Научная статья на тему 'Исследование гидроабразивной износостойкости серых и высокопрочных чугунов, микролегированных оловом и сурьмой'

Исследование гидроабразивной износостойкости серых и высокопрочных чугунов, микролегированных оловом и сурьмой Текст научной статьи по специальности «Структура и свойства чугуна»

CC BY
407
47
Поделиться
Ключевые слова
чугун / пластинчатый графит / шаровидный графит / ударная вязкость / концентрация абразива / скорость изнашивания / гидроабразивная износостойкость

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Бондаренко Светлана Ивановна, Демьянец К.А.,

Results of investigating hydroabrasive wear resistance of unalloyed and microalloyed Sn and Sb cast irons with different graphite form are presented. The influence on hydroabrasive wear resistance of matrix pearlitization due to microalloing has been analysed.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Исследование гидроабразивной износостойкости серых и высокопрочных чугунов, микролегированных оловом и сурьмой»

УДК 669.131.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СЕРЫХ И ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ОЛОВОМ И СУРЬМОЙ

С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., К.А. Демьянец, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты исследования гидроабразивной стойкости чугунов с разной формой графита, нелегированных и микролегированных оловом и сурьмой. Проанализировано влияние на гидроабразивную стойкость перлитизации матрицы в результате микролегирования чугунов.

Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, шаровидный графит, ударная вязкость, концентрация абразива, скорость изнашивания, гидроабразивная износостойкость.

Введение

Проточные части насосов оросительных систем работают в тяжелых условиях, испытывая гидроабразивный, коррозионный и кавитационно-абразивный износ. В настоящее время в качестве материала проточных частей насосов в основном используется чугун СЧ20, который обладает низкой гидроабразивной стойкостью. В связи с этим вопрос повышения эксплуатационной стойкости деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа, является весьма актуальным.

Анализ публикаций

В ряде работ показано, что гидроабразивная износостойкость существенно зависит от таких механических свойств как твердость и ударная вязкость [1, 2]. В связи с этим представляется целесообразным более широкое использование в качестве материала проточных частей насосов чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом, обладающих более высоким комплексом свойств.

В работе [3] исследовалась структура, механические свойства и гидроабразивная износостойкость СЧ20, ЧПГ, ЧШГ и ЧВГ, легированных &, ^, №, Mo. Было показано, что гидроабразивный износ легированного ЧШГ, определяемый по схеме «ролик-колодочка» в суспензии (песок в воде), намного ниже, чем у СЧ (ролика в 2,7 раза, а колодочки в 19,5 раз).

В работе [4] была исследована гидроабразивная износостойкость на специально разработанной установке нелегированных ЧПГ и ЧШГ и ЧПГ, ЧШГ, микролегированных Sn, и ЧВГ, микролегированного Sb. Было установлено, что наивысшую гидроабразивную износостойкость при концентрации абразива 1% имеет нелегированный ЧШГ с перлитно-фер-ритной основой. Все легированные чугуны, имеющие перлитную основу, имеют больший износ, особенно ЧВГ.

Был сделан вывод, что гидроабразивная стойкость определяется не только прочностными свойствами, но в значительной мере показателями пластичности и вязкости. В целом в литературе недостаточно данных о взаимосвязи структуры и механических свойств, а также концентрации абразива и гидроабразивной износостойкости.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было изучение гидроабразивной стойкости чугуна СЧ20, ЧПГ и ЧШГ, микролегированных оловом, и ЧВГ, микролегированного сурьмой, при разной концентрации абразива.

Необходимо было выбрать условия испытаний на гидроабразивный износ, наиболее приближенные к условиям эксплуатации деталей проточных систем насосов.

Исследование гидроабразивной стойкости

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Материалом исследования служили следующие чугуны: чугун с пластинчатым графитом (ЧПГ) - СЧ20; нелегированный чугун с шаровидным графитом (ЧШГ), микролегиро-ванные Sn (0,02%) ЧПГ и ЧШГ и чугун с вер-микулярным графитом (ЧВГ), микролегиро-ванный Sb (0,035%). Содержание основных элементов в исследуемых чугунах было примерно одинаковым и составляло (%мас.): 3,38-3,43С; 2,24-2,95Si; 0,73-0,85Мп; 0,0055-

0,0066S; 0,054-0,062Р. Чугуны с шаровидным графитом содержали 0,045-0,048% Mg, чугуны с вермикулярным графитом - 0,05% Mg.

В качестве эталона при испытаниях на гидроабразивный износ служила сталь 45 в горячекатаном состоянии.

Структура металлической основы СЧ20 и нелегированного ЧШГ была перлитно-феррит-ной (П 70), у всех остальных исследованных

чугунов перлитная с небольшим количеством феррита (4-6%).

Гидроабразивная стойкость материалов определялась на специально разработанной установке с горизонтальным расположением вала

[4].

Специфической особенностью данной установки является способ закрепления и форма образцов. В установке на валу привода неподвижно закреплён диск, на котором имеется 6 отверстий для крепления образцедержа-телей.

Такая конструкция установки позволяет закреплять на каждом образцедержателе по несколько образцов, что повышает количество одновременно испытываемых образцов в

2 - 4 раза по сравнению с существующими установками. Кроме того, на установке можно испытывать не только цилиндрические,

Таблица 1 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 5 %

№ Материал Величина износа, мг Скорость изнашивания, мг/см2час Относительная стойкость, %

Время испытания, мин

80 160 240

1 ЧПГ (СЧ20) 29,5 56,8 90,2 4,51 62

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2 ЧПГ, микролегированный 8п 29,4 57,1 87,6 4,38 63

3 ЧШГ, нелегированный 23,6 47,1 69,7 3,49 80

4 ЧШГ, микролегированный 8п 24,9 50,6 75,9 3,80 73

5 ЧВГ, микролегированный 8Ь 26,6 54,1 81,6 4,08 68

6 Сталь 45 (горячекат.) 19,5 37,3 55,7 2,78 100

Таблица 2 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 10%

№ Материал Величина износа, мг Скорость изнашивания, мг/см2час Относительная стойкость, %

Время испытания, мин

150 300 450

1 ЧПГ (СЧ20) 86,2 159,4 244,2 6,51 63

2 ЧПГ микролегированный 8п 81,1 158,0 235,2 6,27 66

3 ЧШГ нелегированный 59,2 122,2 187,5 5,00 83

4 ЧШГ микролегированный 8п 61,8 125,2 193,9 5,17 80

5 ЧВГ микролегированный 8Ь 61,2 130,3 205,6 5,48 75

6 Сталь 45 (горячекат.) 51,6 103,7 154,9 4,13 100

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

но и плоские образцы в виде шайб с отверстием в центре. При этом можно менять угол наклона образцов по отношению к направлению их движения от 0 до 90°. В результате оказывается возможным испытывать плоские образцы при различных углах взаимодействия рабочих поверхностей с гидроабразивной смесью, что позволяет в наибольшей мере приближаться к реальным условиям эксплуатации деталей проточной части насосов. К тому же плоские образцы позволяют наилучшим образом исследовать поверхность материала после испытаний, в частности, использовать непосредственно металлографические, рентгенографические и другие методы анализа.

При выборе условий гидроабразивного испытания необходимо было оценить и выбрать скорость взаимодействия абразивных частиц с поверхностью образцов, угол атаки, размер и состав абразивных частиц, концентрацию абразива.

Скорость взаимодействия абразивных частиц с поверхностью материала составляла 15 м/с, что примерно соответствовало условиям работы деталей проточной части насосов для воды. Угол атаки был взят равным 45°, так как угол наклона лопастей рабочих колёс составляет 40 - 50°.

В качестве абразива был использован кварцевый песок с размером песчинок ~ 0,2 мм. Концентрация абразива составляла 5 и 10 %. Величина износа образцов оценивалась весовым методом.

Результаты испытаний материалов на гидроабразивное изнашивание приведены в табл. 1, 2.

Как следует из приведенных данных, все высокопрочные чугуны имеют более высокую гидроабразивную стойкость по сравнению с серыми чугунами. Это, несомненно, связано с шаровидной формой графита, который в меньшей мере ослабляет металлическую матрицу, чем пластинчатый.

Однако прямой, непосредственной связи между гидроабразивной стойкостью чугунов и формой графита, как это имеет место для механических свойств (ов), не прослеживается. Так если образование шаровидного графита в чугуне взамен пластинчатого при

неизменной структуре металлической матрицы приводит к повышению уровня прочности в 4 раза, то при этом абразивная стойкость возрастает лишь на 30 %.

Перлитизация металлической матрицы в результате введения микролегирующих элементов (олово и сурьма), хотя и способствует повышению твердости серых и высокопрочных чугунов, не приводит к заметному росту гидроабразивной стойкости.

Наименьший гидроабразивный износ имеет нелегированный чугун с шаровидным графитом с перлито-ферритной матрицей (П70). Это говорит о том, что разрушение материала под действием абразивных частиц связано с сопротивляемостью материала деформации, но во многом определяется также уровнем пластичности и ударной вязкости.

В случае микролегирования оловом и, особенно, сурьмой в результате изменения состояния границ зерен, очевидно, понижается ударная вязкость. В связи с этим, несмотря на более высокую твердость, микролегиро-ванный оловом чугун обладает меньшей по сравнению с нелегированным гидроабразивной стойкостью. Не исключено, что введение олова в некоторой степени снижает сопротивление чугуна коррозионному разрушению, особенно, межкристаллитной коррозии, что также влияет на процесс гидроабразивного изнашивания.

Выводы

Гидроабразивная стойкость при разных концентрациях абразива у всех исследованных высокопрочных чугунов выше, чем у серого с пластинчатым графитом.

Наиболее высокой гидроабразивной стойкостью обладает высокопрочный чугун с шаровидным графитом и перлито-ферритной металлической матрицей. Это свидетельствует о том, что повышение твердости и прочности микролегированных Sn и Sb чугунов за счет перлитизации матрицы имеет меньшее влияние на повышение гидроабразивной износостойкости чугунов по сравнению с уменьшением при этом пластичности и ударной вязкости.

Между гидроабразивной стойкостью материалов и концентрацией абразивных частиц в

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

водной среде нет прямопропорциональной зависимости, что, очевидно, обусловлено процессами коррозионного разрушения.

Литература

1. Козырев С.П. Гидроабразивный износ ме-

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

2. Южаков И.В., Ямпольский 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.: Техшка. - 1978. - Вып. 13. -С. 20-22.

3. Бондаренко С.И., Гладкий И.П. Повыше-

ние эксплуатационных свойств чугунов, работающих в условиях гидроабразив-

ного износа // Вюник харювськ. державн. техшч. ушверситету сшьськ. господарства.- Харюв. - 2003. - Вып. 14. -

С. 388-391, С. 15-18.

4. Бондаренко С.И., Гладкий И.П., Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2008. - Вып. 41. - с. 68-70.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н.,

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 1 сентября 2008 г.