Розробка та застосування матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗРОБКА ТА ЗАСТОСУВАННЯ МАТЕРІАЛОЗНАВЧИХ ОСНОВ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВ ПРИ АБРАЗИВНОМУ ЗНОШУВАННІ

Бриков Михайло Миколайович

Запоріжжя - 2008

Анотація

Бриков М.М. Розробка та застосування матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008.

Основна ідея роботи - дослідження зносостійкості сплавів системи Fe-C у максимально можливому діапазоні вмісту вуглецю. Встановлено, що зносостійкість металевої основи залізовуглецевих сплавів у порядку збільшення утворює такий ряд: ферит - мартенсит - аустеніт. Показано, що цей ряд зберігається в широкому діапазоні швидкості ковзання зразків по абразиву і температури зношуваної поверхні.

Досліджено вплив легування на зносостійкість метастабільного аустеніту. На прикладі легування хромом і марганцем представлено принципи створення зносостійких сплавів. Показано, що для одержання високої зносостійкості аустенітних сплавів необхідно забезпечити підвищений вміст вуглецю при мінімальному вмісті легуючого елементу.

Ключові слова: абразивне зношування, залізовуглецеві сплави, метастабільний аустеніт, зносостійкість, температура, швидкість ковзання, легування, зносостійкі сплави, принципи створення.

Аннотация

Брыков М.Н. Разработка и применение материаловедческих основ повышения износостойкости железоуглеродистых сплавов при абразивном изнашивании. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2008.

В диссертационной работе решена актуальная научная проблема - разработаны материаловедческие основы создания и использования сплавов на основе железа рационального состава, износостойких при абразивном изнашивании. Это достигнуто в результате проведения цикла исследований абразивного изнашивания нелегированных и легированных железоуглеродистых сплавов в зависимости от их химического состава, структуры и свойств.

Основные положения работы получены в результате определения износостойкости сплавов системы Fe-C в максимально возможном диапазоне содержания углерода (0,08-4,3%) и с учетом возможного фазового состава структуры: феррит, феррит + цементит, мартенсит, мартенсит + цементит, аустенит + мартенсит + цементит. Условия испытаний соответствовали ГОСТ 17367-71 при исключении фрикционного нагрева образцов. Установлено, что максимальной износостойкостью обладают сплавы со структурой аустенита при отсутствии цементита. При этом износостойкость металлической основы железоуглеродистых сплавов в порядке увеличения образует следующий ряд: феррит - мартенсит - аустенит. Показано, что этот ряд сохраняется при изменении скорости скольжения образцов по абразиву в диапазоне 0,1-3500 мм/с и нагреве изнашиваемой поверхности до 290 ^оС. Обработка результатов исследований износостойкости железоуглеродистых сплавов позволила построить диаграмму «Относительная износостойкость - Твердость - Температура», которая обобщает закономерности абразивного изнашивания сплавов системы железо-углерод.

Показано, что, несмотря на высокую износостойкость нелегированных сплавов со структурой аустенита, их практическое использование затруднено. В связи с этим проведено исследование влияния легирования на износостойкость железоуглеродистых сплавов со структурой нестабильного аустенита при абразивном изнашивании. На примере легирования хромом и марганцем определено оптимальное соотношение содержания углерода и легирующих элементов в износостойких сплавах на основе железа. Установлено, что при одном и том же содержании легирующего элемента хромистые сплавы позволяют достигать большей износостойкости, чем марганцевые. Вместе с тем, легирование марганцем предпочтительнее при необходимости обеспечить большую прокаливаемость при некоторой потере износостойкости.

Применение данных, полученных при выполнении работы, позволило предложить новые составы износостойких сплавов для деталей малого и большого сечения, которые в процессе эксплуатации подвержены абразивному изнашиванию. Лабораторные испытания и производственное опробование предлагаемых сплавов в качестве материала пластин пресс-форм для прессования силикатного кирпича, а также шаров для помола железной руды, показало их высокую износостойкость по сравнению с материалами, используемыми в настоящее время. Ожидаемый экономический эффект от внедрения - более 1 млн. грн. в год.

Ключевые слова: абразивное изнашивание, железоуглеродистые сплавы, метастабильный аустенит, износостойкость, температура, скорость скольжения, легирование, износостойкие сплавы, принципы создания.

Abstract

Brykov M.N. Development and application of material science basis for increasing wear resistance of iron-based alloys at abrasive wear. - Manuscript.

Dissertation on scientific degree of Doctor of Technical Sciences on specialty 05.02.01. - Material science. - Zaporizhia national technical university, Zaporizhia, 2008.

General idea of presented work appears to be the investigation of resistance to abrasive wear of Fe-C alloys in widest possible range of carbon content. It is established, that wear resistance of metal matrix of iron-based alloys forms the following sequence (from low to high wear resistance): ferrite - martensite - austenite. It is shown that this sequence remains the same in wide range of sample's sliding velocity against abrasive and temperature of friction surface.

The influence of alloying on wear resistance of metastable austenite is investigated. Using chromium and manganese as an example the principles of creation of wear resistant alloys are presented. It is shown that in order to achieve high wear resistance of austenitic alloys it is necessary to provide higher carbon content at minimal concentration of alloying element.

Keywords: abrasive wear, iron-based alloys, metastable austenite, wear resistance, temperature, sliding velocity, alloying, wear resistant alloys, principles of creation.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Раціональне використання ресурсів є однією з основних умов стабільного існування і розвитку підприємств різних галузей промисловості в сучасному конкурентному середовищі. Особливо гостро необхідність ресурсозбереження виявляється там, де значні витрати матеріалів обумовлені інтенсивним зношуванням деталей машин.

Одну третину світових енергетичних витрат пов'язано з тертям і відновленням зношеного устаткування, при цьому половина усіх витрат виникає через абразивне зношування - процес руйнування поверхні тертя під впливом більш твердих частинок.

Сплави на основі заліза є основним матеріалом для виготовлення деталей машин, які зазнають у процесі експлуатації абразивного зношування. Однак існування широкого спектру структур в залізовуглецевих сплавах із різним рівнем легування значно ускладнює обґрунтований вибір зносостійких матеріалів.

Дослідження абразивного зношування сталей і сплавів проводяться вже понад ста років. Проте дотепер не запропоновано експериментально обґрунтований науковий підхід щодо створення нелегованих і легованих зносостійких сплавів на основі заліза. У закордонних джерелах практично відсутні систематизовані дані про зносостійкість залізовуглецевих сплавів у залежності від хімічного складу та способів термічної обробки. Результати досліджень, які наведено в літературі країн СНД і колишнього СРСР, суттєво доповнюють базу інформації про зносостійкість залізовуглецевих сплавів, однак не можуть бути узагальненими, тому що отримані за різних умов тертя. Саме тому проблема створення сплавів раціонального складу, що дозволяли б поєднати високу зносостійкість при абразивному зношуванні з прийнятною вартістю, є однією з актуальних проблем матеріалознавства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації є узагальненням досліджень, які виконано в рамках плану науково-дослідних робіт Запорізького національного технічного університету: ДБ 05011 (№ д.р. 0101U001043) “Визначення загальних закономірностей опірності сталей і сплавів абразивному зношуванню”, ДБ 05012 (№ д.р. 0103U000118) “Дослідження закономірностей опірності сталей і сплавів абразивному зношуванню при підвищеній температурі”, у виконанні яких автор приймав участь як відповідальний виконавець, а також ДБ 01225 (№ д.р. 0105U000211) “Дослідження закономірностей зношування залізовуглецевих сплавів при різній швидкості ковзання по абразиву” та ГД 1118 “Основні напрямки удосконалювання і розвитку виробництва молольних куль на ОАО ХЗКВ”, які виконано під керівництвом автора.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - розробка матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні. У зв'язку з цим у роботі поставлено такі завдання:

- дослідження зносостійкості нелегованих залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні в стандартизованих умовах без нагрівання в максимально можливому діапазоні вмісту вуглецю (0,08-4,30 %С) і з різним фазовим структурним станом: ферит, ферит + цементит, мартенсит, мартенсит + цементит, аустеніт + мартенсит + цементит;

- дослідження впливу швидкості ковзання по абразиву в діапазоні 0,1-3500 мм/с на зносостійкість залізовуглецевих сплавів з урахуванням фрикційного нагрівання;

- визначення на підставі результатів досліджень закономірностей абразивного зношування сплавів системи Fe-C;

- визначення впливу основних легувальних елементів на зносостійкість залізовуглецевих сплавів зі структурою метастабільного аустеніту;

- розробка принципів створення сплавів на основі заліза, зносостійких при абразивному зношуванні.

Об'єкт дослідження - абразивне зношування залізовуглецевих сплавів.

Предмет дослідження - вплив хімічного складу, способів термічної обробки, структури та механічних властивостей залізовуглецевих сплавів на їх зносостійкість при абразивному зношуванні.

Методи дослідження - визначення зносостійкості залізовуглецевих сплавів у різному структурному стані за допомогою стандартних і нових випробувальних методик, а також дослідження хімічного складу, структури і властивостей залізовуглецевих сплавів за допомогою спектрального аналізу, рентгеноструктурного аналізу, оптичної мікроскопії, стандартних методів визначення механічних властивостей.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі запропоновано експериментальну і теоретичну бази для вирішення матеріалознавчої проблеми створення і використання сплавів на основі заліза раціонального складу, які є зносостійкими при абразивному зношуванні. Цей результат отримано на підставі таких нових положень:

- у стандартизованих умовах випробувань (ГОСТ 17367-71) без нагрівання визначено залежності зносостійкості залізовуглецевих сплавів від їх властивостей у максимально можливому діапазоні вмісту вуглецю (0,08-4,30 %С) з урахуванням фазового структурного стану. Показано, що в порядку збільшення зносостійкості металева основа залізовуглецевих сплавів утворює такий ряд: ферит - мартенсит - аустеніт. Висока зносостійкість аустеніту забезпечується за рахунок спільних процесів фазових перетворень, що відбуваються в поверхневому шарі та механічного наклепу до гранично можливого стану;

- вперше в розширеному діапазоні швидкостей ковзання (0,1-3500 мм/с) та підвищених температур (20-290 ^оС) встановлено вплив цих характеристик на зносостійкість нелегованих залізовуглецевих сплавів з різною структурою. Показано, що структура аустеніту, яка є найбільш зносостійкою, у той же час максимально зазнає впливу нагрівання в процесі абразивного зношування. З підвищенням температури поверхні тертя зразків з аустенітною структурою усього лише до 130 ^оС зносостійкість зменшується вдвічі і продовжує інтенсивно знижуватися при подальшому нагріванні. Це явище обумовлено стабілізацією аустеніту при нагріванні і зниженням повноти проходження фазових перетворень. Крім того, найбільш інтенсивне зниження границі текучості аустеніту відбувається при нагріванні до 100-150 ^оС, що додатково знижує опір вдавленню абразивних зерен та пластичній деформації. Проте при будь-якій температурі в дослідженому діапазоні зносостійкість аустеніту перевищує зносостійкість мартенситу або знаходиться на однаковому рівні з ним;

- вперше запропоновано діаграму «Відносна зносостійкість - Твердість - Температура», що відображає закономірності абразивного зношування сплавів системи Fe-C. Діаграма дозволяє в концентрованому вигляді представити весь доступний діапазон зносостійкості нелегованих залізовуглецевих сплавів при різних температурах поверхні тертя, і, крім того, є зручною для оцінки зносостійкості нових сплавів і перспектив їх використання як зносостійких матеріалів;

- показано, що при певному вмісті легувального елемента існує оптимальний вміст вуглецю в сплаві, при якому досягається максимальна зносостійкість аустеніту. Це обумовлено температурою початку мартенситного перетворення, від якого залежить повнота г-б перетворень при зношуванні і ступінь зміцнення поверхні тертя. У той же час, для одержання високої зносостійкості сплавів зі структурою нестабільного аустеніту необхідно забезпечити підвищений вміст вуглецю при концентрації легувального елемента, достатнім для гальмування процесу графітизації і підвищення стійкості аустеніту до дифузійного розпаду;

- вперше визначено залежності оптимального вмісту вуглецю від концентрації легувального елемента для двох найбільш розповсюджених легувальних елементів - хрому і марганцю. Встановлено, що як хром, так і марганець знижують оптимальну концентрацію вуглецю, однак дія марганцю набагато інтенсивніша. Тому при однаковому вмісті легувального елемента хромисті сплави досягають більшої зносостійкості, ніж марганцеві. Разом з тим, легування марганцем є більш доцільним при необхідності забезпечити більшу прогартовуваність при деякій втраті зносостійкості.

Практичне значення одержаних результатів. Використання матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні дало можливість запропонувати дві нові низьколеговані зносостійкі сталі для деталей машин малого і великого перерізу.

Для деталей малого перерізу запропоновано сталь, що містить 1,5 %С та 3,0 %Cr (150Х3). Вміст хрому на рівні 3,0% забезпечує гальмування утворення графіту при нагріванні сталі під гартування в однофазну область (1070 ^оС), а також одержання аустенітної структури на глибині 10-15 мм. Підвищений вміст вуглецю дозволяє отримати максимально можливу зносостійкість металевої основи. У результаті промислово-дослідних випробувань пластин пресів СМС 152 при пресуванні силікатної цегли на ОАО «Запорізький комбінат будівельних матеріалів» встановлено, що термін служби пластин зі сталі 150Х3 удвічі вище, ніж пластин зі сталі 20Х після цементації і гартування на максимальну твердість.

Для деталей великого перерізу запропоновано сталь, що містить 1,2 %C та 3,0 %Mn (120Г3). Вміст марганцю на рівні 3,0% також гальмує графітизацію, крім того, дозволяє знизити температуру нагрівання під гартування до 950 ^оС і збільшити глибину загартованого шару до 30-40 мм при незначному зниженні зносостійкості в порівнянні зі сталлю 150Х3. Показано, що найбільш перспективною галуззю застосування сталі 120Г3 є виготовлення молольних тіл, що використовуються для подрібнення високоабразивних матеріалів. Сталь 120Г3 прийнято до впровадження у виробництво молольних куль на ОАО «Херсонський завод карданних валів».

Інформаця про закономірності абразивного зношування сплавів системи Fe-C використовується також в навчальній роботі при викладанні дисціплін матеріалознавства та тертя і зношування в машинах, оскільки ці дані є фундаментальними для теорії і практики застосування зносостійких матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено методики випробувань металевих матеріалів на абразивне зношування при підвищених температурах і при малих швидкостях ковзання по абразиву; особисто проведено всі експериментальні роботи, що надано в дисертації як нові. Усі наукові положення, крім тих, про які спеціально зазначено у тексті, автором розроблено особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, автор брав участь в обробці, аналізі й узагальненні результатів досліджень [1, 5, 6, 11, 14, 16, 17, 20, 24, 26, 29, 30, 31].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорено на міжнародних науково-технічних конференціях "Нові конструкційні сталі і сплави і методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів" (Запорожжя, 1998, 2003), "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин" (Очаків, 2003), VI промислової конференції з міжнародною участю "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" (Славське, 2006), науково-технічному семінарі "Зварювання і споріднені процеси в промисловості" (Київ, 2006), науково-технічної конференції "Тиждень науки" (Запорожжя, 2006), кафедральних і міжкафедральних семінарах ЗНТУ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 31 роботу, у тому числі: 19 статей (із них 11 - без співавторів) у фахових виданнях ВАК, 3 патенти України, 6 доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 8 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 319 найменувань та 2 додатків. Роботу викладено на 280 сторінках комп'ютерним набором. Робота містить 97 рисунків, 22 таблиці.

2. Основний зміст роботи

У вступі визначено актуальність проблеми, на вирішення якої спрямовано дисертаційне дослідження, мету і завдання роботи, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі проведено огляд можливих шляхів вирішення проблеми створення сталей та сплавів, що є зносостійкими при абразивному зношуванні. Показано, що кінцевою метою дослідників є насамперед практичні рекомендації з підвищення терміну служби тих чи інших деталей машин, що зазнають вплив абразиву. Оскільки змінити умови експлуатації деталі, як правило, неможливо, єдиний спосіб значного зниження збитків від зносу - застосування оптимальних матеріалів, що мають досить високу зносостійкість разом із прийнятною вартістю. Для досягнення цієї мети можуть бути використані два підходи.

Трибологічний підхід полягає у вивченні самого процесу абразивного зношування і побудові його чисельної або аналітичної моделі. У випадку створення адекватної моделі, що враховує як властивості матеріалів, так і умови зношування, з'являється можливість розрахувати і рекомендувати склад і обробку матеріалів деталей машин для будь-яких умов експлуатації.

Матеріалознавчий підхід принципово відрізняється методами створення зносостійких матеріалів. Тут механізм абразивного зношування розглядається в мінімальному обсязі, достатньому, щоб відрізнити даний вид зношування від інших. Далі проводяться експериментальні дослідження з метою визначення залежностей зносу (зносостійкості) матеріалів від хімічного складу, структури і властивостей. Такі залежності зберігаються в будь-яких умовах абразивного зношування, що дає можливість рекомендувати до застосування той чи інший матеріал.

Аналіз робіт, які присвячено моделюванню процесу абразивного зношування металевих матеріалів, показує, що як ранні, так і сучасні моделі не здатні прогнозувати зносостійкість при значному розширенні границь трибосистеми. Кожну з моделей побудовано при використанні певних обмежень і припущень та перевірено за допомогою вже відомих експериментальних даних. При зміні умов зношування знос може значно змінитися, тому модель вимагатиме ускладнення з обов'язковим проведенням нових експериментів. Тому єдиним плодотворним напрямком підвищення опірності сталей та сплавів абразивному зношуванню залишається експериментальне вивчення їх зносостійкості.

Зносостійкість залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні в першу чергу залежить від співвідношення твердості абразиву і поверхні тертя. Якщо твердість поверхні тертя наближається до твердості абразиву, то зносостійкість матеріалу збільшується експоненційно. Підвищення зносостійкості також можливо при використанні оптимального типу металевої основи з карбідною фазою високої твердості. Ще одним способом підвищення зносостійкості може бути зміцнення поверхонь тертя деталей попередньою обробкою. Крім того, оптимізація структурного стану залізовуглецевих сплавів дозволяє скористатися ефектом природного зміцнення поверхні тертя при абразивному зношуванні.

Незважаючи на велику кількість публікацій з абразивного зношування матеріалів, дотепер відсутні принципи створення зносостійких сплавів на основі заліза, які б дозволяли одержати оптимальне співвідношення ціна/якість. Такі матеріали особливо необхідні для виготовлення деталей, що працюють в умовах абразивного зношування під час помелу руд різних корисних копалин. Висока вартість сучасних сплавів з підвищеною зносостійкістю часто є нездоланною перешкодою для їх використання. Перевагу віддають дешевим сплавам з феритною основою, зносостійкість яких набагато нижче.

Розробку зносостійких залізовуглецевих сплавів раціонального складу необхідно починати з вивчення закономірностей абразивного зношування нелегованих залізовуглецевих сплавів у всьому можливому діапазоні вмісту вуглецю при всіх можливих структурних станах металевої основи. Результати перших робіт, проведених в цьому напрямку, отримано при впливі змінної підвищеної температури поверхні тертя. У зв'язку з цим необхідно проведення подальших досліджень при відповідному коректуванні методики випробувань. Дослідження абразивного зношування сплавів системи Fe-C є тим більше актуальним, тому що дотепер відсутня достовірна інформація щодо порівняльного ряду зносостійкості структурних складових нелегованих сплавів.

Таким чином, дослідження закономірностей абразивного зношування нелегованих сплавів на основі заліза є першим і найважливішим кроком на шляху розробки матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні.

За результатами огляду літературних джерел зроблено висновки та обгрунтовано мету і задачі досліджень.

Другий розділ присвячено насамперед обґрунтуванню методу випробувань залізовуглецевих сплавів на абразивне зношування. Крім того, надано відомості щодо способів одержання зразків та методів визначення їх складу і структури.

Показано, що для досягнення мети роботи найбільш придатним методом випробування залізовуглецевих сплавів на абразивне зношування є ГОСТ 17367-71. Сутність методу полягає в стиранні циліндричного зразка на абразивній полотнині. Зразок з визначеним зусиллям притискається торцем до абразивної поверхні і, рухаючись відносно неї, проходить строго постійний шлях. Висновок про інтенсивність зношування матеріалу зразка роблять за зміною його маси.

Ця випробувальна методика відтворює найбільш жорсткий режим абразивного зношування - одноциклове руйнування поверхні тертя. При одноцикловому руйнуванні мікрооб'єми матеріалу відокремлюються при однократній взаємодії з абразивними зернами, або, переходячи в майже зруйнований стан, можуть бути легко відділеними при наступному контакті з абразивом. У цьому випадку зношування є найбільш інтенсивним, тому саме одноцикловий режим визначає швидкість руйнування в більшості випадків взаємодії матеріалу й абразиву.

Для проведення досліджень виготовлено зразки сплавів системи Fe-C у максимально можливому діапазоні вмісту вуглецю при варіації всіх основних типів фаз металевої основи (ферит, мартенсит, аустеніт). Максимальна концентрація вуглецю в зразках склала 4,3%. Для виготовлення зразків з концентрацією вуглецю до 1,2% використовували сталі Ст3, 45, 50, У8 і У12 заводського виготовлення. Зразки з більшим вмістом вуглецю отримано витяжкою в кварцові трубки (внутрішній діаметр 2 мм) з розплаву заданого хімічного складу. Плавки здійснювали в печі опору та індукційній печі. Додавання вуглецю проводили за допомогою електродного графіту. Хімічний аналіз зливків, що залишилися після витяжки зразків, здійснювали спектральним методом.

Для термообробки зразків використовували лабораторну піч опору СУОЛ 0,25.1.1/12МР-Н3, а для виміру температури - термопару ХА та потенціометр А-565-003-02.

Випробування на абразивне зношування проводили на електрокорундової абразивної полотнині ВСУ2 14А 6П З (ГОСТ 27181-86). Розмір зерен основної фракції складав 63-80 мкм, максимально припустимий розмір не перевищував 100 мкм (ГОСТ 3647-80).

Знос зразків і еталона визначали за втратою маси з погрішністю у 0,0002 мг (ваги АДВ-200). За результат вимірювання приймали середнє з п'яти чи більше результатів ідентичних випробувань.

Твердість зразків визначали за допомогою твердоміру ТВП-5012 (Вікерс) при навантаженні 98Н. Для одержання одного значення твердості проводили не менш трьох уколів. За результат вимірювання приймали середнє із шести чи більше значень твердості, визначених за відповідними діагоналями відбитків.

Довірчі інтервали значень відносної зносостійкості і твердості розраховували при надійності висновку 0,96. При обробці експериментальних даних виключали результати, що містять грубі похибки з ймовірністю 0,90.

Дослідження мікроструктури проводили з використанням оптичних мікроскопів NU2-E і Olympus GX51 з можливістю комп'ютерної обробки і запису зображень мікроструктур.

Рентгеноструктурний фазовий аналіз здійснювали на дифрактометрі ДРОН-1 у мідному К_б-випромінюванні. Кристал-монохроматор, встановлений перед лічильником, забезпечив монохроматизацію дифракційних променів, а також послаблення фону вторинного випромінювання від зразків. Для запису дифрактограм і обробки даних використовували ПЕОМ, зєднану з дифрактометром за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення. Визначення кількості аустеніту і мартенситу проводили за виміром інтегральної інтенсивності перших двох близько розташованих дифракційних ліній: 111 аустеніту і 110 мартенситу.

Розробка методик випробувань металевих матеріалів на абразивне зношування при підвищених температурах і низьких швидкостях ковзання по абразиву була предметом самостійних досліджень, проведених автором.

У третьому розділі проведено дослідження абразивного зношування нелегованих сплавів на основі заліза в стандартних умовах випробувань.

ГОСТ 17367-71 передбачає відсутність нагрівання зразків під час випробувань, але максимальну швидкість ковзання зразків по абразиву не регламентує. Тому на першому етапі досліджень проведено визначення максимально припустимої швидкості ковзання зразків по абразиву.

При проведенні випробувань на цієї установці шлях тертя зразка по абразивній поверхні є спіраллю, яка утворюється за рахунок обертання горизонтального диску з постійною швидкістю та одночасного радіального переміщення зразка. Частота обертання горизонтального диску, яку закладено конструктивно, складає 1 с^-1. Зразок рухається від центра диску до периферії, тому його швидкість ковзання по абразивній поверхні постійно збільшується від 25 мм/с на початку випробування до 700 мм/с в кінці. Така швидкість приводить до неконтрольованого підвищення температури поверхні тертя та похибкам під час визначення зносостійкості зразків.

Для виключення впливу підвищеної температури на результати випробувань частоту обертання диску машини Х4-Б зменшено в 7,5 разів. При цьому максимальна швидкість ковзання зразків по абразиву не перевищує 86 мм/с.

Мікроструктура зразків сплавів зі вмістом вуглецю до 1,2% відповідає стандартним вуглецевим сталям. Аналіз мікроструктур досліджуваних сплавів при концентрації вуглецю більше 1,2% показує природне зростання кількості цементиту в структурі литих зразків.

Для отримання ферито-перлітної структури зразки відпалювали. Мартенситну та мартенситокарбідну структуру зразків відповідного хімічного складу одержували гартуванням за класичними режимами. Для отримання структури аустеніту проводили гартування сплаву з концентрацією вуглецю 2,05% від температури 1130 ^оС.

Результати стандартних випробувань залізовуглецевих сплавів на абразивне зношування без нагрівання показують, що в межах кожного типу фазової структури металевої основи існує залежність відносної зносостійкості зразків від твердості.

Залежність е=f(HV) для сплавів з феритною фазою основи при різному вмісті цементиту ілюструє незначний вплив карбідної фази на зносостійкість відпалених сталей і чавунів. Навіть при дуже високому вмісті цементиту в білих чавунах зносостійкість останніх усього лише в 2,3-2,4 рази вище за зносостійкість заліза.

Залежність е=f(HV) для сталей зі структурою мартенситу показує, що при збільшенні твердості зносостійкість мартенситу різко збільшується. Такий вид залежності можна пов'язати з тим, що при абразивному зношуванні відбувається динамічне зміцнення мартенситу (Коршунов та ін.). Ступінь зміцнення зростає із збільшенням кількості вуглецю в мартенситі, при цьому максимальне зміцнення поверхні тертя спостерігається при зношуванні зразків стали У8 після гартування без відпуску. Зміцненням мартенситу при абразивному зношуванні пояснюється також відсутність впливу карбідної фази на зносостійкість сплавів з мартенситоцементитною структурою.

Особливо цікавою є залежність е=f(HV) для сплавів, що містять у структурі аустеніт. Максимальну зносостійкість має сплав із вмістом вуглецю 2,05% після гартування від температури 1130 ^оС при максимально можливій кількості аустеніту в структурі. Незважаючи на невисоку твердість (330 HV), яка нижче твердості загартованої сталі У8 (860 HV), сплав з метастабільною аустенітною структурою має значно більшу зносостійкість.

Такий рівень зносостійкості є максимально можливим для нелегованих залізовуглецевих сплавів. При нижчій температурі нагрівання під гартування сплаву зі вмістом вуглецю 2,05% в аустенітній структурі після гартування зявляються мартенсит і цементит. При цьому твердість зразків збільшується, однак зносостійкість знижується.

Високу зносостійкість аустеніту обумовлено зміцненням поверхні тертя в процесі абразивного зношування при одночасному проходженні фазових перетворень. При цьому аустеніт, який залишається неперетвореним, зміцнюється до гранично можливого стану. Оцінка густини дислокацій у зміцненому аустеніті дає величину 10¹⁴ см-², твердість мікрообємів з такою структурою перевищує 1250 HV, що і є причиною високої зносостійкості аустенітних залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні.

Четвертий розділ присвячено розробці методу випробувань залізовуглецевих сплавів на абразивне зношування при контрольованих підвищених температурах. Необхідна температура поверхні тертя зразків досягається за рахунок фрикційного нагрівання в залежності від швидкості ковзання по абразиву. Вибір фрикційного способу нагрівання зразків обумовлено необхідністю досліджувати вплив підвищених температур на зносостійкість вихідних структур (невідпущений мартенсит, аустеніт), які не зазанавали термічного впливу при об'ємному нагріванні.

Базовим обладнанням для створення дослідної установки обрано токарський верстат 1К62, на якому встановлено сталевий барабан. Кронштейн під державку для зразка змонтовано на супорті. Абразивна полотнина намотується на барабан, а випробування зразків проводять при ковзанні останніх по поверхні барабану, що обертається, при одночасному горизонтальному переміщенні супорту.

Необхідна швидкість ковзання зразків по абразиву забезпечується за рахунок тієї чи іншої швидкості обертання барабану при переключенні передач верстату. Градуювання випробувальної установки дозволило встановити залежність температури поверхні тертя зразків від швидкості їх ковзання по абразиву. Всі інші параметри процесу тертя, крім температури, - абразив, розміри зразків, навантаження на зразок - відповідають ГОСТ 17367-71. Стандартні параметри випробувань прийнято для можливості порівняння результатів досліджень абразивного зношування залізовуглецевих сплавів без нагрівання з результатами досліджень при підвищених температурах.

У п'ятому розділі представлено результати досліджень впливу підвищених температур на зносостійкість залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні.

Встановлено, що зносостійкість сплавів зі структурою аустеніту найбільш інтенсивно знижується при нагріванні. З підвищенням температури поверхні тертя аустенітних зразків лише до 130 ^оС спостерігали зниження зносостійкості удвічі. Такий сильний вплив нагрівання обумовлений трьома причинами:

- зниженням границі текучості аустеніту, що приводить до зменшення мікротвердості зміцненого об'єму металу;

- підвищенням необхідного рівня зовнішніх напружень для проходження фазових перетворень. При цьому зменшується кількість мартенситу деформації, який утворюється на поверхні тертя при абразивному зношуванні. Одночасного падіння межі міцності і надалі зменшує імовірність фазових перетворень, оскільки руйнування настає ще до перетворення аустеніту;

- збільшенням розміру зміцнених об'ємів металу при стабілізації аустеніту. Це приводить до підвищення напружень, з якими дислокації впливають на бар'єри, і, відповідно, до зростання імовірності утворення мікротріщин.

Зіставлення результатів досліджень впливу підвищених температур на зносостійкість залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні з даними про зносостійкість сплавів системи залізо-вуглець без нагрівання дає можливість побудувати структурно-температурну діаграму «Відносна зносостійкість - Твердість - Температура». Згідно з діаграмою зносостійкість залізовуглецевих сплавів з аустенітною основою надзвичайно сильно зменшується при нагріванні поверхні тертя. Проте, за будь якої температури залізовуглецеві сплави з метастабільним аустенітом мають максимально можливу зносостійкість.

У шостому розділі проведено дослідження абразивного зношування залізовуглецевих сплавів при різній швидкості ковзання по абразиву з метою перевірки порівняльного ряду зносостійкості “ферит - мартенсит - аустеніт” в області низьких швидкостей ковзання. Відомо, що зниження швидкості ковзання по абразиву може привести до зміни інтенсивності зношування металевих матеріалів, тому такі дослідження є актуальними для створення повної картини закономірностей абразивного зношування сплавів системи залізо-вуглець.

Експерименти було проведено за допомогою розробленої установки на базі токарського верстата, яку використовували для випробувань на абразивне зношування при підвищених температурах. Оскільки нижня межа досліджуваного діапазону швидкостей ковзання складала 0,1 мм/с було використано два додаткові приводи установки. У першому додатковому приводу було застосовано одноступінчастий черв'ячний редуктор. Цей привод дав можливість проводити випробування в діапазоні швидкостей ковзання 5-86 мм/с. Другий додатковій привод було зібрано з використанням двоступінчастого черв'ячного редуктора. Це дозволило проводити випробування в діапазоні швидкостей ковзання 0,1-3,5 мм/с.

За одиницю зносу приймали знос зразка фериту при швидкості ковзання 3,5 мм/с (діапазон 0,1-3,5 мм/с) або 5,0 мм/с (діапазон 5-86 мм/с). Результат одиничного випробування надано у вигляді відносного зносу, що є відношенням масового зносу зразка до масового зносу еталона.

У результаті випробувань встановлено, що для кожного структурного стану зразків існує залежність відносного зносу від швидкості ковзання по абразиву. При цьому інтенсивність впливу швидкості ковзання на відносний знос є різною для зразків з різним типом структури.

Найбільш суттєво при зменшенні швидкості ковзання збільшується знос фериту. Знос мартенситу й аустеніту при зменшенні швидкості збільшується незначно.

Таким чином, при зменшенні швидкості відносного переміщення абразиву і зношуваної поверхні не відбувається інверсія порівняльного ряду зносостійкості різних типів металевої основи залізовуглецевих сплавів. У п'ятому розділі було показано, що при підвищених температурах, тобто в діапазоні швидкостей ковзання (86-3500) мм/с, структура аустеніту має максимально досяжний рівень зносостійкості (чи мінімальний знос). Нові дані показують, що аустеніт залишається найбільш зносостійкою структурною складовою і при малих швидкостях ковзання.

У сьомому розділі в результаті аналізу інформації про зносостійкість сталей і сплавів в умовах взаємодії з абразивними частинками запропоновано матеріалознавчі основи підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні.

Перш за все показано, що на цей час немає навіть єдиного формулювання терміну «абразивне зношування». Розглянуто існуючі варіанти формулювання, показано їх недоліки, і запропоновано таке визначення цього терміну:

абразивне зношування - зношування зануреними тілами.

Це формулювання знімає необхідність класифікації абразивного зношування, оскільки виключає випадки, які не є абразивним зношуванням, хоча й вважаються таким. Якщо середовище, що зношує, нездатне викликати пластичну деформацію поверхні тертя, абразивне зношування відсутнє.

Науковими засадами запропонованої системи підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів є дані про високу зносостійкість аустеніту в умовах абразивного зношування. Але забезпечити структуру аустеніту по всьому перерізу реальних деталей з нелегованих сплавів заважає графітизація, яку необхідно загальмувати легуванням. В зв'язку з цим проведено дослідження впливу легування на зносостійкість залізовуглецевих сплавів зі структурою аустеніту.

Висока зносостійкість аустенітних сплавів при абразивному зношуванні досягається у випадку, коли певний вміст вуглецю та інших елементів забезпечує температуру початку мартенситного перетворення М_п на рівні 20 ^оС. При надлишковому легуванні М_п знижується, що приводить до стабілізації аустеніту і зниженню зносостійкості сплаву.

Для підтримки температури М_п на рівні 20 ^оС концентрація вуглецю в нелегованому аустеніті має бути 2,0%. Якщо в сплаві присутній легувальний елемент, то необхідна менша кількість вуглецю. Отже, існує залежність вмісту вуглецю, достатнього для підтримки температури М_п на рівні 20 ^оС, від вмісту легувального елемента. Заданому вмісту легувального елемента X відповідає оптимальний вміст вуглецю C_x, що забезпечує максимально можливу зносостійкість аустеніту. Якщо вміст вуглецю менше оптимального (область I), то температура М_п знаходиться на занадто високому рівні. Через це під час гартування утворюється менше аустеніту, тому зносостійкість не досягає максимуму. Підвищувати вміст вуглецю більше оптимального C_x також недоцільно, тому що це занадто знижує температуру М_п, стабілізує аустеніт та знижує зносостійкість (область II).

Нестабільний аустеніт може бути одержано у широкому діапазоні вмісту вуглецю і легувальних елементів. Але аналіз літературних даних показав, що високу зносостійкість має лише високовуглецевий нестабільний аустеніт. Оскільки при збільшенні кількості легувальних елементів знижується оптимальний вміст вуглецю, то природно відбувається зниження зносостійкості. Тому вміст легувальних елементів у зносостійких сплавіах повинен бути мінімальним.

Хром і марганець є основними легувальними елементами, тому проведено порівняльні дослідження впливу хрому і марганцю на зносостійкість сплавів на основі заліза після гартування на аустеніт.

При легуванні марганцем оптимальний вміст вуглецю знижується набагато інтенсивніше, ніж при легуванні хромом. Тому при однаковій кількості легувального елемента хромисті сплави досягають більшої зносостійкості, ніж марганцеві.

Результатом цих міркувань може бути відмова від використання марганцю при створенні зносостійких сплавів. Але слід враховувати, що при виготовленні деталей з великим перерізом необхідно забезпечити достатню прогартовуваність, щоб одержати структуру аустеніту як на поверхні, так і по всьому перерізу. Як хром, так і марганець збільшують прогартовуваність, але вплив марганцю більш значний.

Аналіз ізотермічних діаграм перетворення аустеніту з різним хімічним складом показує, що мінімальний час до початку перлітного перетворення аустеніту, що містить 0,9 %С та 2,86 %Mn складає 100 с. Якщо при тому ж вмісті вуглецю в сплаві замість марганцю знаходиться хром у цієї ж концентрації, то мінімальний час до початку перлітного перетворення складає лише 10 с. Тому для створення зносостійких сплавів, із яких виробляють деталі великого переізу, необхідно використовувати марганець.

При зниженні вмісту марганцю прогартовуваність значно зменшується. Наприклад, мінімальний час до початку перлітного перетворення для аустеніту складу 0,9 %С и 1,21 %Mn знаходиться на рівні 10 с, що вже не дозволяє використовувати перевагу марганцю. Підвищення його вмісту також недоцільно, оскільки при цьому знижується оптимальний вміст вуглецю в аустеніті і, відповідно, зносостійкість. Тому необхідний і достатній вміст марганцю в зносостійкому сплаві знаходиться на рівні 3%, що обумовлює оптимальний вміст вуглецю близько 1,2%. Такий сплав можна позначити як 120Г3.

При легуванні хромом відсутня необхідність так жорстко обмежувати його концентрацію. Невеликі коливання вмісту хрому мало впливають на прогартовуватість і оптимальний вміст вуглецю. Проте з незначною погрішністю можна прийняти, що оптимальний рівень легування хромом також складає 3% при оптимальній концентрації вуглецю 1,5%. Такому хімічному складу відповідає марка 150Х3.

Таким чином, використання сталі 150Х3 для деталей малого перерізу і сталі 120Г3 для деталей з великим перерізом дозволяє в промислових умовах одержати металеву основу, що має максимально можливу зносостійкість при абразивному зношуванні. На цьому резерв підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів за рахунок металевої основи вичерпано.

Подальше збільшення зносостійкості можливо при введенні в структуру твердих вкраплень, наприклад карбідної фази. Для підвищення зносостійкості слід використовувати лише ті карбіди, твердість яких вище твердості зміцненого аустеніту, тобто 1250 HV. Тому для підвищення зносостійкості сплавів на основі заліза необхідно використовувати тільки карбіди типу MeС та Me₇C₃.

Карбіди типу MeС також використовують у виробництві твердих сплавів і карбідосталей. Тверді сплави мають дуже високу зносостійкість, але їх істотними недоліками є крихкість і занадто висока ціна. Незважаючи на те, що цей матеріал не є залізовуглецевим сплавом, слушно згадати його як гранично зносостійкий при абразивному зношуванні.

Карбіди Me₇C₃ утворюються в залізовуглецевих сплавах, легованих хромом. У роботах, виконаних у Запорізькому національному технічному університеті, показано, що перспективним способом збільшення зносостійкості хромистих сплавів є підвищення вмісту карбідної фази до рівня, при якому ще зберігається можливість використовувати високу зносостійкість аустенітної основи. Склад стандартної сталі Х12 забезпечує це оптимальне співвідношення, тому зносостійкість стали Х12 після гартування від температури 1075 ^оС є верхньою межею, яку можна досягти в залізовуглецевих сплавах за рахунок поєднання зносостійкої основи і карбідної фази високої твердості.

Узагальнення інформації про зносостійкість залізовуглецевих сплавів дає можливість визначити область раціонального використання цих сплавів для деталей машин, що у процесі експлуатації контактують з абразивом, і запропонувати алгоритм вибору зносостійкого матеріалу для умов абразивного зношування.

На першому етапі необхідно встановити, чи відбувається в даному випадку абразивне зношування. За певних умов (м'який, дрібний чи крихкий абразив, малий рівень навантаження) контактні напруження недостатні для пластичної деформації поверхні тертя матеріалу. У цьому випадку абразивне зношування відсутнє.

Далі слід розглянути питання про твердість абразиву. Якщо твердість поверхні тертя наближається до твердості абразивних частинок або перевищує її, то навіть невелике збільшення твердості поверхні тертя суттєво підвищує зносостійкість. У багатьох випадках абразивного зношування деталей твердість абразиву (наприклад, шамоту) не перевищує 1500 HV (15 ГПа), тому сталі типу Х12 з аустенітокарбідною структурою можна з успіхом використовувати.

Якщо твердість абразиву перевищує умовний поріг 15 ГПа, то зносостійкість стали Х12 зі структурою аустеніту підвищується незначно, і єдиним доцільним варіантом збільшення зносостійкості за допомогою звичайних сталей є сталь 150Х3 після гартування від температури 1070 ^оС. Якщо термін служби деталі зі сталі 150Х3 є прийнятним, то перешкодити його використанню може тільки недостатня прогартовуваність деталі. У цьому випадку слід використовувати сталь 120Г3, що дозволяє суттєво збільшити прогартовуваність при незначній втраті зносостійкості.

В восьмому розділі наведено результати досліджень зносостійкості нових сталей 150Х3 та 120Г3.

Прикладом деталей, для виготовлення яких доцільно використовувати сталь 150Х3, можуть бути пластини прес-форм для пресування будівельної сілікатної цегли. До теперішнього часу пластини виготовляють із сталі 20Х з подальшою цементацією та гартуванням на мартенсит.

Плавку сталі для дослідної партії пластин проводили в індукційній тигельній печі з розливкою металу до виливниць. При подальшому куванні зливків одержано смуги шириною 170 мм та 17 мм завтовшки. Смуги відпалювали. Твердість металу після відпалу склала 210-230 HV. Структура - перліт та вторинні карбіди.

У результаті випробувань на абразивне зношування за ГОСТ 17367-71 встановлено, що максимальна зносостійкість сталі 150Х3 досягається після гартування від температури 1070-1090 ^оС, коли фазовий склад сталі відповідає вмісту 98% аустеніту і невеликої калькості мартенситу (2%).

Із сталі 150Х3 виготовлено експериментальні пластини прес-форм. Товщина пластин 11 мм. Термічна обробка - гартування від температури 1070 ^оС в олію. Нагрівання проводили в соляній ванні. Випробування пластин проведено на пресі СМС 152 при пресуванні силікатної цегли (ЗАТ «Запорізький комбінат будівельних матеріалів»). Встановлено, що термін служби експериментальних пластин із сталі 150Х3 мінімум удвічі перевищує термін служби пластин з цементованої і загартованої на мартенсит сталі 20Х.

Масовим прикладом деталей, при виробленні яких доцільно використовувати сталь 120Г3, можуть бути молольні кулі, що використовуються для помелу гірської породи та інших абразивних матеріалів.

Експериментальні кулі діаметром 100 мм із сталі 120Г3 виготовляли литвом у суху піщану форму. Плавку проводили в індукційній тигельній печі. Шихта - сталь У7, феромарганець Фмн78РБ-6 та електродний вуглець. Мікроструктура литої сталі - перліт і вторинній цементит.

Зразки для випробувань на абразивне зношування за ГОСТ 17367-71 виготовлено з відпалених частин виливок. Гартування зразків проводили від різних температур у діапазоні 750-950 ^оС.

При гартуванні від температури 750 ^оС досягається максимальна твердість зразків на рівні 800 HV. Підвищення температури гартування приводить, як і очікувалося, до розчинення карбідної фази, збільшенню вмісту аустеніту в структурі і, як наслідок, зниженню твердості. При гартуванні від температури 930 ^оС твердість складає 246 HV і з подальшим підвищенням температури практично не змінюється (242 HV після гартування від 950 ^оС). Після гартування від 950 ^оС в основі сталі присутні 91% аустеніту і 9% мартенситу. Невелика кількість надлишкових карбідів розташована по границям зерен, що обумовлено дендритною ліквацією вуглецю.

Незважаючи на зниження твердості при підвищенні температури гартування зносостійкість сталі 120Г3 збільшується і досягає максимуму при гартуванні від температури 950 ^оС.

Для проведення рентгеноструктурного аналізу фазового складу поверхні сталі 120Г3 зі структурою аустеніту після абразивного зношування виготовлено зразки для стендових випробувань розміром 90х30х10 мм. Зразки гартували від температури 950 ^оС і зношували шамотом при тиску 5 МПа. Дані дифрактограми, яку одержали безпосередньо зі зношеної поверхні, свідчать про те, що поверхневий шар зразка стали 120Г3 після абразивного зношування містить 90% мартенситу та 10% аустеніту. Це підтверджує, що в поверхневому шарі нової сталі 120Г3 зі структурою метастабільного аустеніту при абразивному зношуванні відбувається зміцнення за рахунок фазового перетворення.

Аналіз глибини загартованого шару експериментальних куль діаметром 100 мм із сталі 120Г3 показав, що структуру аустеніту одержано на глибині 30-40 мм, що є цілком достатнім для забезпечення однакової зносостійкості куль за весь термін роботи.

На цей час сталь 120Г3 прийнято до впровадження на ОАО “Херсонський завод карданних валів” як матеріал для виготовлення молольних куль великого діаметру. Результати лабораторних та промислових випробувань дозволили визначити очікуваний річний економічний ефект по підприємству від впровадження у розмірі 11034,75 тис.грн., з них 1103,00 тис.грн. приходиться на результати досліджень, які викладено в дисертації.

Висновки

Абразивне зношування є найбільш агресивним видом руйнування робочих поверхонь деталей машин і устаткування. Незважаючи на великий інтерес дослідників до абразивного зношування матеріалів, у теперішній час потенційні можливості залізовуглецевих сплавів як зносостійких матеріалів повністю не реалізовано, що є актуальною проблемою матеріалознавства. З метою вирішення цієї проблеми у роботі запропоновано експериментальну і теоретичну бази для створення і використання сплавів на основі заліза раціонального складу, які є зносостійкими при абразивному зношуванні. Узагальнення результатів досліджень дозволяє сформулювати такі висновки.

1. Визначено порівняльний ряд зносостійкості можливих фаз металевої основи нелегованих залізовуглецевих сплавів у стандартизованих умовах абразивного зношування без нагрівання (ГОСТ 17367-71): ферит - мартенсит - аустеніт (у порядку збільшення зносостійкості). Високу зносостійкість аустеніту обумовлено спільними процесами фазових перетворень у поверхневому шарі та механічного наклепу до гранично можливого стану.

2. Вперше встановлено вплив швидкості ковзання (0,1мм/с - 3,5 м/с) і фрикційного нагрівання (20-290 ^оС) на зносостійкість нелегованих залізовуглецевих сплавів з різним структурним станом.

...