Odpornośc na zużycie ścierne i
niszczenie
wodorowe austenitycznych Stopów Fe-Mn-C
PART 1 PART 2 PART 3
Wschodnioukraiński
Państwowy Uniwersytet im W.Dalja, Ługańsk, Ukraina
Słowa kluczowe:
Żeliwa manganowe, austenit, odporność na pękanie,
zużycie ścierne, produkty zużycia,
degradacja wodorowa.
Streszczenie
Zbadano wpływ dodatków
stopowych na strukturę powierzchni i
strefy podpowierzchniowej w austenitycznych żeliwach stopowych Fe-Mn-C,
modyfikowanych dodatkami Cr, V i Ti w warunkach zużycia przy zmiennym obciążeniu i niszczenia
wodorowego. Wykazano, że dodatki stopowe różnie wpływają na odporność na
zużycie i niszczenie wodorowe. W warunkach braku smaru, grafit może adsorbować
go w ograniczonej ilości i pewne ilości dostarczać na powierzchnię zapobiegając
tym samym mikrozgrzewaniu tych powierzchni i zużyciu katastrofalnemu.
Wprowadzenie
Jak świadczą dane statystyczne,
do 80% awarii maszyn i urządzeń spowodowanych jest zużyciem trących się powierzchni
albo niszczeniem wodorowym [1]. Badanie ogólnych zależności mechanizmów
niszczenia w warunkach tarcia i zużycia wodorowego jest zatem problemem
aktualnym. Jednym z kierunków działań
pozwalających przedłużyć czas eksploatacji maszyn i urządzeń jest wymiana
zużytych detali na produkowane z nowych tańszych materiałów, które posiadają z
góry założone właściwości (odporność na pękanie, korozję, zużycie ścierne). W
naszych czasach stopy konstrukcyjne mogą zawierać duże ilości deficytowych dodatków
stopowych, co znacznie podraża ich wykorzystywanie. W związku z tym aktualnym
jest badanie wpływu pierwiastków węglikotwórczych na skład strukturalno-fazowy
i właściwości mechaniczne austenitycznych manganowych żeliw i manganowych stali
stosowanych w transporcie i w energetyce jako tańsze materiały zastępcze [1-14].
Celem prezentowanej pracy jest ocena odporności na zużycie ścierne i
niszczenie wodorowe wymienionej wyżej grupy stopów żelaza, ze względu na ich
zmodyfikowany skład chemiczny. Wyniki badań porównywano z wcześniejszymi
pracami autorów.
Metodyka badań
Główną część badań tribologicznych wykonano
na stanowisku do badania zużycia ściernego typu SMC-2, w układzie pin on disc.
Mikrostrukturę stopów badano przy pomocy mikroskopu świetlnego Neophot 2,
wyposażonego dodatkowo w mikrotwardościomierz Vickersa typ Hannenman. Badania
mikrofraktograficzne wykonano przy użyciu mikroskopu elektronowego Noran
Instrument. Badania składu fazowego wykonano za pomocą dyfraktometru
rentgenowskiego Dron-3 w zakresie fal FeKa i CuKa. Badania
metodami mechaniki pękania przeprowadzono na urządzeniach firm Amsler i Roell
Korthous, wyznaczając krytyczny i progowy współczynniki intensywności naprężeń.
Omówienie wyników badań
Badaniu poddano stopy o składzie podanym w tablicy 1. Dla wszystkich stopów zawartości głównych pierwiastków były jednakowe i
wynosiły:
C: 3,4%, Si: 3,0%, Mn: 12%, Cu: 2,5%, Ni: 1%.
Tablica 1. Skład chemiczny stopów (% wag.) i
mikrostruktura badanych żeliw
|
Nr
stopu
|
Al
|
Сr
|
V
|
Ti
|
P
|
S
|
Struktura osnowy
|
Grafit
%
|
|
1
|
0,4
|
1,0
|
0,5
|
0,5
|
0,1
|
0,02
|
austenit
|
1,5– 5,0
|
|
2
|
0,4
|
1,0
|
0,5
|
0,1
|
0,1
|
0,02
|
austenit
|
2,5 – 8,0
|
|
3
|
0,4
|
0,1
|
0,5
|
0,1
|
0,1
|
0,02
|
austenit
|
4,0 – 12,0
|
Ustalono, że mikrotwardość
austenitu w dendrytach jest 1,2 – 1,9 razy wyższa, niż austenitu w pobliżu
wielkich grafitowych wtrąceń i austenitu, który wchodzi w skład austenitowo -
grafitowej eutektyki (tablica 2). Tłumaczy to się osobliwościami formowania
struktury stopów podczas pierwotnej krystalizacji i różnym rozkładem Mn i Ni.
Jak wykazała mikroanaliza rentgenowska, mangan zazwyczaj ujawnia się w
dendrytach wokół węglików a nikiel w centralnej części dendrytów (rys.1). Przy
tym mangan intensywnie umacnia roztwór stały [11]. Stwierdza się ponadto
odmienny charakter rozkładu długości wydzieleń grafitu w badanej grupie stopów
(rys.2).
Tablica 2. Właściwości mechaniczne: twardość HB,
mikrotwardość mHVa 50 (średnia mHVa w austenicie, mHVe w eutektyce, mHVd w dendrycie), s (granica wytrzymałości na
zginanie МPа), f300 strzałka
ugięcia (odległość pomiędzy podporami 300 mm).
|
Stop
nr
|
НВ
|
mHVa
|
mHVe
|
mHVd
|
σ,
МPа
|
|
|
|
|
1
|
250
|
400
|
290
|
450
|
386
|
2,4
|
|
|
2
|
223
|
350
|
290
|
410
|
306
|
2,2
|
|
|
3
|
161
|
300
|
270
|
310
|
353
|
3,6
|
|
  
Rys. 1. Mikrostruktura austenitycznych
żeliw manganowych Nr 1, 2, 3 (patrz tabela 1); ´100
|
