CC BY
14УДК 620.16
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРЫХ ЧУГУНОВ
Д.А. Габец, А. М. Марков, А. В. Габец, Е. О. Чертовских
В современных условиях развития промышленности эффективным методом повышения эксплуатационной надежности серых чугунов, работающих в сложных режимах ударно-фрикционного износа, является их комплексное легирование. Применение технологии легирование позволяет добиться значительного увеличения механических свойств за счет изменения структуры и характера распределения графита в чугуне. Цель данного исследования заключается в установлении зависимостей влияния легирующих элементов на эксплуатационные свойства серого чугуна, работающего в условиях ударно-фрикционного износа. В статье рассмотрен весь комплекс механических испытаний легированного никелем и молибденом износостойкого чугуна ЧМН-34М в сравнение с базовым чугуном СЧ35, предназначенного для деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа. Проедены исследования предела прочности при растяжении и сжатии, представлена микроструктура чугуна ЧМН-35 после механических испытаний на излом. Так, предел прочности разработанного износостойкого чугуна составляет от 395 МПа до 450 МПа, а твердость находится в пределах от 276 до 318 Нв. Установлено, что применение технологии легирования способствует формированию структуры с более равномерным распределением графитных включений, что способствует увеличению величины предела прочности сплава при растяжении и сжатии. Проведен анализ результатов фрактографических динамических разрушенных образцов, механизм разрушения серийного и легированного чугуна одинаков, разрушение образцов происходит по хрупкому типу с явным преобладанием межзеренного разрушения, поверхность разрушения в легированном чугуне однороднее.
Ключевые слова: Легирование чугуна, ударно-фрикционный износ, износостойкость, легирование никелем, легирование молибденом, износостойкий чугун, графит, предел прочности при сжатии.
В современных машинах и механизмах остро стоит вопрос надежности узлов, способных работать в условиях ударно-фрикционного износа. Такие изделия должны иметь высокие механические свойства способные обеспечить комплекс свойств, направленных на сопротивление при сжатии и растяжении, а также противостоять износу в сопрягаемых поверхностях. К таким изделиям можно отнести деталей тележки грузового вагона, работающих в условиях интенсивных фрикционных нагрузок. В настоящее время широкая номенклатура деталей тележки может изготавливаться из серого чугуна СЧ35, который достаточно хорошо зарекомендовал себя в сложных режимах эксплуатации. Однако данный чугун имеет в своем составе большое содержание графита, который в условиях ударно-фрикционного износа может выступать в качестве концентратора зарождения трещин. Одним из перспективных материалов является серый чугун ЧМН-35М легированный никелем и молибденом (патент № 2562554), применение данного материала перспективно при изготовлении таких деталей как фрикционный ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018
клин и колпак скользуна на тележках модели 18-100 или ее аналогов.
Основные требования к получаемому путем легирования износостойкому чугуну - относительно низкая себестоимость за счет снижения концентрации дорогих легирующих элементов. При этом механические свойства разрабатываемого материала должны быть достаточно высокими для возможности работы в условиях ударно-фрикционного износа (временное сопротивление при растяжении: не менее 350 МПа, твердость: 250- 300 НВ). Анализ существующих технологий получения износостойких ударопрочных чугунов показал, что имеется зависимость роста механических и прочностных свойств с увеличением процентного содержания никеля и молибдена [1-3].
В качестве базового материала для исследований был выбран серый чугун СЧ35 (ГОСТ 1412-85), легированный никелем и молибденом. Отличительной особенностью данного сплава являются его высокие эксплуатационные и износостойкие свойства. Основное применение данного чугуна изготовление ли-
тых деталей тележки грузового вагона, работающих в условиях ударно-фрикционного износа, таких как фрикционный клин и колпак скользуна.
На основе ранее полученных результатов скорректирована рецептура легирующих
элементов, разработаны технические условия (ТУ 0812-001-10036140-2014) на химический состав и механические свойства, приведенные в таблицах 1 и 2, материалу отливки присвоен индекс ЧМН-35М, а также получен патент на изобретение № 2562554 [2].
Таблица 1 - Химический состав чугуна марки ЧМН-35М
Марка Чугуна Массовая доля элементов, % Ре - остальное
С 5/ Мп Мо N Сг Си Р 5
не более
ЧМН-35М 2,5-2,9 1,3-1,5 0,7-1,0 0,6-0,9 0,5-0,8 <0,3 <0,3 <0,2 <0,1
Таблица 2 - Механические свойства чугуна марки ЧМН-35М
Марка Чугуна Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее Твердость по Бринеллю, НВ
не менее не более
ЧМН-35М 350 250 300
Допускается превышение минимального значения временного сопротивления при растяжении не более, чем на 100 МПа (10 кгс/мм2)
Для оценки свойств разработанного материала были изготовлены образцы для исследования химического состава, структуры и механических свойств. С целью подтверждения результатов были получены заключения по химическому составу и механическим свойствам от независимых лабораторий. Образцы 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3 изготовлены из серого чугуна СЧ35, образцы 3-1, 3-2, 3-3, 4-1, 4-2, 4-3 изготовлены из легированного чугуна ЧМН-35М,
Таблица 3 - Химический состав образцов
химический состав образцов представлен в таблице 3 [4].
В образцах 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3 содержание кремния меньше заданных требований согласно ГОСТ 1412-85. В образцах 4-1, 42, 4-3 превышено содержание углерода согласно ТУ 0812-001-10036140-2014.
Механические свойства при испытании на растяжение полностью удовлетворяют требованиям ТУ на ЧМН-35М (Таблица 4).
№ образца Марка чугуна Массовая доля элементов, % Ре - остальное
С 5/ Мп Мо N Сг Си Р 5
1-1 СЧ35 3,21 1,05 1,0 0,002 0,071 0,2 0,135 0,02 0,032
1-2 СЧ35 2,96 0,90 1,15 0,002 0,062 0,2 0,123 0,02 0,062
1-3 СЧ35 2,88 0,99 1,10 0,002 0,072 0,2 0,131 0,02 0,032
Среднее 1 СЧ35 3,01 0,99 1,08 0,002 0,068 0,2 0,13 0,02 0,042
2-1 СЧ35 3,13 1,03 1,12 0,002 0,069 0,2 0,134 0,03 0,033
2-2 СЧ35 3,11 1,03 1,03 0,002 0,068 0,2 0,134 0,03 0,030
2-3 СЧ35 3,06 1,06 1,09 0,002 0,071 0,2 0,137 0,03 0,031
Среднее 2 СЧ35 3,10 1,04 1,08 0,002 0,069 0,2 0,135 0,03 0,031
3-1 ЧМН-35М 2,78 1,19 0,83 0,670 0,643 0,07 0,052 0,01 0,024
3-2 ЧМН-35М 2,84 1,15 0,82 0,652 0,638 0,06 0,045 0,01 0,045
3-3 ЧМН-35М 2,76 1,13 0,81 0,644 0,635 0,05 0,050 0,01 0,022
Среднее 3 ЧМН-35М 2,79 1,16 0,82 0,655 0,639 0,06 0,049 0,01 0,030
4-1 ЧМН-35М 3,26 1,33 0,80 0,509 0,627 0,05 0,053 0,02 0,033
4-2 ЧМН-35М 3,26 1,27 0,85 0,553 0,639 0,05 0,053 0,02 0,029
4-3 ЧМН-35М 3,19 1,15 0,71 0,487 0,631 0,05 0,049 0,02 0,024
Среднее 4 ЧМН-35М 3,23 1,25 0,79 0,519 0,633 0,05 0,052 0,02 0,029
Таблица 4 - Полученные механические свойства чугуна марки ЧМН-35М
Марка Временное сопротивление при Твердость по Бринеллю, HB
Чугуна растяжении, МПа от до
ЧМН-35М 380 - 395 276 318
СЧ35 325 - 343 243 288
Для испытаний на сжатие применяют универсальные испытательные машины, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 28840. Условия, которые должны соблюдаться при испытании на сжатие, те же, что и при испытании на растяжение, но предъявляются более высокие требования к центрированию образца и отсутствию взаимного перекоса нажимных
Рисунок 1 -
Механические испытания серых чугунов на предел прочности при сжатии проводили согласно ГОСТ 25.503, на универсальной испытательной машине EU-20. Образцы типа I были выточены на токарно-винторезном станке диаметром 10 мм. и высотой 20 мм. Полученные результаты испытаний представлены в таблице 5 [8].
Испытание на сжатие проводили с применением специального приспособления, в который предотвращает перекос образца при испытании (рисунок 2). В ходе эксперимента
плит, передающих силу на образец.
Образцы для испытаний на сжатие готовятся по ГОСТ 25.503-97. Для исследования прочности серого чугуна СЧ35 и легированного никелем и молибденом ЧМН-35М было изготовлено по 6 шт. образцов типа I, диаметром 10 мм, и высотой 20 мм. (рисунок 1). [5-7].
Фото образцов
наблюдалось два вида разрушения образцов: полное разрушение образца 1 -1 и 2-3 и наклоненное под углом 45° к оси образца (рисунок 3-4).
Предел прочности при сжатии чугуна СЧ35 в среднем равен 2911 (2564-3226) МПа, предел прочности при сжатии легированного чугуна ЧМН-35 равен 3350 (3196-3559) МПа. Таким образом, предел прочности при сжатии чугуна ЧМН-35М выше, чем стандартного чугуна СЧ35 на 13 процентов.
Рисунок 2 - Приспособление ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018 191
Таблица 5 - Результаты испытаний серых чугунов
№ образца Материал Предел прочности, кг/см2 Предел прочности, МПа
1-1 СЧ35 26150 2564
1-2 СЧ35 29100 2853
1-3 СЧ35 31100 3049
2-1 СЧ35 32900 3226
2-2 СЧ35 30500 2991
2-3 СЧ35 28400 2785
Среднее СЧ35 29691 (26150-32900) 2911 (2564-3226)
3-1 ЧМН-35М 33500 3285
3-2 ЧМН-35М 32900 3226
3-3 ЧМН-35М 36300 3559
4-1 ЧМН-35М 32600 3196
4-2 ЧМН-35М 34200 3353
4-3 ЧМН-35М 35500 3481
Среднее ЧМН-35М 34166 (32600-35500) 3350 (3196-3559)
Результаты исследования образцов на ударный изгиб представлены в таблице 6. Характер разрушения макрохрупкий. Из приведенных данных в таблице видно, что легированный чугун также, как и чугун марки СЧ 35,
не чувствителен к концентраторам напряжений. Ударная вязкость образцов практически одинаковая. Это обусловлено наличием графитных включений, которые из-за низкой прочности при разрушении могут рассматриваться как микротрещины [9-10].
Таблица 6 - Результаты испытаний на ударный изгиб
№ Марка чугуна Ударная вязкость КСи, Дж/см2 Ударная вязкость КСУ, Дж/см2
1 ЧМН-35М 107-112 102-108
2 СЧ35 89-95 95-101
Исследование микроструктуры чугуна проводилось в соответствии с ГОСТ 3443 на микроскопе №коп Ес^е МА200 методом сравнения с эталонными шкалами. Форму, размер, распределение и площадь графитных включений определяли при увеличении во 100 крат на нетравленом шлифе. Тип металлической основы чугуна и дисперсность перлита определяли после травления в 4% спиртовом растворе азотной кислоты при увеличении в 500 крат [11-12].
Распределение графитных включений в чугуне СЧ35 смешанное междендритное неравномерное (рисунок 5, а). В чугуне ЧМН-35М смешанное (равномерное и участки неравномерного) распределение графита (рисунок 5, б). Металлическая основа чугуна СЧ35 полностью перлитная (рисунок 6, а). Основные отличия легированного чугуна заключаются в структуре металлической основы: наличием перлита и феррита (рисунок 6, б) [13-14].
Рисунок 5 - Распределение графита: а) Смешанное и неравномерное в чугуне СЧ35; б) Смешанное в чугуне ЧМН-35М
Рисунок 6 - Основа: а) Перлитная в чугуне СЧ35; б) Перлитно-ферритная в чугуне ЧМН-35М
Фрактографические исследования образцов проводили на электронном микроскопе Carl Zeiss при увеличениях до 1000 крат. Исследовали поверхность разрушения образцов после испытаний на предел прочности. В области излома имеются фасетки хрупкого скола. У чугуна ЧМН35-М размер фасеток примерно в 1,5 раза мельче чем у СЧ35. Механизм разращения представленных образцов
Рисунок 7 - Фрактограмма излома СЧ35 после испытаний
ВЫВОДЫ
1. Предел прочности при сжатии легированного никелем и молибденом чугуна ЧМН-35М выше, чем серийного СЧ35 примерно на 13 %, это связано, прежде всего, с микроструктурой чугуна, равномерно распределенными графитными включениями, а также более дисперсной металлической основой.
2. Анализ результатов фрактографи-ческих исследований динамически разрушенных образцов свидетельствует о том, что механизмы разрушения серого чугуна СЧ35 и разработанного в работе легированного износостойкого чугуна ЧМН-35М имеют одинаковый характер, как в зонах зарождения, так и в зонах распространения трещин. Разрушение образцов происходит по хрупкому типу с явным преобладанием межзеренного механизма. Поверхности разрушения образцов из ЧМН-35М более однородные, размер фасеток скола составляет от 20 мкм до 60 мкм, что примерно в 1,5 раза мельче, чем у чугуна СЧ35.
3. Предложен состав легированного чугуна ЧМН-35М повышенной износостойкости. Установлен характер распределения графитовых включений (сочетание равномерного и неравномерного распределения), и металлической основы, состоящей из перлита и
практически одинаков, разрушение проходит с преобладанием межзереного разрушения по хрупкому процессу. Преобладание межзеренного разрушения в области зарождения трещины в изломе образцов модифицированного чугуна ЧМН35-М и чугуна СЧ35 после испытаний на ударный изгиб (КСЦ) представлено на рисунке 7-8 [15-16].
Рисунок 8 - Фрактограмма излома
ЧМН-35М после испытаний
феррита. Это способствует повышению механических свойств разработанного материала, который может быть использован для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Исследование влияния химического состава и структуры на механические свойства чугуна ЧМН-35М // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2017. - Т. 4, № 4. - С. 100-107.
2. Чугун : пат. 2562554 Рос. Федерация. - № 2014118635; заявл. 08.05.2014; опубл. 12.08.2015, Бюл. 25. - 5 с.
3. Gabets, A.V., Markov, A.M., Gabets,
D.A., Komarov, P., Chertovskikh, E.O. Investigation of chemical compostition and material structure influence on mechanical properties of special cast iron // METAL 2017 - 26th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings -ISBN: 9788087294796
4. Корниенко, Э.Н., Бикулов Р.А. Тяжелая лигатура для получения высокопрочного чугуна // Заготовительные производства в машиностроении. -2009. - № 2. - С. 3-5.
5. Габец А.В., Марков А.М., Габец Д.А., Чертовских Е.О. Управление износостойкостью ответ-
ственных узлов и деталей подвижного состава: монография. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2016. - 213 с.
- ISBN 978-5-7568-1188-9.
6. Коровин В.А., Леушин И.О., Палавин Р.Н., Киров А.С. Влияние модифицирования на структуру и свойства чугуна и стали для прокатных валков // Литейщик России. - 2011. - № 12. - С. 15-17.
7. Gabets, A.V., Gabets, D.A., Markov, A.M., Radchenko, M.V., Leonov, S.L.. Technological Support of Critical Parts for Railway Transport Working Properties // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. DOI: 2-s2/0-85012146259. ISBN:17551307
8. Vijeesh, V., Prabhu K.N. Review of microstructure evolution in hypereutectic AL-SI alloys and its effect on wear properties // Transactions of the Indian Institute of Metals. - 2014. - Vol. 67, iss 1. - Pp. 1-18.
- DOI: 10.1007/s12666-013-0327-x.
9. Управление износостойкостью ответственных узлов и деталей подвижного состава: монография / Д. А. Габец [и др.]. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2016. - 213 с.
10. Гольдштейн Я. Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали. - М.: «Металлургия», 1986.
11. Габец А.В. Специальный чугун для отливки фрикционного клина тележки железнодорожного вагона//Ползуновский вестник. 2013. № 4/2. С.51-52.
12. Комаров, О.С., Розенберг Е.В., Урбанович Н.И. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов // Литье и металлургия. - 2015. - № 2 (79). - С. 24-28.
13.Габец, Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Специальный модифицированный чугун марки ЧМН-35М для тяжело нагруженных деталей тележки грузового вагона // Тяжелое машиностроение. - 2016.
- № 1-2. - С. 23-26.
14.Габец, А.В., Марков А.М., Габец Д.А. Моделирование эксплуатационных свойств деталей, изготовленных из специального чугуна ЧМН-35М // Ползуновский вестник. - 2016. - № 2. - С. 36-44.
15. Габец, А. В. Моделирование эксплуатационных свойств деталей изготовленных из специального чугуна ЧМН-35М / А. В. Габец, А. М. Марков, Д. А. Габец // Ползуновский вестник. - 2016. - № 2. -С. 36-44.
16.Борщ Б.В., Габец А.В., Сухов А.В., Филиппов Г.А. Повышение износостойкости фрикционных деталей из серого чугуна // Сталь. - 2014. - № 1. -С. 66-68.
Габец Денис Александрович, Инженер НИС, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И Пол-зунова», 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, email: gabets22@mail.ru.
Марков Андрей Михайлович, доктор технических наук, профессор, Профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И Ползу-нова», 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, email: andmarkov@inbox.ru.
Габец Александр Валерьевич, кандидат технических наук, директор по развитию ООО «СИбТрансМаш», 656012, г. Барнаул, ул. Папанинцев, д. 97. e-mail: gabeca@mail.ru.
Чертовских Евгений Олегович, кандидат технических наук, инженер ОГМЕТ ООО «АСЛЗ», 6560, 656037, пр. Калинина 116/52, email: chertovskih13@gmail. com.
