5. ЧУГУНЫ (СЧ 10 – СЧ 15, ВЧ40, ТПХН-60)
Кокорин Н.А.
Краткий справочник материалов, воспринимающих криогенное воздействие.
Ижевск: ООО «НПЦ «КриоТехРесурс», 2021.
5. ЧУГУНЫ
(СЧ 10 – СЧ 15, ВЧ40, ТПХН-60)
Оценка влияния глубокой криогенной обработки (минус 1800С) на износостойкость тормозных роторов из серого чугуна проведена учеными университета Шеффилда (Великобритания). Результаты показали улучшение износостойкости серого чугуна на 9,1 – 81,4% за счет глубокой криогенной обработки, при отсутствии значительных изменений твердости и микроструктуры материала [12].
Серый чугун имеет широкое применение при изготовлении деталей тормозной системы пассажирских и грузовых транспортных средств. Функциональная надежность дисковых и барабанных тормозов имеет критическое значение системы безопасности транспортных средств. Около 90% кинетической энергии транспортного средства поглощается тормозными дисками или барабанами в виде тепла, при этом барабаны и диски должны мгновенно рассеивать энергию в окружающую среду и иметь равномерный износ на протяжении всего срока эксплуатации. Поэтому вопросы повышения износостойкости тормозных дисков или барабанов технологическими методами являются актуальными.
Нами проведено комплексное исследование влияния криогенной обработки на структуру, твердость и абразивную износостойкость серого чугуна разных производителей. Для изготовления образцов взяты автомобильные тормозные диски из серого перлитного чугуна импортного и отечественного производства. Особенности микроструктуры исследуемых чугунов до и после криогенной обработки приведены на рис. 3.
Рис. 3 – Микроструктура серого чугуна до и после криогенной обработки
Измерение твердости чугунов до и после криогенного воздействия по шкале Викерса приведено в таблице 27.
Прирост твердости серых чугунов в результате криогенной обработки
Таблица 27
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Твердость средняя, HV |
Прирост твердости, HV | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
219,8 |
222,4 |
2,6 |
|
2 |
В |
182,1 |
184,5 |
2,4 |
|
3 |
С |
237,0 |
239,8 |
2,8 |
|
4 |
D |
206,3 |
218,1 |
11,8 |
|
5 |
среднее |
211,3 |
216,2 |
4,9 |
Таким образом, твердость в результате криогенной обработки на трех исследуемых чугунах приросла незначительно, а у чугуна D прирост не превышает 5%.
Для изучения влияния криогенной обработки на абразивную износостойкость серого чугуна исследуемые образцы подвергались изнашиванию по закрепленному абразиву по стандартной схеме «палец – диск», но с заменой наиболее часто используемой траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки [13]. Результаты испытаний на абразивный износ представлены в таблицах 28 и 29.
В результате криогенного воздействия наблюдается прирост абразивной износостойкости на всех исследуемых чугунах, как при истирании в условиях мелкозернистого, так и в условиях крупнозернистого абразива. Наибольший прирост износостойкости в результате криогенной обработки имеет материал В, что составляет 52% при испытаниях в условиях мелкозернистого абразива и 36% при крупном абразивном зерне [14].
Повышение износостойкости исследуемых чугунов в результате криогенной обработки (зернистость Р400)
Таблица 28
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Износостойкость, грамм |
Повышение износостойкости, грамм | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
0,00065 |
0,00030 |
0,00035 |
|
2 |
В |
0,00095 |
0,00045 |
0,00050 |
|
3 |
С |
0,00070 |
0,00065 |
0,00005 |
|
4 |
D |
0,0017 |
0,0012 |
0,00050 |
|
5 |
среднее |
0,00076 |
0,00046 |
0,00030 |
Повышение износостойкости исследуемых чугунов в результате криогенной обработки (зернистость Р240)
Таблица 29
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Износостойкость, грамм |
Повышение износостойкости, грамм | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
0,00150 |
0,00110 |
0,00040 |
|
2 |
В |
0,00190 |
0,00120 |
0,00070 |
|
3 |
С |
0,00155 |
0,00147 |
0,00008 |
|
4 |
D |
0,0019 |
0,0018 |
0,00050 |
|
5 |
среднее |
0,00165 |
0,00125 |
0,00040 |
Уровень износа наименее износостойкого серого чугуна после криогенной обработки равен износу наилучшего по триботехническим свойствам чугуна без криогенной обработки. Криогенная обработка является эффективным средством повышения абразивной износостойкости серого чугуна.
Установлено, что повышение абразивной износостойкости серого чугуна объясняется произошедшими структурно фазовыми изменениями в исследуемом материале в результате криогенного воздействия. На рис. 4 представлена зависимость влияния размера включений графита в структуре чугуна на абразивный износ. До криогенной обработки исследуемые чугуны имели уровень износа, соответствующий размеру включений графита, равному 90 мкм. В результате криогенного воздействия на всех исследуемых чугунах размер включений графита вырос до 180 мкм. С увеличением размера включений графита износ исследуемых чугунов уменьшился (рис. 4).
Отдельно хочется обратить внимание на тот факт, что чугуны В, С и D имеют точку пересечения прямых износа (рис. 4), соответствующую размеру включений графита, примерно равному или большему 155-160 мкм. И примерно при этом уровне структурно-фазовых изменений в отечественных чугунах они становятся конкурентоспособными с зарубежным аналогом по критерию износостойкости.
Проведена криогенная обработка передних тормозных дисков автомобиля «Газель». При эксплуатации тормозных дисков из серого чугуна установлено, что ресурс в среднем увеличился в 1,7 раза, с 70 000 км. до 120 000 км пробега автомобиля с упрочненными тормозными дисками.
Прирост износостойкости формующего барабана пельменного автомата из серого чугуна в результате криогенной обработки составит 43%.
Рис. 4 – Влияние размера включений графита в структуре чугуна на абразивную износостойкость
Высокопрочный чугун получается присадкой в жидкий чугун магния или сплава магния и никеля в небольшом количестве. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого чугуна. Под действием магния графит принимает шаровидную форму. Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, поэтому он обладает наилучшим комплексом прочностных свойств и высокой пластичностью. Из высокопрочного чугуна изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических знакопеременных нагрузках и в условиях изнашивания. Для улучшения механических свойств и особенно износостойкости детали из высокопрочных чугунов подвергают упрочняющей криогенной обработке. В результате криогенной обработки повышается твердость и снижается разброс твердости (таблица 30).
Влияние криогенной обработки на твердость высокопрочного чугуна
Таблица30
|
Наименование показателя |
Состояние стали ВЧ40 |
Изменение показателя | |
| до криогенной обработки | после криогенной обработки | ||
| Твердость средняя, HRC | 40,8 | 42,5 | 1,7 |
| Разброс твердости, HRC | 11 | 7 | - 4 |
Чугун марки ТПХН-60 применяют для изготовления валков для горячей прокатки металла в чистовых и черновых клетях крупносортных, рельсобалочных и трубопрокатных станов. В результате криогенной обработки повышается твердость и снижается разброс твердости (таблица 31). В результате эксплуатационных испытаний трех валков редукционного стана изготовленных из чугуна ТПХН-60 и упрочненных криогенной обработкой установлено превышение срока службы валков на 20%.
Влияние криогенной обработки на твердость чугуна ТПХН-60
Таблица 31
|
Наименование показателя |
Состояние стали ТПХН-60 |
Изменение показателя | |
| до криогенной обработки | после криогенной обработки | ||
| Твердость средняя, HRC | 544 | 583 | 39 |
| Разброс твердости, HRC | 120 | 70 | - 50 |
