ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Подход, основанный на комплексном модифицировании чугунов, позволяет добиться существенного улучшения их механических свойств за счет изменения структуры металлической матрицы, а также формы графита и его распределения. Целью работы является изучение влияния легирующих элементов на структуру и механические свойства серого чугуна, предназначенного для эксплуатации в условиях фрикционного изнашивания. Методы исследования. В статье описан процесс получения комплексно модифицированного чугуна, изучены его механические свойства и микроструктура. Проведены фрактографические исследования динамически разрушенных образцов. Изучены детали строения структурных составляющих чугунов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45. Проведены триботехнические испытания серых чугунов по схеме трения скольжения. Результаты и их обсуждение. Установлено что комплексное модифицирование серого чугуна марки СЧ35 молибденом, никелем и ванадием позволяет повысить уровень его твердости до 295 НВ и предел прочности при растяжении до 470…505 МПа. Введение в состав серого чугуна никеля (0,4…0,7 масс. %), молибдена (0,4…0,7 масс. %) и ванадия (0,2–0,4 масс. %) приводит к двукратному уменьшению межпластинчатого расстояния в перлите, а также к измельчению зерна металлической матрицы. Длина графитных пластин в результате модифицирования чугуна уменьшается в 3–5 раз. Дополнительное влияние на предел прочности чугуна обусловлено легированием молибденом и ванадием феррита, выделяющегося по границам графитных включений. Легирование феррита молибденом и ванадием повышает уровень его микротвердости в 1,4 раза по сравнению с α-фазой серийного чугуна СЧ35. Представлены результаты триботехнических испытаний разработанного материала. Заключение. Установлено, что износ образцов из чугуна СЧКМ-45 примерно на 20…30 % ниже по сравнению с чугуном СЧ35 и на 10…15 % ниже по сравнению с чугуном ЧМН-35М. Фрактографические исследования свидетельствуют о том, что комплексное легирование молибденом, ванадием и никелем способствует измельчению колоний перлита, что приводит к уменьшению размеров фасеток скола.

1. Bagesh B., Rahul K., Anil K.S. Effect on the mechanical properties of gray cast iron with variation of copper and molybdenum as alloying elements // International Journal of Engineering Research and Technology. – 2014. – Vol. 3 (5). – P. 81–84.

2. Effect on the mechanical properties of grey cast iron with variation of molybdenum and as – cast alloying elements / B. Sujith, S.R. Mukkollu, B.B. Harish, Z. Leman // Universal Journal of Mechanical Engineering. – 2020. – Vol. 8 (6). – P. 298–304. – DOI: 10.13189/ujme.2020.080602.

3. Effect of alloying elements W, Ti, Sn on microstructure and mechanical properties of gray iron 220 / A. Razaq, J. Zhou, T. Hussain, Z. Tu, Y. Yin, X. Ji, G. Xiao, X. Sen // China Foundry. – 2019. – Vol. 16. – P. 393–398. – DOI: 10.1007/s41230-019-9035-4.

4. Ankamma K. Effect of trace elements (boron and lead) on the properties of gray cast iron // Journal of The Institution of Engineers (India): Series D. – 2014. – Vol. 95. – P. 19–26. – DOI: 10.1007/s40033-013-0031-3.

5. Effect of Ti-V-Nb-Mo addition on microstructure of high chromium cast iron / Y. Ma, X. Li, Y. Liu, S. Zhou // China Foundry. – 2012. – Vol. 9 (2). – P. 148–153.

6. Vadiraj A., Tiwari S. Effect of silicon on mechanical and wear properties of aluminium-alloyed gray cast iron // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 3001–3006. – DOI: 10.1007/s11665-014-1040-6.

7. Hassani A., Habibolahzadeh A., Sadeghinejad S. Comparison of microstructural and tribological effects of low vanadium-low titanium additions to a gray cast iron // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22. – P. 267–282. – DOI: 10.1007/s11665-012-0229-9.

8. Hassani A., Habibolahzadeh A., Sadeghinejad S. Influence of vanadium and chromium additions on the wear resistance of a gray cast iron // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. – 2012. – Vol. 19. – P. 602–607. – DOI: 10.1007/s12613-012-0601-7.

9. Rana R. High-performance ferrous alloys. – Switzerland: Springer, 2021. – 624 p. – ISBN 978-3-030-53824-8. – DOI: 10.1007/978-3-030-53825-5-5.

10. Pero-Sanz Elorz J.A., Fernandez Gonzalez D., Verdeja L.F. Physical metallurgy of cast irons. – Switzerland: Springer, 2018. – 343 p. – DOI: 10.1007/978-3-319-97313-5-5.

11. Габец Д.А., Марков А.М. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства серых чугунов, работающих в условиях ударно-фрикционного износа // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 70–81. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-70-81.

12. Патент № 2562554 Российская Федерация. Чугун: № 2014118635: заявл. 08.05.2014: опубл. 12.08.2015, Бюл. № 25 / А.В. Габец, Д.А. Габец. – 5 с.

13. Патент № 2733940 Российская Федерация. Чугун: № 2020109253: заявл. 02.03.2020: опубл. 08.10.2020, Бюл. № 28 / Д.А. Габец, А.М. Марков. – 8 с.

14. Оценка влияния легирующих добавок на структуру и механические свойства серых чугунов / Д.А. Габец, А.М. Марков, А.В. Габец, Е.О. Чертовских // Ползуновский вестник. – 2018. – № 4 – С. 189–195.

15. Vander Voort G.F. Color metallography // ASM Handbook. Vol. 9. Metallography and Microstructures. – ASM International, 2004. – P. 493–512. – DOI: 10.1361/asmhba0003752.

16. Research on the origin of nonmetallic inclusions in high-strength low-alloy steel using automated feature analysis / A.A. Kazakov, S. Ryaboshuk, D. Lyubochko, L. Chigintsev // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21 (3). – P. 1755. – DOI: 10.1017/s1431927615009551.

17. Kazakov A., Kovalev P., Ryaboshuk S. Metallurgical expertise as the base for determination of nature of defects in metal products // CIS Iron and Steel Review. – 2007. – N 1–2. – P. 7–13.

18. Kazakov A., Kiselev D. Industrial application of Thixomet // Metallography, Microstructure, and Analysis. – 2016. – Vol. 5. – P. 294–301. – DOI: 10.1007/s13632-016-0289-6.

19. Vander Voort G.F. Computer-aided microstructural analysis of specialty steels // Materials Characterization. – 1991. – Vol. 27 (4). – P. 241–260. – DOI: 10.1016/1044-5803(91)90040-B.

20. Особенности методики подготовки образцов для автоматического анализа карбидной фазы стали Х12Ф1 после цементации в вакууме с применением программного комплекса «Thixomet PRO» / С.Г. Иванов, А.М. Гурьев, С.А. Земляков, М.А. Гурьев, В.В. Романенко // Ползуновский вестник. – 2020. – № 2. – С. 165–168. – DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.02.031.

21. Разработка методики количественной оценки микроструктурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью автоматического анализа изображений / А.А. Казаков, Д.В. Киселев, С.В. Андреева, Л.С. Чигинцев, С.В. Головин, В.А. Егоров, С.И. Марков // Черные металлы. – 2007. – № 7–8. – С. 31–37.

22. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial application of Thixomet image analyzer for quantitative description of steel and alloys microstructure // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21 (3). – P. 457. – DOI: 10.13140/RG.2.1.2204.0720.

23. Исследование природы неметаллических включений в стали с помощью автоматического анализатора частиц / А.А. Казаков, Д.А. Любочко, С.В. Рябошук, Л.С. Чигинцев // Черные металлы. – 2014. – № 4 (988). – С. 37–42.

24. Разработка методики количественной оценки загрязненности низколегированных трубных сталей неметаллическими включениями с помощью автоматического анализа изображений / А.А. Казаков, Д.В. Киселев, С.В. Андреева, А.А. Мясников, С.В. Головин, В.А. Егоров // Черные металлы. – 2007. – № 7–8. – С. 24–31.

25. Vander Voort G.F., Pakhomova O., Kazakov A. Evaluation of normal versus non-normal grain size distributions // Materials Performance and Characterization. – 2016. – Vol. 5 (5). – P. 521–534. – DOI: 10.1520/MPC20160001.

26. Казаков А.А., Казакова Е.И., Геллер Г.В. Оценка качества микроструктуры тиксотропных материалов // Цветные металлы. – 2007. – № 10. – С. 110–118.

27. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Исследование влияния химического состава и структуры на механические свойства чугуна ЧМН-35М // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2017. – Т. 4, № 4. – С. 100–107.

28. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение, 1966. – 562 с.

29. Чигарев В.В., Рассохин Д.А., Лоза А.В. Изменение структуры и свойств литого металла легированием в отливках из чугуна и стали // Вестник Приазовского державного технического университета. Серия: Технические науки. – 2010. – Т. 21. – С. 61–66.

30. Семенов В.И., Чайкин А.В. Фазовые и структурные изменения в чугуне после модифицирования // Металлургия машиностроения. – 2006. – № 5. – С. 14–18.

31. ASM Handbook. Vol 22B. Metals process simulation / ed. by D.U. Furrer, S.L. Semiatin. – ASM International, 2010. – 695 p. – DOI: 10.31399/asm.hb.v22b.9781627081979.

32. ASM Handbook. Vol. 4. Heat Treating. – ASM International, 1991. – 2173 p. – DOI: 10.31399/asm.hb.v4.0871703793.

33. ASM Handbook. Vol. 15. Casting / ed. by S. Viswanathan, D. Apelian, R.J. Donahue, B. DasGupta, M. Gywn, J.L. Jorstad. – ASM International, 1998. – 2002 p. – DOI: 10.31399/asm.hb.v15.9781627081870.

34. Комаров О.С., Розенберг Е.В., Урбанович Н.И. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов // Литье и металлургия. – 2015. – Т. 79, № 2. – С. 24–28.

35. Boulifaa M.I., Hadji A. Effect of alloying elements on the mechanical behavior and wear of austempered ductile iron // Mechanics and Industry. – 2015. – Vol. 16 (3). – P. 304. – DOI: 10.1051/meca/2015002.

36. Ларин Т.В., Асташкевич Б.М., Транковская Г.Р. Влияние ванадия, меди, алюминия на износостойкость и фрикционные свойства фосфористого чугуна для тормозных колодок // Вестник ВНИИЖТ. – 1986. – № 8. – С. 40–42.

37. Получение чугуна с шаровидным графитом «ЛС процессом» / А.И. Беляков, Л.А. Петров, В.В. Каменский, Т.А. Ахунов, В.П. Ершов // Литейное производство. – 1997. – № 5. – С. 20–21.

38. Корниенко Э.Н., Бикулов Р.А. Тяжелая лигатура для получения высокопрочного чугуна // Заготовительные производства в машиностроении. – 2009. – № 2. – С. 3–5.

39. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Специальный модифицированный чугун марки ЧМН-35М для тяжело нагруженных деталей тележки грузового вагона // Тяжелое машиностроение. – 2016. – № 1–2. – С. 23–26.

40. Vijeesh V., Prabhu K.N. Review of microstructure evolution in hypereutectic Al-Si alloys and its effect on wear properties // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2014. – Vol. 67 (1). – P. 1–18. – DOI: 10.1007/s12666-013-0327-x.

41. Effect of fluctuation and modification on microstructure and impact toughness of 20 wt.% Cr hypereutectic white cast iron / X. Zhi, J. Xing, H. Fu, Y. Gao // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2008. – Vol. 39 (6). – P. 391–393. – DOI: 10.1002/mawe.200700219.

42. Повышение износостойкости фрикционных деталей из серого чугуна / Б.В. Борщ, А.В. Габец, А.В. Сухов, Г.А. Филиппов // Сталь. – 2014. – № 1. – С. 66–68.