижает сопротивление чугуна коррозионному разрушению, особенно, межкристаллитной коррозии, что также влияет на процесс гидроабразивного изнашивания.

Выводы

Гидроабразивная стойкость при разных концентрациях абразива у всех исследованных высокопрочных чугунов выше, чем у серого с пластинчатым графитом.

Наиболее высокой гидроабразивной стойкостью обладает высокопрочный чугун с шаровидным графитом и перлито-ферритной металлической матрицей. Это свидетельствует о том, что повышение твердости и прочности микролегированных Sn и Sb чугунов за счет перлитизации матрицы имеет меньшее влияние на повышение гидроабразивной износостойкости чугунов по сравнению с уменьшением при этом пластичности и ударной вязкости.

Между гидроабразивной стойкостью материалов и концентрацией абразивных частиц в

водной среде нет прямопропорциональной зависимости, что, очевидно, обусловлено процессами коррозионного разрушения.

Литература

1. Козырев С.П. Гидроабразивный износ ме-

таллов при кавитации. - М.: Машиностроение, 1971. - 240 с.

2. Южаков И.В., Ямпольский Г.Я., Воловик

Л.Д. Абразивная износостойкость некоторых сталей в зависимости от их механических свойств и характеристик тонкой структуры // Проблемы трения и изнашивания: Респ. межвед. науч.-техн. сб.- К.: Техшка. - 1978. - Вып. 13. -С. 20-22.

3. Бондаренко С.И., Гладкий И.П. Повыше-

ние эксплуатационных свойств чугунов, работающих в условиях гидроабразив-

ного износа // Вюник харювськ. державн. техшч. ушверситету сшьськ. господарства.- Харюв. - 2003. - Вып. 14. -

С. 388-391, С. 15-18.

4. Бондаренко С.И., Гладкий И.П., Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2008. - Вып. 41. - с. 68-70.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н.,

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 1 сентября 2008 г.