Эффективные методы повышения износостойкости деталей из серого чугуна, работающих в условиях сухого абразивного трения и теплосмен

Наиболее эффективными способами повышения износостойкости деталей из серого чугуна являются:

1. Получение в структуре равномерно распределённых гетерогенных включений (трибофаз), обладающих тугоплавкостью, высокой твёрдостью или пластичностью. В первом случае износостойкость повышается за счёт армирующего эффекта, а во втором - за счёт антифрикционного. В качестве специальных тугоплавких частиц с высокой твёрдостью могут служить карбиды следующих элементов: Ti, Nb, V, Mo, Cr, W, Mn. Создание в структуре чугуна стойких к нагреву пластичных включений позволяет улучшить как обрабатываемость чугуна резанием, так и повысить его износостойкость. Такими частицами могут быть, например, сульфиды марганца (MnS), образующиеся в структуре чугуна при содержании в нём серы свыше 0,03%. Оптимальное содержание серы в чугуне, обеспечивающее наилучшие триботехнические свойства чугуна, - 0,12%. При её меньшем содержании весь комплекс механических характеристик находится в норме, однако эффект повышения износостойкости проявляется слабее. При содержании серы свыше 0,12% происходит снижение как механических, так и износо-фрикционных свойств. Это связано с тем, что до концентрации 0,12% происходит постепенный равномерный рост включений MnS по всему объёму чугуна до величины, соответствующей толщине графитных пластин. Содержание серы свыше 0,12% вызывает неравномерное распределение сульфидов по металлической матрице и их укрупнение, превышающее толщину графита.
2. Повышение термостабильности перлита путём его микролегирования элементами-карбидообразователями (см. п. 1) в количествах, не вызывающих образования карбидов. Механизм заключается в гомогенном растворении элементов в цементите перлита, его стабилизации и твёрдорастворном упрочнении. Наиболее приемлемыми добавками являются Mn и Cr. Эти элементы являются сравнительно недорогими, при малых содержаниях не образуют специальных карбидов и не вызывают отбела. При введении этих элементов в чугун формируется легированный цементит типа (Fe, Mn)₃C и (Fe, Cr)₃C. Превышение определённой концентрации марганца и хрома вызывает некоторое охрупчивание. Оптимальная концентрация марганца и хрома при совместном легировании чугуна этими элементами: Mn^изб_%мас + 2xCr_%мас = 1,5%, где Mn^изб_%мас – количество марганца, не связанного в сульфиды. Увеличение содержания марганца и хрома до этой концентрации приводит к повышению износостойкости, а выше – к её снижению.
3. Оптимизация соотношения углерода и кремния в углеродном эквиваленте (степени эвтектичности) чугуна. Повышение износостойкости и улучшение теплофизических свойств чугуна обуславливается увеличением содержания углерода, играющего роль твёрдой смазки, и снижением содержания кремния, оказывающим охрупчивающее влияние на феррит перлита при неизменном углеродном эквиваленте. Повышение содержания углерода до 3,6% при снижении содержания кремния до 1,35% в целом не вызывает снижения механической прочности чугуна. Это обусловлено тем что, с одной стороны происходит укрупнение и огрубление графитных пластин, а с другой - снижение охрупчивающего влияния кремния на феррит перлита.