Марганцевий чавун

Марганцевий чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, мідь, алюміній, хром і залізо, який відрізняється тим, що додатково легований титаном, молібденом, кальцієм та фосфором при наступному співвідношенні компонентів, в %: 3 3671 4 Кремній 1,6-3,0 рюючи тугоплавкі окисли, чавун, модифікований Марганець 8,0-12,5 кальцієм, містить меншу кількість газів, сірки і неНікель 0,5-1,2 металічних включень. Модифікування кальцієм Мідь 1,0-3,0 сприяє здрібнюванню зерен і „очищає” їхні границі Алюміній 0,4-1,2 (кордони), тим самим підвищуючи в'язкість і тріХром 0,1-1,2 щиностійкість сплавів. Тому що зменшення кількоТитан 0,1-0,5 сті неметалічних включень сприяє зниженню ймоМолібден 0,1-0,3 вірності ініціювання тріщин. Введення кальцію Кальцій 0,01-0,1 повинно регулюватись в залежності від кількості Фосфор 0,1-0,4 сірки в чавуні, вміст якої теж треба намагатись Залізо інше обмежувати. Як домішки чавун містить сірку в кількості до Введення фосфору призводить до того, що у 0,01% чавуна х зустрічається два види потрійної фосфідМікроструктура запропонованого чавуна скланої евтектики: аустеніт + цементіт + фосфід, а тадається з аустенітної металевої матриці, а також кож аустеніт + графіт + фосфід. Фосфідна евтектиграфітних включень пластинчастої форми і комка ефективно армує металеву основу чавуна. При плексних карбідів. розповсюдженні тріщин фосфідна евтектика гальВведення марганцю і нікелю сприяє аустенізамує їх розвиток. Якщо у сплаві фосфідна евтектиції структури металевої матриці сплаву, що додає ка нерівномірно розподілена, то найчастіше зуособливі в'язко-пластичні властивості і підвищує стрічається „міжзеренне” руйнування металевої енергію руйнування. Зазначений вище вміст вугматриці чавуна. Присутність фосфор у подрібнює лецю, кремнію й алюмінію, та титану сприяє видідендрити первинного аустеніту і розмір евтектичленню вуглецю у виді графіту. Легування чавуна ного зерна. Хром, марганець також помітно підвититаном, міддю й алюмінієм поліпшує форму гращують мікротвердість фосфідної евтектики. Крім фіту. Уведення хрому, молібдену і титану сприяє того, збільшення зносостійкості пропонованого зміцненню металевої матриці сплаву, та підвищує чавуна пов'язано з наявністю в структурі фосфідзносостійкість. ної евтектики, що володіє високим опором зносу. В Вуглець у межах від 3,2 до 4,0% забезпечує умовах сухого тертя вона може нести на собі знагарні ливарні і механічні властивості. Збільшення чну частину теплового навантаження, у порівнянні концентрації вуглецю вище 4,0% погіршує морфоз аустенітною металевою матрицею і входити до логію графітної фази (з'являються крупні (великі) складу вторинних стр уктур, що сприяють зниженграфітні включення, знижується тріщиностійкість, ню інтенсивності зносу. В процесі граничного тертя так як найчастіше „магістральна тріщина” розпопри збільшенні навантаження вона також може всюджується між графітним включенням, та метасприймати тиск у парі тертя, і сприяє утворенню левою матрицею, а в умовах тертя, існує ймовір„кишень”, у яких затримується мастило (олива). ність, що біля гострих кінців графітних включень Титан у кількості 0,3 - 0,5%, може утворювати будуть зароджуватись тріщини). дисперсні карбіди, а також розчинятись у твердоПри вмісті марганцю менш 8,0% не забезпечуму розчині, що „в цілому” значно зміцнює сплав. ється повна „аустенізиція” структури металевої Введення титану, подрібнює зерно, що допомагає матриці. При змісті марганцю понад 12,5%, можуть забезпечити необхідний рівень властивостей. Поутворюватись як самостійні марганець-утримуючи ряд з цим титан подрібнює графітні включення і фази, так і карбіди з високим вмістом цього елезабезпечує більш рівномірне розташування в обменту, що в цілому „окрихчує” чавун. сязі матриці. Зменшення у сплаві крупних графітоВведення нікелю допомагає одержати аустенівих включень спричиняє зменшення ймовірність тну металеву матрицю, тому що частина марганцю виникнення тріщин навколо графітних включень, в процесі первинної кристалізації збіднює твердий як в умовах тертя, так і в умовах зовнішнього нарозчин і переходить у карбіди. За даними локальвантаження. Завдяки титану довжина графітових ного хімічного мікроаналізу концентрація марганвключень коливалась від 10-75мкм (без титану в цю в первинних карбідах типу (Fe, Мn)3С може сплаві спостерігались включення більш 100коливатись у широкому інтервалі і досягати 60350мкм в довжину). При підвищенні титана понад 65% Μn [3]. Інтервал 0,5-1,2% Ni сприяє аустеніза0,5% спостерігається укрупнення цементитних ції металевої матриці сплаву. Уведення нікелю карбідів, що приводить до охрупчивання структупонад 1,2% сприяє збільшенню наклепу деталей у ри. Також уведення понад 0,5% титана не привопроцесі експлуатації, а також економічно недоцідить до істотного підвищення зносостійкості сплально. ву, спостерігається зменшення кількості графіту і Концентрація кремнію 1,6-3,0% забезпечує „відбілювання чавуна” збільшення кількості неменайкраще сполучення пластичності і міцності чаталічних включень гострокутної форми і несприятвуна. Але вибір концентрації, як кремнію, так і вугливому характеру розподілів, що знижує тріщинолецю залежить від товщини відливки. стійкість сплаву. Хром входить до складнолегованих карбідів, Молібден подрібнює зерно, та зміцнює сплав, що підвищує зносостійкість, але уведення хрому підвищення його змісту більш 0,5% істотного більш 1,2% спричиняє утворення карбідів (з'являвпливу на властивості даного чавуна не робить й ється „карбідна сітка”), та „відбілювання” чавуна, а економічно недоцільно. також знижується тріщиностійкість. Використання в запропонованому чавуні підКальцій допомагає рафінувати сплав, бо він вищеного змісту міді дозволяє одержати високі має велику спорідненість до кисню і сірки, утвомеханічні властивості та робить сприятливішим 5 3671 6 оброблюваність деталей. Мідь також поліпшує вали запропонований і відомий чавун. Ролик вигорідинотекучесть сплавів і підвищує тріщиностійтовляли зі сталі 40Х, загар тованої до твердості кість. Верхня межа обмежена з тієї причини, що HRC 52-55 од. Іспити проводили при питомому мідь може виділятись у виді окремих фаз, що зметиску, рівному 1,9МПа і швидкості ковзання 0,6м/с. ншує тріщиностійкість. Пропонований чавун має наступні властивості: Перераховані особливості структури чавуна Межа міцності при вигині, МПа sв = 250 - 540 визначають його високі службові характеристики, а Стріла прогину, відстань між також технологічність сплаву, у тому числі і гарну опорами 300, мм f300 1,6-3,6 механічну обробку на металорізальних верстатах, Твердість по Брінелю 160 - 320 НВ завдяки присутності графітни х включень. Межа міцності МПа sв = 140 - 260 Випробування на зносостійкість проводили У таблиці приведені хімічний склад і зносостійпри терті ковзання без змащення ролик-колодочка кість пропонований і відомий чавун. на машині тертя СМЦ-2. Як матеріал використовуТаблиця № п/п Чавун Хімічний склад, ваг. % С Si Μn Ni Сu AI Cr Ті Mo Ca P Питомий знос г/см, за час випробування, 3 хв К*1C, МПа m 1. Запропонований 3,2 1,8 8 0,5 1,0 0,4 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0398 55 2 3 4 5. Запропонований Запропонований Запропонований Відомий [2] 3,6 4,0 3,2 4 2,6 3,0 2,0 3 10 12,5 8 12 0,8 1,2 0,5 1,5 2,0 3,0 2,5 3,5 0,8 1,2 0,4 1,2 0,6 0,1 1,0 1,0 0,3 0,1 0,5 0,2 0,1 0,3 0,05 0,01 0,1 0,2 0,1 0,4 0,0488 0,0544 0,0372 0,3605 51 48 54 32 6. Відомий [2] 3 2 8 0,5 1,0 0,8 0,1 0,0630 36 * -Κ1C- тріщиностійкість „в'язкість руйнування" Слід зазначити, що зменшення крупних графітови х включень, завдяки дії модифікаторів, та зміцнення твердого розчину металічної матриці, а також рафінація межзерених кордонів, від неметалічних включень, завдяки кальцію дозволили значно підвищити як тріщіностійкість, так і зносостійкість досліджуваних сплавів. Деталі виготовлені з цих сплавів пройшли успішні випробування на підприємствах України (також як зносостійкі матеріали, що працюють у трибосполученнях, які змащуються оливою). Зносостійкість розробленого сплаву в аналогічних умовах (тертя в оливі АС8) на 10 - 40% вище у порівняні зі сплавами, що наведені у роботі [3]. Як аналог можна навести марганцевий чавун наступного хімічного складу:, в. % Вуглець 3,1-3,2 Кремній 2,7-2,8 Марганець 9,0-12,0 Нікель 0,5-1,5 Мідь 2,1-2,3 Алюміній 0,5-1,5 Залізо інше Як домішки чавун містить сірку в кількості до 0,013 - 0,017%, та фосфор 0,11-0,15% [3]. Цей чавун має хімічний склад близький до заявленого чавуна, тому данні, наведені у таблиці дають можливість порівняти його зносостійкість з запропонованим чавуном в умовах тертя зі змащенням в аналогічних умовах. Аустенітна металева матриця значно підвищує опір руйнуванню К1С = 48...55 МПа m (табл. ) у порівянні з сірими чавунами з феритною, феритно-перлітною і перлітною металевими матрицями, де значення К1С = 20...30 МПа m , а для чавунів з вермикулярною та кулястою формою графіту (тими ж самими металевими матрицями) К1С = ЗО...70 МПа m [4,5]. Значень К1С для чавунів зі стр уктурою марганцевого аустеніту в літературі не знайдено. Є лише деякі данні для аустенітних нікелевих чавунів (2,0-17,0% Nі, 2,0 - 6,0% Mn) К1С = 30... 160 МПа m [4, 6], але хімічні склади цих чавунів суттєво відрізніються від запропонованого. Джерела інформації: 1. А. С. СССР № 460322, кл. С 22с 37/10. Опубликовано 15.02.75, Бюл. № 6. - 2 с. 2. А. С. СССР 1016391, Μ. Кл. З С 22с 37/10. Опубликовано 07.05.83, Бюл. № 17. -2с. 3. Лагута В. И., Шеремет А. Н., Хинчагов Г. В. Возможности высокомарганцевых графи тизированньх сплавов ГЦК-железа как материалов трибосопряжений. Ресурсозберігаючи технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: видавництво СНУ. - 2002. – С. 276-282. 4. Структура та опір руйнуванню залізовуглецевих сплавів // Осташ О. П., Волчок І. П., Колотілкін О. Б. та ін. - Львів: Національна академія наук України. Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка, 2001.-272 с. 5. Рост усталостной трещины в чугунах. II. Серый и ковкий чугуни // О. Н. Романив, А. Н. Ткач, Т. 7 3671 8 Я. Юськив и др. // Фізико-хімічна механіка матеріаконструкцій / Зелений Б. Г., Шейко А. А., Осташ О. лів, - 1990. - № 3. - с. 33 - 40. П., Бондаревский В. Н., Андрейко И. М. (Вип. 2): В 6. Ме ханические свойства высокопрочных чу3 - х т./ Під заг. ред. В. В. Панасюка. - Львів: Камегунов для высоконагруженных деталей и констняр, 1999. - Т. 1. - С. 226-230. рукций // Механіка руйнування матеріалів і міцність Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601