Odpornośc na zużycie ścierne i niszczenie

wodorowe austenitycznych Stopów  Fe-Mn-C

PART  1  PART 2 PART 3

Waleryj KOLESNIKOV

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 FeK_a i CuK_a. 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