УДК 669.131

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МЕДИСТОЙ ФАЗЫ НА АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

 

ANALYSIS OF PHASE MEDISTIM ON ANTIFRICTION PROPERTIES OF CAST IRON

 

Камынин В.В., Дмитриева Н.В.

(Брянский государственный  инженерно-технологический университет, г. Брянск, РФ)

Kamynin V.V., Dmitrieva N.V.

(Bryansk state engineering- technological University, Bryansk, Russia)

 

Проведен анализ влияния медистой фазы на триботехнические характеристики чугуновВыявлено, что при высоком содержании меди (3,5-4%) антифрикционные чугуны практически не уступают бронзе по коэффициенту трения.

The influence of cuprous phase on the tribological characteristics of the cast iron. It was revealed that a high copper content (3,5-4%) antifriction irons practically not inferior to the coefficient of friction bronze.

 

Ключевые слова: медь, медистая фаза, антифрикционный чугун, структура,  диаграмма, узлы трения, триботехнические свойства

Keywords: copper, copper-bearing phase, antifriction cast iron, structure, diagram, friction units, tribological properties

 

В последнее время разработаны и находят широкое применение в производстве различных элементов триботехнических узлов антифрикционные чугуны с повышенным содержанием меди (более 1,5 %). Примером могут служить чугуны АЧС-М и АЧВ-М [1], а также антифрикционный половинчатый чугун [2]. Особенностью структуры этих чугунов является не только высокая дисперсность перлита, но и наличие включений структурно-свободной медистой фазы. Как показывают результаты лабораторных, стендовых и производственных испытаний и практика эксплуатации изделий из этих чугунов, особенности их структуры проявляются в заметном улучшении триботехнических характеристик изделий.

Известно, что медь является элементом-графитизатором и при эвтектической кристаллизации чугуна способствует устранению ледебуритного отбела и измельчению эвтектической структуры [3, 4, 5]. Медь увеличивает также степень перлитизации структуры чугуна и повышает устойчивость и дисперсность эвтектоидного цементита [3]. По данным [5] максимальное влияние меди на степень перлитизации структуры чугуна соответствует её содержанию в чугуне около 1 %. При большем содержании медь образует собственную фазу, не растворяясь в основных фазах чугуна [6]. Однако эти количественные данные соответствуют лишь температурам, близким к температуре эвтектоидного равновесия. При более высоких температурах, которые важны в случае термической обработки чугуна, распределение меди количественно иное и может быть оценено из соответствующих разрезов диаграмм состояния сплавов Fe-C-Cu.

Медь существенно влияет на механические свойства чугуна. Упрочняя феррит и перлит, медь повышает прочностные свойства и твёрдость чугуна. Микротвёрдость легированного медью перлита может достигать 600-700 МПа и выше. Это происходит за счет образования тонкой оболочки меди вокруг цементитных включений, блокирующих диффузию углерода.

Медь используется не только в чугунах, но и в порошковых антифрикционных железографитовых материалах, причём в этих материалах содержание меди колеблется в очень широких пределах от 0,5 до 20 % [5]. Хотя при содержании меди 2-3 % в структуре сплавов образуются включения медистой фазы, но они очень дисперсны и плохо различимы при наблюдении под обычным оптическим микроскопом. При более высоком содержании (5 % и выше) они видны на микрошлифах в виде включений розового цвета.

Сплавы Fe-C-Cu, в структуре которых содержатся в свободном состоянии графит и медистая фаза, обеспечивают благоприятные условия работы фрикционной пары и в связи с избирательным переносом этих фаз на поверхность сопряжённой детали. Так по данным [5], для пары трения “подшипник из порошкового сплава железо-графит – вал из стали 45” в условиях трения без дополнительной смазки на воздухе под нагрузкой 7,5 МПа наблюдалось увеличение содержания углерода в поверхностном слое вала с 0,43 до 0,58 %. Термически активированная диффузия обеспечивает также перенос легирующих элементов, например, меди. В условиях деформации трением происходит рост коэффициента диффузии меди до значений, соответствующих температурам 700-800 °С [5]. Хорошо известен также и избирательный перенос меди в среде смазки с присутствием глицерина [7]. При этом грузоподъёмность пар трения увеличивается в 1,5-2 раза и обеспечивается отмеченное выше снижение износа сопряжённого тела.

Возможность допускать в узлах трения более высокие нагрузки, особенно в условиях граничного трения, без подачи смазки и при повышенных скоростях скольжения, обеспечивается при наличии в структуре антифрикционного сплава Fe-C-Cu свободных включений карбидов (в том числе и цементита) до 20-30 % [8]. При этом предельные значения PV возрастают до 30 МПа·м/с даже для пористых порошковых материалов [5]. Недостатком использования материалов с такой структурой является повышенный износ сопряжённого тела, поэтому необходимыми условиями работоспособности триботехнических пар с этими материалами являются повышение твёрдости сопряжённой детали до 45-50 HRC и увеличение времени приработки подшипникового узла до 5-12 ч.

На основании вышеизложенного был сделан вывод, что значительное влияние на триботехнические характеристики чугунов оказывает медистая фаза, находящаяся в их структуре; при высоком содержании меди (3,5-4%) антифрикционные чугуны практически не уступают бронзе по коэффициенту трения, что позволяет интерпретировать такие сплавы как бронзо-чугуны; по сравнению с бронзой бронзо-чугуны обладают существенным преимуществом – они способны выдерживать значительно большие нагрузки и обладают более высокой износостойкостью.

Список использованных источников

1. Сильман Г.И., Камынин В.В., Харитоненко С.А. Антифрикционный чугун. Патент РФ № 2267549. БИ, 2006.  № 1.

2. Сильман Г.И., Серпик Л.Г., Камынин В.В. Половинчатый чугун. Патент РФ №2147045. БИ, 2000, № 9.

3. Чугун: Справ. изд. / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. М.: Металлургия, 1991.  576 с.

4. Сильман Г.И., Горленко О.А. Триботехническое материаловедение и триботехнология: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2006. 348 с.

5. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наук. думка, 1980. 404 с.

6. Медь в черных металлах / Под ред. И. Ле Мея и Л.М.-Д. Шетки: Пер. с англ. под ред. О.А. Банных. М.: Металлургия, 1988. 312 с.

7. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

8. Сильман Г.И. Синтез легированных Fe-C-сплавов с композиционным упрочнением на основе геометрической термодинамики. Докт. дисс. Брянск, 1987. 483 с.