АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКОГО ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА ЧМН-35М

05.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2019.02.030 УДК 620.16

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКОГО ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА ЧМН-35М

Д. А. Габец, А. М. Марков

В современных условиях развития машиностроения остро стоит вопрос надежности и долговечности узлов, работающих в сложных режимах ударно-фрикционного износа. Литые детали, изготовленные из серых чугунов, такие как тормозные системы, рабочие части горнодобывающих машин и детали железнодорожного подвижного состава, должны обеспечивать высокую прочность (трещиностойкость) при воздействии ударных нагрузок и высокую износостойкость в различном диапазоне нагрузок и температуры. При этом они должны удовлетворять строгим требованиям стандартов, обеспечивая необходимую твердость и механические свойства материалов. А так как высокая прочность сплавов сопровождается повышением хрупкости материала, то в процессе ударно-фрикционной эксплуатации могут возникать трещины, что, в свою очередь, может приводить к разрушению изделия. Одним из эффективных методов повышения физико-механических свойств серых чугунов является модифицирование. В зависимости от группы модификаторов и химического состава они могут влиять на различные свойства материала. Применяемые в настоящее время модифицирующие добавки при изготовлении износостойких чугунов способствуют увеличению твердости и прочности за счет изменения структуры путем образования дополнительных центров кристаллизации.

Ключевые слова: легирование чугуна, модифицирование чугуна, ударно-фрикционный износ, износостойкость, легирование никелем, легирование молибденом, износостойкий чугун, графит, износостойкость.

ВВЕДЕНИЕ

Перспективным материалом для изготовления литых деталей грузовой железнодорожной тележки, таких как колпак скользуна и фрикционный клин подверженных интенсивному износу, является износостойкий легированный чугун ЧМН-35М [1-6].

Данный материал изготавливается на основе серого чугуна СЧ35 с добавлением легирующих элементов никеля и молибдена, что существенно повышает его свойства.

Модификаторы этой группы, предназначены для графитизирующей обработки серого чугуна. Графитизирующая обработка заключается в введении в расплав чугуна активных химических элементов, способствующих образованию дополнительных центров

Исследования влияние комплексных модификаторов на свойства износостойкого чугуна ЧМН-35М проводились с целью повышения стабильности полученных результатов механических свойств и улучшения структуры материала [7-10].

Химический состав и механические свойства согласно технических условий на материал представлены в таблицах 1-2.

На основании проведенного анализа были выбраны следующие модификаторы: 2-GRAPHТ, БСК-2 и Р-20.

кристаллизации графита. Под их воздействием измельчаются графитовые включения и одновременно увеличивается их количество, что приводит к повышению механических свойств чугуна [12-15].

Таблица 1 - Химический состав чугуна марки ЧМН-35М

Марка чугуна Массовая доля элементов, % Ре - остальное

С 5/ Мп Мо N Сг Си Р 5

не более

ЧМН-35М 2,5-2,9 1,3-1,5 0,7-1,0 0,6-0,9 0,5-0,8 <0,3 <0,3 <0,2 <0,1

Таблица 2 - Механические свойства чугуна марки ЧМН-35М

Марка чугуна Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее Твердость по Бринеллю, НВ

не менее не более

ЧМН-35М 350 250 300

Модификатор Z-GRAPHТ предназначен для измельчения и увеличения графитных включений. Наличие в составе бария и циркония позволяет получать отливки с тонкой стенкой без отбела. Химический состав представлен в таблице 3.

Модификатор БСК-2 предназначен для повышения жидкотекучести чугуна и снижения отбела, также способствует увеличению твердости и механических свойств отливок.

Уменьшает количество газовых включений при кристаллизации отливки. Химический состав представлен в таблице 4.

Модификатор Р-20 предназначен для обработки серого чугуна, позволяет предотвращать отбел тонких стенок, выравнивает структуру и механические свойства. В состав модификатора Р-20 входят ВаО, СаО, БгО и активированный С.

Таблица 3 - Химический состав модификатора г-СРАРНТ

Марка Содержание основных элементов, %

Б1 Мп гг Са Ва А1_ Ре

г-СРАРНТ 69,0 2,0 2,4 1,54 2,1 1,32 остальное

Таблица 4 - Химический состав модификатора БСК-2

Марка Содержание основных элементов, %

Б1 Ва Са Бг Мд К Ыа Рез Мп А1_ И

БСК-2 24,8 16,0 21,5 5,5 0,9 3,0 1,5 4,0 0,2 2,9 0,9

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения исследований специально были изготовлены образцы чугуна, легированного никелем и молибденом, с дальнейшей обработкой различными модификаторами.

Процесс изготовления образцов опытной партии для исследования влияний модификаторов на свойства чугуна ЧМН-35М заключается в следующем:

- в печь производилась завалка шихты категории 4А по ГОСТ 2787-75 в объеме 0,1 тонны;

- после расплава и науглероживания шихты производился забор пробы для определения химического состава сплава;

- корректировка состава сплава в печи (науглероживателем МУ-90) и доведение содержания химического состава материалов в расплаве до требуемых значений эксперимента [10-12];

- легирование, на зеркало металла вводилось поэтапно необходимое количество ферромолибдена и ферроникеля.

После положительного заключения лаборатории по химическому составу к индукционной печи подавали разогретый разливочный ковш, закрепленный на электронных весах. Температура металла перед сливом из печи составляла: 1435 + 1450 °С. Время заливки форм и образцов составляло 5 минут. По достижению удовлетворительных лабора-

торных заключений на соответствие химическому составу полученный металл в объеме 0,02 тонны сливался в прогретый чайниковый ковш.

Перед сливом на дно ковша помещали модификатор «г-СРАРН», БСК-2 и Р-20 в количестве по 0,1 кг.

Структура материалов, полученных в ходе проведения эксперимента, исследовалась методами оптической металлографии и растровой электронной микроскопии на полуавтоматическом микроскопе AxioObserver Z1m. Твердость материалов определялась по методу Бринелля по ГОСТ 9012-59. Микротвердость отдельных фаз определялась на полуавтоматическом микротвердомере WolpertGroup 402 МУР.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Химический состав и механические свойства полученных образцов чугуна, модифицированных «г-СРАРН», БСК-2 и Р-20, представлены в таблицах 5 и 6.

Наибольшей твердостью и временным сопротивлением на разрыв обладают образцы, легированные молибденом и никелем, с использованием модификатора гСРАРНТ. Временное сопротивление образцов полученного чугуна значительно превосходит величину временного сопротивления чугуна марки СЧ35 (более 350 МПа по ГОСТ 141285), что связано с микроструктурой полученного чугуна [17-19].

Таблица 5 - Химический состав чугуна ЧМН-35М в зависимости от вида модификатора

Марка модификатора Массовая доля элементов модифицированного чугуна ЧМН-35М, %

С Si Mn Ва Мо AI Zr Ni Са Cr Cu S P

ZGRAPHT 2,53 1,45 0,67 0,005 0,72 0,007 0,01 0,63 0,002 0,069 0,01 0,047 0,025

БСК-2 2,65 1,34 0,54 0,007 0,74 0,007 0,01 0,65 0,03 0,03 0,01 0,03 0,01

P-20 2,63 1,62 0,5 0,006 0,77 0,006 0,01 0,71 0,01 0,02 0,01 0,03 0,02

Таблица 6 - Механические свойства чугуна ЧМН-35М в зависимости от вида модификатора

Марка модификатора Твердость, HB Временное сопротивление при растяжении, МПа

ZGRAPHT 303-309 436-445

БСК-2 295-307 402-420

P-20 273-285 290-312

а) завихренная форма включений графита модификатор ZGRAPHT; б) перлит и феррит модификатор ZGRAPHT; в) мартенсит и перлит модификатор ZGRAPHT; г) перлит и графит модификатор ZGRAPHT; д) перлит модификатор БСК-2; е) включения ледебурита модификатор Р-20

Рисунок 1 - Микроструктура ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2019 157

Структура чугуна содержит включения пластинчатого и завихренного графита равномерного распределения (рисунок 1, а). Длина включений до 120 мкм в количестве до 12 % площади микрошлифа. Микроструктура чугуна имеет феррито-перлитную металлическую основу (рисунок 1, б) с включениями мартенсита (рисунок 1, в), содержание перлита - 70 - 80 % с межпластинчатым расстоянием до 0,8 мкм (рисунок 1, г), и около 10-15% занимает феррит (рисунок 1, б), насыщенный сеткой из отдельных карбидных включений, а включения мартенсита - в количестве 5-10 % от площади микрошлифа [20].

В результате дополнительной обработки легированного чугуна ЧМН-35М модификатором 2СРАРНТ в структуре образуется мартенсит, который повышает прочность и износостойкость. Мартенсит образуется как продукт закалки металлических сплавов в результате превращения аустенита. Среднее значение микротвердости мартенсита в чугуне ЧМН-35М составляет 830НУ.

Структура чугуна, обработанного модификаторами БСК-2 и Р-20, имеет перлитную основу с графитом пластинчатого и завихрённой формы не равномерного распределения. В чугуне, обработанном модификатором Р-20, присутствуют участки ледебурита, который, вероятнее всего, и приводит к снижению механических свойств в результате модифицирования.

ВЫВОДЫ

Результаты проведенных исследований показали, что природа модификатора оказывает влияние на фазовый состав и структуру чугуна. Микроструктурный анализ доказывает не однозначность этого влияния. Так введение модификатора ZGRAPHТ в расплав легированного никелем и молибденом чугуна ЧМН-35М способствует появлению в структуре материала участков мартенсита (5-10%), а модифицирование модификатором Р-20 ледебурита.

Структурные изменения, вызванные модификатором ZGRAPHТ привели к увеличению твердости и прочности при растяжении чугуна ЧМН-35М на 20 %. Это обусловлено тем, что активные элементы в составе модификатора, способствуют образованию дополнительных центров кристаллизации графита. Таким образом можно рассматривать данную добавку в качестве эффективного модификатора легированного чугуна ЧМН-35М повышающего его износостойкость и прочность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Габец, Д.А. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства серых чугунов, работающих в условиях ударно-фрикционного износа / Д.А. Габец, А.М. Марков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2019. - Т. 21, № 1. - С. 70-81. -doi: 10.17212/1994-6309-2019-21. 1 -70-81.

2. Чугун: пат. 2562554 Рос. Федерация. -№ 2014118635; заявл. 08.05.2014; опубл. 12.08.2015, Бюл. 25. - 5 с.

3. Ларин, Т.В. Влияние ванадия, меди, алюминия на износостойкость и фрикционные свойства фосфористого чугуна для тормозных колодок / Т.В. Ларин, Б.М. Асташкевич, Г.Р. Транковская // Вестник ВНИИЖТ.

4. Gabets, A.V., Markov, A.M., Gabets, D.A, Komarov, P, Chertovskikh, E.O. Investigation of chemical compostition and material structure influence on mechanical properties of special cast iron. METAL 2017 - 26th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings. Metal 2017, Brno, Czech Republic, EU. Scopus: 2-s2.0-85043315222.

5. Gabets, A.V. Technological Support of Critical Parts for Railway Transport Working Properties / A.V. Gabets, D.A. Gabets, A.M. Markov, M.V. Rad-chenko, S.L. Leonov // IOP Conference Series : Earth and Environmental Science. DOI: 10.1088/17551315/50/1/012052.

6. Габец, А.В. Управление износостойкостью ответственных узлов и деталей подвижного состава: монография / А.В. Габец, А.М. Марков, Д.А. Габец, Е.О. Чертовских. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2016. - 213 с. - ISBN 978-5-7568-1188-9.

7. Корниенко, Э.Н. Тяжелая лигатура для получения высокопрочного чугуна / Э.Н. Корниенко, Р.А. Бикулов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - № 2. - С. 3-5.

8. Коровин, В.А. Влияние модифицирования на структуру и свойства чугуна и стали для прокатных валков / В.А. Коровин, И.О. Леушин, Р.Н. Пала-вин, А.С. Киров // Литейщик России. - 2011. -№ 12. - С. 15-17.

9. Гольдштейн, Я.Е. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали / Я.Е. Гольдштейн, В.Г. Мизин. - М.: «Металлургия», 1986.

10. Комаров, О.С. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов / О.С. Комаров, Е.В. Розенберг, Н.И. Урбанович // Литье и металлургия. - 2015. - № 2 (79). - С. 24-28.

11. Габец, Д.А. Оценка влияния легирующих добавок на структуру и механические свойства серых чугунов / Д.А. Габец, А.В. Габец, А.М. Марков // Ползуновский вестник, 2018. - № 4. - ISSN 20728921. - С. 198-215.

12. Chertovskih, E.O., Gabets, A.V., Gabets, D.A., Markov, A.M., Okolovich, G.A., Komarov, P.N. The formation of the bainite structure during heat treatment of the rail steel (analogue J13052). Obrabot-kametallov-metal working and material science. ISSN

1994-6309. DOI: 10.17212/1994-6309-2016-2-7079.

13. Vijeesh, V. Review of microstructure evolution in hypereutectic AL-SI alloys and its effect on wear properties / V. Vijeesh, K.N. Prabhu // Transactions of the Indian Institute of Metals. - 2014. - Vol. 67, iss 1. - Р. 1-18. - DOI: 10.1007/s12666-013-0327-x.

14. Управление износостойкостью ответственных узлов и деталей подвижного состава: монография / Д.А. Габец [и др.]. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2016. - 213 с.

15. Габец, А.В. Специальный чугун для отливки фрикционного клина тележки железнодорожного вагона / А.В. Габец // Ползуновский вестник. - 2013. - № 4/2. - С. 51-52.

16. Габец, Д.А. Специальный модифицированный чугун марки ЧМН-35М для тяжело нагруженных деталей тележки грузового вагона / Д.А. Габец, А.М. Марков, А.В. Габец // Тяжелое машиностроение. -2016. - № 1-2. - С. 23-26.

17. Габец, А.В. Моделирование эксплуатационных свойств деталей, изготовленных из специального чугуна ЧМН-35М / А.В. Габец, А.М. Марков, Д.А. Габец // Ползуновский вестник. - 2016. - № 2. - С. 36-44.

18. Габец, Д.А. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства серых чугунов, работающих в условиях ударно-фрикци-

онного износа / Д.А. Габец, А.М. Марков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2019. - Т. 21, № 1. - С. 70-81. -doi: 10.17212/1994-6309-2019-21. 1 -70-81.

19. Борщ, Б.В. Повышение износостойкости фрикционных деталей из серого чугуна / Б.В. Борщ, А.В. Габец, А.В. Сухов, Г.А. Филиппов // Сталь. -2014. - № 1. - С. 66-68.

20. Гурьев, М.А. Упрочнение литых деталей поверхностным легированием / М.А. Гурьев, С.Г. Иванов, А.М. Гурьев // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств. Сборник научных трудов x международной научно-практической конференции. - Барнаул, 2009. - С. 40-46.

Габец Денис Александрович - инженер ОСНП, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, e-mail: gabets22@mail.ru.

Марков Андрей Михайлович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, email: andmarkov@inbox.ru.