CC BY
118
_ж^пг^гш7ггг:п /1В7
-3 (72), 2013 1 IUf
Щф
ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.74 Поступила 10.09.2013
А. А. СУСЛОВ, И. А. ПУГАЧЕВ, Липецкий государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИ0НН0-ЭР0ЗИ0НН0Й СТОЙКОСТИ ЧУГУНА С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА
Разработана методика и проведены сравнительные исследования кавитационно-эрозионной стойкости чугуна с различной формой графита - пластинчатой, вермикулярной и шаровидной.
The technique is developed and researches of cavitational and erosive resistance of cast iron with a various form of graphite -flaked, vermicular and nodular are conducted.
Детали машин и механизмов, работающие в контакте с потоком воды или иной рабочей жидкости, подвергаются своеобразному виду разрушения -эрозии поверхностного слоя . В движущемся потоке жидкости при определенных гидродинамических условиях происходит нарушение сплошности потока, приводящее к образованию полостей, каверн, пузырей, которые затем сокращаются и исчезают. Это явление, протекающее в жидкостном потоке, носит название кавитации .
При замыкании полостей происходит соударение ее поверхностей, инициирующее образование ударных волн, имеющих определенную глубину проникновения в толще рабочей жидкости и достигающих поверхности металлического корпуса детали, который в результате подвергается многократным высокочастотным гидравлическим ударам, вызывающим эрозию поверхности металла В зависимости от интенсивности кавитации, времени воздействия, размера детали разрушение металлической поверхности может составлять доли квадратного миллиметра, а иногда достигать и нескольких квадратных метров . Глубина поражений также различна - вплоть до сквозной
В соответствии с моделью Богачева-Минца [1] макрокартина разрушения чугуна может быть представлена в следующем виде: вначале металлическая поверхность становится шероховатой, появляется рельефность, т. е . происходят изменения, не связанные с потерей массы: сдвиги, двой-никование, дробление зерен на субзерна, структурные превращения Это так называемый инкубационный период Далее при накоплении усталости материала появляются первые кратеры разрушения, сопровождающиеся все увеличивающимися
потерями массы . Разрушение распространяется в глубь и вдоль направления потока движения жидкости . Очевидно, что чем длительнее инкубационный период и чем медленнее развивается разрушение, тем долговечнее материал
Микроскопические исследования указывают на локальность воздействия нагружения и различное поведение отдельных структурных составляющих в зависимости от их свойств, т е избирательный характер разрушения в наиболее слабых местах . Кавитационное воздействие в ряде случаев усложняется вследствие изменения свойств контактирующего с потоком металла, например, в результате разогрева при трении о жидкость и связанного с этим разупрочнения или окисления материала Немаловажную роль играет наличие в жидкости микроскопических твердых частиц, вызывающих абразивную эрозию
Однако определяющим фактором остается ка-витационная стойкость материала, определяемая его микроструктурой Присущая чугунам гетерогенность и многофазность структуры всегда сказывается отрицательно, так как разные фазы обладают различным сопротивлением эрозионному разрушению
Многократность нагружения и вибрация при кавитационном воздействии вызвали к жизни теорию усталостного разрушения в тонких поверхностных слоях Развитие усталости приводит к зарождению микротрещин, которые в дальнейшем увеличиваются и срастаются Представления об усталостном разрушении логически связываются со стойкостью при кавитации, поскольку здесь также происходит многократное ударное нагруже-ние, способное вызвать усталость Однако и в дан-
IRS /Агтг^г г^7Шглтг:п
IU U I 3 (72), 2013-
ном случае не было экспериментально установлено всеобъемлющей зависимости между макросвойствами и кавитационным разрушением в микрообъемах .
Таким образом, все имеющиеся в настоящее время сведения о процессе кавитационного разрушения носят более или менее эмпирический характер, что отнюдь не стало преградой на пути разработки новых составов кавитационно-стойких материалов вообще и чугунов в частности
Общие принципы, определяющие кавитацион-ную стойкость, позволяют предугадать поведение чугуна при микроударном нагружении Очевидно, что наиболее слабой структурной составляющей, практически не обладающей прочностью, является графит, который и будет разрушаться в первую очередь . Следовательно, через некоторый относительно малый промежуток времени на поверхности чугуна появятся раковины в местах, где ранее находился графит. Дальнейшее развитие разрушения будет определяться формой, характером расположения и дисперсностью этих раковин . Строение металлической матрицы в большинстве случаев играет второстепенную и относительно небольшую роль
Уменьшение количества графита и повышение удаленности графитовых включений друг от друга более существенно влияют на стойкость чугуна Изменение формы графита - переход от пластинок к глобулям сказывается положительно вследствие повышения разобщенности включений и снижения остроты надреза. Но, вместе с тем, в сером чугуне демпфирование волны пластической деформации усиливается барьерным воздействием разветвленных пластинок графита, а в чугуне с шаровидным графитом (ЧШГ) волна продвигается гораздо свободнее [1] .
Наличие значительной разобщенности включений графита (близкой к ЧШГ) и высокой демпфирующей способности (близкой к ЧПГ) предсказывает определенные потенциальные возможности чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) в качестве кавитационно-стойкого материала Однако большинство работ по исследованию кавитацион-ного разрушения чугуна было сделано еще до широкого внедрения ЧВГ в практику, в силу чего какие-либо данные о кавитационной стойкости этого материала в литературе отсутствуют
Целью данной работы являлось определение кавитационно-эрозионной стойкости ЧПГ марки СЧ30 и ЧШГ марки ВЧ50 как наиболее традиционных материалов для изготовления корпусов золотниковых гидрораспределителей по сравнению с новыми марками ЧВГ: ЧВГ35; ЧВГ40; ЧВГ45 .
До настоящего времени разработан и апробирован ряд устройств и методик для ускоренного определения кавитационно-эрозионной стойкости различных материалов:
1 . Ударно-эрозионный стенд, действие которого основано на многократном соударении о струю воды испытуемых образцов, закрепленных на ободе быстро вращающегося диска
2 . Диффузор, создающий непрерывный поток кавитирующей жидкости, в который помещается исследуемый образец . Эта установка чаще используется для изучения гидродинамики процесса
3 . Магнитострикционный вибратор, основанный на воспроизведении кавитационной зоны и ее сжатии при вибрации, получаемой за счет магни-тострикции, т е изменения линейных размеров ферромагнитных материалов в переменном магнитном поле . Генератор магнитного поля возбуждает высокочастотные продольные колебания стрик-ционного стержня, на конце которого закреплен исследуемый образец, соударяющийся с поверхностью жидкости [1] .
Отмечается, что между результатами испытаний, полученных при использовании описанных выше устройств, существует лишь качественное совпадение Отсутствие количественного совпадения вполне закономерно и объясняется разницей в условиях испытаний и определенной абстраги-рованностью методик Отсюда следует, что методика испытания материала для отливки корпусов распределителей на кавитационно-эрозионную стойкость (КЭС) должна с максимальной точностью имитировать условия работы реальных изделий, учитывать не только физико-механические свойства материала, но и геометрические параметры образцов, а также гидродинамические свойства рабочей жидкости
Для проведения исследований была разработана методика и изготовлена опытная установка, позволяющая в максимальной степени имитировать процесс эрозионного разрушения отсечных кромок опорных поясков корпуса золотникового гидрораспределителя с диаметром условного прохода ДУ-16 мм .
В целях сокращения длительности испытаний осуществляли экстремализацию нагрузки за счет того, что образец подвергали воздействию кавитации не только в момент раскрытия или запирания канала, как это имеет место при эксплуатации изделия, а непрерывно в течение длительного времени
Принцип действия установки: образец в виде кольца толщиной 3 мм и внутренним диаметром
/ггг^г г^шглтг:г /лей
-3 (72), 2013/ 1119
Рис . 1 . Разрушение кромки образца из ЧПГ марки СЧ30 .
х500
16 мм соосно устанавливали на цилиндрический стержень-контртело и размывали потоком кавити-рующего минерального масла через кольцевую щель 0,1 мм . Данная конструкция полностью имитирует узел «отсечная кромка корпуса - отсечная кромка золотника» в реальном гидрораспределителе . Расход, давление и температуру масла поддерживали на постоянном уровне Время испытаний составляло 7 и 14 ч, что по расчетам должно соответствовать 2,5 106 и 5 106 циклов срабатываний распределителя в условиях практической эксплуатации
Порог кавитационно-эрозионной стойкости исчисляли по моменту появления первых кратеров разрушения на рабочей плоскости и кромке образца . Наличие кратеров разрушения определяли при исследовании на оптическом микроскопе ММР-4 при 10-кратном увеличении Собственно кавита-ционно-эрозионный износ определяли как потерю массы образца за время испытаний
ЧШГ для изготовления образцов выплавляли по общепринятым методикам, модифицирование в ковше проводили 2,2% модификатора ФСМгЗ; ЧВГ получали на базе того же расплава присадкой от 1,5 до 2,0% модификатора ФСМгЗ, содержание перлита регулировали присадками до 0,8% Си . ЧПГ марки СЧ30 имел низкое легирование 0,8% № и 0,25% Сг, графитизирующее модифицирование производили 0,8% ФСБа4 . Контртело было изготовлено из стали 18ХГТ с последующей цементацией на глубину 0,4-0,6 мм . Твердость контртела составляла 56 HRC .
Как показывают результаты испытаний (см таблицу), минимальной стойкостью обладают перлитный серый чугун СЧ30 и ферритный ЧВГ35, начавшие разрушаться уже после 7 ч испытаний Для остальных материалов инкубационный период накопления усталости материала, очевидно, превышает 7 ч, так как за это время потери их массы
Рис . 2 . Разрушение кромки образца из ЧВГ45. х500
или наличия кратеров кавитационного разрушения выявлено не было Ввиду бесперспективности образцы из ферритного ЧВГ были сняты с дальнейших испытаний Через 14 ч максимальную потерю массы и ширину кавитационной зоны, видимую даже невооруженным глазом, имел образец из серого чугуна СЧ30 . Сходную по величине кавита-ционную зону имел и образец из феррито-перлит-ного ЧВГ40, однако потеря его массы была в 3 раза ниже Это свидетельствует о том, что разрушение в ЧВГ идет преимущественно по поверхности, а у ЧПГ проникает в глубину материала Минимальные разрушения как по ширине зоны, так и по потере массы понес образец из чугуна с шаровидным графитом
Результаты испытаний
Марка чугуна Микроструктура Через 7 ч Через 14 ч Балл
потеря массы, мг ширина зоны разрушения, мм потеря массы, мг ширина зоны разрушения, мм
СЧ30 ПГ, П100 2 0,15 8 0,25 0
ЧВГ35 80%ВГ 20%ШГ П20 2 0,15 - - 0
ЧВГ40 80%ВГ 20%ШГ П45 нет нет 3 0,2 72
ЧВГ45 80%ВГ 20%ШГ П70 нет нет 2 0,1 86
ВЧ50 ШГ П70 нет нет 1 0,05 100
Фотографии кромок рабочих проток образцов из ЧПГ, ЧВГ и ЧШГ при увеличении 500, полученные на электронном микроскопе РЭМ-200, приведены на рис . 1-3 . На рисунках отчетливо прослеживается более интенсивное кавитационно-эрози-онное разрушение чугуна с пластинчатым графитом по сравнению с ЧВГ45 и ЧШГ.
Г г^шттггг
I 3 (72), 2013-
Рис . 3 . Разрушение кромки образца из ЧШГ марки ВЧ50 . х500
Если для сравнительной оценки результатов ввести 100-балльную шкалу, в которой за нуль принять показатели СЧ30, а за 100 - показатели ВЧ50, то феррито-перлитный ЧВГ40 получает 72 балла, а перлитно-ферритный ЧВГ45 - 86 баллов, что свидетельствует о высоких эксплуатационных качествах ЧВГ в условиях кавитационно-эрозион-ного изнашивания
Принимая во внимание ряд преимуществ ЧВГ перед ЧШГ таких, как более высокие литейные свойства, меньшая склонность к усадке, лучшая обрабатываемость режущим инструментом, ЧВГ следует считать перспективным материалом для производства отливок корпусов деталей гидросистем
Литература
1.Б о г а ч е в И. Н., М и н ц Р И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. М. : Машгиз, 1959.
