ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРЫХ ЧУГУНОВ

УДК 620.16

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРЫХ ЧУГУНОВ

Д.А. Габец, А. М. Марков, А. В. Габец, Е. О. Чертовских

В современных условиях развития промышленности эффективным методом повышения эксплуатационной надежности серых чугунов, работающих в сложных режимах ударно-фрикционного износа, является их комплексное легирование. Применение технологии легирование позволяет добиться значительного увеличения механических свойств за счет изменения структуры и характера распределения графита в чугуне. Цель данного исследования заключается в установлении зависимостей влияния легирующих элементов на эксплуатационные свойства серого чугуна, работающего в условиях ударно-фрикционного износа. В статье рассмотрен весь комплекс механических испытаний легированного никелем и молибденом износостойкого чугуна ЧМН-34М в сравнение с базовым чугуном СЧ35, предназначенного для деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа. Проедены исследования предела прочности при растяжении и сжатии, представлена микроструктура чугуна ЧМН-35 после механических испытаний на излом. Так, предел прочности разработанного износостойкого чугуна составляет от 395 МПа до 450 МПа, а твердость находится в пределах от 276 до 318 Нв. Установлено, что применение технологии легирования способствует формированию структуры с более равномерным распределением графитных включений, что способствует увеличению величины предела прочности сплава при растяжении и сжатии. Проведен анализ результатов фрактографических динамических разрушенных образцов, механизм разрушения серийного и легированного чугуна одинаков, разрушение образцов происходит по хрупкому типу с явным преобладанием межзеренного разрушения, поверхность разрушения в легированном чугуне однороднее.

Ключевые слова: Легирование чугуна, ударно-фрикционный износ, износостойкость, легирование никелем, легирование молибденом, износостойкий чугун, графит, предел прочности при сжатии.

В современных машинах и механизмах остро стоит вопрос надежности узлов, способных работать в условиях ударно-фрикционного износа. Такие изделия должны иметь высокие механические свойства способные обеспечить комплекс свойств, направленных на сопротивление при сжатии и растяжении, а также противостоять износу в сопрягаемых поверхностях. К таким изделиям можно отнести деталей тележки грузового вагона, работающих в условиях интенсивных фрикционных нагрузок. В настоящее время широкая номенклатура деталей тележки может изготавливаться из серого чугуна СЧ35, который достаточно хорошо зарекомендовал себя в сложных режимах эксплуатации. Однако данный чугун имеет в своем составе большое содержание графита, который в условиях ударно-фрикционного износа может выступать в качестве концентратора зарождения трещин. Одним из перспективных материалов является серый чугун ЧМН-35М легированный никелем и молибденом (патент № 2562554), применение данного материала перспективно при изготовлении таких деталей как фрикционный ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018

клин и колпак скользуна на тележках модели 18-100 или ее аналогов.

Основные требования к получаемому путем легирования износостойкому чугуну - относительно низкая себестоимость за счет снижения концентрации дорогих легирующих элементов. При этом механические свойства разрабатываемого материала должны быть достаточно высокими для возможности работы в условиях ударно-фрикционного износа (временное сопротивление при растяжении: не менее 350 МПа, твердость: 250- 300 НВ). Анализ существующих технологий получения износостойких ударопрочных чугунов показал, что имеется зависимость роста механических и прочностных свойств с увеличением процентного содержания никеля и молибдена [1-3].

В качестве базового материала для исследований был выбран серый чугун СЧ35 (ГОСТ 1412-85), легированный никелем и молибденом. Отличительной особенностью данного сплава являются его высокие эксплуатационные и износостойкие свойства. Основное применение данного чугуна изготовление ли-

тых деталей тележки грузового вагона, работающих в условиях ударно-фрикционного износа, таких как фрикционный клин и колпак скользуна.

На основе ранее полученных результатов скорректирована рецептура легирующих

элементов, разработаны технические условия (ТУ 0812-001-10036140-2014) на химический состав и механические свойства, приведенные в таблицах 1 и 2, материалу отливки присвоен индекс ЧМН-35М, а также получен патент на изобретение № 2562554 [2].

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

Допускается превышение минимального значения временного сопротивления при растяжении не более, чем на 100 МПа

Для оценки свойств разработанного материала были изготовлены образцы для исследования химического состава, структуры и механических свойств. С целью подтверждения результатов были получены заключения по химическому составу и механическим свойствам от независимых лабораторий. Образцы 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3 изготовлены из серого чугуна СЧ35, образцы 3-1, 3-2, 3-3, 4-1, 4-2, 4-3 изготовлены из легированного чугуна ЧМН-35М,

Таблица 3 - Химический состав образцов

химический состав образцов представлен в таблице 3 [4].

В образцах 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3 содержание кремния меньше заданных требований согласно ГОСТ 1412-85. В образцах 4-1, 42, 4-3 превышено содержание углерода согласно ТУ 0812-001-10036140-2014.

Механические свойства при испытании на растяжение полностью удовлетворяют требованиям ТУ на ЧМН-35М (Таблица 4).

№ образца Марка чугуна Массовая доля элементов, % Ре - остальное

С 5/ Мп Мо N Сг Си Р 5

1-1 СЧ35 3,21 1,05 1,0 0,002 0,071 0,2 0,135 0,02 0,032

1-2 СЧ35 2,96 0,90 1,15 0,002 0,062 0,2 0,123 0,02 0,062

1-3 СЧ35 2,88 0,99 1,10 0,002 0,072 0,2 0,131 0,02 0,032

Среднее 1 СЧ35 3,01 0,99 1,08 0,002 0,068 0,2 0,13 0,02 0,042

2-1 СЧ35 3,13 1,03 1,12 0,002 0,069 0,2 0,134 0,03 0,033

2-2 СЧ35 3,11 1,03 1,03 0,002 0,068 0,2 0,134 0,03 0,030

2-3 СЧ35 3,06 1,06 1,09 0,002 0,071 0,2 0,137 0,03 0,031

Среднее 2 СЧ35 3,10 1,04 1,08 0,002 0,069 0,2 0,135 0,03 0,031

3-1 ЧМН-35М 2,78 1,19 0,83 0,670 0,643 0,07 0,052 0,01 0,024

3-2 ЧМН-35М 2,84 1,15 0,82 0,652 0,638 0,06 0,045 0,01 0,045

3-3 ЧМН-35М 2,76 1,13 0,81 0,644 0,635 0,05 0,050 0,01 0,022

Среднее 3 ЧМН-35М 2,79 1,16 0,82 0,655 0,639 0,06 0,049 0,01 0,030

4-1 ЧМН-35М 3,26 1,33 0,80 0,509 0,627 0,05 0,053 0,02 0,033

4-2 ЧМН-35М 3,26 1,27 0,85 0,553 0,639 0,05 0,053 0,02 0,029

4-3 ЧМН-35М 3,19 1,15 0,71 0,487 0,631 0,05 0,049 0,02 0,024

Среднее 4 ЧМН-35М 3,23 1,25 0,79 0,519 0,633 0,05 0,052 0,02 0,029

Таблица 4 - Полученные механические свойства чугуна марки ЧМН-35М

Марка Временное сопротивление при Твердость по Бринеллю, HB

Чугуна растяжении, МПа от до

ЧМН-35М 380 - 395 276 318

СЧ35 325 - 343 243 288

Для испытаний на сжатие применяют универсальные испытательные машины, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 28840. Условия, которые должны соблюдаться при испытании на сжатие, те же, что и при испытании на растяжение, но предъявляются более высокие требования к центрированию образца и отсутствию взаимного перекоса нажимных

Рисунок 1 -

Механические испытания серых чугунов на предел прочности при сжатии проводили согласно ГОСТ 25.503, на универсальной испытательной машине EU-20. Образцы типа I были выточены на токарно-винторезном станке диаметром 10 мм. и высотой 20 мм. Полученные результаты испытаний представлены в таблице 5 [8].

Испытание на сжатие проводили с применением специального приспособления, в который предотвращает перекос образца при испытании (рисунок 2). В ходе эксперимента

плит, передающих силу на образец.

Образцы для испытаний на сжатие готовятся по ГОСТ 25.503-97. Для исследования прочности серого чугуна СЧ35 и легированного никелем и молибденом ЧМН-35М было изготовлено по 6 шт. образцов типа I, диаметром 10 мм, и высотой 20 мм. (рисунок 1). [5-7].

Фото образцов

наблюдалось два вида разрушения образцов: полное разрушение образца 1 -1 и 2-3 и наклоненное под углом 45° к оси образца (рисунок 3-4).

Предел прочности при сжатии чугуна СЧ35 в среднем равен 2911 (2564-3226) МПа, предел прочности при сжатии легированного чугуна ЧМН-35 равен 3350 (3196-3559) МПа. Таким образом, предел прочности при сжатии чугуна ЧМН-35М выше, чем стандартного чугуна СЧ35 на 13 процентов.

Рисунок 2 - Приспособление ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018 191

Таблица 5 - Результаты испытаний серых чугунов

№ образца Материал Предел прочности, кг/см2 Предел прочности, МПа

1-1 СЧ35 26150 2564

1-2 СЧ35 29100 2853

1-3 СЧ35 31100 3049

2-1 СЧ35 32900 3226

2-2 СЧ35 30500 2991

2-3 СЧ35 28400 2785

Среднее СЧ35 29691

3-1 ЧМН-35М 33500 3285

3-2 ЧМН-35М 32900 3226

3-3 ЧМН-35М 36300 3559

4-1 ЧМН-35М 32600 3196

4-2 ЧМН-35М 34200 3353

4-3 ЧМН-35М 35500 3481

Среднее ЧМН-35М 34166

Результаты исследования образцов на ударный изгиб представлены в таблице 6. Характер разрушения макрохрупкий. Из приведенных данных в таблице видно, что легированный чугун также, как и чугун марки СЧ 35,

не чувствителен к концентраторам напряжений. Ударная вязкость образцов практически одинаковая. Это обусловлено наличием графитных включений, которые из-за низкой прочности при разрушении могут рассматриваться как микротрещины [9-10].

Таблица 6 - Результаты испытаний на ударный изгиб

№ Марка чугуна Ударная вязкость КСи, Дж/см2 Ударная вязкость КСУ, Дж/см2

1 ЧМН-35М 107-112 102-108

2 СЧ35 89-95 95-101

Исследование микроструктуры чугуна проводилось в соответствии с ГОСТ 3443 на микроскопе №коп Ес^е МА200 методом сравнения с эталонными шкалами. Форму, размер, распределение и площадь графитных включений определяли при увеличении во 100 крат на нетравленом шлифе. Тип металлической основы чугуна и дисперсность перлита определяли после травления в 4% спиртовом растворе азотной кислоты при увеличении в 500 крат [11-12].

Распределение графитных включений в чугуне СЧ35 смешанное междендритное неравномерное (рисунок 5, а). В чугуне ЧМН-35М смешанное (равномерное и участки неравномерного) распределение графита (рисунок 5, б). Металлическая основа чугуна СЧ35 полностью перлитная (рисунок 6, а). Основные отличия легированного чугуна заключаются в структуре металлической основы: наличием перлита и феррита (рисунок 6, б) [13-14].

Рисунок 5 - Распределение графита: а) Смешанное и неравномерное в чугуне СЧ35; б) Смешанное в чугуне ЧМН-35М

Рисунок 6 - Основа: а) Перлитная в чугуне СЧ35; б) Перлитно-ферритная в чугуне ЧМН-35М

Фрактографические исследования образцов проводили на электронном микроскопе Carl Zeiss при увеличениях до 1000 крат. Исследовали поверхность разрушения образцов после испытаний на предел прочности. В области излома имеются фасетки хрупкого скола. У чугуна ЧМН35-М размер фасеток примерно в 1,5 раза мельче чем у СЧ35. Механизм разращения представленных образцов

Рисунок 7 - Фрактограмма излома СЧ35 после испытаний

ВЫВОДЫ

1. Предел прочности при сжатии легированного никелем и молибденом чугуна ЧМН-35М выше, чем серийного СЧ35 примерно на 13 %, это связано, прежде всего, с микроструктурой чугуна, равномерно распределенными графитными включениями, а также более дисперсной металлической основой.

2. Анализ результатов фрактографи-ческих исследований динамически разрушенных образцов свидетельствует о том, что механизмы разрушения серого чугуна СЧ35 и разработанного в работе легированного износостойкого чугуна ЧМН-35М имеют одинаковый характер, как в зонах зарождения, так и в зонах распространения трещин. Разрушение образцов происходит по хрупкому типу с явным преобладанием межзеренного механизма. Поверхности разрушения образцов из ЧМН-35М более однородные, размер фасеток скола составляет от 20 мкм до 60 мкм, что примерно в 1,5 раза мельче, чем у чугуна СЧ35.

3. Предложен состав легированного чугуна ЧМН-35М повышенной износостойкости. Установлен характер распределения графитовых включений (сочетание равномерного и неравномерного распределения), и металлической основы, состоящей из перлита и

практически одинаков, разрушение проходит с преобладанием межзереного разрушения по хрупкому процессу. Преобладание межзеренного разрушения в области зарождения трещины в изломе образцов модифицированного чугуна ЧМН35-М и чугуна СЧ35 после испытаний на ударный изгиб (КСЦ) представлено на рисунке 7-8 [15-16].

Рисунок 8 - Фрактограмма излома

ЧМН-35М после испытаний

феррита. Это способствует повышению механических свойств разработанного материала, который может быть использован для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Исследование влияния химического состава и структуры на механические свойства чугуна ЧМН-35М // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2017. - Т. 4, № 4. - С. 100-107.

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

3. 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 -ISBN: 9788087294796

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

5. Габец А.В., Марков А.М., Габец Д.А., Чертовских Е.О. Управление износостойкостью ответ-

ственных узлов и деталей подвижного состава: монография. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2016. - 213 с.

- ISBN 978-5-7568-1188-9.

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

7. Gabets, A.V., Gabets, D.A., Markov, A.M., Radchenko, M.V., Leonov, S.L.. Technological Support of Critical Parts for Railway Transport Working Properties // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. DOI: 2-s2/0-85012146259. ISBN:17551307

8. Vijeesh, V., Prabhu K.N. Review of microstructure evolution in hypereutectic AL-SI alloys and its effect on wear properties // Transactions of the Indian Institute of Metals. - 2014. - Vol. 67, iss 1. - Pp. 1-18.

- DOI: 10.1007/s12666-013-0327-x.

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

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

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

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

13.Габец, Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Специальный модифицированный чугун марки ЧМН-35М для тяжело нагруженных деталей тележки грузового вагона // Тяжелое машиностроение. - 2016.

- № 1-2. - С. 23-26.

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

15. 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.

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

Габец Денис Александрович, Инженер НИС, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И Пол-зунова», 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, email: gabets22@mail.ru.

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

Габец Александр Валерьевич, кандидат технических наук, директор по развитию ООО «СИбТрансМаш», 656012, г. Барнаул, ул. Папанинцев, д. 97. e-mail: gabeca@mail.ru.

Чертовских Евгений Олегович, кандидат технических наук, инженер ОГМЕТ ООО «АСЛЗ», 6560, 656037, пр. Калинина 116/52, email: chertovskih13@gmail. com.