Научная статья на тему 'Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна'

Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна Текст научной статьи по специальности «Структура и свойства чугуна»

CC BY
389
49
Поделиться
Ключевые слова
чугун / пластинчатый графит / вермикулярный графит / шаровидный графит / металлическая основа / гидроабразивная износостойкость / проточные части насосов

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Бондаренко Светлана Ивановна, Гладкий Иван Павлович,

Results of investigating of hydroabrasive wear resistance of unalloyed and microalloyed cast irons with Sn and Sb having different graphite form and metal base are presented. The highest resistance in hydroabrasive wear conditions has shown nodular cast iron with pearlitic and ferritic base having higher values of ductility and impact strength.

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

Текст научной работы на тему «Влияние структуры и механических свойств на гидроабразивную износостойкость чугуна»

УДК 669.131.7:621.694.31/33

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА ГИДРОАБРАЗИВНУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЧУГУНА

С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты исследования гидроабразивной износостойкости нелегированных и микролегированных Sn и Sb чугунов с разной формой графита и структурой металлической основы. Показано, что наибольшей стойкостью в условиях гидроабразивного износа обладает высокопрочный чугун с шаровидным графитом и перлито-ферритной основой (П 70), имеющий повышенную пластичность и ударную вязкость.

Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, вермикулярный графит, шаровидный графит, металлическая основа, гидроабразивная износостойкость, проточные части насосов.

Введение

Повышение эксплуатационной стойкости насосов оросительных систем является актуальной задачей. Проточные части насосов работают в тяжелых условиях и подвергаются гидроабразивному, кавитационно-эрозионному износу, а также коррозии.

В настоящее время детали проточной части насосов изготавливают в основном из серого чугуна с пластинчатым графитом, имеющего низкую гидроабразивную износостойкость. В то же время есть все основания считать, что перспективным материалом для таких деталей могут служить высокопрочные чугуны с шаровидной и вермикулярной формой графита, обладающие более высоким комплексом механических свойств.

Анализ публикаций

Как показано в работах [1 - 3] гидроабразивное изнашивание существенно зависит от показателей механических свойств. По мнению автора работы [1], стойкость материалов при гидроабразивном изнашивании можно оценить по величине произведения КСНВ, где КС - ударная вязкости, а НВ - твердость. При этом утверждалось, что подобная зависимость имеет одинаковый характер для всех материалов, что не подтверждается экспериментами.

В работе [2] было предложено оценивать износостойкость материалов при абразивном изнашивании на основании комплексного параметра НВ5 п , где НВ-значение твердости материала, 5 - показатель пластичности, п-показатель степени, определяемый экспериментально. В данном случае речь идет, во-первых, о сталях, а во-вторых, об абразивном, а не гидроабразивном изнашивании. Наличие графита в чугунах, а также другой характер износа не дают возможности использовать предложенную в работе [2] методику оценки износостойкости для деталей проточных частей насосов. Данных о влиянии формы графита и структуры металлической основы на гидроабразивную стойкость в литературе недостаточно.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было исследование механических свойств и гидроабразивной стойкости нелегированных и микролегированных оловом и сурьмой серых и высокопрочных чугунов.

Необходимо было установить связь между формой графита и структурой металличес кой основы, показателями механических свойств и гидроабразивной износостойкостью чугунов.

Определение гидроабразивной износостойкости

В качестве материала для исследования были выбраны серый чугун СЧ20 (Ч1II ), применяемый в настоящее время для изготовления деталей насосов оросительных систем; серый чугун, микролегированный оловом; нелегированный высокопрочный чугун (Ч111Г) и высокопрочные чугуны, микролегированные оловом (ЧШГ) и сурьмой (ЧВГ).

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

В качестве эталона использовалась сталь 45. Химический состав исследуемых материалов приведен в табл. 1.

Все анализируемые высокопрочные чугуны имеют практически одинаковое содержание основных компонентов, которое весьма близко (за исключением кремния) к составу серых чугунов, применяемых для литых деталей проточной части насосов.

Результаты металлографического анализа чу-гунов приведены в табл. 2.

Исходный чугун СЧ20 (0) имеет графит пластинчатой формы и перлито-ферритную матрицу. Микролегирование 0,02% Sn не оказало влияние на графитную фазу, но способ-

ствовало полной перлитизации металлической основы.

Микролегирование такого чугуна 0,02% Sn практически не оказывает влияния на форму и размеры графитных включений, но делает матрицу преимущественно перлитной (П94).

Микролегирование высокопрочного чугуна

0,032% Sb приводит к получению вермику-лярного графита извилистой (ГФ5) и утолщенной (ГФ6) формы и к существенному увеличению доли перлита (П96).

Были проведены механические испытания исследуемых материалов, результаты которых приведены в табл. 2. Высокопрочные чугуны имеют существенно более высокие показатели прочности и особенно пластичности и вязкости по сравнению с серыми. Наиболее высокие показатели механических свойств имеет высокопрочный чугун 2 с пер-лито-ферритной структурой металлической матрицы. Этот чугун, хотя и уступает ферри-то- перлитному чугуну 3, микролегированно-му оловом, по уровню твердости, превосходит его по прочности, пластичности и вязкости. Наличие графита вермикулярной формы в чугуне 4, микролегированном 0,032%Sb, при-

Таблица 1 Химический состав исследованных материалов

№ ма-териа-ла Тип чугуна Содержание элементов, %

С Si Мп S Р Mg Sn Sb

0 ЧПГ (СЧ20) 3,38 2,24 0,73 0,0066 0,056 — - -

1 ЧПГ микролегированный 8и 3,38 2,24 0,75 0,0066 0,056 - 0,02 -

2 ЧШГ нелегированный 3,43 2,95 0,83 0,0055 0,054 0,048 - -

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

3 ЧШГ микролегированный 8и 3,43 2,97 0,85 0,0055 0,055 0,045 0,02 -

4 ЧВГ микролегированный 8Ъ 3,42 2,95 0,83 0,0056 0,062 0,050 - 0,032

5 Сталь 45 (горячекат.) 0,46 0,25 0,80 0,04 0,017 - - -

Таблица 2 Микроструктура и механические свойства исследованных чугунов

№ Микроструктура Механические свойства

Графит Металлическая основа о ,НПа в 7 о, % КС, Дж/см2 НВ,НПа

0 Гф2, Гф4, Граз90 -Граз180 П70(Ф30) 200 - 6,0 1700

1 Гф2, Гф4, Граз90 -Граз180 П100(Ф0) 210 - 5,0 2070

2 Гф12, Гф13, Граз25-Граз45 П70(Ф30) 750 5,5 39,0 2550

3 Гф13, Гф12, Граз25-Граз45 П94(Ф6) 670 1,7 11,7 2930

4 Гф5, Гф6, Гф12, Граз25-Граз45 П96(Ф4) 370 1,0 11,0 2690

5 - П50(Ф50) 620 16 50 2070

водит к значительному снижению всех механических свойств по сравнению с чугуном 2, имеющим графит шаровидной формы и значительное количество феррита в структуре металлической основы.

Гидроабразивная стойкость материалов определялась на специально разработанной установке с горизонтальным расположением вала. Использованная установка позволяет изменять условия испытания материалов на гидроабразивное изнашивание в широком диапазоне, существенно увеличить количество одновременно испытываемых образцов и непосредственно использовать образцы после испытаний для дальнейших структурных исследований.

Результаты испытаний на гидроабразивное изнашивание при концентрации абразива 1% приведены в таблице 3.

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

Таблица 3 Гидроабразивная стойкость материалов при концентрации абразива 1%

№ плавки Величина износа, мг* Скорость изнаши- вания, мг/см2-ч Отно-ситель-ная стойкость, %

0 58,1 2,32 62

1 55,0 2,22 65

2 47,9 1,79 80

3 47,6 1,90 76

4 52,2 2,09 69

5 36,1 1,44 100

* Время испытания 5 часов.

Как следует из приведенных данных, все высокопрочные чугуны (2,3,4) имеют более высокую гидроабразивную стойкость по сравнению с серыми чугунами (0,1). Это, несомненно, связано с шаровидной и вермикуляр-ной формой графита, которая в меньшей мере ослабляет металлическую матрицу по сравнению с пластинчатым графитом. В то же время обращает на себя внимание более высокая стойкость к гидроабразивному износу чугуна 2, имеющего такую же форму графита, как чугун 3, и отличающегося от него наличием феррита в структуре (30%) и соответственно более высокими показателями пластичности и вязкости. Это свидетельствует о том, что сопротивление гидроабразивному износу чугунов существенно зависит не только от прочностных показателей, но и от характеристик пластичности и вязкости.

Выводы

Микролегирование серого и высокопрочного чугуна оловом (0,02%) практически не влияет на строение графитной фазы и способствует почти полной перлитизации металлической основы и существенному повышению твердости.

Высокопрочный чугун, микролегированный оловом, имеет в 3 раза меньшие показатели пластичности и ударной вязкости, чем нелегированный чугун.

Микролегирование высокопрочного чугуна сурьмой (0,032%) приводит к образованию графита преимущественно вермикулярной формы, перлитизации металлической основы и существенному снижению как прочности (в 2 раза), так и пластичности (в 5,5 раз) и ударной вязкости (в 3,5 раза).

Наивысшую износостойкость из высокопрочных чугунов в условиях гидроабразивного износа имеет чугун с шаровидным графитом и пер-лито-ферритной (П70) металлической основой. Наименьшую износостойкость имеет чугун с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой.

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

Гидроабразивная износостойкость определяется не только прочностными свойствами, но и в значительной мере показателями пластичности и вязкости.

Литература

1. Козырев С.П. Гидроабразивный износ метал-

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

2. Южаков И.В., Янпольский 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.: Техника. - 1978. Вып. 13. с.20 - 22.

3. Животовский Л.С., Смойловская А.А. Техниче-

ская механика гидросмесей и грунтовых насосов. - М.: Машиностроение, 1986. - 220 с.

Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 12 февраля 2008 г.