Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна

УДК 669.131.7:621.694.31/33

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА ГИДРОАБРАЗИВНУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЧУГУНА

С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты исследования гидроабразивной износостойкости нелегированных и микролегированных Sn и Sb чугунов с разной формой графита и структурой металлической основы. Показано, что наибольшей стойкостью в условиях гидроабразивного износа обладает высокопрочный чугун с шаровидным графитом и перлито-ферритной основой (П 70), имеющий повышенную пластичность и ударную вязкость.

Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, вермикулярный графит, шаровидный графит, металлическая основа, гидроабразивная износостойкость, проточные части насосов.

Введение

Повышение эксплуатационной стойкости насосов оросительных систем является актуальной задачей. Проточные части насосов работают в тяжелых условиях и подвергаются гидроабразивному, кавитационно-эрозионному износу, а также коррозии.

В настоящее время детали проточной части насосов изготавливают в основном из серого чугуна с пластинчатым графитом, имеющего низкую гидроабразивную износостойкость. В то же время есть все основания считать, что перспективным материалом для таких деталей могут служить высокопрочные чугуны с шаровидной и вермикулярной формой графита, обладающие более высоким комплексом механических свойств.

Анализ публикаций

Как показано в работах [1 - 3] гидроабразивное изнашивание существенно зависит от показателей механических свойств. По мнению автора работы [1], стойкость материалов при гидроабразивном изнашивании можно оценить по величине произведения КСНВ, где КС - ударная вязкости, а НВ - твердость. При этом утверждалось, что подобная зависимость имеет одинаковый характер для всех материалов, что не подтверждается экспериментами.

В работе [2] было предложено оценивать износостойкость материалов при абразивном изнашивании на основании комплексного параметра НВ5 п , где НВ-значение твердости материала, 5 - показатель пластичности, п-показатель степени, определяемый экспериментально. В данном случае речь идет, во-первых, о сталях, а во-вторых, об абразивном, а не гидроабразивном изнашивании. Наличие графита в чугунах, а также другой характер износа не дают возможности использовать предложенную в работе [2] методику оценки износостойкости для деталей проточных частей насосов. Данных о влиянии формы графита и структуры металлической основы на гидроабразивную стойкость в литературе недостаточно.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было исследование механических свойств и гидроабразивной стойкости нелегированных и микролегированных оловом и сурьмой серых и высокопрочных чугунов.

Необходимо было установить связь между формой графита и структурой металличес кой основы, показателями механических свойств и гидроабразивной износостойкостью чугунов.

Определение гидроабразивной износостойкости

В качестве материала для исследования были выбраны серый чугун СЧ20 (Ч1II ), применяемый в настоящее время для изготовления деталей насосов оросительных систем; серый чугун, микролегированный оловом; нелегированный высокопрочный чугун (Ч111Г) и высокопрочные чугуны, микролегированные оловом (ЧШГ) и сурьмой (ЧВГ).

В качестве эталона использовалась сталь 45. Химический состав исследуемых материалов приведен в табл. 1.

Все анализируемые высокопрочные чугуны имеют практически одинаковое содержание основных компонентов, которое весьма близко (за исключением кремния) к составу серых чугунов, применяемых для литых деталей проточной части насосов.

Результаты металлографического анализа чу-гунов приведены в табл. 2.

Исходный чугун СЧ20 (0) имеет графит пластинчатой формы и перлито-ферритную матрицу. Микролегирование 0,02% Sn не оказало влияние на графитную фазу, но способ-

ствовало полной перлитизации металлической основы.

Микролегирование такого чугуна 0,02% Sn практически не оказывает влияния на форму и размеры графитных включений, но делает матрицу преимущественно перлитной (П94).

Микролегирование высокопрочного чугуна

0,032% Sb приводит к получению вермику-лярного графита извилистой (ГФ5) и утолщенной (ГФ6) формы и к существенному увеличению доли перлита (П96).

Были проведены механические испытания исследуемых материалов, результаты которых приведены в табл. 2. Высокопрочные чугуны имеют существенно более высокие показатели прочности и особенно пластичности и вязкости по сравнению с серыми. Наиболее высокие показатели механических свойств имеет высокопрочный чугун 2 с пер-лито-ферритной структурой металлической матрицы. Этот чугун, хотя и уступает ферри-то- перлитному чугуну 3, микролегированно-му оловом, по уровню твердости, превосходит его по прочности, пластичности и вязкости. Наличие графита вермикулярной формы в чугуне 4, микролегированном 0,032%Sb, при-

Таблица 1 Химический состав исследованных материалов

№ ма-териа-ла Тип чугуна Содержание элементов, %

С Si Мп S Р Mg Sn Sb

0 ЧПГ (СЧ20) 3,38 2,24 0,73 0,0066 0,056 — - -

1 ЧПГ микролегированный 8и 3,38 2,24 0,75 0,0066 0,056 - 0,02 -

2 ЧШГ нелегированный 3,43 2,95 0,83 0,0055 0,054 0,048 - -

3 ЧШГ микролегированный 8и 3,43 2,97 0,85 0,0055 0,055 0,045 0,02 -

4 ЧВГ микролегированный 8Ъ 3,42 2,95 0,83 0,0056 0,062 0,050 - 0,032

5 Сталь 45 (горячекат.) 0,46 0,25 0,80 0,04 0,017 - - -

Таблица 2 Микроструктура и механические свойства исследованных чугунов

№ Микроструктура Механические свойства

Графит Металлическая основа о ,НПа в 7 о, % КС, Дж/см2 НВ,НПа

0 Гф2, Гф4, Граз90 -Граз180 П70(Ф30) 200 - 6,0 1700

1 Гф2, Гф4, Граз90 -Граз180 П100(Ф0) 210 - 5,0 2070

2 Гф12, Гф13, Граз25-Граз45 П70(Ф30) 750 5,5 39,0 2550

3 Гф13, Гф12, Граз25-Граз45 П94(Ф6) 670 1,7 11,7 2930

4 Гф5, Гф6, Гф12, Граз25-Граз45 П96(Ф4) 370 1,0 11,0 2690

5 - П50(Ф50) 620 16 50 2070

водит к значительному снижению всех механических свойств по сравнению с чугуном 2, имеющим графит шаровидной формы и значительное количество феррита в структуре металлической основы.

Гидроабразивная стойкость материалов определялась на специально разработанной установке с горизонтальным расположением вала. Использованная установка позволяет изменять условия испытания материалов на гидроабразивное изнашивание в широком диапазоне, существенно увеличить количество одновременно испытываемых образцов и непосредственно использовать образцы после испытаний для дальнейших структурных исследований.

Результаты испытаний на гидроабразивное изнашивание при концентрации абразива 1% приведены в таблице 3.

Таблица 3 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 1%

№ плавки Величина износа, мг* Скорость изнаши- вания, мг/см2-ч Отно-ситель-ная стойкость, %

0 58,1 2,32 62

1 55,0 2,22 65

2 47,9 1,79 80

3 47,6 1,90 76

4 52,2 2,09 69

5 36,1 1,44 100

* Время испытания 5 часов.

Как следует из приведенных данных, все высокопрочные чугуны (2,3,4) имеют более высокую гидроабразивную стойкость по сравнению с серыми чугунами (0,1). Это, несомненно, связано с шаровидной и вермикуляр-ной формой графита, которая в меньшей мере ослабляет металлическую матрицу по сравнению с пластинчатым графитом. В то же время обращает на себя внимание более высокая стойкость к гидроабразивному износу чугуна 2, имеющего такую же форму графита, как чугун 3, и отличающегося от него наличием феррита в структуре (30%) и соответственно более высокими показателями пластичности и вязкости. Это свидетельствует о том, что сопротивление гидроабразивному износу чугунов существенно зависит не только от прочностных показателей, но и от характеристик пластичности и вязкости.

Выводы

Микролегирование серого и высокопрочного чугуна оловом (0,02%) практически не влияет на строение графитной фазы и способствует почти полной перлитизации металлической основы и существенному повышению твердости.

Высокопрочный чугун, микролегированный оловом, имеет в 3 раза меньшие показатели пластичности и ударной вязкости, чем нелегированный чугун.

Микролегирование высокопрочного чугуна сурьмой (0,032%) приводит к образованию графита преимущественно вермикулярной формы, перлитизации металлической основы и существенному снижению как прочности (в 2 раза), так и пластичности (в 5,5 раз) и ударной вязкости (в 3,5 раза).

Наивысшую износостойкость из высокопрочных чугунов в условиях гидроабразивного износа имеет чугун с шаровидным графитом и пер-лито-ферритной (П70) металлической основой. Наименьшую износостойкость имеет чугун с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой.

Гидроабразивная износостойкость определяется не только прочностными свойствами, но и в значительной мере показателями пластичности и вязкости.

Литература

1. Козырев С.П. Гидроабразивный износ метал-

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

2. Южаков И.В., Янпольский 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.: Техника. - 1978. Вып. 13. с.20 - 22.

3. Животовский Л.С., Смойловская А.А. Техниче-

ская механика гидросмесей и грунтовых насосов. - М.: Машиностроение, 1986. - 220 с.

Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 12 февраля 2008 г.