Связь между износостойкостью и некоторыми характеристиками чугуна

Влияние приведенных выше характеристик на износ направляющих исследовали в условиях эксплуатации деталей двух серий.

Первая серия включала 19 станин токарно-винторезных станков мод. 1Е6Ш и 33 станины токарно-винторезных станков мод. 1А62. Отливки получали без холодильников.

Вторая серия включала 60 станин и 60 нижних салазок горизонтально-расточных станков мод. 2А635 и 2Б635. В отличие от деталей первой серии при литье станин и части нижних салазок горизонтально-расточных станков применяли чугунные холодильники.

Все станки значительную часть времени использовали на черновых операциях. Изнашивание происходило при участии загрязнений в виде частиц чугуна, стали, чугунной литейной корки (отбеленный чугун, песок) окалины и пр.. Износ измеряли с помощью искусственных баз, методом вытертых лунок. Микроструктуру чугуна исследовали на темплетах, вырезанных из рабочих участков направляющих полыми сверлами, или на шлифах, приготовленных непосредственно на направляющих.

Микротвердость перлита измеряли прибором ПМТ-3 при нагрузке 200 гс, твердость по Бринеллю — прибором Польди. Зависимость скорости изнашивания деталей u _Э от микротвердости Н перлита, среднего расстояния а между включениями графита, длины l _гр включений графита и твердости приведена на рис. 11.

Скорость изнашивания деталей первой серии уменьшается с увеличением микротвердости перлита и твердости. Увеличение среднего расстояния между включениями графита более 65 мкм и длины включений более 190 мкм повышает скорость изнашивания.

Рис. 11. Скорость изнашивания u _Э направляющих станков в зависимости от микротвердости Н перлита, среднего расстояния а между включениями графита, длины включений графита l _гр и от твердости НВ:

а — заливка без холодильников (I серия); б — с холодильниками (II серия); 1 и 2 — станины станков соответственно моделей 1Е61М и 1А62; 3 и 4 — соответственно станины и нижние салазки станков моделей 2A63S и 2Б635

Увеличение микротвердости перлита и твердости деталей второй серии увеличило скорость изнашивания. Увеличение же среднего расстояния между включениями графита и длины включений в диапазоне малых значений этих величин сопровождалось уменьшением скорости изнашивания. Дальнейшее увеличение параметров повысило скорость изнашивания.

Различие абсолютных величин скоростей изнашивания де талей обеих серий обусловлено конструктивными особенностями и условиями изнашивания деталей токарных и горизонтально-расточных станков.

Рис. 12. Схема рабочего узла лабораторной установки для испытаний на износ

Для того чтобы уточнить, не обусловлен ли этими же причинами разный характер зависимостей скорости изнашивания деталей от микроструктуры и твердости, были проведены лабораторные испытания на образцах двух серий.

Для образцов первой серии, как и для деталей, разный характер этих зависимостей достигался изменением химического состава и размеров заготовок, для образцов второй серии — в основном применением чугунных холодильников.

По неподвижному образцу 1 (рис. 12) совершает возвратно-поступательное движение образец 2, закрепленный в обойме, вместе с нагружающим устройством. Нагрузка передается через стержень 3 и пружинный динамометр 4. С обоймой упруго связана камера 5, в которой находятся твердые частицы, загрязняющие смазку.

Испытания проводили при удельной нагрузке 20 кгс/см 2, скорости скольжения 0,06 м/с и смазке маслом индустриальное 20. В качестве загрязнений использовали смесь из 95% стружки серого и 5% белого чугуна. Размер частиц загрязнений 0,05—0,20 мм. Во всех испытаниях подвижные образцы были одинаковыми. Их изготовляли из нелегированного серого перлитного чугуна с включениями графита длиной 250—500 мкм и твердостью НВ 170. Включения структурно-свободного цементита отсутствовали. Неподвижные образцы изготовляли из исследуемого чугуна.

Зависимости скорости изнашивания и от микротвердости перлита, среднего расстояния между включениями графита, длины включений графита и твердости приведены на рис. 13. Скорость изнашивания образцов первой серии уменьшилась с увеличением микротвердости перлита и твердости, среднего расстояния между включениями графита и длины включений графита.

Скорость изнашивания образцов второй серии не изменялась с увеличением микротвердости перлита, возрастала с увеличением твердости и уменьшалась с увеличением среднего расстояния между включениями графита и длины включений.

Из сопоставления результатов эксплуатационных и лабораторных испытаний следует:

Зависимости скорости изнашивания деталей и образцов первой серии от микротвердости Н перлита имеют одинаковый характер.

Увеличение среднего расстояния а между включениями графита и длины включений l _гр в пределах малых значений этих параметров (детали и образцы второй серии) сопровождается уменьшением скорости изнашивания деталей и образцов. При некоторых значениях параметров эти зависимости меняют знак. В лабораторных испытаниях последнее не наблюдается.

Совпадение характера зависимостей скорости изнашивания от параметров, косвенно связанных с сопротивлением разрушению при трении (Я и а), позволяет сделать вывод о том, что полученные зависимости обусловлены особенностями микроструктуры и свойств чугуна. При лабораторных испытаниях увеличение среднего расстояния между включениями графита и длины включений не вызывало роста скорости изнашивания. Однако это не снижает правомерности вывода, так как характер этих зависимостей обусловлен не изменением сопротивления разрушению при трении, а побочными факторами — изменением количества посторонних загрязнений, принимающих участие в изнашивании. Причина нечувствительности лабораторных испытаний к этому эффекту:в язана с методикой испытаний.

образцов в зависимости от микротвердости Н перлита, среднего расстояния между включениями графита а, длины включений l _гр графита и от твердости НВ:

а — заливка без холодильников (I серия); б — заливка с холодильниками (II серия).

Различный характер зависимостей у деталей обеих "серий свидетельствует о различии процессов, обусловливающих износ направляющих.

В изнашивании деталей первой серии большую роль, по-видимому, играет пластическая деформация поверхностных слоев. Действительно, повышение сопротивления пластической деформации матрицы, проявившееся в увеличении микротвердости от 240 до 320 кгс/мм 2, уменьшило скорость изнашивания деталей приблизительно в 2 раза (рис. 11). Существенное значение имела также активизация изнашивания крупными включениями графита, что выразилось в повышении скорости изнашивания при увеличении длины l _гр Процессы, связанные с отделением объемов металла, заметно не влияют на характер зависимостей. Причина ограниченного развития процессов отделения объемов связана с особенностями микроструктуры чугуна. Сравнительно крупные включения графита расположены на относительно больших расстояниях друг от друга, поэтому сопротивление отделению оказывается в деталях первой серии сравнительно высоким.

В изнашивании деталей второй серии пластическая деформация не играет большой роли. Действительно, изменение микротвердости заметно не влияет на характер зависимостей, который определяется отделением объемов при малых значениях а и l _гр и активизацией изнашивания при крупных включениях графита и больших значениях а. Увеличение влияния отделения объемов у большинства деталей этой серии связано с малым значением а. Последнее обусловлено особенностями технологии получения литых деталей (применение холодильников).

Из изложенного следует, что решающее влияние на формирование процессов изнашивания направляющих оказывает микроструктура чугуна по графиту. Упрощенно, в первом приближении, оно может быть охарактеризовано длиной включений графита и средним расстоянием между ними.

Несмотря на то, что между параметрами а и l _гр существует прямая зависимость (рис. 14), они по-разному влияют на износ. Последнее подтверждают результаты специально поставленных экспериментов.

Рис. 14. Зависимость между средним расстоянием между включениями графита а и длиной включений в сером чугуне l _гр

Образцы получали в песчаных формах из нелегированных чугунов двух составов. Часть образцов получали в формах с чугунными холодильниками. При включениях графита одной и той же длины скорость изнашивания чугуна, залитого без холодильников, существенно ниже скорости изнашивания чугуна, залитого с холодильниками (рис. 15). Те же результаты испытаний в зависимости от среднего расстояния между включениями графита, приведены на рис. 15, б.

Рис. 15. Скорость и изнашивания чугуна:

а — в зависимости от длины включений графита б — от среднего расстояния между включениями графита а. l _гр состав чугуна:

1 - 3,42% С; 1,68% Si ; 0,46% Мп; 2 — 3,05% С; 1,79% Si ; 0,72% Мп. (• — залито с холодильниками; О — без холодильников)

Вид полученных зависимостей свидетельствует о том, что величина среднего расстояния между включениями графита достаточно полно характеризует сопротивление отделению объемов, связь которых ослаблена включениями графита и может служить критерием износостойкости чугуна.

Длина включений графита не определяет однозначно износостойкость чугуна (рис. 15), однако характеризует способность активизировать процесс изнашивания чугуна при попадании на направляющие посторонних загрязнений.

Таким образом, при относительно малых размерах включений графита, когда активизация изнашивания вследствие попадания загрязнений не является решающей, увеличение расстояния а вызывает уменьшение скорости изнашивания из-за увеличения сопротивления отделению объемов чугуна.

При крупных включениях графита с увеличением расстояния а начинает превалировать фактор активизации изнашивания и скорость изнашивания возрастает (рис. 11, б), хотя сопротивление изнашиванию за счет отделения объемов продолжает увеличиваться.

Характер зависимостей скорости изнашивания от микротвердости матрицы и от твердости чугуна оказался практически одинаковым (рис. 11). Тем не менее и эти свойства не взаимозаменяемы при оценке износостойкости чугуна. Причиной этого является неопределенность характера зависимостей как между микротвердостью матрицы и твердостью, так и между твердостью и износостойкостью чугуна.

Микротвердость матрицы определяется сопротивлением пластической деформации ее микрообъемов; твердость — сопротивлением пластической деформации макрообъемов сплава, на величину которой влияет как микротвердость матрицы, так и количество и размеры включений графита. В случаях, когда применяемые технологические варианты литья так изменяют микроструктуру по графиту и микротвердость матрицы, что они влияют на твердость в противоположных направлениях, зависимость между твердостью и микротвердостью может быть любой. Это характерно, в частности, для случаев, когда повышение твердости по Бринеллю достигается резким повышением скорости охлаждения при эвтектическом превращении путем применения холодильников.

Неопределенность характера зависимости между твердостью и износостойкостью связана с тем, что влияние микроструктуры чугуна по графиту на твердость и износостойкость может быть разное. В случаях, когда изменения микроструктуры по графиту одинаково влияют на твердость и износостойкость чугуна, а также когда изменение твердости вызвано изменением микротвердости матрицы, между твердостью и износостойкостью наблюдается прямая зависимость (рис. 11, детали первой серии). В случаях, когда изменения микроструктуры по графиту по-разному влияют на твердость и износостойкость чугуна, зависимость между твердостью и износостойкостью чугуна может иметь любой характер (рис. 11, детали второй серии).

В связи с большой ролью пластической деформации в изнашивании направляющих и наличием четкой зависимости между скоростью изнашивания и микротвердостью матрицы (если эта зависимость не искажена влиянием микроструктуры по графиту), величина микротвердости матрицы может быть принята в качестве второго критерия износостойкости чугуна.

Твердость можно использовать для характеристики чугуна, когда известно, что при применяемом технологическом варианте литья изменения механических свойств матрицы и микроструктуры по графиту одинаково влияют на твердость и износостойкость. Это относится, в частности, к случаям, когда изменение свойств чугуна достигается варьированием его химического состава, легированием или модифицированием.