CC BY
39
УДК 669.14, 669.15
Канд. техн. наук В. В. Нетребко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
ОСОБЕННОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ
Целью работы являлся анализ процессов гидроабразивного изнашивания высокохромистых чугунов в нейтральной среде. Установлено, что в условиях низкоэнергетического воздействия абразива на поверхность изделий эффект Ребиндера является определяющим фактором. Наиболее сильные разрушения происходили на границах зерен, дендритов и зонах раздела фаз, выходящих на поверхность. Проведение отжига при 690... 720 °С значительно увеличивало изнашивание. Нормализация от 1050 °С незначительно повышала стойкость чугуна при гидроабразивном изнашивании.
Ключевые слова: чугун, гидроабразивное изнашивание, термообработка, структура.
Высокохромистые чугуны применяются для получения литых корпусов грунтовых насосов, шнеков, лопастей смесителей и других деталей, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания [1—4]. Повышение срока службы быстроизнашиваемых деталей является важной и актуальной задачей.
Характер и интенсивность износа при гидроабразивном изнашивании определяется физико-химическими процессами, протекающими на поверхности изнашивания. Любая трибосистема имеет конкретные особенности контактирования, которые определяются природой контактирующих материалов, состоянием поверхности контакта и условиями взаимодействия [5]. Наличие жидкой среды вызывает появление эффекта Ребиндера [6, 7], заключающегося в облегчении пластического деформирования, а также возникновении гидродинамического клина на границах зерен и поверхностных дефектах. В работе [8] было установлено, что скорость изнашивания не зависит от макротвердости и концентрации конкретного химического элемента, а определяется, в большей степени, микроструктурой и синергизмом компонентов сплава.
Материал и методики исследований
Исследовали чугуны, содержащие Сг, Мп, N1 и % 81 (см. табл. 1). Выплавку опытных составов производили в индукционной печи с основной футеровкой. В сухие песчано-глинистые формы отливали образцы диаметром 30 мм, длиной 400 мм из которых были изготовлены образцы диаметром 25 мм и высотой 10 мм.
Отполированные образцы испытывали в литом и термически обработанном состоянии: после отжига при 690 и 720 °С с выдержкой в течение 9 часов и нормализации от 1050 °С с выдержкой 1,5 и 4,5 часа. Микротвердость структурных составляющих измеряли на приборе ПМТ-3 и Бигаш1п-1, макротвердость сплава -на твердомере Роквелла. Анализ структуры выполняли на оптических микроскопах Sigeta ММ-700 МИМ-8 и микроскопе РЕМ 106И.
Таблица 1 - Составы исследуемых чугунов
№ Химический состав, масс. %
С Сг Мп N1 81
1 1,09 18,33 1,99 1,28 0,90
2 3,54 21,07 1,35 0,13 0,96
3 3,01 29,68 0,72 1,95 0,92
4 2,55 11,91 3,80 2,76 1,08
5 2,93 18,39 0,77 1,39 1,31
6 2,94 18,51 1,64 1,29 1,02
7 2,12 22,06 4,82 0,16 0,98
8 3,26 18,44 5,71 0,14 1,23
9 3,33 20,23 5,53 2,69 1,12
10 2,48 23,41 1,51 1,88 0,99
С целью снижения методологической погрешности все образцы испытывали одновременно. Абразивное изнашивание проводили в среде, состоящей из электрокорунда нормального марки 14 А, зернистость Б12 по ТУ У 26.80-00222226-016:2006 (25 кг) и питьевой воды (6л) при постоянном перемешивании в бетономешалке в течение 124,5 часов. Износ оценивали по потере массы, отнесенной к площади и времени (г/м2ч).
Анализ полученных результатов
Микроструктура чугунов состояла из карбидов (9.. .36 %) и различной металлической основы (феррит-ной, аустенитной и мартенситной). Образцы в исходном состоянии представлены на рис. 1 а после изнашивания на рис. 2.
Рис. 1. Образцы чугунов в исходном состоянии с различной маркировкой
© В. В. Нетребко, 2017 28
а б в г д
Рис. 2. Образцы чугунов состава 3 (вверху) и состав 4 (внизу) после изнашивания:
а - исходное состояние;
б - после отжига при 690 °С с выдержкой 9 часов;
в - после отжига при 720 °С с выдержкой 9 часов;
г - после нормализации от 1050 °С с выдержкой 1,5 часа;
д - после нормализации от 1050 °С с выдержкой 4,5 часа
Удельные потери массы образцов после гидроабразивного изнашивания представлены в таблице 2. Анализ таблицы 2 показал, что в литом состоянии наименьшие потери массы имели чугуны составов 1 и 3, а наибольшие - состава 9.
Отжиг при 690 °С ухудшил износостойкость у всех марок чугунов. У чугунов составов 3 и 7 отжиг способствовал увеличению износа более чем в два раза.
Отжиг при 720 °С не повлиял на износостойкость чу-гунов составов 1 и 7, а у остальных чугунов ухудшение было менее значимым, чем после отжига при 690 °С. Наихудшей износостойкостью обладал чугун состава 9 с максимальным количеством марганца и никеля.
Таблица 2 - Удельная величина потерь массы после изнашивания, г/м2ч
№ Вид термической обработки
Без ТО Отжиг Нормализация
690 °С 720 °С 1,5 ч 4,5 ч
1 3,18 3,93 3,15 2,80 2,73
2 4,43 5,92 5,5 3,82 3,65
3 3,02 6,84 3,48 2,8 2,75
4 3,86 7,01 4,65 3,93 3,58
5 3,98 7,79 5,74 3,08 2,98
6 4,11 6,75 5,14 3,27 3,05
7 3,49 7,09 3,51 3,28 2,73
8 4,52 6,34 4,81 4,18 4,52
9 5,36 9,25 5,52 5,61 5,69
10 3,41 5,60 3,76 2,83 2,80
Нормализация при выдержке в исследуемом диапазоне повысила износостойкость практически у всех марок чугунов, за исключением составов 8 и 9. Увели -чение времени выдержки при нормализации с 1,5 до 4,5 часов незначительно улучшило показатели износостойкости. Наименьшие потери массы имели чугуны составов 1, 3, 7, 10. У чугунов этих составов нормализация повысила износостойкость по сравнению с исход-
ным состоянием на 9...22 %. Для высокохромистых чугунов составов 1 и 3 (с ферритной основой) проведение нормализации малоэффективно.
Анализ показателей макротвердости чугунов и микротвердости фаз, приведенный в таблицах 3, 4 и 5, не выявил однозначных зависимостей между твердостью и гидроабразивной стойкостью.
Чугун состава 1 имеет гидроабразивную износостойкость на уровне состава 3 при значительно меньшей макротвердости и микротвердости фаз и меньшей концентрации хрома. Анализ взаимосвязи между химическим составом чугунов и их гидроабразивной стойкостью также не дал однозначного ответа.
Очевидно, что такое поведение чугунов в условиях гидроабразивного изнашивания можно объяснить поверхностными явлениями и эффектом Ребиндера, а также другими факторами [6-8]. Изучение поверхности изнашивания показало, что имеются характерные повреждения, похожие по своему виду на коррозионное разрушение (см. рис. 3).
Таблица 3 - Твердость чугунов, ЖС
№ Вид термической обработки
Без ТО Отжиг Нормализация
690 °С 720 °С 1,5 ч 4,5 ч
1 34,1 43,2 51,3 36,7 44,5
2 51,5 44,0 38,7 61,7 62,5
3 57,7 50,1 48,5 58,8 60,7
4 38,9 44,0 55,7 37,2 38,0
5 51,2 43,5 37,7 58,2 61,0
6 50,8 46,0 46,5 53,2 58,0
7 43,5 47,0 50,0 45,0 43,2
8 50,5 50,2 53,1 46,8 49,3
9 47,0 56,1 55,0 43,8 43,3
10 44,7 42,7 48,0 43,2 45,0
Таблица 4 - Микротвердость основы чугунов, ИУ50
№ Без ТО Отжиг Нормализация от 1050 °С, выдержка 4,5 ч
690 °С 720 °С
1 433 668 435 539
2 473 484 420 998
3 517 587 538 1032
4 330 509 588 658
5 449 455 368 896
6 519 504 445 774
7 423 498 523 479
8 480 710 740 600
9 458 693 657 617
10 449 581 514 397
Поверхность образцов со значительным износом имела ручьевые канавки, возникшие в результате перемещения абразива (см. рис. 3 а). Поверхность образцов с минимальным износом была ровной, со следами точечных повреждений, в которых накапливался мелкодисперсный абразив (см. рис. 3б). Кроме этих видов
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2017
29
разрушения, наблюдали фрагментарные выкрашивания в области столбчатых дендритов и центральных областях образцов (см. рис. 3в). Поверхностная зона мелких кристаллов имела меньшие повреждения (см. рис. 2 и рис. 3в).
Таблица 5 - Микротвердость карбидной фазы, НУ
№ Без ТО Отжиг Нормализация от 1050 °С, выдержка 4,5 ч
690 °С 720 °С
1 1190 1140 1130 1081
2 1297 1188 1385 1343
3 1492 1402 1519 2046
4 1440 1440 987 903
5 1004 1039 1104 1407
6 1082 901 1037 1246
7 1247 1141 1161 921
8 1262 1265 1442 1040
9 1382 1814 1576 1410
10 1185 1128 915 1270
а б
Рис. 3. Поверхность образцов после гидроабразивного изнашивания:
а - с радиальными канавками; б - с точечными и язвенными повреждениями; в - с фрагментарными разрушениями
При сопоставлении микроструктуры образцов и характера разрушений (рис. 4) видно, что разрушения начинались на границах зерен и границе раздела фаз карбид - основа, а также вдоль дендритной структуры. Разрушенные границы зерен и дендритов являлись направляющими (желобами), по которым двигался мелкодисперсный абразив, образуя канавки.
состав 1
состав 2
состав 9
Рис. 4. Микроструктура чугунов (сверху) и поверхность после изнашивания (снизу), х 100
Общим для всех мест разрушения является наличие химической неоднородности, возникшее во время кристаллизации или термической обработки (образование дендритов, формирование карбидной фазы и перераспределение элементов), а также наличие большого количества дефектов кристаллического строения (границы зерен, дендритов и когерентность связей карбидов с основой).
Исходя из этого, можно объяснить негативное влияние отжига при 690 °С, вызывающего стабилизацию карбидной фазы (обеднение хромом границ раздела фаз), увеличивающего химическую неоднородность и уменьшающего когерентность связи карбида с основой.
Возникновение участков металлической основы, содержащей хром менее 11 % (отрицательный потенциал) и более 12 % (положительный потенциал), вызывало возникновение электрохимической коррозии в среде электролита (рН = 8,0), которая усиливалась разветвленной поверхностью резания.
Повышение температуры отжига до 720 °С увеличило скорость диффузионных процессов, способствовало выравниванию химического состава, что привело к повышению гидроабразивной стойкости.
Нормализация гомогенизировала чугуны и снизила поверхностную энергию системы, что препятствовало появлению электрохимической коррозии, у большинства исследуемых чугунов и значительно повысила их гидроабразивную стойкость.
Минимальный износ имели чугуны с однородной ферритной основой, легированной хромом, никелем и кремнием (составы 1 и 3) в литом и нормализованном состоянии, а также хромомарганцевые чугуны (составы 7 и 10) с мартенситной основой после нормализации.
Выводы
1. Физико-химические процессы, протекающие на поверхности изнашивания, а также эффект Ребиндера являются определяющими факторами разрушения в условиях низкоэнергетического воздействия абразива в жидкой среде. Наиболее сильному воздействию подвергаются границы зерен, дендритов и зоны раздела фаз, выходящие на поверхность.
2. Отжиг при 690.720 °С ухудшил гидроабразивную стойкость чугунов.
Высокохромистые чугуны, дополнительно легированные Мп, N1 и 81, имели наилучшую гидроабразивную стойкость после нормализации от 1050 °С с выдержкой в течение 1,5.4,5 часа. Проведение нормализации чугунов с ферритной основой нецелесообразно.
Список литературы
1. Гарбер М. Е. Износостойкие белые чугуны / М. Е. Гар-бер. - М. : Машиностроение, 2010. - 280 с.
2. Брыков М. Н. Износостойкость сталей и чугунов при абразивном изнашивании : Научное издание /
М. Н. Брыков, В. Г. Ефременко, А. В. Ефременко. -Херсон : Гринь Д. С., 2014. - 364 с.
3. Структурно и неструктурно чувствительные свойства хромистых чугунов / А. А. Кириллов, В. Д. Белов, Е. В. Рожкова и др. // Черные металлы. - 2007. - Сентябрь. - С. 7-10.
4. Analysis of the Structure and Abrasive Wear Resistance of White Cast Iron With Precipitates of Carbides / D. Kopycwski, M. Kawalec, A. Szcz^ny and etc. // Archives of Metallurgy and Materials. Institute of metallurgy and materials science of Polish academy of sciences. - 2013. - Vol. 58, Issue 3. - P. 973-976.
5. Марчук В. С. Зносостшюсть дискретних поверхонь в умовах пдроабразивного зношування / В. С. Марчук // Проблеми тертя та зношування : наук.-техн. рб. - К. :
Вид-во НАУ «НАУ-друк», 2011. -Вип. 55. - С. 182188.
6. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения / П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин // Успехи физических наук. -1972. - Т. 108, № 9. - С. 3-42.
7. Лихтман В. И. Влияние поверхностно-активной на процессы деформации металлов / В. И. Лихтман, П. А. Ре-биндер, Г. В. Карпенко. - М. : Изд. Академии наук СССР, 1954. - 224 с.
8. Scholl, Milton R. Development of intermetallic-hardened abrasion-resistant weld hardfacing alloys (1986) / Milton R. Scholl // Scholar Archive, 1991. - 267р. http:// digitalcommons.ohsu.edu/etd/91
Одержано 16.12.2018
Нетребко В.В. Особливосп пдроабразивного зношування високохромистих чавушв
Метоюроботи був анализ процесгв ггдроабразивного зношування високохромистих чавунгву нейтральному середовищ1. Виявлено, що в умовах низькоенергетичного впливу абразиву на поверхню виробгв ефект Ребтдера мае виргшальне значення. Найбыьшихруйнувань зазнали межг зерен, дендритгв тазонироздглу фаз, як виходили на поверхню. В1дпал при 690... 720 °С значно збшьшував зношування. Нормалгзацгя вгд 1050 °С незначно пгдвищила стгйюсть чавунгв при ггдроабразивному зношуваннг.
Ключовi слова: чавун, ггдроабразивне зношування, термообробка, структура.
Netrebko V. Peculiarities of hydroabrasive wearing of high-chromium cast irons
The purpose of the work was to analyze the processes of hydroabrasive wear of high-chromium cast iron in a neutral environment. It was found that in the conditions of low-energy impact of abrasive on the surface of details, the Rebinder's effect is a determining factor. The greatest destructions have been on the boundaries of grains, dendrites and zones of phase separation, which were on the surface. Annealing at 690...720 ° C significantly increased wear. Normalization from 1050 ° C slightly increased the resistance of cast iron to hydroabrasive wear.
Keywords: cast iron, hydroabrasive wear, heat treatment, structure.
ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2017 31
