Износостойкость чугуна

22.10.2019

Износ, который во многих случаях определяет долговечность деталей и самих машин, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в периодическом соприкосновении. Эти разрушения происходят, несмотря на сравнительно ничтожное нормальное давление, что объясняется неравномерным распределением напряжении, особенно резко проявляющихся при сухом трении.

При трении первого рода — скольжении, которое представляет наибольший интерес, наряду с упругими деформациями происходят пластические и разрушающие деформации — смятие и срез, а иногда и вырывание частиц (при хрупком материале). При этом происходит также нагрев трущихся тел и в зависимости от температуры — отжиг или закалка активного слоя с соответствующим изменением его структуры и свойств.

При трении второго рода — качении, встречающемся значительно реже (подшипники качения, зубчатые передачи), соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющиеся циклы, что вызывает контактную усталость и соответствующий износ.

Во всех случаях пластические деформации, вызывая повышенную активность поверхностного слоя металла, приводят в той или иной степени к окислению как его самого, так и продуктов износа. Эти окислы влияют на результаты трения, в особенности сухого, так как меняют коэффициент трения и условия износа. При этом процессы окисления могут повышать износ, особенно при работе в агрессивных средах, либо, наоборот, понижать его, предохраняя пару от непосредственного контакта или способствуя образованию порошкообразных продуктов, легко удаляемых из сферы износа. Таким образом, износ является весьма сложным физическим и химическим процессом, зависящим от большого количества факторов, что весьма затрудняет его исследование ввиду отличия лабораторных условий от реальных, служебных. Поэтому в большинстве случаев окончательное суждение о поведении материала производится по натурным испытаниям.

Чугун занимает важное место среди износостойких материалов, и из него изготовляются многие отливки, работающие на износ: шестерни, подшипники, колеса, тормозные колодки, направляющие станков, суппорты, цилиндры или втулки двигателей, поршни и поршневые кольца, валки, мельничные шары, катки и др. Как велик может быть на этих отливках износ, видно из того, что нормальным считается изнашивание автоцилиндра в 0,01 мм при пробеге в 2000 км. Тормозная колодка паровоза выходит из строя после 6—7 тыс. км. Износ направляющих токарных станков достигает 0,2 мм в год. Во всех случаях особое внимание уделяется повышению износостойкости наиболее дорогих и трудно сменяемых частей сопрягаемых пар машины (вал, цилиндр и др.), иногда за счет большого износа более дешевых и легче сменяемых частей (подшипники, поршневые кольца и др.) хотя следует иметь в виду, что большой износ одной детали очень часто вызывает повышенный износ и контртела. Исключительно важно повышение износостойкости деталей прецизионных станков и приборов, так как даже сравнительно малый износ делает их негодными и выводит из строя.

Как указывалось, в процессах износа всегда имеет место то или иное повышение температуры, которое может быть рассчитано при трении скольжения по следующей формуле:
Износостойкость чугуна

где а — коэффициент, учитывающий распределение тепла между пространством и телом, близкий по величине к единице;

u — коэффициент трения;

р — давление;

l — длина тела;

v — скорость скольжения;

I — механический эквивалент тепла;

b — коэффициент тепловой активности материала.

В процессе трения иногда происходит оплавление и задир. Кроме того, вследствие больших скоростей нагрева и охлаждения в активном слое могут произойти резкие изменения структуры на ту или иную глубину, а следовательно, и изменение коэффициента трения. Как показали В.П. Гречин, Е.А. Марковский, Р.А. Флин и др., на чугуне, как и на стали, в тяжелых условиях износа, в частности при задирах, образуется особая белая полоска, имеющая мартенситную структуру, включения карбидов и высокую твердость. Это явление наблюдается также при смазке (на поршневых кольцах), поэтому даже в этих условиях происходит нагрев до температуры, превышающей температуру фазового превращения и доходящей иногда даже до эвтектической.

Для устранения этого явления, а следовательно, и заедания следует идти по пути уменьшения давления, скорости движения и коэффициента трения, увеличения теплопроводности и зазоров, улучшения смазки и удаления продуктов износа. В связи с этим, применяя чугунные подшипники вместо бронзовых, нужно увеличивать зазоры на 10—15% и обеспечивать высокое качество обработки и определенную чистоту трущихся поверхностей, не переходя, однако, в этом отношении известных пределов, так как для лучшей приработки необходима определенная микрошероховатость, например 0,25—1,25 мк.

Из всего сказанного ясно, какую большую роль в износных процессах играет коэффициент трения, который в зависимости от условий может меняться на целый порядок или больше. Большое влияние в этом отношении оказывает прежде всего смазка, при которой коэффициент трения составляет 0,001—0,10 против 0,12— 0,8 в случае отсутствия смазки, причем величина этого коэффициента зависит от характера трения, строения и свойств пары, от давления и скорости движения. Так, например, для тормозных железнодорожных колодок, которые, как и другие фрикционы, должны характеризоваться большим коэффициентом трения, влияние давления (р) и скорости движения (v) выражается, по данным НИИЖТ, следующим образом:

Из этого выражения следует, что значение u понижается с увеличением давления и скорости движения. То же имеет место и в других случаях сухого трения, в особенности при малых скоростях движения, причем максимальное значение u соответствует определенным значениям р и о, сверх чего наступает задир и коэффициент трения резко увеличивается. При жидкостном трении влияние давления и скорости давижения выражено в меньшей степени и в зависимости от развиваемой температуры, вязкости масла и образованной окисной пленки может вовсе не проявиться или даже измениться в противоположную сторону.

Несмотря на всю сложность рассматриваемого явления, возможно все виды износа представить следующей простой классификацией: абразивный износ, износ при сухом трении, износ при трении со смазкой и эрозионно-кавитационный износ. Во всех случаях износ, как и коррозия, определяется скоростью потери металла и измеряется обычно в Г/м2*ч или мм/год, а при размалывании минералов, руд или углей — в кГ/т. При применении метода изотопов детали облучаются тем или иным способом и изнашивание определяется по увеличению интенсивности радиоактивного излучения продуктов износа, попадающих в смазку. В этом случае скорость процесса изображается тангенсом угла наклона линии изменения активности масла или количеством импульсов в единицу времени.

Абразивный износ представляет собой процесс царапанья и резания. По своему характеру он может быть дробящим (режущим), мелющим и эрозионным и соответственно происходить в условиях: а) ударного истирания при различных скоростях движения; б) деформирования, размалывания и истирания при высоком давлении зернистым абразивным материалом, расположенным между трущимися деталями; в) разъедания и истирания при сравнительно низких давлениях взвешенными в жидкости или в газе абразивными частицами. При этом износ может быть мокрым или сухим и сочетаться в той или иной степени с коррозией. Очевидно, что выбор состава металла зависит от характера и условий износа и свойств абразивного материала. Так, например, в случае ударного истирания преимущества имеет обычно сталь, в частности марганцевая, в остальных случаях — чугун с той или иной твердостью и прочностью.

Абразивный износ играет большую роль в современной добывающей промышленности, при транспортировке и обогащении угля, руд, минералов, а также в производстве цемента, огнеупоров и других подобных видов продукции. Износостойкость соответствующих деталей оборудования имеет большое экономическое и техническое значение и обусловливает долговечность и надежность машин. Таковы различные отливки для центробежных Песковых насосов и флотационных машин, мелющие шары, ролики, цильпебсы, футеровочные плиты для различных размалывающих мельниц, сопла для дробе- и пескодробеструйных аппаратов, детали для гусеничных цепей, тракторов и танков, лемехи для сельскохозяйственных машин, чаши и катки бегунов и т. п.

Согласно М.М. Хрущову и М.А. Бабичеву объемный абразивный износ W прямо пропорционален давлению р и обратно пропорционален твердости гомогенного металла HV

где с — коэффициент пропорциональности.

Этот вывод в большинстве случаев распространяется и на гетерогенные сплавы, в том числе на чугун, причем В.П. Гречин считает, что для всех видов износа при малых удельных давлениях наиболее правильным (хотя и приближенным) критерием износостойкости является твердость по методу царапанья (разрушение от среза), а при больших давлениях — твердость по методу вдавливания (разрушение от смятия).

В условиях абразивного износа используются как графитизированные, так и белые чугуны. Первые имеют применение в условиях ударных нагрузок, когда вопросы вязкости и прочности превалируют. Особенно целесообразно при этом применение чугуна с шаровидным графитом и бейнитной матрицей. Так, например, Н.А. Воронова и др. с успехом применили этот чугун для цильпебсов. Точно так же и в случае лемехов плуга стойкость чугуна с шаровидным графитом в 4—5 раз превысила стойкость отбеленного чугуна. Такая же эффективность применения чугуна с шаровидным графитом после изотермической обработки (260—350°) подтверждена и другими работами. Таким образом, твердость в указанных условиях перестает иногда быть определяющим фактором сопротивления износу. В частности, как это видно из рис. 296, потери при эрозии в общем закономерно снижаются при повышении твердости в чугунах разного типа, но аустенитные структуры могут иметь преимущество перед перлитными, несмотря на их меньшую твердость.

В других же условиях при отсутствии больших ударных нагрузок наилучшим износостойким материалом является белый чугун, состав которого устанавливается в зависимости от величины действующих напряжений, развиваемой температуры, характера абразива. Однако при сравнительно больших нагрузках приходится иногда и в этом случае снижать содержание углерода и фосфора в белом чугуне, несмотря на то, что твердость металла при этом уменьшается. Кроме того, следует учитывать и развиваемую при трении температуру, с увеличением которой необходимо легирование чугуна с целью повышения его жаропрочности, жаростойкости и стабильности карбидов. Наилучшим критерием износостойкости в этих условиях, вероятно, является горячая твердость, но она, к сожалению, редко определяется.

Варьируя состав белых чугунов, можно значительно изменять их свойства, а следовательно, и срок службы отливок в разных условиях. Как уже указывалось, увеличение содержания углерода в них приводит к повышению твердости: у перлитных чугунов она может увеличиться при изменении содержания углерода с 2,5 до 3,75% с HRC 35 до 57, а у мартенситных — с HRC 40 до 65. Однако прочность и пластичность чугунов в этом случае понижаются. Точно так же возможно изменение свойств этих чугунов путем легирования их хромом, никелем, молибденом или частичной их графитизацией, но в последнем случае понижается их твердость.

В особо жестких условиях наилучшей абразивостойкостью, в том числе и против эрозионного износа, отличаются белые мартенситные чугуны типа нихард или высокохромовые чугуны с содержанием 12—17% Cr, характеризующиеся карбидами типа Cr7С3. Эти чугуны превосходят по стойкости не только графитизированный чугун, в том числе и с шаровидным графитом, но и любые сорта стали; их преимущества еще и в том, что они изнашиваются более равномерно. При этом в них можно повышать содержание углерода, а следовательно, и твердость, с которой абразивостойкость находится в прямой зависимости, хотя параллельно с этим большое значение имеет также дисперсность структуры, в частности — карбидов.

Высокая твердость в этих сплавах получается как за счет образования специальных карбидов, так и за счет получения более дисперсных продуктов распада аустенита. Однако следует иметь в виду, что с увеличением содержания хрома сверх 15% твердость, несмотря на наличие специальных карбидов, понижается вследствие образования феррита. Предотвращение такой кристаллизации возможно путем ускорения охлаждения, термической обработки (нормализация с 950—1150° C в зависимости от химического состава металла и толщины отливки) или дополнительного легирования, например молибденом (1,2—4,0%), что обеспечивает получение бейнитной или мартенситной матрицы с небольшим количеством остаточного аустенита. При легировании же никелем и марганцем твердость понижается из-за интенсивного образования аустенита. При этом возможно повышение поверхностной твердости при ударных нагрузках и наклепе, что образует твердый рабочий слой и вязкую сердцевину, но иногда может быть опасным вследствие объемных изменений и образования сжимающих напряжений в наружном слое. В этом случае пользуются обработкой холодом или отжигом (300—600° С) для превращения аустенита.

В качестве оптимального состава высокохромового сплава для отливок, предназначенных для работы в условиях гидроабразивного износа, ВНИИПТуглемаш рекомендует: 2,6—3,0% С, 0,4—1,0% Si, 0,5—1,0% Mn, 11,5—13,0% Cr и 1,2—1,6% Mo с отжигом и нормализацией при 930° С и с отпуском при 200—230° С в течение 2 ч. Однако для сравнительно тонкостенных отливок, как показали совместные исследования ЛПИ и Mexaнобра, вполне возможно обойтись без молибдена с небольшим легированием никелем и хромом. При этом применение повышенного содержания углерода в этих сплавах (3,8—3,9%) и модифицирование его для измельчения структуры значительно повышают его износостойкость. С этой же целью целесообразно некоторое легирование чугуна ванадием (0,1—0,5%). При этом вязкость высокохромового чугуна может быть повышена термообработкой, а также быстрым охлаждением, в частности путем применения кокилей. Большим преимуществом этих чугунов является также удовлетворительная обрабатываемость, которая, как и высокая абразивостойкость, является в значительной мере следствием расположения карбидов в виде отдельных вкраплений в мартенсите, а не в виде непрерывной фазы.

Ю.Г. Бобро приводит ряд примеров целесообразного использования также алюминиевых чугунов в условиях абразивного износа. Как видно из рис. 297, величина гидроабразивного износа высокопрочного чугуна уменьшается с увеличением твердости и содержания алюминия свыше 2%, что объясняется не только легированием феррита, но и образованием двойных карбидов типа Fe3AlCn.

Еще большего можно достичь при комплексном легировании графитизированных и белых чугунов алюминием, марганцем и другими элементами. Примером может служить состав 3,14% С; 1,42% Si; 4,6% Mn; 2,2% Al; 1,85% Cr и 0,52% V, хорошо зарекомендовавший себя по сравнению с другими:

Высокую стойкость показал также чугун состава: 2,5—3,0% С; 0,8—1,2% Si; 2—3% Mn; 3—5% Cr; 2—4% Al. Матрица этих чугунов может быть получена весьма разнообразной путем применения термической обработки или варьирования содержания легирующих элементов, например марганца (рис. 298). Наконец, следует указать на очень высокую абразивостойкость алюминиевых чугунов второй карбидной зоны типа пирофераль, что, к сожалению, еще не используется практикой.

Износ при сухом трении является частым случаем как в условиях скольжения, так и при качении. Так работают прокатные валки, соединительные тарелки, тормозные колодки и барабаны и некоторые зубчатые колеса, не говоря уже о том, что сухое трение может наступить также в условиях граничной смазки.

Износостойкость при сухом трении, так же как при абразивном износе, находится, как правило, в прямой зависимости от твердости, хотя, как показал Е.А. Марковский, в некоторых случаях, например при плоском скольжении и в сравнительно мягких условиях износа (р = 4 кГ/см2), зависимость эта имеет обратный характер и мартенситная структура оказывается наименее стойкой, что объясняется, вероятно, худшей прирабатываемостью более твердых чугунов. В обычных же условиях и после процесса приработки твердость, как правило, является положительным фактором. Однако вследствие больших напряжений, действующих обычно при сухом трении, в этом случае применяются уже не белые, а графитизированные или отбеленные чугуны. При этом высокие температуры, развиваемые при сухом трении, требуют повышения специальных свойств чугуна и по возможности — хорошей теплопроводности, термостойкости, отсутствия фазовых превращений в области рабочих температур и низкого модуля упругости для уменьшения развиваемых напряжений. При тормозных устройствах необходимо, кроме того, одновременное обеспечение в отливках высоких значений износостойкости и коэффициента трения, что в известной степени противоречиво. Во всех этих случаях сухого износа наилучшим металлом является чугун, характеризующийся более равномерным износом, чем сталь, хотя при сухом трении это проявляется в меньшей степени, чем при смазке или абразивном износе.

Очень важным и определяющим фактором износа при сухом трении, особенно для мягких материалов, является давление. Как показали Б.Н. Середенко и А.О. Матвеева, износ в этом случае изменяется по степенной зависимости

где n = 1,1/1,12 для серого чугуна, n = 1,15/1,18 для высокопрочного чугуна и n = 1,15 = 1,20 для стали.

При критическом давлении, зависящем от скорости движения и материала, происходит задир, как это видно из рис. 299. Это критическое давление для чугуна меньше, чем для стали:

Для высокопрочного чугуна в условиях сухого трения нормальная работа без заедания и схватывания обеспечивается при значениях pv до 45 кГ/смг*м/сек, хотя следует иметь в виду, что сам по себе износ при допустимом давлении уменьшается с увеличением скорости скольжения.

Большое влияние оказывают, конечно, состав и структура чугуна. Как показали исследования К.П. Бунина и А.Е. Кривошеева, износ отбеленного чугуна в условиях сухого трения по стали уменьшается с увеличением количества и дисперсности ледебурита, а грубый конгломерат с монолитными карбидами, образующийся при медленном охлаждении и высоком содержании серы и фосфора в белом чугуне, увеличивает износ примерно с 1,2 до 2 мГ/см2*ч. Износ увеличивается также при образовании крупного анормального перлита:

Точно так же установлено, что при увеличении количества графита, а следовательно, и серой составляющей в рабочем слое отбеленных валков износостойкость их резко снижается:

Так же действует поэтому повышение содержания углерода в валках из серого чугуна:

В отбеленном чугуне, напротив, увеличение содержания углерода (до эвтектической концентрации) является важнейшим положительным фактором износостойкости, что объясняется повышением твердости чугуна (рис. 300) и некоторым увеличением дисперсности эвтектики. Однако при этом понижается термостойкость, поэтому содержание углерода в металле приходится понижать, и в тем большей степени, чем жестче условия эксплуатации. В этом отношении значение имеет также форма графита в центральных частях отливки. Как видно из рис. 300, шаровидный графит обеспечивает большую термостойкость, чем пластинчатый. При модифицировании чугуна магнием, как известно, твердость его повышается, поэтому увеличение содержания углерода с целью получения более правильной формы графита в этом случае является полезным для повышения не только термостойкости, но и износостойкости.

В отношении влияния других элементов мнения исследователей не всегда однозначны, как это видно, например, из рис. 301. Все же кажется наиболее вероятным считать, что кремний понижает, а фосфор повышает износостойкость; это находится в соответствии с их влиянием на твердость белого чугуна. Из рис. 301, а также видно, что благоприятное влияние марганца, никеля и молибдена проявляется в сравнительно небольших пределах. Однако целесообразность того или иного элемента в условиях сухого трения и повышенной температуры следует оценивать еще с точки зрения термостойкости и образования трещин в отбеленном слое. В этом отношении влияние фосфора, например, явно отрицательно (рис. 301, б), поэтому, несмотря на его положительную роль в отношении некоторых литейных свойств (жидкотекучести, образования горячих трещин), содержание его в валках, особенно при шаровидном графите, стремятся в последнее время максимально снизить, как это видно из данных П.П. Дорощенко для случая горячей прокатки толстого и среднего листа:

Валками из низкофосфористого чугуна стало возможно заменить стальные, и притом повысить их стойкость в 3—4 раза.

В менее жестких условиях успешно применяются графитизированные чугуны с перлитной, бейнитной или мартенситной матрицей, причем последние получаются как путем легирования, так и путем термообработки. В некоторых случаях, например для валков, при этом допустима и перлито-цементитная структура, обеспечивающая наиболее высокую износостойкость.

Для направляющих втулок клапана автомобильных двигателей наилучшей матрицей оказались игольчатые продукты распада аустенита при 20—30% остаточного аустенита со средним по размерам графитом. Наилучшие результаты лабораторных исследований на машине Савина показали поэтому образцы после изотермической закалки:

То же подтверждается для высокопрочного чугуна. Так, например, исследования Р.Л. Снежного и других на машине МИ показали, что даже при одной и той же твердости (HB 321—341) износ высокопрочного чугуна при изотермической обработке меньше, чем при нормализации. Поэтому высокопрочный чугун, обработанный изотермической закалкой при 250—350° С, хорошо зарекомендовал себя для массивных опорных роликов трактора С-100.

В графитизированных и белых чугунах, как видно из табл. 43, значительную пользу может принести повышение содержания фосфора как при трении скольжения, так и при трении качения.

Однако когда одновременно с износостойкостью нужна и термостойкость, например в тормозных барабанах, в которых возможно образование трещин, содержание фосфора должно быть низким (не более 0,25%). Если опасности образования трещин нет, то фосфор повышают иногда до 1,6% для увеличения коэффициента трения (в железнодорожных тормозных колодках во Франции).

Из легирующих элементов в графитизированных чугунах чаще всего применяются хром, никель, молибден, медь. По данным Ю.Г. Бобро, полезным в этом отношении оказывается также алюминий (—6,8%), причем такой чугун удовлетворительно обрабатывается, несмотря на его высокую твердость (ИВ 250).

Некоторые исследования показали возможность применения в условиях сухого трения также аустенитных марганцевых чугунов, например для малых конических шестерен бегунов, срок службы которых при этом повысился в 2—3 раза. Сопоставление свойств этих и обычных чугунов при испытании на машине МИ представлено в табл. 44. В отношении стойкости против абразивного износа лучше всего показал себя чугун с 5,5% Mn, 4% Si и 0,04% Ce с аустенито-мартенситной матрицей и с шаровидным графитом.

Повышенная стойкость аустенитного (марганцевого) чугуна, как и соответствующей стали, очевидно, объясняется образованием наклепа и вторичной твердости. Из табл. 44 также видно благоприятное влияние шаровидного графита. Это положение справедливо и для других случаев сухого трения, так как практически всегда наилучшей формой графита является шаровидная. За ней следует равномерно распределенный пластинчатый графит средней величины, худшие показатели получаются при тонких длинных выделениях, и, наконец, самая низкая износостойкость имеет место при точечном и междендритном графите. Однако следует иметь в виду, что износ контртела при пластинчатом графите обычно меньше, чем при шаровидном. Кроме того, вследствие меньшей теплопроводности высокопрочный перлитный чугун может оказаться менее благоприятным в условиях высокого и резкого нагрева, например в тормозных устройствах, хотя некоторые исследователи и в этом случае предпочитают шаровидный графит, несмотря на то, что коэффициент трения при этом несколько уменьшается. В этом случае, как видно из рис. 302, оптимальной структурой матрицы, обеспечивающей одновременно низкий износ и достаточно большой коэффициент трения, а значит, и короткое тормозное расстояние, является перлитная с твердостью HB 190—240. Повышение твердости сверх указанного предела приводит к дальнейшему уменьшению износа, но вместе с тем и к увеличению тормозного расстояния вследствие уменьшения коэффициента трения.

В особых случаях очень больших тормозных напряжений и резкого изменения температуры с успехом применяются высокопрочные ферритные чугуны, характеризующиеся высокими механическими свойствами (прочностью и пластичностью) и большой термостойкостью вследствие повышенной теплопроводности матрицы.

Некоторые примеры химического состава чугунов, применяемых для отливок, работающих в условиях сухого трения, представлены в табл. 45.

Износ при трении со смазкой является наиболее распространенным и важным, но в то же время и самым сложным случаем процесса изнашивания. Так работают подшипники, цилиндры, поршневая группа моторов, валы, детали станков, шестерни и др. Условия износа во всех этих случаях весьма разнообразны. Так, например, детали могут работать при больших поверхностях контакта и малых удельных давлениях (втулки, поршневые кольца) или, наоборот, при малых поверхностях контакта и больших давлениях (кулачковые валы, шестерни); контакт при движении может быть непрерывным или периодическим; движение может быть возвратно-поступательное или непрерывное; одно из тел трущейся пары обычно является подвижным, другое находится в покое. Все это еще усложняется свойствами и обеспеченностью поступления смазки, которая, разделяя трущиеся поверхности, воспринимает давление, понижает коэффициент трения, резко уменьшает износ и, казалось бы, сводит на нет роль самого металла. Вместе с тем, в зависимости от условий всегда возможны в той или иной степени непосредственные металлические контакты, особенно в процессе приработки, и поэтому выбор состава и структуры металла в данном случае так же важен, как и подбор смазки и обеспечение се бесперебойного поступления. Однако нужно признать, что эта проблема выбора металла ввиду ее большой сложности до сих пор в полной мере не разрешена.

К металлу, работающему в указанных условиях, предъявляется много разнообразных требований: хорошая и быстрая прирабатываемость, низкий коэффициент трения и малый износ как самой детали, так и контртела, способность хорошо удерживать непрерывную масляную пленку и противостоять задирам и схватыванию, образовывать легко удаляемые продукты износа, сохранять высокие свойства при рабочих температурах и т. п. Все указанные свойства можно объединить под названием антифрикционных, определяющих поведение металла в условиях трения со смазкой, хотя иногда этому термину приписывают ограниченную роль, например только прирабатываемость или низкий коэффициент трения.

Всем этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет гетерогенная структура, в которой одна из фаз характеризуется резко отличной высокой твердостью и в процессе работы выдвигается над общей поверхностью, воспринимая давление, а другая, более мягкая и более изнашиваемая фаза, создает резервуары для стока продуктов износа и условия для удержания масляной пленки. Кроме того, структура должна быть сравнительно хрупкой для того, чтобы образовать хорошо удаляемые продукты износа, избежать намазывания и иметь более низкий коэффициент трения; некоторая пластичность допускается только для обеспечения приработки, если нельзя применить для той же цели пластичные и пористые покрытия с большим коэффициентом трения (лужение, сульфидирование и т. п.). Такими свойствами обладает структура чугуна, в которой роль твердой фазы играют карбиды или фосфидная эвтектика, а роль более мягких фаз — феррит и особенно графит, положительное значение которого еще увеличивается вследствие того, что он служит твердой смазкой. Поэтому чугун (графитизированный) считается прекрасным антифрикционным материалом, который для некоторых деталей, например поршневых колец, практически не имеет даже достойных конкурентов.

Главными факторами, определяющими возможность применения чугуна как антифрикционного материала, являются давление и скорость движения, причем величина критического давления в этом случае может быть значительно повышена по сравнению с условиями работы деталей при сухом трении (рис. 300). Условия применения разных марок антифрикционного подшипникового чугуна, предусмотренные ГОСТом 1585—57, приведены в табл. 46.


Согласно этим данным максимальное значение pv для высокопрочного чугуна не должно превышать 120 кГ/см2*м/сек, хотя Е.А. Марковский допускает pv до 200 кГ/см2*м/сек. Приведенные в табл. 45 чугуны являются преимущественно перлитными. Вместе с тем, как уже давно показал Ф.Н. Тавадзе, а затем и другие, в ряде случаев ненапряженных режимов, более грубой обработки вкладыша, применения незакаленного вала, граничной смазки хорошо оправдывает себя для чугунных вкладышей ферритная структура с повышенным содержанием фосфора (0,5—1,0%) и с низкой твердостью (HB 130—150), получаемой в результате отжига или увеличенного содержания кремния. Такой чугун лучше прирабатывается и допускает меньшую чистоту обработанной поверхности. При этом, как и при применении перлитного низкофосфористого чугуна, всегда следует обеспечить более высокую твердость (на HB 20—50) и большую чистоту поверхности шейки вала, чем у чугунного вкладыша.

Большая разница в твердости деталей совместно работающей пары со смазкой стала в последнее время общим требованием. В.П. Гречин считает, например, необходимым доводить эту разницу во всех случаях до HB 50—100, причем более твердой в условиях возвратно-поступательного движения должна быть деталь, характеризующаяся непрерывным контактом. Автор объясняет это тем, что мягкое тело не может срезать при приработке выступы контактов, а вызывает пластическое деформирование, закрывая микропоры и замыкая смазку в глубине деформированного слоя. Поэтому при закаленных гильзах следует применять еще более твердые хромированные кольца, в противном случае закалка гильз не будет полезной. Значение же абсолютного уровня твердости трущейся пары при обеспеченной смазке не слишком велико и некоторыми исследователями даже отрицается, что нельзя признать правильным, как и ориентацию на твердость вне зависимости от структуры, роль которой является в данном случае определяющей.

В этом отношении следует указать, что наименее износостойкой структурной составляющей является феррит, хотя стойкость его может быть повышена некоторыми легирующими упрочняющими элементами (Ni, Cu, Cr). Наличие феррита оказывается полезным только при сравнительно мягком контргеле, при малых давлениях и скоростях, в особенности при трении качения и непрерывном одностороннем вращении, а также при возможных перекосах трущейся пары и в процессе приработки. В большинстве же случаев перлит имеет значительные преимущества, в особенности при трении скольжения и возвратно-поступательном движении. Так, например, при испытании серого чугуна была найдена следующая зависимость:

Ta же зависимость наблюдается в ковком и высокопрочном чугунах, как это видно из рис. 303 по данным Е.А. Марковского и др. Допустимое без заметного снижения износостойкости количество феррита в этих чугунах (~25%) оказывается больше, чем в сером чугуне (около 5% при низком содержании фосфора и 10—15% — при повышенном).

Из рис. 304 видно, что кроме количества перлита значение имеет и его форма: при больших давлениях лучше всего проявляет себя мелкодисперсный сорбит, а хуже всего - зернистый перлит (глобулярные включения карбидов легче вырываются из матрицы и действуют как абразивы), в то время как при сравнительно малых давлениях (до 12,5 кГ/см2) дисперсность и форма перлита не оказывают заметного влияния.

Такой же вред могут принести отдельные твердые включения карбидов или фосфидов. Если же фосфидная эвтектика находится в виде сетки или в прочной перлитной матрице, то она, как уже указывалось, приносит несомненную пользу. В связи с этим интересно отметить, что в противоположность советской практике зарубежные заводы во многих случаях успешно применяют фосфористые чугуны даже для ответственных станочных деталей:

В условиях особо напряженных режимов, например для цилиндровых втулок морских дизелей, с успехом применяют иногда чугуны со структурно свободным цементитом:

В условиях напряженных режимов часто оправдывают себя структуры с игольчатым строением продуктов распада аустенита, особенно после изотермической обработки. Так, например, лабораторные испытания Т.Г. Демидовой и М.Н. Кунявского показали, что износостойкость обработанного таким образом чугуна повышается в 3—17 раз; по исследованиям И. Чикеля и Г. Мюнча износ в этом случае уменьшился в 1,3—3 раза, по данным — на 20—89%. Эксплуатационная проверка влияния изотермической закалки на износ цилиндровых втулок, проведенная П.П. Немковым и А.И. Габерцетелем, подтвердила эти заключения (рис. 305). К таким же выводам пришли при исследовании коленчатых валов А. А. Горшков и М.В. Волошенко:

Однако поведение изотермически обработанных валов, по-видимому, зависит от материала и свойств вкладышей. Так, например, Е.А. Марковский и др. нашли, что при трении по плитке из свинцовистой бронзы износ и коэффициент трения такого чугуна выше, чем у перлитного, но лучшие результаты могут быть получены при контртеле с твердостью не менее HB 100.

Несмотря на указанные преимущества изотермической обработки, в ряде случаев более удобной считают обычную закалку, особенно поверхностную (лучше всего высокочастотную), которая и применяется, например, для параллелей некоторых прецизионных станков, цилиндровых втулок и других отливок. При этом, однако, следует обязательно обеспечивать правильное соотношение твердостей сопрягаемой пары, иначе применение термической обработки может привести к обратным результатам. Возможно, что именно по этой причине В.П. Гречин пришел к заключению, что термическая обработка поршневых колец из серого чугуна в общем неблагоприятна, так как низкоотпущенные недостаточно стойки при повышенных температурах, а высокоотпущенные излишне пластичны. Поэтому для получения игольчатых структур следует предпочитать легирование, при котором термообработка еще более эффективна.

Весьма благоприятной в условиях трения со смазкой является аустенитная структура как с пластинчатым, так и с шаровидным графитом. Так, например, для цилиндровых автомобильных втулок ГАЗ успешно используется чугун ЧН15Д7Х2; такой же чугун, а также обработанный магнием (ЧН15Д3ХШ) рекомендует В.П. Гречин как наиболее теплостойкий и пригодный в условиях значительного повышения температуры.

He меньшее, а может быть, даже большее значение для износостойкости при трении со смазкой имеют количество, форма и расположение графита в структуре. Общепризнанным можно считать благоприятное влияние большого количества графита, вследствие чего следует предпочитать чугуны с более высоким содержанием углерода и низким содержанием кремния. Наилучшими формами графита являются среднепластинчатая, не образующая сетки, компактная и шаровидная. С размельчением графита, как шаровидного, так и пластинчатого, как видно из рис. 306, износ чугуна увеличивается. Наиболее низкая износоустойчивость наблюдается при наличии междендритного графита, особенно при низком содержании фосфора в чугуне; при высоком содержании фосфора междендритный графит не так опасен. Отрицательное влияние мелкого и междендритного графита заставляет быть особенно осторожным при литье отливок в металлические формы и назначать в этом случае достаточно большие припуски на механическую обработку на рабочих поверхностях.

Очень важным вопросом является сопоставление износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов (при одной и той же матрице) в связи с разной формой графита. Однако в литературе по этому поводу много противоречий. Это объясняется тем, что сопоставляются разные по величине выделения графита и что испытания производятся при разных режимах. Анализ всех этих многочисленных данных показывает, что очень мелкие шаровидные включения уступают по своему влиянию па износостойкость среднему но величине пластинчатому графиту, в особенности при более мягких в энергетическом отношении режимах. Кроме того, следует иметь в виду, что прирабатываемость высокопрочного чугуна хуже, чем серого, ковкий же чугун занимает в этом отношении промежуточное место. Поэтому процесс приработки высокопрочного чугуна должен производиться с особой тщательностью. Для этого рекомендуется применять давление 25—35 кГ/см2 и постепенно повышать скорость движения с 1—2 до 10—12 м/сек. В.П. Гречин рекомендует для улучшения прирабатываемости любых чугунов травление в 10—15-процентной азотной кислоте с последующей пропиткой в горячем масле в течение 15—20 мин, что повышает смачиваемость, приводит к надлежащему уровню микрошероховатость н устраняет металлический контакт и задир.

Таким образом, можно прийти к заключению, что высокопрочный чугун имеет преимущества перед серым чугуном в условиях трения со смазкой только в сравнительно тяжелых режимах, если обеспечены достаточно крупные выделения графита и правильная приработка. При этом, как указывалось, имеет значение и режим работы отливок. Как показали, например, Е.А. Марковский и др., поршневое кольцо из высокопрочного чугуна имеет преимущество перед серийным кольцом из серого чугуна с хромовым покрытием только при достаточно большом давлении и до определенного числа оборотов. Следует также иметь в виду, что в большинстве случаев высокопрочный чугун изнашивает контртело больше, чем серый чугун. Однако высокопрочный чугун всегда имеет явные преимущества перед сталью. По исследованиям Д.П. Иванова и В.А. Захарова сравнительный износ (в мк на 1000 км пробега) стальных и чугунных валов составил:

Что касается состава чугуна, то его влияние главным образом проявляется через изменение структуры. Выше указывалось на благоприятное влияние углерода и фосфора. Кремний же уменьшает износ при качении и увеличивает его при скольжении. Это объясняется тем, что при трении второго рода преобладает благоприятное влияние графита и легирования а-раствора, а при трении первого рода — отрицательное влияние структурно-свободного феррита. Ввиду такого двойственного действия кремния влияние его при низких концентрациях (до 2—3%) выражается в слабой степени. При больших же концентрациях роль кремния усиливается: с увеличением его содержания износ при качении интенсивно падает, а при скольжении — увеличивается.

Марганец в пределах до 1,5% несколько повышает износостойкость чугуна вследствие размельчения перлита, но при больших его содержаниях может образоваться свободный цементит и в зависимости от условий увеличиться или уменьшиться износ. При этом заметно увеличивается коэффициент трения чугуна.

Сера, повышая количество связанного углерода, может оказать иногда благоприятное влияние на сопротивление износу. Наличие сульфидов не является особо вредным и даже улучшает прирабатываемость и уменьшает коэффициент трения.

Влияние легирующих элементов на износостойкость в большинстве случаев весьма положительно и часто превосходит их влияние на механические свойства. При этом действие легирующих элементов определяется соответствующим изменением структуры основной массы чугуна, формы графита, твердости, склонности к окислению, а главным образом — повышением однородности структуры. Наиболее интенсивно и благоприятно действуют хром и сочетание хрома и никеля. Поэтому присадка в шихту природнолегированного халиловского чугуна повышает износостойкость автомобильных, станочных и других работающих на износ отливок. Так же благоприятно и эффективно влияние молибдена, титана и ванадия. По данным И. Брадика, цилиндровые втулки из чугуна, легированного 0,36% Cr, 0,12% V и 0,05% Ti, оказались более стойкими в сыром состоянии, чем при присадке одного хрома.

Данные о влиянии меди противоречивы, по в большинстве случаев оно оценивается как положительное. В подшипниковом чугуне, по данным А.И. Смирнова, благоприятной оказалась присадка 0,4—0,6% Sb. При тяжелых режимах оправдало себя вследствие повышения жаропрочности легирование чугуна молибденом, вольфрамом Г3251.

Многочисленные комбинации легирующих элементов (Cr и Ni с Mo, Cu, Ti, V, W, Al) с успехом используются также в чугунах для поршневых колец, причем для огневых колец при этом применяется еще изотермическая обработка. При индивидуальной отливке колец весьма важно придерживаться высокого содержания углерода (3,7—3,9%) и применять модифицирование чугуна графитом. Приобретает распространение в этих условиях также применение высокопрочного чугуна. Некоторые составы чугунных отливок, работающих на трение в условиях смазки, приводятся в табл. 47 и 48.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна