автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка износостойких алюминиевых и хромистых чугунов с учетом особенностей формирования структур в деформированных слоях

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

1

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ

На правах рукописи

УДК 669.13:669.26:669.71:621.891:620.18

ИЗШОВА Татьяна Константиновна

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ И ХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР В ДЕФОРМИРОВАННЫХ СЛОЯХ

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая

обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1993

Диссертация на правах рукописи

Работа выполнена в Институте проблем литья АН Украины

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор КИРИЕВСКИЙ Борис Абрамович

Научный консультант-доктор технических наук, профессор МАРКОВСКИЙ Евгений Адамович

1. Доктор технических наук, профессор ОШЗДЕРОВ Станислав Петрович

2. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ТИХОНОВИЧ Вадим Иванович

Ведущая организация: Мариупольский металлургический

на заседании специализированного совета д.и1'6.20.01 при Институте проблем литья АН Украины по адресу:

252680, ГСП, Киев-142, проспект Вернадского, 34/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем литья. АН Украины

Официальные оппоненты:

институт /г.Мариуполь/

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного сове канд.техн.наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей современного материаловедения является снижение металлоемкости деталей и узлов машин, повышение ресурса их работы. Особое место в ее решении занимают износостойкие материалы. Повышение износостойкости может быть достигнуто как за счет конструктивной модернизации деталей, так и путем усовершенствования существующих и создания новых сплавов.Следует отметить, что на сегодняшний день в производстве машиностроительной продукции преобладают литые износостойкие сплавы, уровень износостойкости которых не всегда отвечает предъявляемым требованиям. Проблема повышения износостойкости является по-прежнему актуальной, а разработка новых литых износостойких материалов представляет собой важную народно-хозяйственную задачу. Многочисленные исследования, выполненные в последние годы, позволили качественно по-новому подойти к ее решению. Установлено, что определяющими в поведении сплавов в процессе изнашивания являются не только комплекс свойств и особенности их исходной структуры, но и то структурное состояние, которое формируется в поверхностном слое изнашиваемых деталей, т.н. "вторичная" структура.

Формирование "вторичных" структур зависит как от параметров деформирования в процессе изнашивания, так и от исходной структуры. Известные данные по влиянию состава, свойств и структуры на износостойкость материала могут быть использованы при исследовании особенностей-формирования "вторичных" структур в их взаимосвязи с износостойкостью.

Целью работы явилась разработка износостойких материалов для деталей, изнашивающихся в условиях воздействия абразива /в т.ч. абразивной эрозии/ и трения скольжения при повышенных температурах, изучение особенностей формирования "вторичных" структур и исследование их связи с износостойкостью, а также установление влияния отдельных технологических параметров на эти особенности.

Наиболее перспективными применительно к условиям абразивного изнашивания являются алюминиевые /промежуточной группы/ и

хромистые чугуны. Они характеризуются высокой устойчивостью исходной структуры при деформировании /включая и повышенные температуры/, высокой окалиностойкостью, их структура в определенной степени соответствует правилу Шарпи для износостойких материалов. Несмотря на столь существенные преимущества,: объем использования отих чугунов незначителен, что связано, прежде всего,с их низкой технологичностью, которая определяется химическим составом сплавов, режимами термической обработки, а также параметрами используемых технологических процессов. Оптимизация химического состава сплава производится с учетом влияния различных легирующих элементов на структуру, износостойкость и технологические свойства. Перспективно легирование чугунов элементами, способствующими формированию мета-стабильной структуры сплава, повышению ее склонности к управляемому превращению при деформировании.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать влияние легирующих и модифицирующих элементов, в т.ч., А1,Мп., V , Си, £г и др., режимов термической обработки на структуру и комплекс механических, специальных и технологических свойств алюминиевых и хромистых Чугунов. Установить их оптимальные составы для различных условий изнашивания

2. Исследовать закономерности формирования структуры сплавов системы Ре - С г - Си - С с равномерно распределенными дисперсными включениями твердой /карбидной/ и мягкой /медистой/

Фаз* 3. Изучить процессы образования "вторичных" структур в поверхностных слоях чугунов после воздействия абразива и трения скольжения, а также влияние химического состава, характеристик структуры и параметров деформирования / Р,Т / на фазовые превращения и перераспределение легирующих элементов в поверхностных слоях.

4. Разработать методику и определить влияние параметров деформирования на значения температур фазовых превращений в исследуемых сплавах.

Методы исследования.

Разработана методика для определения влияния параметров деформирования на температуру фазовых превращений в сплавах /на основе аппарата Холла/. Использованы методы оптической и электронноскопической металлографии, рентгенографии, рентгено-структурного и микрорентгеноспектрального анализов, стандартные и специальные методики.по определению механических свойств, износостойкости в различных условиях изнашивания,окалиностой-кости.

Научная новизна.

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость износостойкости хромистых чугунов от характеристик "вторичной" структуры материала. Установлено, что в условиях абразивной эрозии реализуется только гс —превращение, а при трении скольжения - и диффузионное перераспределение элементов. Установлена количественная связь между давлением и образуемой %^ / / - фазой. Уточнены ее параметры.

2. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность фазового превращения в поверхностных слоях хромистых чугунов при температурах Т-г 973 К и давлениях

Р > 0,7 ГПа. Установлена связь между содержанием хрома в сплаве и температурой фазового превращения при высоком давлении.

3. Разработан новый класс хромомедистых чугунов, отличающихся высокой износостойкостью в условиях трения скольжения и удовлетворительной обрабатываемостью. Исследованы закономерности формирования избыточных включений медистой фазы, их влияние на структуру и свойства чугунов.

4. Установлено, что повышение механических, специальных и технологических свойств алюминиевых чугунов промежуточной группы /9,0...14,0 % А1/ может быть достигнуто легированием марганцем и модифицированием такими элементами, как цирконий, селен, кальций, кадмий. Определены оптимальные составы и режимы термической обработки для различных условий изнашивания.

Практическая ценность.

Разработаны алюминиевомарганиевые чугуны, обладающие высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения, в том числе и при повышенных температурах.

Разработаны хромомедистые чугуны с повышенной износостойкостью в условиях трения скольжения и удовлетворительной обрабатываемостью резанием в литом состоянии.

Предложены оптимальные составы хромованадиевых чугунов, отличающихся высокой износостойкостью при абразивном изнашивании.

Разработаны рекомендации по выбору износостойких материалов для конкретных условий изнашивания, а также технологические процессы получения из них литых заготовок.

Ресурс отливок из разработанных чугунов в 2...10 раз превышает этот показатель для отливок из традиционно используемых отечественных материалов и в 2,0...2,5 раза — образцов, изготавливаемых иностраннами фирмами.

Реализация результатов работы в промышленности.

Разработанные составы алюминиевых и хромистых чугунов широко использованы в промышленности для деталей, эксплуатирующихся в различных условиях изнашивания, в том числе деталей дро-беметов, волочильного, насосного оборудования, бетоносмесителей, пневмотранспорта абразивных материалов, дизелей и др.

Многолетняя эксплуатация литых заготовок на таких предприятиях Украины, как з-д "Днепроспецсталь" /г.Запорожье/, з-д "Океан", ЧСЗ /г.Николаев/, з-д "Залив" /г.Керчь/, ХСПО /г.Херсон/, а также на предприятиях СНГ, в т.ч. Киреевском заводе ограждающих конструкций, СКТБ "Дезинтегратор"/г.Таллинн/, АСПО /г.Астрахань/ и др., подтвердила высокую износостойкость и надежность их работы. Экономический эффект от внедрения этих материалов составил 882,3 тыс. рублей в год /в ценах 1990 года/.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности образования исходной и "вторичной" структур легированных чугунов и их влияние на механические,технологические свойства и износостойкость.

2. Закономерности формирования включений избыточной высокомедистой фазы в структуре хромистых чугунов; принципы управления их формой, размерами,характером и плотностью распределения,

количественная взаимосвязь содержания меди, износостойкости и технологичности чугунов.

3. Износостойкость материалов определяется как исходной, так и "вторичной" структурами. В зависимости от условий изнашивания определяющими в формировании "вторичных" структур являются либо фазовые превращения /абразивная эрозия/, либо фазовые превращения и перераспределение легирующих элементов в поверхностных слоях. Выбор легирующих добавок должен производиться с учетом их влияния на исходную и "вторичную" структуру.

4. Целесообразность использования разработанных износостойких технологичных алюминиевомарганцевьпс.хромистых и хромо-медистых чугунов в промышленности для изготовления деталей и узлов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на республиканской конференции "Литые износостойкие материалы, их разработка и применение" /г.Киев, 1980г./, международной научно-технической конференции "Антифрикционные и износостойкие чу-гуны" /г.Винница, 1992г./, на семинаре европейской экономической комиссии ООН "Новые материалы и их применение в машиностроении" /г.Киев,1992г./.

Отдельные технические решения, представленные в работе, экспонировались на Выставке достижений народного хозяйства СССР /бронзовая медаль/.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано б работ.получено 13 авторских свидетельств.

Структура и обьем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, изложенных на 262 страницах машинописного текста,включая 37 таблиц, 63 рисунка, библиографии из 260 наименований и 20 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность проблемы и дается обоснование направления исследования - создание износостойких сплавов для деталей, подвергающихся воздействию абразива и трению скольжения, на основании изучения закономерностей формирования "вторичных" структур в поверхностных слоях, влияния технологических параметров на них и установления их связи с износостойкостью. Сформулированы цель работы, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложен обзор отечественной и зарубежной литературы по теме диссертации. На основании анализа имеющихся в литературе данных по влиянию различных условий деформирования на фазовые превращения в поверхностных деформируемых слоях, а также изменения механических и специальных свойств различных сплавов сделан вывод о превалирующем влиянии на износостойкость "вторичных" структур. Они определяются как фазовыми превращениями, так и изменением химического состава за счет интенсификации диффузионных процессов при деформировании. Наряду с этим отмечается, что данные по изменению химического состава поверхностных слоев изнашиваемых деталей из легированных чугунов весьма малочисленны и противоречивы, не установлено влияние условий изнашивания, содержания легирующих элементов на изменение химического состава и полноту фазовых превращений в деформируемых слоях.

Сформулированные закономерности по влиянию исходной структуры, свойств, химического состава сплавов,особенностей деформирования при различных видах изнашивания на фазовые превращения позволяют сделать вывод о перспективности хромистых и алюминиевых /промежуточной группы/ чугунов как высокоизносостойких для определенных условий изнашивания материалов. Наличие упрочняющих фаз в их структуре, возможность фазовых превращений при деформировании, высокие окалино- и жаростойкость - все это обеспечивает высокую износостойкость этих сплавов. В то же время низкая технологичность существенно ограничивает возможности использования указанных чугунов и требует усовершенствования их составов.

Во второй главе описаны используемые в работе методики

исследований. Изучение структуры сплавов как исходной,так и "вторичной" производили с помощью оптических микроскопов МИМ-8, "Неофот-2", а также электронного микроскопа ЭМ-125К. Исследование структуры поверхностных слоев, деформированных трением, осуществляли по"косым" шлифам. Определение элементного состава микрообъемов сплавов, исследование распределения химических элементов как качественно, так и количественно, проводили с помощью локального спектрального анализа на лазерном спектральном микроанализаторе ЛМА --10 /локальность анализа 20,..40 мкм/, локального рентгеноспектрального-анализа на электронно-зондовом микроанализаторе МАР-3, установке " Сотеса М5-46" и на растровом электронном микроскопе Б 4 -10, оснащенном рентгеновским знергодисперсным микроанализатором "Ьтк2у51эл-290".

Фазовый состав опытных сплавов определяли с помощью рентгеноструктурного анализа на дифрактометре УРС-50И-М и ДРОН-0,5 в К-ос. излучении железа. Для исследования механизма и параметров фазовых превращений разработана специальная методика с использованием аппарата Холла.

Механические свойства определяли в соответствии со стандартными методиками.

Износостойкость в условиях абразивного изнашивания определяли по изменению массы образцов, перемещающихся по вул-канитовому кругу в среде кварцевого песка. Износостойкость при абразивной эрозии определяли на установке ЦУК-1 при различных углах ...: атаки с использованием в качестве абразива дроби ДЧЛ и ДСР, в условиях трения скольжения г на установке МИ-1М по схеме "вкладыш-ролик" в водной среде, а также на испытательном стенде, обеспечивающем условия, максимально приближающиеся к реальным условиям эксплуатации деталей проточной части питательных насосов.

Эрозионно-кавитационную стойкость материалов определяли с использованием ультразвукового генератора УЗПЗ-1,6/22 в водной среде по потере массы образцов.

Определение окалиностойкости производили по изменению удельной массы образца после определенного количества циклов нагрев-охлаждение.

В третьей главе приведены результаты исследований по повышению износостойкости и технологичности алюминиевых чу-гунов промежуточной группы /9,0...20,0 % А1/. Низкая технологичность этих сплавов обусловлена, в первую очередь,особенностями структуры, состоящей из легированного алюминием феррита и упрочняющей у'-фазы / Те3А1 С^. Расположение этой фазы в матрице зависит от химического состава чугуна: она находится или в виде изолированных включений, или сплошного каркаса. Увеличение износостойкости и технологичности обеспечивается повышением вязкости матрицы и изменением . формы, дисперсности, характера распределения ^ -фазы. Регулирование фазового состава матрицы осуществляется дополнительным легированием аустенитообразующими элементами и, в первую очередь, марганцем.

Исследовано влияние марганца, алюминия,углерода на структуру и комплекс механических, специальных и технологических свойств алюминиевых чугунов. Установлено, что ввод марганца в количестве 10,0...28,0 % в чугун с массовой долей алюминия 9,0... 14,0 $ способствует измельчению структуры и особенно заметному диспергированию эвтектики, количество которой увеличивается до 85-90$. С увеличением массовой доли марганца существенно уменьшаются количество и размеры включений -фазы в междендритных промежутках. При массовой доле марганца более 28% по границам зерен аустенита появляются игольчатые выделения фаз типа РеА13; /Мп, Ре/ что приводит к заметному охрупчиванию сплавов..Установлено, что более высокие значения ударной вязкости /3,0...3,5 Дж/см / достигаются в сплавах с 20,0...28,0 % марганца. Эти значения л- в 5 раз превышают аналогичные показатели белых алюминиевых чугунов.

Данные, представленные в таблице I, подтверждают количественную зависимость между содержанием марганца,ударной вязкостью и твердостью чугунов.

При массовой доле марганпа 20,0 % и более существенно увеличивается износостойкость чугунов при трении скольжения /рис.1/ Для условий абразивной эрозии оптимальным является 10,0...15,0 % марганца.

Таблица I

Влияние марганца на механические свойства алюминиевых чугунов

кда п/п Массовая доля элемента, % Ударная вязкость, КС,Дж/см Твердость, шсэ

С 51 Мп А1

I. 1,60 0,47 0,5 11,6 0,7 52,0

2. 1,60- 0,38 7,0 13,2 0,8 51,0

3. 1,57 0,58 10,5 10,5 1,3 48,5

4. 1,50 0,82 13,0 13,8 2,5 44,0

5. 1,58 0,54 20,2 9,0 3,5 44,5

6. 1,56 0,57 27,5 10,0 3,5 45,0

7. 1,64 0,50 30,8 12,2 1,2 47,5

/а /5 га 25 за Мвсса&ая доля пврганца,у0

Рис. I. Влияние марганца на износостойкость Ре-А1-Мп-С сплавов в условиях трения скольжения при Р = 10 Ша,\£к= 1м/с /1,2/ и абразивной эрозии при ОС = 30° /3/.

I - износ вкладыша; 2 - износ ролика.

Установлено, что массовая доля алюминия в алюминиево-марганцевых чугунах должна находиться в пределах 9,0...14,0 %. При большем его содержании резко снижаются значения ударной вязкости.

Увеличение массовой доли углерода в Ре-А1-Мп-С сплавах от 0,4 до 2,5 % /при 9,0...14,0 % А1;, 12,0...15,0 % Мп/ вызывает изменение формы, размеров, характера распределения включений упрочняющей фазы, увеличение их количества от 3-55? при 0,4 % С до 50 - 60 % при 2,5 % С и микротвердости. Твердость сплавов возрастает соответственно от 30 до 53 НРС^, а ударная вязкость снижается до2,0 Дзц/см? При увеличении массовой доли марганца в сплавах до 20,0...28,0 % влияние углерода аналогично, ударная вязкость этих сплавов на 20 - 30 % выше.

Установлено, что при массовой доле углерода более 1,7 % и марганца более 20,0 % в структуре чугунов кроме -фаз, содержится аустенит, что обуславливает существенное повышение их пластичности.

С повышением массовой доли углерода значительно увеличивается износостойкость алюминиевомарганцевых чугунов при абразивной эрозии. При выделении в структуре свободного углерода в виде спелевых включений износостойкость сплавов резко уменьшается. В работе уточнено влияние алюминия и марганца на растворимость углерода в ос- /-фазе чугунов. Установлено, что при массовой доле алюминия 9,0...14,0 %, марганца 10,0...15,0 % оптимальным, с точки зрения технологичности и износостойкости при абразивной эрозии, является содержание углерода в пределах 1,5 ... 2,5 %. Увеличение массовой доли углерода более 1,5 % приводит к повышению износа контртела при трении скольжения.Исследовано влияние легирующих и модифицирующих добавок / Си, N1 ,2г , Мо,У , Эе , &е , СсI, С а/ на структуру, механические и специальные свойства алюминиевомарганцевых чугунрв. Установлено, что оптимальным является модифицирование цирконием, селеном, кальцием /а.с. № 1167231/. Совместный ввод добавок /£г+5е/, ' /+5е + Со/ приводит к образованию термодинамически : прочных соединений, которые способствуют дисперсности и однородности структуры /рис.2/

Значения ударной вязкости модифицированных чугунов составляют 9,0 ... 12,5 Дж/см^, износостойкость чугунов в условиях абразивной эрозии и трения скольжения повышается на 20 - 30 %. .

а б в

Рис.2 Микроструктура алюминиевомарганиевых чугунов. хЮО а - 2,42 % С; 0,40 11,5 % Мп; 12,0 % А1; б - 2,40 % С; 0,38 12,8 % Мп; 12,1 % А1;

0,04 % 2г ; 0,001 % г е; в - 2,35 % С; 0,35 %$1\ 12,71 % Мп; 12,5 % А1;

0,1 %2г-, 0,05 %$е\ 0,07 % Со .

Установлено, что при охлаждении Ге-А1-Мп-С сплавов с температур 750 - 1070 °С на воздухе их фазовый состав остается постоянным. С увеличением температуры нагрева отмечается растворение и коагуляция включений -фазы, они приобретают округлую- форму. При этом ~ в 2 раза повышается ударная вязкость. Закалка с температуры 1150 °С существенно изменяет структуру и фазовый состав чугунов, увеличивая количество аустенита и обеспечивая равномерное распределение в структуре дисперсных включений -фазы. Это способствует значительному повышению пластических характеристик и технологических свойств сплавов. Значения ударной вязкости достигают 20 Дж/см^.Сниже-

ние твердости до 34 ... 38 НЕС,, позволяет производить обработку отливок режущим инструментом. Термическая обработка обеспечивает повышение износостойкости сплавов в условиях трения скольжения на 15 - 30 %. Максимальной износостойкостью отличаются сплавы с массовой долей углерода 1,5 ... 1,8, марганца -17,0 ... 25,0 %. •

Установлено, что марганец' в количестве до 7 % практически не влияет на окалиностойкость Ре-А1-Мп-С сплавов при нагреве до Ю00°С. При увеличении массовой доли марганца до 13,0 ... 15,0 % окалиностойкость снижается примерно в 2 раза. Следовательно, алюминиевомарганцевые чугуны могут быть рекомендованы для эксплуатации при температурах менее 1000 °С.

В четвертой главе рассмотрены перспективы использования хромистых чугунов для деталей, эксплуатирующихся в различных условиях изнашивания, требования к исходной структуре и уровню механических, специальных и технологических свойств. Уточнены пути получения инвертированной структуры чугуна, определены перспективные системы легированияь модифицирования и режимы термической обработки.

Исследовано влияние углерода на структуру и свойства хромистого чугуна с массовой долей хрома 15,0 ... 20,0$. Установлено, что высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания / в т.ч. и абразивной эрозии/ характеризуются чугуны эвтектического и близкого к нему составов. Расчетным путем, исходя из предпосылки сплошности карбидной сетки в структуре,установлено, что оптимальными, с точки зрения получения максимальной износостойкости, являются чугуны с массовой долей углерода около 2,9 %, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Молибден несколько повышает износостойкость чугуна при увеличении массовой доли до 1,6 %. Существенное влияние на структуру и свойства хромистых чугунов оказывают ванадий и титан. Ввод ванадия в количестве до 3,0 % обеспечивает заметное измельчение структуры, в т.ч. первичных карбидов. При массовой доле ванадия 0,9 ... 3,0 % наблюдается равномерное распределение карбидов ванадия и хрома, образующих эвтектики. В этом случае структура является инвертированной, полностью соответствующей правилу Шарпи. При увеличении содержания ванадия карбиды укрупняются, форма их трансформируется в "звездчатую" либо типа "кленовых

листьев". Анализ полученных результатов показал,что для работы в условиях абразивного изнашивания целесообразно использовать хромованадие'вые чугуны с массовой долей ванадия до 3,5 %. Увеличение массовой доли ванадия свыше 3,5 % нежелательно вследствие снижения износостойкости из-за выкрашивания крупных карбидов при воздействии абразива.

Титан образует карбиды и карбснитриды, способствует диспергированию структуры ; оптимальная добавка титана составляет 0,2 - 0,3 При этом абразивная износостойкость повышается на 20 %; при большем содержании титана наблюдается снижение пластичности, ухудшение обрабатываемости чугуна.

Никель, стабилизируя аустенит, препятствует ^ -»-ос^ превращению, в результате несколько снижается износостойкость, но повышается ударная вязкость, в связи с чем легирование никелем может быть рекомендовано при изготовлении отливок, испытывающих динамические нагрузки. Данные испытаний позволили заключить,-что замена никеля марганцем в количестве 3,0...5,0^ обеспечивает достаточно высокий уровень износостойкости и технологических свойств.

Оптимальным режимом термической обработки с учетом данных износостойкости и технологичности является нагрев до температуры 1050 °С и охлаждение на воздухе или в масле. Структура чугуна состоит из метастабильной аустенитной матрицы с дисперсными включениями вторичных карбидов и эвтектики. Термическая обработка вызывает повышение износостойкости чугуна на 10 - 15 %. Реализация ^ — ссд превращения при деформировании поверхностных слоев отливки под воздействием абразива увеличивает износостойкость сплава.

Разработан принципиально новый класс износостойких: чугунов, в структуре которых наряду-с карбидной фазой содержатся равномерно распределенные дисперсные включения округлой формы легкоплавких металлов, в частности, меди /рис.3/. Исследовано формирование включений избыточной медистой фазы в структуре хромистых чугунов, легированных медью в количествах,превышающих предел ее растворимости в аустените. Определено влияние химического состава, температуры, длительности выдержки расплава на количество, геометрические размеры включений, характер их распределения. Установлено, что наличие медистых

включений способствует измельчению первичных карбидов /рис.4/.

а б в

Рис. 3. Включения медистой фазы в хромистых чугунах, содержащих: а - 11,2 % Си; б - 14 % Си; в - 20,0 % Си. х 100

Рис. 4. Структура хромистого чугуна с включениями медистой фазы /3,5 % С; 0,6 1 ; 0,8 % Мп; 16,0 % Сг; 21 % Си/.

х 100

Установлено, что с точки зрения получения оптимального комплекса свойств и экономичности, массовая доля меди в чугуне должна находиться в пределах 9 ... 14,0 %.

Разработанные составы хромомедистых чугунов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав хромомедистых чугунов

№№ _1_Массовая доля элемента, %__

п/п С Мп Сг_Си Ре

1. 1,0 - 2,2 0,5 - 1,5 0,5 - 0,8 8,0-20,0 10,2-32,0 ост.

2. 2,7 - 3,5 0,3 - 1,5 0,3 - 1,5 10,0-20,0 8,5-28,0 ост.

Присутствие в структуре отих чугунов включений медистой фазы обеспечивает механизм "безызносного" трения, тем самым повышает износостойкость в условиях трения скольжения, зрози-онно-кавитапионного изнашивания в 2 ... 10 раз /рис.5 /. Хро-момедистые чугуны удовлетворительно обрабатываются режущим инструментом в литом состоянии.

щ Ю

г

Б.

в

•а

0 _ £

1

/

/

/

/ -<2

—■—1

Рис.5. Кинетика кавитационно-эрози-онного изнашивания:

1 - серый чугун СЧ25;

2 - кавиташонностой-

кая сталь 55ГС2А;

3 - сталь 38ХМШ;

4 _ чугун 130Х15Д9.

Врепя испытанийХ",пин

Алюминиевомарганиевые и хромистые чугуны разработанных составов были использованы для изготовления деталей, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения. Проведены испытания, позволившие определить уровень износостойкости реальных отливок в зависимости от их химического состава и условий эксплуатации. Характер зависимостей влияния различных технологических факторов /легирования,модифицирования, термической обработки/ на износостойкость деталей аналогичен зависимостям, полученным при лабораторных испытаниях.

Установлено, что для таких отливок, как дробеметные лопатки, била дезинтеграторов, колена пневмопроводов, эксплуатирующихся в условиях абразивной эрозии, использование разработанных сплавов повышает их ресурс в 2 - 2,5 раза по сравнению с отливками ведущих зарубежных фирм и в 2 ... 10 раз - отечественного производства. Например, ресурс дробеметных лопаток из хромистого чугуна достигает 520 ... 600 часов, отливок из алюминиевомар-

ганцевого чугуна при трении с абразивом - 700 часов, что в 4-5 раз превышает ресурс деталей из серого чугуна.

Применительно к трению скольжения перспективными являются хромомедистые чугуны. Испытания деталей уплотнений мощных насосов, гильз дизелей убедительно подтвердили сказанное. Ресурс отливок более, чем в 2 раза превышает аналогичный показатель деталей из традиционно используемых антифрикционных материалов.

Разработки защищены авторскими свидетельствами.

В пятоГ главе рассмотрены процессы, происходящие в поверхностных слоях изнашиваемых деталей, с учетом влияния химического состава, параметров технологического процесса, условий изнашивания на характеристики "вторичных" структур. Изучены процессы формирования "вторичных" структур, включающие базовые превращения и перераспределение химических элементов в условиях деформирования при трении скольжения и абразивно-орозионном изнашивании. Основные результаты получены применительно к хромистым сплавам.

Подтверждено, что в деформированном поверхностном слое исследуемых легированных чугунов происходят и у -*■ осд превращения, глубина слоя с измененным фазовым составом не превышает 45-90 мкм. При увеличении давления при внешнем трении от I до 25 МПа количество ^ -фазы в поверхностном слое хромистых чугунов с исходной структурой / М + К / повышается до 40 - 75 %, ас дальнейшим увеличением - до 50 МПа - уменьшается до значений, количества остаточного аустенита в исходной структуре. Изменение скорости скольжения, от 2 до 12 м/с менее заметно влияет на процесс ^превращения, количество -фазы при этом увеличивается на 10 15 %. Аустенит деформации / /с параметром решетки,равным 0,361-0,362нм,и микротвердостью 8000 - 9000 МПа способствует повышению износостойкости легированного чугуна.

Изучен механизм фазового превращения в структуре поверхностного слоя. Температура фазового превращения, температурный интервал устойчивости области существования у -фазы во

многом определяется величиной приложенного внешнего давления. Выполнен расчет фактических давлений в локальных обьемах пятен

касания. Полученные данные использованы при определении термодинамического потенциала образования фаз.

С использованием известных методик определена реальная температура на поверхности изнашиваемого материала.

Определяя термодинамические потенциалы как разность энтальпий ¿х- и ^ -и аз и используя их зависимость от давления и содержания в сплаве'легирующего элемента /хрома/, для диапазона температур 900 ...1400 К'получили следующую зависимость температуры фазового превращения и давления:

Р = 6,991 + 3,21 • IO"4- Т . 23,4(-0,312+2-Ю"4 . Т)

£ 0,84(5688 -

I2.95T + 9,853-

10-з т~2 _ 2)50д. 10-6

Т 3) + 0,16 -^460 + Т) + 0,16 • 0,84

(- 280 + 0.75Т) + 23,9 Р (- 0,312 + 2 •

С увеличением массовой доли хрома до 15 - 17 % температура фазового превращения снижается до 973...1023 К при Р = 0,5 ... 1,0 ГПа, с дальнейшим ростом массовой доли - соответственно увеличивается /рис.6/. С учетом реальных значений содержания углерода "в сплаве температура превращения может составить 873 ...893 К:

; И 35 К

SS Б.

от-

¿i"

925

l/

/ Ч / 0,5 ГП / а

\ \ 1 ÍSy. jf 1,аг / Па

г <2 /

J

за

Г

О

ю

os ю 15 <?о га Пс/ссобс/я доля храпа

Рис.6. Влияние давления на температуру превращения в Ре - Сг сплавах /I/ и износостойкость в зависимости от содержания хрома /2/.

Полученные расчетные данные проверяли с использованием моделирующих прогессов - всестороннего гидростатического сжатия при повышенных температурах с использованием установки Холла, а также в условиях сверхбнстрогс импульсного нагрева со скоростями 1000... 2000 К/с.

Установлено, что для исследуемых сплавов при давлении свыше 700 МПа и температуре более 973 К имеют место фазовые превращения. Количество у-Фазы зависит от обоих параметров,с их ростом в условиях гидростатического сжатия количество у -фазы увеличивается / табл.3/

Таблица 3

Влияние давления и температуры на фазовый состав поверхностных слоев трения

п/п Давление, МПа Температура, К Содержание фаз, %

o¿ Yo

I. Ю-4 293 ! 100

2. 0,7 773 100 _

973 84 16

3. 2,5 293 100 _

793-813 84 16

973 77 23

4. 3,75 773-800 77 23

Рентгеноскопические исследования показали, что нагрев образцов со скоростью 1500...2000 К /с и охлаждением в воде несколько увеличивает содержание у -Фазы в структуре чугуна, однако, в значительно меньших количествах, чем при деформировании трением. Следовательно, сверхвысокие скорости нагрева локальных обьемов поверхности трения, не являются основным фактором, способствующим — ^ превращению.

Полученные зависимости изменения износостойкости и количества ^ -фазы от массовой доли хрома в сплаве идентичны по характеру: повышение износостойкости соответствует увеличен™ содержания у -фазы в структуре. Добавки молибдена и вольфрама до 3 % приводят к увеличению количества ^^ -фазы в структуре. Аналогично и влияние этих карбидосбразующих элементов на износостойкость чугунов. Исследовано влияние углерода:

установлено, что при увеличении массовой доли от 0,35 до 1,15 % количество у-фазы в слое возрастает с 26 до 58 %, с дальнейшим увеличением содержания углерода количество -фазы несколько снижается / до 48 - 49 %/.

Полученные данные позволили сделать вывод, что элементы, способствующие образованию^-фазы в поверхностном слое при трении, повышают износостойкость сплава. Применительно к условиям трения скольжения в структуре поверхностного слоя реализуются и фазовые превращения, и изменение химического состава сплава,применительно к условиям абразивно-эрозионного изнашивания - только фазовые превращения.

Отмечено образованиео^-фазы в количестве около 20 % на глубину до 20 мкм при деформировании в условиях абразивной эрозии высокомарганцовистой стали.

Исследовано перераспределение хрома в поверхностных слоях и влияние легирующих элементов на этот процесс. Установлено, что хром диффундирует в поверхностные слои металла; эффективно замедляют диффузию хрома никель при массовой доле 2 %, ниобий при массовой доле I % и ванадий при массовой 'доле 1,5 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I.Установлено, что повышение механических,специальных и технологических свойств алюминиевых чугунов промежуточной группы /9,0 ... 14,0 % А1/ достигается вводом марганца в пределах 10,0 ... 28,0 % и модифицирующих добавок/¿r+Se;2r+ Cd; Zr +Se + Са/. При ¿том значения ударной вязкости повышаются в 5 ... 15 раз /до 9,0 ... 12,5 Дж/cmV, износостойкости - на 20 ... 25 %. Установлено, что для условий абразивной эрозии массовая доля марганца Должна составлять 10,0 ... 15,0 %, углерода - 1,5 ... 2^5 %, а для условий трения скольжения - массовая доля марганца увеличивается до 20 - 28 %. Закалка алюминиевомар-ганцевых чугунов с температуры 1150 °С повышает их износостойкость в условиях трения скольжения на 15 - 30 %.

Разработаны новые алюминиевомарганцевые чугуны, отличающиеся высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения, в тем числе и при повышенных температурах, и удовлетворительной обрабатываемостью /а.с. Гз 639960, 724594, 768846, 986956, 1167231/.

2. Установлено, что высокой износостойкостью в условиях абразивной эрозии характеризуются хромистые чугуны /15,0 ... 20,0 % С / эвтектического или близкого к нему составов. Повышению износостойкости способствует ввод титана, бора в количестве 0,1 ... 0,3 %, молибдена 0,5 ... 1,6 55 / а.с. № 729273/, повышению технологичности - ввод 3,0 ... 5,0 % марганца. / а.с

№ 755880/. Легирование хромистых чугунов ванадием в количестве 0,9 ... 3,5 % обеспечивает получение инвертированной структуры, содержащей карбиды ванадия и хрома и, как следствие, достижение максимальной износостойкости.

3. Установлено, что наличие в структуре избыточных дисперсных, равномерно распределенных медистых включений способствует реализации механизма "безызносного" трения, повышает износостойкость хромистых чугунов в 2 ... 10 раз.

Исследованы особенности формирования включений высокомедистой фазы в зависимости от технологических параметров. Установлено, что для получения оптимальной структуры в условиях гравитационного и центробежного литья содержание меди в чугунах должно находиться в пределах 9,0 ... 14,0 %. Разработан новый тип износостойких хромистых чугунов с удовлетворительной обрабатываемостью в литом состоянии /а.с.№1689420, 1669421/.

4. Установлено, что в условиях абразивно-эрозионного изнашивания в поверхностном слое сплавов имеют место фазовые превращения ос -»-^д ; СХ?; а при трении скольжения имеет место еще и перераспределение элементов и, как следствие, изменение химического состава.

5. Износостойкость хромистых чугунов зависит от количества с/д^фазы во "вторичной" структуре. Установлено, что характер зависимостей количества этих фаз и износостойкости от массовой доли углерода /0,35 .,.2,0 % / и легирующих элементов / 10,0... 25,0 % Сг; 0,5 ... 4,0 % Мо; 0,5 ... 3,0 Лл^; 0,1 ... 2,0

0,5 ... 6,0 % Мл/ идентичны: элементы, способствующие образованию о^(^)-фазы в поверхностном слое, увеличивают износостойкость сплава.

5. Исследован механизм фазового превращения в поверхностных слоях с учетом реальных параметров деформирования при изнашивании /Р,Т/. Подтверждено, что и при изнашивании хромистых

чугунов фазовые превращения в поверхностном слое происходят бездиффузионным путем. Теоретически определено влияние содержания хрома в чугуне на температуру фазового превращения при Р=0,5.Л.ОГПагдо 15,0 ...17,0 % хрома температура фазовых превращений снижается до 973 ...1023 К, при более высоком содержании хрома вновь возрастает. Экспериментально подтверждено, что при давлении Р^ 0,7 ГПа и температуре Т ^ 973 К в структуре хромистого чугуна образуется -фаза,причем, с ростом давления и температуры в условиях гидростатического давления ее количество увеличивается.

7. Разработка новых износостойких алюминиевомарганцевых, хромомедистых, хромистых чугунов и их использование в производстве отливок позволили повысить ресурс деталей дробеметного оборудования отечественного и зарубежного производства, дезинтеграторов, пневмотранспорта абразивных материалов, валковых дробилок, оборудования по производству электродов, а также деталей мощных насосов, дизелей и др. Ресурс отливок из разработанных материалов в 2 ... 2,5 раза превышает аналогичный показатель для отливок ведущих иностранных фирм и в 2 ... 10 раз - отечественного производства.

Внедрение разработанных материалов на предприятиях Украины и стран СНГ /з-д "Днепроспецсталь", г.Запорожье; заводы "Океан", ЧСЗ, г.Николаев; завод "Залив",г.Керчь; ХСПО.г.Херсон; СКТБ "Дезинтегратор", г.Таллинн; АСПО, г.Астрахань и др./обеспечило получение экономического эффекта в размере 882,3 тыс. рублей в год / в ценах I99Ö г./.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Влияние легирующих элементов и термической обработки на абразивную стойкость хромистых чугунов /Б.А.Кириевский, Л.Г. Смолякова, Т.К. Изюмова // Литые износостойкие материалы.

-Киев: Ин-т проблем литья АН УССР, 1978. -С.45-48.

2. A.c. 639960 СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Б.А. Кириев-ский, Т.К. Изюмова, Л.П. Миронов, С.С. Затуловский, В.П.Кораблин. -Опубл. 30.12.78, Бюл.№ 48.

3. A.c. 648652 СССР, МКИ С 22 С 38/60. Сталь /Б.А.Кириевский, Т.К. Изюмова, П.П. Дончук.П.М. Яковенко.-0публ.25.02.79, Бюл. F7.

4. A.c. 724594 СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Б.А. Кириев-ский, Т.К. Изюмова, П.П. Дончук, П.М. Яковенко. - Опубл.30.03.80, Бюл. Р 18.'

5. A.c. 729273 СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Б.А.Кириев-ский, Т.К. Изюмова, В.И. Бичинский, В.В. Зубик, С.П. Куликов. -Опубл. 25.04.80, Бюл. Р 15.

6. A.c. 755880 СССР, МКИ С 22 С 37/06. Чугун /Б.А. Кириев-ский, Т.К. Изюмова, С.П. Куликов, Л.П. Орлов, А.Д. Клипов,

D.M. Роматовский. - Опубл. 15.08.80, Бюл. F 30.

7. A.c. 768846 СССР, МКИ С 22 С 38/06. Сплав на основе железа /Т.К. Изюмова, Б.А. Кириевский, Е.А. Марковский, Е.П. Шу-хин. - Опубл. 07.10.80, Бюл. $ 37.

8. Изюмова Т.К. Исследование специальных свойств алюминиевых чугунов промежуточной группы // Литые износостойкие материалы. -Киев: Ин-т проблем литья АН УССР, 1981, -С.15-17.

9. A.c. 918329 СССР, МКИ С 22 С 38/34. Сталь /Б.А. Кириев-ский, Т.К. Изюмова, Е.А. Марковский. -Опубл. 04.07.82, Бгал.Р 13.

10. A.c. 986956 СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Е.А.Марковский, Б.А. Кириевский, Т.К. Изюмова. -Опубл. 07.01.83, Бюл. J* I.

11. A.c. II67231 СССР, МКИ С 22 С 38/14. Сплав на основе железа / Б.А. Кириевский, Т.К. Изюмова, Н.В. Чантурия, В.В.Зубик, В.А. Гриднев. - Опубл. 15.07.85, Бюл. 26.

12. A.c. 1611975 СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Б.А. Кириевский, Т.К. Изюмова, И.А. Солоров, И.П. Солдатов. - Опубл. 07.12.90, Бюл. J* 45.

13. A.c. 1689420 СССР, МКИ С 22 С 37/06. Износостойкий чугун / Б.А. Кириевский, Т.К. Изюмова, В.Н. Зоц, Б.Н. Захарчен-ко, Л.Н. Трубаченко. - Опубл. 07.П.91, Бюл. № 41.

14. A.c. I689421 СССР, МКИ С 22 С 37/06. Износостойкий чугун /Б.А. Кириевский, Т.К. Изюмова, И.А. Солоров, И.П.Солдатов. - Опубл. 07.11.91, Бюл. Г- 41.

15. A.c. I7089II СССР, МКИ С 22 С 37/10. Чугун /Б.А.Кириевский, Т.К. Изюмова, В.М. Винарский, В.Н. Зоц, P.A. Мыте, В.Ильвес. - Опубл. 30.01.92. Бюл. J? 4.

16. Кириевский Б.А., Изюмова Т.К. Совершенствование состава, структуры и свойств хромистых чугунов //Литейное производство. - 1992. 9. -С.17-19.

17.Кириевский Б.А., Изюмова Т.К. Износостойкие Ге-А1-С сплавы с удовлетворительной технологичностью // Тез.докл. междунар. науч.-техн. конф. "Антифрикционные и износостойкие чугуны", 15-17 сент. 19.92 г. - Виннш а: Винницкий политехи. ин-т., 1992. -С.50-51.

18. Кириевский Б.А., Изюмова Т.К. Хромистые .тугуны. Оптимизация состава и условий кристаллизации //Аннотация стендовых докладов участников семинара европейской экономической комиссии СОН "Новые материалы и их применение в машиностроении", 13-16 октЛ992г. -Киев: ИПМ АН Украины, 1992. -С.113-114.

19. Кириевский Б.А., Изюмова Т.К. Хромистые чугуны. Перспективы совершенствования их -структуры и свойств //Процессы литья -1993.-!М.-С.123-128.

Пода, в иеч. '^,/0.93 . йор.чэг tí0x8VI6. Буп.оос. Печ. odc. Усл. исч. л. f,V . Усл.-кр.-отт. . Уч.-изд.л. . Тирад /сС зкз. Заказ

Институт проблем материаловедения

им. К.ЙЛрпицев'лчэ A ti 1ССР.

252680 Киев 680, ГСП, ул.Кили.лаловского,3.

Участок оперативно!] иолигрзаии-

Института ироилем лзтериа доведения

им. И.Н.Францевича АН УССР.

252680 Киев 680, ГСП, ул.Крж|:-.эновского,3.