УДК 669.131:621.74

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОСОБЫХ СТРУКТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ

 

DEVELOPMENT OF NEV WEAR RESISTANCE AND ANTIFRICTION IRON, USING A SPECIAL STRUCTURAL EFFECTS

 

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)

 

Выявлены и изложены несколько необычных структурных эффектов, проявляющихся в легированных железоуглеродистых сплавах, позволяющих проводить разработку новых сплавов (высокоизносостойких и антифрик-ционных чугунов).

Identified and presented some unusual structural effects, manifested in the alloy of iron-carbon alloys that allow for the development of new alloys (highly wear-resistant and anti-friction cast iron).

 

Ключевые слова: легированный сплав, чугун, анализ, диаграмма сос-тояния, композитная структура, эвтектика, карбид, структурный эффект

Keywords: doped alloy, iron, analysis, state chart, composite structure, eutectic, carbide, structural effect

 

Особое значение для чугунов имеет структура эвтектики. При композиционном построении эвтектики в чугуне обеспечивается сочетание высоких прочностных свойств с достаточным уровнем пластичности и ударной вязкости. Примером могут служить ванадиевые белые чугуны [1], в структуре которых эвтектические колонии представляют собой двухфазные микрокомпозиции с пластичной и вязкой матрицей, а также с прочным и высокотвердым карбидным каркасом, обеспечивающим объемное армирование матрицы.

Оценка условий формирования таких структур может быть проведена путем использования разрезов диаграммы состояния сложных систем (характерных для легированных чугунов и сталей), прежде всего, на основе эвтектической полиэдрации диаграмм и ее сочетания с изотермическими разрезами диаграмм [2, 3]. В результате такого анализа определяется характер и соотношение фаз в составе эвтектики, что позволяет судить о ее морфологии, а также температурные и концентрационные условия формирования выбранных эвтектических композиций с выходом на оптимальный состав чугуна. Следующим этапом является оценка термокинетических условий формирования эвтектических композиций и разработка способа и технологии получения заготовок из чугунов принятого химического состава.

Изложенная методика была использована при разработке белых и половинчатых чугунов с композитной структурой. В комплексно-легированных хромованадиевых белых чугунах обеспечено формирование двух видов эвтектических композиций – двойной эвтектики A +VC (А – аустенит, VC – карбид ванадия) и тройной эвтектики А + М7С3 + VC7С3 - карбид типа Cr7C3). Структура таких чугунов отличается наличием большого количества специальных карбидов (до 30…35%), что в сочетании с высокой прокаливаемостью обеспечивает необходимую твердость и очень высокую их износостойкость [1].

Особый характер имеет структура в высокомарганцевых белых чугунах. При оптимальном их химическом составе и благоприятных термокинетических условиях кристаллизации отливок формируется структура с намечающимся композиционным расположением участков аустенитно-карбидной эвтектики в пластичной и вязкой аустенитной матрице. Окончательное формирование композитной структуры, состоящей из аустенитной матрицы (типа структуры стали Г13Л) и армирующих ее изолированных карбидных включений, происходит в процессе термической обработки. Чугун с такой структурой отличается высокой ударной вязкостью (КС до 60 Дж/см2), повышенной прочностью и износостойкостью [4]. Особенностью такого чугуна является также его высокая технологическая пластичность при температурах горячего деформирования, что позволяет использовать его не только как литейный материал, но и в качестве деформируемого сплава.

Для работы в условиях трения при повышенных нагрузках и скоростях скольжения перспективными являются материалы с композитной структурой комбинированного типа, в которой чередуются участки нескольких составляющих с резко различающимися свойствами. Одной из таких составляющих должна быть упрочняющая фаза. Желательно также использование в структуре антизадирных составляющих и твердых смазок (например, графита), располагающихся в виде включений и заполняющих «карманы» на рельефной поверхности трения. Матричная составляющая должна обеспечивать достаточную пластичность и возможность протекания на поверхности трения квазиобратимых процессов.

Для материалов с графитом характерно снижение коэффициента трения при увеличении удельной нагрузки. Это свидетельствует об отсутствии при трении процессов схватывания и высокой работоспособности материала в таких условиях.

К естественным композитам комбинированного типа можно отнести легированные Fe-C-сплавы с многофазной эвтектической структурой, содержащей матричную фазу (аустенит или продукты его распада), включения специальных карбидов и графита, а иногда в структуре желательно обеспечить наличие дополнительных фаз, улучшающих функциональные свойства сплава. На этом принципе построены структуры половинчатых антифрикционных чугунов повышенной износостойкости.

Эвтектическая полиэдрация диаграмм состояния сложных систем, в которых сочетаются карбидообразующие элементы (Cr, Mn, V, Mo и др.) и элементы – графитизаторы (Si, Al, Cu и др.), позволила установить оптимальные составы чугунов со стабильно половинчатой структурой. Особенность этой структуры состоит в том, что и карбиды, и графит в ней являются стабильными фазами и находятся между собой в термодинамическом равновесии. Карбидные фазы могут быть разного типа (от легированного цементита до специальных карбидов, например, типа МС), а графитные включения могут иметь различную геометрическую форму (от пластинчатой до шаровидной) и регулируемые размеры, что обеспечивает возможность получения целого спектра составов и структур чугунов со значительно различающимися механическими и эксплуатационными свойствами. В частности, разработаны половинчатые чугуны очень высокой прочности (σВ до 1100 Мпа), повышенной ударной вязкости (КС до 20 Дж/см2), высокой износостойкости (на уровне износостойких белых чугунов) при низком коэффициенте трения (на уровне бронзы) [4, 5].

При разработке половинчатых чугунов использован также выявленный нами эффект метастабильной графитизации сплавов [6]. Его суть в том, что за счет особого химического состава и определенных термокинетических условий кристаллизации в отливке формируется структура белого чугуна с очень высокой степенью метастабильности. При отжиге таких отливок протекают процессы частичной графитизации и карбидизации, разделенные на стадии значительными временными промежутками. После первой стадии обеспечивается метастабильная композитная структура половинчатого чугуна. На второй стадии происходит частичная карбидизация метастабильного графита, что приводит к повышению прочности, твердости и износостойкости чугуна. Протекание второй стадии можно обеспечить и в процессе эксплуатации изделий из таких чугунов. В этом случае металл на поверхности изделий не разупрочняется (как обычно при трении и изнашивании), а, наоборот, происходит его упрочнение, что может привести к существенному повышению долговечности и надежности изделий.

На использовании особых структурных эффектов основана и разработка новых антифрикционных чугунов. Установлено, что легирование Fe-C-сплавов некоторыми элементами (Cu, Sn, комплексом Si + Sn и др.) приводит к формированию в структуре этих сплавов трехфазного эвтектоида перлитоподобного типа и избыточных фаз, обеспечивающих композитный характер структуры и высокий уровень антифрикционных свойств. Испытания этих чугунов в различных условиях трения показали их высокую работоспособность и надежность, а также возможность замены ими дорогостоящих цветных антифрикционных сплавов (например бронзы) [7]. Особенно эффективно использование таких чугунов в наиболее тяжелых условиях трения при больших нагрузках и скоростях скольжения, а также в условиях циклического нагружения и при повышенных температурах.

Список использованных источников

1.  Жуков А.А., Сильман Г.И., Фрольцов М.С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. М.: Машиностроение, 1984. 104 с.

2.  Сильман Г.И. Эвтектическая полиэдрация диаграмм состояния тройных и четверных систем // Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа. Днепропетровск: ДМетИ. 1982. С. 112-114.

3.   Сильман Г.И., Болховитина Н.А. Эвтектическая полиэдрация диаграмм Fe-C-Cr и Fe-C-Cr-Si // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1982. №11. С. 99-103.

4. Сильман Г.И. Износостойкие белые и половинчатые чугуны с композиционным упрочнением // Чугун: Справочник. М.: Металлургия. 1991. С. 414-445.

5. Zhukov A.A., Silman G.I. What are Stable-mottled Irons? // Cast metals. 1993. V. 6. P. 143-145.

6. Silman G.I., Zhukov A.A. A new phenomenon the transient metastable graphitization of alloyed white iron // Bulletin of Materials Science (India). 1995. V. 18 №2. Р. 99-102.

7. Сильман Г., Жаворонков Ю.В. Особенности структуры и свойств антифрикционных чугунов с повышенным содержанием меди // Материаловедческие проблемы в машиностроении. Брянск: БГИТА, 1997. С. 8-10.