CC BY
32
УДК 669.13.018
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА МАРКИ ВЧТГ
А. А. НОВИКОВ, П. С. ДРОБЫШЕВСКИЙ, С. А. ТЮРИН, Д. С. ЧУМАК
ОАО «Гомсельмаш», Беларусь
Ключевые слова: чугун ВЧТГ, механические свойства, прочность, пластичность, твердость, трещиностойкость, сопротивление механической и контактной усталости, износостойкость.
Введение
Уровень прочности современных высокопрочных чугунов - Austempered Ductile Iron (ADI) (ов ~ 1000-1600 МПа) является вполне конкурентоспособным по сравнению с конструкционной сталью. Но у всех известных высокопрочных чугунов есть один фундаментальный недостаток: повышение прочности неизбежно сопровождается значительным охрупчиванием металла. Так, при росте предела прочности в 1,5-2 раза относительное удлинение при разрыве уменьшается в 9-11 раз, что характерно как для традиционных марок, так и новых разработок (рис. 1) [1]-[4]. Кроме того, сопротивление усталости чугунов меньше, чем у стали - как при контактном нагружении, так и при изгибе (табл. 1) [5].
Однако у высокопрочных чугунов имеются и существенные преимущества по сравнению со сталью. Чугуны имеют высокую износостойкость. Так, относительная потеря объема при абразивном износе чугуна ADI примерно на 30 % меньше, чем у стали (при одинаковой твердости).
Рис. 1. Потеря пластичности (охрупчивание) высокопрочных чугунов с шаровидным графитом с ростом предела прочности
Таблица 1
ВЧТГ и сталь: служебные свойства
Материал Предел выносливости, МПа
при контактном нагружении, pf при изгибе с вращением, ct_i
ЧУГУН с шаровидным графитом (ISO 6336-5:2003(E)) 625 229
Легированная термоупрочненная СТАЛЬ (ISO 6336-5:2003(E)) 915 337
ВЧТГ (плавка № 25) 975 290
По сравнению со сталями чугуны имеют более низкие плотность и модуль упругости - на 10-12 % и 20 %, соответственно. При этом их относительная звукопоглощающая способность в 3-7 раз выше, чем у сталей [1]-[4]. Литые детали из чугуна намного дешевле (на 20-30 % и более) стальных, особенно ковано-сварных [6]-[8]; эффективность литья тем выше, чем сложнее конфигурация и больше масса стальных деталей и особенно сварно-стальных конструкций. Это связано с тем, что энергетические затраты на плавку чугуна до 50 % ниже, чем для стали (табл. 2) [9]. Кроме того, стоимость литых деталей и конструкционных элементов из чугуна определяется не только (и не столько) стоимостью металла и легирующих элементов для него, сколько рациональной и малозатратной технологией изготовления.
Таблица 2
Сравнение расхода энергии в процессе изготовления деталей из чугуна ADI (Austempered Ductile Iron) и стали
Потребление электроэнергии, кВт • ч/т
Технология производства ADI Сталь
Получение материала 2500 4500
Предварительная термообработка - 500
Аустемперинг 600 —
Упрочнение — 800-1200
Итого 3100 5800-6200
Экономия энергии около 50 %!!!
В целом можно перечислить следующие достоинства высокопрочных чугунов по сравнению со сталью: хорошие антифрикционные свойства; способность быстро гасить вибрации и резонансные колебания; малая чувствительность к надрезам; меньший, чем у стали, удельный вес; повышенная теплопроводность; повышенные, по сравнению со сталью, литейные и технологические свойства; более низкая температура плавления; хорошая обрабатываемость резанием и др.
При этом достижение повышенных прочностных характеристик позволит еще в большей степени увеличить привлекательность высокопрочных чугунов для изготовления из них деталей машин, традиционно рассматриваемых как стальные изделия.
Целью работы является исследование механических свойств специального высокопрочного чугуна и определение применимости и перспектив использования этого материала для решения задач импортозамещения и повышения конкурентоспособности наиболее ответственных узлов машин и оборудования.
Объекты и методы исследований
Объектом исследования является высокопрочный чугун разработки ООО «НПО ТРИБОФАТИКА» и ОАО «Гомсельмаш», маркируемый ВЧТГ [10]-[13].
Прочностные характеристики чугуна ВЧТГ исследовали по стандартной методике на растяжение [14]. Усталостные характеристики чугуна ВЧТГ исследовали по стандартной методике при консольном изгибе с вращением [15]. Характеристики трещиностойкости чугуна ВЧТГ исследовали по стандартной методике на призматических образцах с концентратором напряжений [16].
Изготовление и эксплуатационные испытания ножей режущих барабанов из чугуна ВЧТГ осуществлены по заданию ОАО «Гомсельмаш». С целью сравнительной оценки износостойкости данных ножей в полевых условиях ими были укомплектованы комбайны КВК-800, которые реализованы сельхозпредприятиям. Лабораторией износоусталостных испытаний ОАО «Гомсельмаш» организован надзор за работой этих машин. Износостойкость ножей в эксплуатации исследовали по методике [17].
Результаты исследований и их обсуждение
Главное достоинство чугуна ВЧТГ состоит в том, что он обнаруживает оригинальную совокупность свойств: прочность, сопоставимую с современными легированными термоупрочненными сталями и одновременно технологические и служебные свойства как у современных высокопрочных чугунов с шаровидным графитом («два в одном»). Служебные свойства ВЧТГ хорошо регулируются путем соответствующего подбора режимов термообработки. ВЧТГ обнаруживает нетипичные особенности и свойства.
Диаграмма «прочность-пластичность» (рис. 2) характеризуется интересной закономерностью - соразмерно росту относительного удлинения происходит повышение предела прочности.
Пластические свойства ВЧТГ хорошо иллюстрирует диаграмма растяжения (рис. 3). Интервал между пределом прочности и пределом текучести составляет ~ 300 МПа, т. е. ~ 35 % от величины предела текучести.
Диаграмма «прочность-твердость» (рис. 4) нетрадиционна: с ростом прочности твердость ВЧТГ может либо пропорционально повышаться, либо, наоборот, соответственно снижаться в зависимости от условий термообработки. Это свойство можно практически использовать для поиска оптимального соотношения «прочность-твердость».
Рис. 2. Диаграммы «прочность-пластичность» для АЭ1 и ВЧТГ при различных температурах изотермической выдержки при закалке
Рис. 3. Типичная диаграмма растяжения ВЧТГ
900 1000 1100 1 200 1300 1 400 1 500 1600 ав, МПа
Рис. 4. Диаграммы «прочность-твердость» для ЛБ1 и ВЧТГ при различных температурах изотермической выдержки при закалке
Результаты испытаний на усталость для трех вариантов термической обработки образцов из чугуна ВЧТГ (температуры изотермической выдержки при закалке 270, 300 и 330 °С) представлены на рис. 5. Указанные режимы термообработки признаны характерными и наиболее представительными для ВЧТГ. Результаты испытаний показывают, что сопротивление усталости ВЧТГ сопоставимо и приближается к термоупрочненной стали.
По характеристикам трещиностойкости ВЧТГ по меньшей мере не уступает катаной стали (рис. 6). Согласно рис. 6 у ВЧТГ трещиностойкость растет с повышением предела прочности, тогда как для катаной стали она слабо падает в интервале изменения предела прочности от ~ 1040 до ~ 1160 МПа.
С внедрением высокопрочного чугуна ВЧТГ появляется реальная перспектива им-портозамещения в производстве различных ответственных узлов и деталей сельскохозяйственной техники. В ОАО «Гомсельмаш» работы в данном направлении уже ведутся.
Сборочный узел «нож - прижим - болты - основание» (рис. 7) является одним из наиболее ответственных узлов режущего барабана комбайна КВК-800 производства ОАО «Гомсельмаш». В данном узле реализуется как контактное взаимодействие с трением ее компонентов, так и изгиб ножа вследствие резания зеленой массы.
а)
б)
в)
Рис. 5. Кривые механической усталости ВЧТГ. Микроструктура: а - мартенсит, бейнит (20 %), аустенит; б - мартенсит, бейнит (35 %), аустенит; в - бейнит (75 %), аустенит. На кривых дополнительно указаны температуры изотермической выдержки при закалке
80
h (Ю>
МПа'М
1/2
75
70
65
60
55
50
1000
s s ВЧТГ
/ / / / / / S
s ✓ / ' X X
< x f / /
Сталь ■ V // / $ , 1S s ssws ✓ /
/ / /
1100
1200 МПа 1300
Рис. 6. Трещиностойкость: сопоставление ВЧТГ с катаными сталями
Рис. 7. Общий вид режуще-измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна КВК-800 и ножа
Испытания опытных партий чугунных ножей (твердость 46-48 ИЯС) показали (рис. 8), что они удовлетворяют главному требованию: надежная работа в течение одного сезона, т. е. обеспечивается заготовка до 30 тыс. т зеленой массы. После указанной наработки износ чугунных ножей на 15 % меньше допустимого значения (для сравнения износ упрочненных импортных ножей в тех же условиях оказался на 25 % ниже допустимого). Вместе с тем себестоимость чугунных ножей минимум на 20 % ниже, чем импортных стальных.
Рис. 8. График изменения ширины (износ + заточка) режущей кромки ножей из чугуна ВЧТГ (твердость 46-48 ИЯС) и стали (импорт) с наплаванной режущей кромкой твердым сплавом (53-55 ИЯС) в зависимости от наработки, построенный по результатам эксплуатационных испытаний
По нашему мнению, перспективы промышленного использования ВЧТГ не исчерпываются приведенным примером. Может быть поставлена и решена проблема создания эффективных режущих и измельчающих аппаратов и устройств для сельского хозяйства, химической промышленности и других отраслей народного хозяйства. Еще одна основная проблема - многообразные оси и валы массового применения, в том числе коленчатые и распределительные.
Определенная экономическая выгода может быть получена при переводе многочисленных и дорогих кузнечно-прессовых и сварных технологий для производства сложных и крупногабаритных изделий на литейную технологию с использованием чугуна с высокими механическими свойствами.
Полученные результаты были положены в основу разработанного и введенного в действие в 2013 г. стандарта предприятия (ОАО «Гомсельмаш») СТП 315-647-2013 «Общие требования к механическим свойствам высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧТГ по характеристикам прочности и пластичности при растяжении, механической и контактной усталости, ударной вязкости и твердости» [18].
Поскольку практическое применение ВТЧГ расширяется для весьма ответственных - трибофатических систем современных машин и оборудования, назрела необходимость стандартизации его основных механических свойств на уровне Госстандарта Республики Беларусь, что позволит обеспечить соответствующее качество ВЧТГ при производстве на разных предприятиях Республики Беларусь.
В настоящее время ОАО «Гомсельмаш» разрабатывает государственный стандарт Республики Беларусь СТБ «Высокопрочный чугун с шаровидным графитом и высоким сопротивлением усталости. Марки и механические свойства». Научно-методическое обоснование стандарта проводится в БГУ и ОИМ НАН Б по заданию ГПНИ «Механика, техническая диагностика, металлургия» (подпрограмма «Металлургия»).
Заключение
В данной статье приведены результаты оценки механических и эксплуатационных свойств чугуна ВЧТГ. На примере эксплуатации ножей режуще-измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна КВК-800 показана возможность замены импортного материала отечественным чугуном ВЧТГ с соответствующей термообработкой. Комплексные исследования механических характеристик указанного чугуна позволяют прогнозировать возможность его широкого внедрения в машиностроительное производство в Республике Беларусь и за рубежом.
Статья опубликована по результатам МНПК «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе - сегодня и завтра», состоявшейся 21-22 декабря 2017 г. в НТЦК ОАО «Гомсельмаш».
Литература
1. Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом и аустенитно-бейнитной матрицей. Современные материалы для литых деталей / Н. Н. Александров [и др.]. -М. : Металлург, 2004. - 419 с.
2. Беликов, А. И. Отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / А. И. Беликов, Л. А. Жуков, Д. Н. Маццарелли. - М. : Машиностроение, 2006. -448 с.
3. Шебатинов, М. П. Высокопрочный чугун в машиностроении / М. П. Шебатинов. -М. : Машиностроение, 1988. - 216 с.
4. Щеголюк, Н. И. Сравнительные исследования конструкционной прочности чугуна и стали / Н. И. Щеголюк // Литейное пр-во. - 1993. - № 9. - С. 6-8.
5. ISO 6336-5:2003. Calculation of load capacity of spur and helical gears. Strength and quality of materials.
6. Корниенко, Э. Н. Разработка высокопрочных чугунов с повышенными специальными свойствами / Э. Н. Корниенко, М. С. Колесников. - Набережные Челны : КамПИ, 1999. - 293 с.
7. Зборщик, А. М. Доменный чугун с шаровидным графитом для крупных отливок / A. M. Зборщик, И. П. Бычков. - М. : Машиностроение, 1995. - 128 с.
8. Корниенко, Э. Н. Перспективы производства отливок ЧШГ аустенитно-бейнитного класса / Э. Н. Корниенко, А. Г. Панов, Д. Ф. Хальфин. - Елабуга : НЭК, 2001. - 213 с.
9. Roedter, H. ADI - Austempered Ductile Iron / H. Roedter (фирма RTIRON&TITANUM GMBH) // Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом и аустенитно-бейнитной матрицей. Современные материалы для литых деталей : информ. сб. техн. материалов / Металлург ; под ред. Н. Н. Александрова [и др.]. - М., 2004. - С. 249-258.
10. Чугун с шаровидным графитом и высоким сопротивлением усталости : пат. 15617 Респ. Беларусь, МПК С 22С37/04 / Л. А. Сосновский, В. А. Жмайлик, Н. В. Псыр-ков, В. О. Замятнин, В. В. Комиссаров ; заявители РУП «Гомсельмаш», ООО «НПО ТРИБОФАТИКА». - № а20101428 ; заявл. 04.10.2010 ; опубл. 30.04.2012. - 4 с.
11. Псырков, Н. В. Специальный высокопрочный чугун с шаровидным графитом как новый конструкционный материал / Н. В. Псырков // Механика машин, механизмов и материалов. - 2012. - № 3 (20)/4 (21). - С. 213-218.
12. Чугун и сталь в трибофатических системах современных машин и оборудования / Л. А. Сосновский [и др.] // Механика машин, механизмов и материалов. - 2014. -№ 4 (29). - С. 5-20.
13. Специальный высокопрочный чугун с шаровидным графитом как конкурент упрочненной стали / В. А. Жмайлик [и др.] // Тр. VI Междунар. симп. по трибофати-ке (КТБ 2010), Минск, 25 окт. - 1 нояб. 2010 г. / редкол.: М. А. Журавков (пред.) [и др.]. - Минск : БГУ, 2010. - Т. 2. - С. 73-77.
14. Металлы. Методы испытаний на растяжение (Межгос. стандарт) : ГОСТ 1497-84. -Введ. 01.01.1986. - М. : Изд-во стандартов, 1984. - 22 с.
15. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость (Межгос. стандарт) : ГОСТ 25.502-79. - Введ. 01.01.1981. - М. : Изд-во стандартов, 1980. - 32 с.
16. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении / Механика катастроф. Определение характеристик трещино-стойкости конструкционных материалов : метод. рекомендации. - М. : Изд. МИБ СТС, Ассоц. КОДАС, 1995. - С. 7-82.
17. Ножи кормоуборочных комбайнов КВК-800. Программа и методика сравнительных доводочных эксплуатационных испытаний. - Гомель : Гомсельмаш, 2014. - 20 с.
18. Общие требования к механическим свойствам высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧТГ по характеристикам прочности и пластичности при растяжении, механической и контактной усталости, ударной вязкости и твердости (Стандарт предприятия) : СТП 315-647-2013. - Введ. 30.08.2013. - Гомель : Гом-сельмаш, 2013. - 17 с.
Получено 12.02.2018 г.
