Обґрунтування доцільності дослідження спеціальних аустенітних чавунів
ОБГРУНТУВАННЯ ДОЦІЛЬНОСТІ ДОСЛІДЖЕННЯ СПЕЦІАЛЬНИХ АУСТЕНІТНИХ чавунів
Станчов Д.І., Висоцький А.Г., Попов Д.А. (ВГЛТА, м. Воронеж, РФ)
Тексти писали інформацію про аустенітичний manganese ірон і інших cast irons deterioration conditions of dry rubbing friction, when used for brake units construction of forest machines.
Чавун є найдешевшим ливарним матеріалом. Він широко застосовується в різних галузях машинобудування при виробництві різноманітних та складних виливків завтовшки від 2 до 500 мм, масою від 10 г до 250 кг, з габаритами до 30 м. Це – станини металорізальних верстатів, механічних пресів, агрегатів металургійного обладнання, блоків циліндрів автомобільних, тракторних, суднових та стаціонарних двигунів внутрішнього згоряння, картери редукторів, коробок зміни передач та головних передач транспортних машин та багато іншого. Чавунні виливки займають не менше 70. 75% від загальної кількості виливків зі всіх сплавів [1].
В даний час у двокомпонентній системі Fe - C чавунами називаються сплави, що містять більше 2,14% вуглецю, що відповідає максимальній розчинності вуглецю в аустеніті при температурі 1147 º С. Технічні чавуни є багатокомпонентними Fe - C - Si сплави, що містять домішки (M , P, S та ін), а також легуючі елементи. Залежно від форми вуглецю у структурі чавунів розрізняють такі виливки [2]:
1 Виливки із сірого чавуну, в яких весь вуглець або його більша частина знаходиться у вільному стані, найчастіше у вигляді пластинчастого графіту.
2 Виливки з білого чавуну, в яких вуглець знаходиться у хімічно зв'язаному стані у вигляді карбідів заліза, карбідів легуючих елементів або складних карбідів.
3 Виливки з вибіленого чавуну,у яких частина перерізу (зовнішня) має структуру білого чавуну, а інша (внутрішня) – сірого чавуну.
4 Виливки з ковкого чавуну, отримані внаслідок відпалу білого чавуну. У процесі відпалу може відбуватися окислення та видалення вуглецю (знеуглерожування виливків) або розпад карбідів з утворенням у структурі вільного графіту пластівкоподібної форми. Ковкий чавун після обезуглерожування має світлий злам і називається білосерцевим, а після другого способу відпалу має бархатистий злам і називається чорносердним.
5 Виливки з високоміцного чавуну, в яких вуглець знаходиться найчастіше у вигляді кулястого графіту.
Залежно від ступеня графітизації сірого, ковкого або високоміцного чавуну структура металевої матриці виливків може бути феритною, ферито-перлітною, перлітною. При цьому поряд з графітом пластинчастої, пластівеподібної або кулястої форми в структурі чавунів можуть бути карбіди і фосфідна евтектика. Слід також виділити можливість формування у виливках з чавуну металевої аустенітної матриці в результаті легування марганцем.
Фосфідна евтектика, що складається із заліза та фосфіду заліза (Fe3Р), має виключно високу твердість, порівнянну з твердістю карбідних фаз (700…750 HBW). У вузлах тертя фосфідна евтектика чавуну приймає він навантаження і підвищує зносостійкість підшипника. Разом з тим, фарбуючись у процесі тертя, вона відіграє роль абразиву, знижуючи зносостійкість чавуну. Однак при в'язкій металевій матриці, здатній утримувати тверді структурні складові, фарбування фосфідної евтектики зменшується, що сприяє підвищенню зносостійкості.
Включення графіту особливо пластинчастої форми покращують антифрикційні властивості чавуну, але знижують йогоміцність, оскільки порушують цілісність металевої матриці, чим сприяють при терті відриву частинок металу. Однак при рідинному або граничному терті графіт сприяє адсорбції мастила на поверхнях, що труться, чим підвищує антифрикційні властивості чавуну.
Відомо [3], що легування чавуну такими елементами як мідь, алюміній, свинець, сурма, хром, нікель, титан, марганець та ін може призвести до підвищення його зносостійкості як при сухому терті, так і при граничному мастилі. При цьому необхідно враховувати знос сполученої деталі, так як часто така деталь має велику металомісткість, складну конфігурацію і значну вартість.
Леговані хромомарганцеві, хромонікелеві та нікельмарганцеві чавуни отримують аустенітну структуру металевої матриці. За рівних умов випробування підшипників з хромомарганцовистого чавуну глибина наклепу його аустеніту значно більша, ніж двох інших чавунів. Цим пояснюється висока зносостійкість хромомарганцовистого чавуну аустенітного [4].
Аустенітний чавун добре пручається впливу сірчаної та соляної кислоти. Він має малу магнітну проникність, високий питомий електричний опір і немагнітність. Ці властивості використовуються в електромашинобудуванні для виготовлення різних деталей. Аустенітний чавун за своїми магнітними властивостями майже не поступається таким немагнітним металам і сплавам, як мідь, алюміній, латунь і значно перевершує їх за своїм електричним опором. Таким чином, аустенітні чавуни мають комплекс властивостей, які роблять ці матеріали дуже цінними при виготовленні різних деталей машин.
Проте висока вартість легуючих елементів цих чавунів значною мірою обмежує їхнє застосування. За цієюпричину нікель частково або повністю замінюють дешевшим і менш дефіцитним марганцем і міддю.
Термічною обробкою (відпалом, нормалізацією, загартуванням) чавуну можна значно змінити його структуру та властивості. Разом з тим легування чавуну марганцем призводить до заміни його ферито-перлітної матриці на аустенітну, що забезпечує суттєву зміну властивостей.
Випробування на зношування [3] при зворотно-поступальному русі без мастила показали, що зносостійкість модифікованого чавуну була приблизно в 2,7 рази вище, ніж немодифікованого. Це пов'язано з тим, що у модифікованого чавуну пластинчаста форма графіту добре адсорбує мастило, а металева матриця добре чинить опір фарбування твердих структурних складових, що діють як абразив.
Слід зазначити, що міцний чавун з кулястим графітом поєднує в собі специфічні властивості чавуну і в той же час високу міцність сталі. Чавун з кулястим графітом практично знімає обмеження щодо міцності, що є в антифрикційному чавуні з пластинчастим графітом. Високоміцний чавун застосовується замість сірого чавуну для подовження термінів служби виливків (виливниць і прокатних валків у металургії, поршнів, поршневих кілець, гільз циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, гальмівних барабанів автомобілів та ін.), замість сталі з метою спрощення виробництва та здешевлення розподільних валів двигунів, зубчастих коліс різного призначення та ін.) замість дорогих кольорових сплавів.
Однак в умовах тертя без мастила високоміцний чавун виявляється менш зносостійким, ніж сірий. Зносостійкість кулачків розподільних валів та штовхачів автомобільних двигунів із високоміцного чавуну з кулястим графітом, а також із сірого.чавуну з пластинчастим графітом з трооститною структурою вище, ніж із середньовуглецевої та високоміцної сталі.
Проведені випробування абразивної зносостійкості різних чавунів на машині тертя Х4-Б показали, що найбільшу зносостійкість має чавун білий [4].
Аналізуючи результати численних досліджень [1, 2, 5, 6 та ін.], можна зробити висновок про високу зносостійкість аустенітних марганцевих чавунів з пластинчастим або кулястим графітом. Невивченими залишаються багато питань, оскільки відсутні фундаментальні дослідження цих матеріалів.
Залежно від умов зношування можливе створення різних за структурою аустенітних марганцевих чавунів, які мали б хороші антифрикційні властивості та зносостійкість.
Подальші всебічні дослідження аустенітних марганцевих чавунів у різних умовах тертя дозволять визначити галузі його раціонального використання у промисловості.
Аналіз властивостей чавунів, що застосовуються для виготовлення деталей, що працюють на зношування, дозволяє зробити наступні висновки:
1 Антифрикційні властивості мають нелеговані та леговані сірі, високоміцні та ковкі чавуни. Для зменшення коефіцієнта тертя ковзання антифрикційних чавунів рекомендується в їх структурі мати значну кількість графіту.
2 Найкращою металевою матрицею структури антифрикційних чавунів є перліт. Феритна металева матриця має найнижчу зносостійкість. Карбіди значно підвищують крихкість чавунів і викликають велике зношування сполученої деталі.
3 Графіт у структурі чавунів з одного боку сприяє відриву частинок металу при зношуванні, але з іншого - є мастильним матеріалом, що протидіє зносу, і сприяєадсорбції рідкого мастила на поверхнях, що труться.
4 Аустенітні чавуни, леговані нікелем, хромом і міддю, мають високу зносостійкість, проте вони дорогі і тому їх застосування обмежене. Аустенітний марганцевистий чавун значно дешевший і в багатьох випадках є більш зносостійким.
5 Необхідні подальші різнобічні дослідження легованих чавунів, їх термічної обробки, фізико-механічних властивостей та перспектив застосування у машинобудуванні. Особливий інтерес представляє вивчення аустенітних марганцевих чавунів у різних умовах тертя.
1 Пивоварський, Є. Високоякісний чавун [Текст]: в 2 т. / Є. Пивоварський. - М.: Металургія, 1965. - 1184 с.
2 Гіршович, Н.Г. Чавунне лиття [Текст]/Н.Г. Гіршович. - М.: Металургіздат, 1949. - 708 с.
3 Гречин, В. П. Зносостійкі чавуни та сплави [Текст] / В. П. Гречин. - М.: Машгіз, 1961. - 398 с.
5 Станчев, Д. І. Перспективи застосування спеціального аустенітного марганцевистого чавуну для деталей фрикційних вузлів лісових машин [Текст]/Д.І. Станчев, Д. А. Попов // Актуальні проблеми розвитку лісового комплексу: Матеріали міжнародної науково-технічної конференції ВДТУ. - Вологда, 2007. - С. 109-111.
6 Станчев, Д. І. Конструкційні матеріали для лісових машин [Текст]/Д. І. Станчев. - Воронеж: ВДУ, 1982. - 172 с.