Влияние типа и количества неметаллических включений на абразивное изнашивание металла

Безуглеродистые сплавы

Однофазные высокомарганцевые аустенитные наплавочные сплавы с различными добавками, обеспечивающими получение преимущественно включений α-Аl₂О₃ [6] получали путем электродуговой наплавки порошковыми проволоками при раздельном введении в их шихту: а) глинозема; б) оксидов железа + алюминиевый порошок. Для сравнения исследовался сплав, наплавленный порошковой проволокой такого же состава, но без специальных добавок. Подбор шихтовых материалов проволоки и идентичность условий наплавки обеспечивали получение сплава близкого химического состава (0,08...0,11 % С; 9,72...10,80 % Мn; 0,19...0,23 % Si и 0,005-0,008 % S) и одинаковой структуры.

Исследование показало, что если в сплаве, полученном без специальных добавок количество включений корунда составляет 3...5 %, то при раздельном введении добавок глинозема и оксидов железа + алюминиевый порошок их содержится 60...70 %. Следовательно, превалирующим фактором, обусловливающим различие в износостойкости изучаемых наплавок, является количество, размер и характер распределения включений корунда.

Испытания на абразивное изнашивание показали, что наименее износостойким является металл без специальных добавок оксидов (ε = 1,34). Среди сплавов с добавками оксидов более высокой износостойкостью (ε = 1,71) обладают те, в металлической матрице которых находится большее количество высокодисперсных (размером 800 ангстрем), равномерно распределенных включений корунда.

Разрушение рабочего слоя зернами огнеупорной шихты происходит избирательно, начиная с мягких составляющих металла и заканчивая выкрашиванием частиц упрочняющей фазы. Поэтому износостойкость безуглеродистых сплавов, несмотря на наличие в их металлической матрице прочных высокодисперсных частиц второй фазы, находится на низком уровне.

Углеродистые сплавы, легированные марганцем и хромом

Известно, что одним из основных факторов, обеспечивающих повышенную стойкость металла против абразивного изнашивания, является его гетерогенность, достигаемая за счет введения легирующих элементов. Однако расходование большого количества таких элементов на образование карбидов приводит к обеднению ими основы, что непременно отражается на общем ресурсе износостойкости, что было установлено на серии аустенитных и аустенито-карбидных сплавов, с металлической матрицей, насыщенной преимущественно включениями одного преобладающего типа.

Марганцевые сплавы. В Fe-С-Мп аустенитные сплавы практически одинакового химического состава (0,78...0,88 % С; 8,05...8,91 % Мп; 0,37...0,47 Si) вводились раздельно добавки МgО и Al₂О₃ в количестве 6...7 %. Для сравнения был взят сплав с несколько большей степенью легирования углеродом (1,27 % С) и марганцем (9,13 % Мп), но без специальных добавок окислов и двухфазный аустенито-карбидный сплав (1,52 % С; 10,26 % Мn) с добавкой 11,7 % FeS.

Наплавки со специальными добавками наиболее насыщены включениями, при преобладающем типе включений соответствующем вводимым добавкам. Дисперсность частиц оксидной фазы в металле, полученном электродуговой наплавкой с применением форсированного охлаждения, выше, чем карбидов даже в термически обработанных сплавах. При высокой степени равномерности распределения в структуре такие включения обеспечивают повышение плотности и равномерности распределения дислокаций, образующихся в рабочем слое металла при изнашивании.

Добавки оксидов Al₂O₃ и MgO приводят к повышению их сопротивляемости разрушению в абразивной среде (рис. 1). При этом в исследованном интервале насыщенности сплавов включениями преимущественно оксидной фазы существует пропорциональная зависимость между относительной износостойкостью (ε) и количеством включений, характеризуемой индексом (I), представляющим собой отношение суммарной длины включений к длине прямой линии их пересекающей и равной в данном исследовании 255 мм.

Полученная зависимость ε = f(I) описывается уравнением прямолинейной регрессии вида :

ε = 2,356 + 0,192·I.

Установленная функциональная связь между исследуемыми параметрами действительно имеет место, т.к. в качестве интегрального показателя точности проведенных экспериментов и надежности полученного уравнения принято отношение дисперсии эмпирических данных вокруг линии регрессии (σ_р²) к их общей дисперсии (σ_общ²), которое должно быть не больше 1/30[7].

В полученных данных это отношение равно:

σ_р²/σ_общ² = 1/84

где σ_р = 0,0004; σ_общ = 0,0324

Косвенным показателем хорошей степени связи между исследуемыми параметрами является величина коэффициента корреляции r = 0,98. Включения (Fe, Мп) S оказывают отрицательное влияние на сопротивляемость металла воздействию абразивных частиц.

Сплавы с аустенитной структурой без добавок оксидов, в которых количество включений оксидной фазы (I = 2,985 мкм/мм) примерно такое же, как и у сплавов с аустенито-карбидной структурой (I = 3,076 мкм/мм), насыщенной включениями (Fe, Mп)S (I = 221 мкм/мм) из-за ослабляющего действия сульфидов в 2,5 раза ниже износостойкости сплава с аустенитной структурой.

Добавки включений, обеспечивающие повышение количества оксидной фазы, еще больше увеличивают различие в износостойкости сплавов, содержащих сульфиды и оксиды.

Хромистые сплавы

Известно, что сплавы с аустенито-карбидной структурой на основе хрома при абразивном изнашивании обладают повышенной износостойкостью по сравнению с марганцевыми. Поэтому сравнительные исследования качественного и количественного влияния некоторых включений оксидов на абразивное изнашивание проводили на 3-х сериях двухфазных хромистых наплавочных сплавах, близкого химического состава.

Разное количество включений преобладающего типа в каждой серии сплавов достигается путем добавки в шихту порошковой проволоки, раздельно по сериям сплавов. МgO и SiО₂ в количестве 1...12 % и от 1 до 9 % Аl₂О₃.

Металлографическими и рентгеноструктурными исследованиями установлено, что структура изучаемых сплавов представляет собой аустенит с карбидами типа Ме₇С₃ в количестве 3,78...4,68 %. Сравнительные исследования влияния МgО (I = 6,90 мкм/мм) и SiO₂ (I = 6,25 мкм/мм) на абразивное изнашивание сплавов показали, что сплавы обладают различной износостойкостью (соответственно, = 9,90 и 7,00). Сплав с включениями корунда, несмотря на несколько большее их количество (I = 7,03 мкм/мм), по износостойкости (ε = 9,00) уступает сплаву с включениями МgО в 1,1 раза и превосходит сплав с включениями SiО₂ в 1,2 раза.

Повышенная износостойкость сплавов с включениями оксидов, наряду с другими факторами, связана с их высокими собственными физико-механическими свойствами.

В результате испытания углеродистых хромистых сплавов с разным количеством включений преобладающего вида показано, что существует пропорциональная зависимость между относительной износостойкостью и количеством оксидных включений внутри каждой серии сплавов (рис. 2).

Изменение количества включений в пределах: МgО-(3,88...10,6 мкм/мм) SiО₂-(6,25...12,87 мкм/мм) и Аl₂О₃-(3,32...10,50 мкм/мм) приводит к повышению износостойкости сплавов от 1,6 до 2,3 раза. При одном и том же количестве включений наибольшая износостойкость достигается за счет МgО.

Сталь Х12Ф1

В последнее время в качестве износостойкого материала используется сталь Х12Ф1, получаемая в промышленности путем выплавки в электродуговых печах с последующей ковкой.

Сталь Х12Ф1 выплавленная разными способами обладает различной степенью насыщенности включениями.

Результаты металлографического исследования неметаллических включений с последующим уточнением химическим и петрографическим анализами показали, что их минералогический состав при всех исследуемых способах получения стали, по оксидам и силикатам одинаков и отличается величиной, количеством и характером распределения. При этом преобладающим видом включений является корунд (α-Аl₂О₃).

Металл, полученный выплавкой в индукционной и электродуговой печах, наряду с оксидами содержит разное количество включений сульфидов. В литом состоянии оба вида включений располагаются группами, а при последующей ковке ориентируются в строчки.

Состав неметаллических включений в стали Х12Ф1, полученной путем электрошлакового переплава порошковой проволоки и электродуговой наплавки примерно одинаков (Аl2О3 - 78,1 %; SiО₂ - 10,1 %; 2МпО·SiО₂ - 9,7 %; FeO·Cr₂O₃ - 2,1 %). Однако в последнем случае 78 % включений имеют размеры 0,5 - 2,0 мкм и относительно равномерно распределены в объеме слитка.

В результате испытания образцов, термически обработанных с целью получения одинаковой аустенитокарбидной структуры стали Х12Ф1, полученной по различной технологии, установлено, что наиболее износостойким является металл после электродуговой наплавки (ε = 16,8), имеющей большее количество равномерно распределенных дисперсных включений (I = 12,0 мкм/мм). Близкой к нему сопротивляемостью изнашиванию (ε = 15,0) обладает металл после электрошлакового переплава порошковой проволоки при меньшем количестве включений такого же вида (I = 6,4 мкм/мм).

Наличие в стали Х12Ф1 включений сульфидов (Fe, Мn)S снижает ее способность к сопротивлению разрушению при абразивном изнашивании. Наименьшей износостойкостью (ε = 8,13 и 11,90) обладает металл, содержащий включения сульфидов, увеличение количества которых приводит к резкому понижению износостойкости (ε = 8,13).

В результате электронно-микроскопического исследования поверх-ностного слоя образцов, после их абразивного изнашивания установлено, что высокодисперсные включения оксидной фазы могут выполнять роль барьеров, осуществляющих торможение дислокаций перемещающихся под воздействием абразивов. Равномерное распределение таких препятствий движению дислокаций в рабочем слое детали приводит к увеличению способности металла поглощать, не разрушаясь, большее количество энергии в процессе его абразивного изнашивания.

Таким образом, взаимодействие дислокаций с включениями в процессе воздействия абразивных тел на изнашиваемую поверхность создает условия для возможно более полного проявления эффекта упрочнения сплава, обусловливает увеличение общей энергоемкости наплавленного металла, что приводит к повышению его износостойкости.

По материалам http://zntu.edu.ua/base/i2/iff/k3/ukr/tribos/books/vospovizn/06.htm