Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 113 Брыков М.Н. Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина E-m ail : brykov@znt u.edu.ua ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ БЕЙНИТА ПРИ АБРАЗИВ НОМ ИЗНАШИВАНИИ УДК 669.017:620.178.16 Пр едставлены р езу льтаты иссл едований износостойкости сталей со стр у ктур ой бейнита пр и абр азивном изнашивании. Испы таны стал и дву х химическ их составов, котор ые позволяют полу чать как ферр ито-цементитный, так и ферр ито-ау стенитный бейнит. Показано, что у величение содер жания бейнита в исходной стр у ктур е высокоуг- лер одистого нестабильного ау стенита снижает износо стойко сть матер иала. Клю чевые слова: абразивное изнаши вание, с та ли, бейни т, и зносостойкость Актуальнос ть и цель работы Абразивное изнашивание (АИ) материалов являе тся наибо лее жес тким процессом разрушения поверхностей при воздейс тви и внешне й среды. Э лементарное событие АИ – вдавливан ие в повер хность частицы размером от долей миллиме тра до несколь ки х миллиметров и после дующее перемещение под нагрузкой. В резуль тате тако го воздейс тви я возможны отде ление микрообъема материала с поверхнос ти или ее пластическа я деформация. Образуется царапина, выдавленная канавка, что свиде те льствует о пре- вышении кон тактным напряжением предела те кучести материала. Следующие взаимодействия этого участка повер хности с другими частицами приво дя т к повторному деформированию материала и, как следс твие , пос тепенному усталостному разрушению. Количес тво циклов повторного деформирования N до разрушения некоторого микрообъема за- висит о т того, нас только кон тактные на пряжения σК превышаю т пре дел те кучести материала повер хно- сти σТ. Ес ли σК снижаю тся вп лоть до σТ, то N стремится к величине порядка 10 4 [1]. С уве личением σК происхо ди т быстрое уменьшение N вплоть до еди ницы. В этом случае σК находя тся на уровне σВ мате- риала, и ми крообъем разрушается при единичном взаимодействии с абразивной части цей [2]. Иссле дования АИ ма териалов продолжаются уже более с та ле т. Ва жной ве хой на э том пути бы- ло создание М.М.Хрущовым и М.А.Бабичевым метода испы таний мета ллически х ма териалов на АИ [3], который позволи л воспроизво ди ть процесс АИ в «чистом ви де» при исключении незначимых факторов. Позднее метод был с тан дартизован [4]. Безусловно, это т метод испы таний на АИ - не еди нственно возможный. Многие исследова те ли использовали и другие испы тате льные мето дики широкого спектра – лабораторные, стен довые, на тур- ные. Большой вкла д в иссле дование АИ различны х материалов внес ли Б.А.Войнов, В.И.Дворук, В.Г.Ефременко, В.Н.Ка щеев, М.В.Кин драчук, Л.Г.Коршунов, Л.С.Малинов, А.В.Макаров, В.С.Попов и Н.Н.Брыков, М .М.Тененбаум, В.Н.Т качев, М.М .Хрущов и М.А.Бабичев, И.И.Цыпин, В.В.Шеве ля, A.Fisher, I.I.Garbar, A.M isra и I.Finnie, R.C.D.Richardson, G.W.Stachoviak, A.A.Torrance, J.H.Tylc zak, K.-H. Zum Gahr и др. В работе [5] опреде лен ряд и зносостойкости возможны х структур металлической матрицы неле - гированны х спла вов на основе железа при АИ в стандартизован ны х условия х испы таний по ГОСТ 17367-71 [4]: феррит-мартенси т-аус тени т (в порядке увеличения износостой кости ). Та кже пока за- но, что для улучшения те хноло гичности сп лава при со хранении высокой износостой кости аус тени та не- обхо димо вводить минимально доста точное ко личество ле гирующи х элементов, а со держание углерода поддержи вать на уровне 1,1-1,2% . Предложена с таль соста ва 1,2 % С и 3 %Mn (120Г3), ко торая позволяе т после зака лки о т 950-970 о С в масло или воду по лучить в с труктуре 100% нес таби льного аустени та. По- сле такой обработки материал приобретает максимально возможную износостойкость, на которую спо- собна металлическая матрица. Таким образом, практическая за дача на хож дения оп тимального и зносостойкого сп лава бы ла ре- шена. Одна ко с научной точки зрения ос тается открытым вопрос об износостойкости бейни та – еще о д- ного из возможны х с труктурны х состояни й металлической ма трицы. Износостойкос ть бейни та ин терес- на также в связи с привлека те льным комплексом свойств сталей с та кой структурой – высокая прочность в сочетании с удовле творите льной п ластичностью [6, 7]. В свя зи с э тим задачей предс тавленной работы была оценка и зносостойкос ти с талей с различным количес твом бейнита в с труктуре при АИ. Методика проведения исслед ований Бейни т, ка к и перли т, являе тся фазовой смесью феррита с цементитом, но несколько отличной морфологии. При опреде ленном химическом составе сп лава цементи т не образуется, и с труктура стано- Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 114 вится феррито-аустени тной. Бейни т появляе тся в резуль та те распада аустени та при температурах выше порога диффузион- ной подвиж ности углерода (150-200 оС), но ниже порога диффузионной подвижнос ти же леза (500-500 оС). Распа д может проис ходи ть при непрерывном охлаж дении , но если необ ходимо исключи ть появле- ние мартенсита в с труктуре, использую т и зотермическую выдерж ку в ванна х определе нного состава . Посколь ку сталь 120Г3 после зака лки от 950-970 оС содержит в с труктуре 100% аустени та, появ- ляе тся возможность проводи ть обработку по с хеме (рис. 1) с изо термической выдержкой в обычны х электропечах с воздушной а тмосферой. Регулируя температуру и время выдерж ки можно получать раз- личное количес тво вер хнего и ли ни жнего бейни та. Та ким образом, появляется возможность оцени ть влиян ие бейни та на износостойкос ть же лезоуглеродисты х сп лавов при АИ. Рис.1 – Схема те рмиче ской обработки высокоугле родистых низколегированных стале й на бе йнит Эксперименты проводи ли на ста ля х дву х химически х сос тавов (табл. 1). Изо термическую вы- держку осуществля ли в печи сопротивлен ия c автоматическим регулированием температуры. Датчи к – хромель -копеле вая термопара. Микроструктуру образцов после термической обработки иссле довали с помощью оптического микроскопа Neophot 32 и растрового электронного микроскопа Ultra 55. Твер- дость образцов по Виккерсу (нагрузка 98 Н) опре деля ли с помощью твер домера ТВП-5012. Таблица 1 Хим ический сос тав э кспе риме нтальных стале й, % масс. Элементы Сталь № C Mn Si Cr Cu Ni P S 1 1.27 3.55 0.35 0.10 0.02 0.07 0.023 0.010 2 1.29 3.51 2.18 0.18 0.05 0.10 0.044 0.005 Испыта ния за крепленным абразивом проводили с использованием эле ктрокорундового абразив- ного полотна по Г ОСТ 17367-71 [4]. Та кже проводили испыта ния сжа тым сто лбом абразива (кварцевый песок) на с тен де, имитирующем реальные ус ловия эксп луа тации де талей при АИ. Для сравнени я испы тыва ли образцы с тали Ha rdo x 450. Данная ста ль поставляе тся в термомеха- нически упрочненном состоянии и рекламируется произво ди телем ка к высокои зносостойкий материал для различны х ус ловий АИ. Результаты э кспе риме нтов и обс уждение На первом этапе иссле дований определяли ки нети ку бейни тного превращения аустени та с та ли 120Г3 (с та ль №1, см. табл. 1) при температуре 200 оС. Це лью было установи ть принципиа льную возмож- ность (с точки зрения длите льнос ти выдерж ки) проведени я данной термообработки для с та лей с содер- жанием углерода 1,2% , а также по лучить максимально возможное количес тво феррито-цементи тного бейнита в с труктуре. Образцы ста ли №1 за каливали от 950 оС в воду. Структура металличес кой матрицы после такой обработки – аустени т. Т вердос ть соста вила 260 HV. Эксперимент показа л, ч то бейнитное превращение аусте нита данно го химического состава на - чинается через 5х105 с или 5,8 суток. Э тап ускоренного превращения заканчивается через 106 с (11,6 су- Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 115 ток, твердость 550 HV). За тем сле дует э тап превращения со значите льно меньшей с коростью, и через 5х106 с и ли 57 суток твердос ть возрас тает до 600 HV. Полученный резуль та т согласуется с известными данными о кине тике изотермического превращения аустени та б лизкого химического состава при темпе- ратурах от 250 оС и выше [8]. Структура с тали после превращения показа на на рис. 2. Рис. 2 – Микроструктура стали №1 после закалки от 950 оС и после дующе й изотермической обработки при 200 оС в те че ние 5х106 с Вопреки ожида ниям сталь №1 после изотермического превращения (см. рис. 2) весьма хрупка. Образцы покрываю тся трещинами уже в процессе изо термической выдержки. Поэтому из ста ли №1 с бейнитной структурой были изготовлены только образцы размерами 2х2х(7…10) мм для испытан ий по ГОСТ 17367-71. Низкую плас тичность образцов ста ли №1 пос ле изотермической обработки при 200 о С можно объяснить повышен ным содержанием углерода в бейни тном феррите и большим ко личеством цементи- та. Час тицы цемен тита , хо тя и малы, но не образуют сплошно го упрочняющего каркаса подобно тонко- пластинчатому перли ту с малым размером колоний [9]. Прочностные и плас тические свойства такого перлита на хо дя тся на дос та точно высоком уровне [9, 10]. Извес тно, что кремний в количестве 1,5-2,0% пода вляе т вы делен ие цементита при изотермиче- ском распаде. Превращение аустени та, со держащего кремний, при води т к образованию фазовой смеси феррита и аустенита, обогащенного углеро дом. Именно эта структура обладае т повышенными прочно- стью и плас тичностью по данным [6, 7 и др.]. Из с та ли №2 изготови ли образцы размерами 2х2х(7…10) мм для испытан ий по Г ОСТ 17367-71, а также образец размером 30х90х10 для испыта ний на стен де. Образцы ста ли зака лива ли о т 1000 оС в воду. Вы держка для малы х образцов – 5 минут, для большого – 40 мину т. Глубина обезуглероженного слоя для малы х образцов – около 0,1 мм, для боль ши х – 0,7…0,8 мм. Перед испы танием малые образцы шли- фовали с торца на глубину 0,1…0,2 мм, большие – на глубину около 1,0 мм с одной плоскости . Твер- дость образцов после за калки сос тави ла 220-230 HV. Малые образцы подверга ли изотермической вы держке при температуре 250 о С. Установлено, что превращение заканчивае тся через 8 су ток, твердость увеличивается до 300 HV. Структура предс тавлена на рис. 3. Испыта ния на АИ по ГОСТ 17367-71 образцов ста ли №1 и №2 пос ле обработки на бейнит пока - зали, ч то общей тенде нцией являе тся снижение износостой кости материа ла по сравнению с аустенитной структурой (рис. 4). Для сравнения показан уровень износостойкос ти нео тпущенного мартенси та эвте к- тоидного состава (с таль У8, зака лка ) и с та ли Hardo x 450. Снижен ие износостойкости с талей №№ 1 и 2 после изотермического распада можно объяснить уменьшением количества нестабильного аустени та в структуре. В ста ли №1 фактически формируется феррито-цементитна я смесь (количес тво аустени та около 5%), поэтому можно ожидать, ч то износостой- кость э той ста ли со с труктурой бейни та при твердос ти 600 HV соответс твует износостойкости други х железоуглеро дисты х сп лавов с ферритной основой равной твер дости . Дейс тви те льно, относите льная и з- носостойкость белого не легированного чугуна с содержанием углерода 4,3% в отожженном состоянии при твер дости 570 HV обладае т о тноси тельной износостойкос тью 2,4 [5]. Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 116 Рис. 3 – Структура стали №2 после закалки от 1000 оС и изоте рмиче ской выде ржки 8 суток при 250 оС Рис. 4 – Относительная износостойкость различных мате риалов при АИ в условиях ГОС Т17367-71 В ста ли №2 количес тво аустени та снижается не столь значите льно, посколь ку в процессе γ-α превращения при подавлении вы делен ия цементи та аус тени т насыщае тся углеродом и стаби лизируется, что приводи т к торможению превращения. Поэ тому твердос ть с тали после превращения сос тавляет лишь 300 HV при со хранении в с труктуре 90-95% аус тени та. Тем не менее, износостойкость с тали №2 после завершения бейнитного превращения снижается доста точно существенно – почти до уровня износостой- кости мартенси та (ста ль У8 после зака лки). Э то связано, опя ть же, со стабили зацией аустени та, поско ль- ку избыточный у глерод снижае т температуру начала мартенситного превращения. С другой стороны, износостой кость нео тпущенного мартенси та с практической точки зрения доста точно высока. Однако ста ль У8 после зака лки без отпуска нас толь ко хрупка, что не может быть ис- пользована для каки х-либо де талей не зависимо от условий эксп луатации . Любой незначите льный удар почти наверняка приво ди т к хруп кому разрушению. Поэтому сталь У8 после зака лки по двергаю т хо тя бы низкому отпуску, ч то значи тельно сни жает износостойкос ть мартенси та по сравнению с неотпущен- ным состоянием. Тогда преимущества с тали №2 пос ле обработки на бейни т становя тся значи тельно более суще- ственными. Посколь ку ее износостойкость даже выше , чем у неотпущенного мартенсита, она значи те ль- но превосхо ди т по износостой кости мартенсит после ни зкого о тпуска. При этом прочность на изгиб со- ставляе т 1500 МПа , относите льная деформация до разрушения 4,6%, у дарная вязкос ть КС око ло 70 Дж/см2. Такой уровень свойств позволи т использова ть дан ный материа л для широкого спе ктра условий абразивного изнашива ния. Здесь необхо димо отмети ть извес тный класс материа лов – т.н . аусферритные чугуны. Бла годаря содержанию кремния на уровне 2% эти чугуны пос ле изо термической выдерж ки при температурах около 300 о С приобретают матрицу феррито-аустени тного бейни та , что обеспечивает высокий комплекс ме ха- нически х свойс тв [11]. Фактически с труктура стали №2 пос ле обработки на бейнит и ден тична структуре аусферритны х чугунов после по добной обработки, но без свободного графита . Дополни те льное преим у- щество данной ста ли перед чугунами – нет необ ходимости испо льзова ть жидкие ванны различны х рас- Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 117 плавов для и зотермической вы держки, что значите льно уве личивае т возможные габариты де талей . Та к- же снижае тся эколо гический вред о т те хнологическо го процесса. Образец стали №2 размером 30х90х10 после за калки от 1000 оС (аус тени т) также испы тыва ли на стен де сжатым столбом абразива (кварцевый песок) зернистостью 1,0…1,5 мм. Эталон сравнения – сталь Hardo x 450. Испы тания показа ли, что в данны х условия х и зносостойкос ть стали №2 в три раза и более превышает износостой кость с та ли Ha rdo x 450. Э ти резуль та ты согласую тся с дан ными [12] и позволяю т рассматривать с таль 120Г3С2 в качестве перспективного ма териала для де талей , ко торые подвержены АИ в процессе эксплуатации, в том числе широкого спектра сменных частей земснарядов, работающи х в конта кте с грунтом (грани т, песок). В завис имости от услови й изнаши вания с таль 120Г 3С2 можно ис- пользова ть в аустени тном состоянии (зака лка от 1000 оС) или после дополни те льной изотермической об- работки (250 оС, 8 суток). Несмотря на неудобства такой дли тель ной обработки, п ластические свойства материала существенно улучшаютс я при незначите льной по тере износостой кости. Выводы и направления д аль не йших исс ледований Опреде лена износостойкос ть высокоуглеродис ты х ни зко легированны х с тале й 120Г3 и 120Г3С2 со структурой бейнита при абразивном изнашиван ии. Ус тановлено, что уве личение содержания бейни та в структуре стали с ис хо дной аустени тной структурой в любом случае снижает износостойкость . В ста ли 120Г3С2 в процессе изотермического превращения формируется феррито-аустенитны й бейнит, аустени т обогащается углеродом и стаби лизируетс я, ч то обеспечивает доста точно высокий комплекс ме ханиче- ски х с войств. Износостойкос ть такой с труктуры существенно н иже, чем износостойкос ть ис ходно го не- стабильно го аустенита , однако превышает износостойкость высокоуглеродис того неотпущенного мар- тенси та. Дальнейшие исс ле дования могут быть направлены на поиск об ласти рациона льного использова - ния высокоуглеродис ты х н изко легированны х с та лей со структурой бейнита и нестаби льного аустени та в качестве ма териала де талей машин, по дверженны х в процессе эксплуа тации абразивному изнаши ванию. Лите ратура 1. Коцаньда С. Ус та лостное разрушение металлов. Пер. с польского Г. Н. Ме хеда . Под ре д. В. С. Ивановой. - М. : Мета ллургия, 1976. - 456 с. 2. Тененбаум М. М. Сопроти влен ие абразивному изнашиванию / М. М. Тененбаум - M. : Маши - ностроение, 1976. - 247 с. 3. Хрущов М. М. Иссле дования и знашиван ия металлов / М. М. Хрущов, М. А. Бабичев. - М. : Изд-во А Н СССР, 1960. - 352 с . 4. Ме таллы : Ме тод ис пытан ия на абразивное и знашиван ие при трении о за крепленные абразив- ные частицы : Г ОСТ 17367-71. - М. : Изд-во стан дар тов, 1971. – 5 с. 5. Брыков М . Н. Износостойкос ть с та лей и чугунов при абразивном изнашивани и : Научное из- дание / М. Н. Брыков, В. Г. Ефременко, А. В. Ефременко – Херсон : Гринь Д . С., 2014. – 364 с. 6. Bhadeshia H. K. D. H. Nanostructured bainite / H. K. D. H. Bhadeshia // Proc. R. Soc. A. – 2010. – V. 466. - P. 3-18. 7. Gabare llo F. G. Opening previously impossible avenues for phase transformation in innovative steels by atom probe tomography / F. G. Gabarello, M. K. Miller, C. Garc ia-Mateo // Materials Science and Technol- ogy. – 2014. – V. 30. – P. 1034-1039. 8. Гу дремон Э. Специа льные с та ли : в 2-х т. Пер. с нем. - М. : Мета ллургия, 1966. - 1274 с. 9. Лунев В. В. Резервы повышения п ластичности термообработанных высокоуглеродисты х ста - лей / В. В. Лунев, М. Н. Брыков, С. Н. Ткаченко // Нові матеріа ли і те хнології в мета лургії та машинобудуванні. – 2013. - №2. – С.60-63. 10. Изо тов В.И. и др. Влиян ие с труктуры пер литной с тали на ме хан ические свойс тва и особен- ности разрушения при изгибном нагружении // ФММ. - 2009. - Т . 108. -В. 6. - С.638-648. 11. Янченко А. Б. Повы шение триботе хнически х свойс тв чугунов с мелкозернис тым компакт- ным графитом бейнитной зака лкой / А. Б. Янченко, В. И. Сауля к // Проблеми трибології (Proble ms of Tribology). – 2012. - № 1. – С. 135-138. 12. Hesse O. Zur Festigkeit niedrig legierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasiven Verschleiß / O. Hesse, J. Merker, M. Brykov, V. Efre menko // Tribologie + Sch mierungstechnik. – 2013. - № 6. – S.37-43. Надійш ла 18.03.2015 Износостойкость бейнита при абразивном изнашивании Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 118 Bry kov M.N. Abrasi ve we ar resistance of bainite The results of investigation on abrasive wear resistance of steels containing bainite are presented. Steels of two chemica l compositions are tested: both for ferrite-ce mentite bainite and ferrite-austenite bainite. It is shown, that if bainite quantity in the structure of steel increases than wear resistance decreases. Ke ywor ds: abrasive wear, steel, bain ite, wearproofness . References 1. Kocan'da P. Ustalostnoe razrushenie metallov. Pe r. s pol'skogo G. N. Meheda. Pod red. V. P. Ivano- voj. , M . : Metallurgija, 1976, 456 p. 2. Tenenbaum M. M. Soprotivlenie abra zivno mu iznashivaniju , M. M. Tenenbaum , M. : Mashinostro- enie, 1976., 247 p. 3. Hrushhov M. M. Issledovanija iznashivanija metallov , M. M. Hrushhov, M. A. Babichev, M. : Izd,vo AN SSSR, 1960, 352 p. 4. Metally: Metod ispytanija na abrazivnoe iznashivanie pri trenii o za krep lennye abraziv,nye chasticy : GOST 17367,71. , M. : Izd,vo standartov, 1971. 5. Brykov M. N. Iznosostojkost' stalej i chugunov pri abrazivnom iznashivanii : Nauchnoe iz,danie , M. N. Brykov, V. G. Efre menko, A. V. Efre men ko – Herson : Grin' D, 2014- 364 p. 6. Bhadeshia H. K. D. H. Nanostructured bainite , H. K. D. H. Bhadeshia , Proc. R. Soc. A,2010,V. 466. , P. 318. 7. Gabare llo F. G. Opening previously impossible avenues for phase transformation in innovative steels by atom probe tomography , F. G. Gabarello, M. K. Miller, C. Ga rcia ,Mateo , Materia ls Science and Technol- ogy,2014. – V. 30, P. 1034-1039. 8. Gudre mon Je. Specia l'nye stali: v 2,h t. Per. s nem. , M. : Metallurg ija , 1966, 1274 p. 9. Lunev V. V. Reze rvy povyshenija plastichnosti termoobrabotannyh vysokouglerodistyh sta,lej , V. V. Lunev, M. N. Bry kov, P. N. Tkachenko , Novі materіa li і tehnologії v metalurgії ta mashinobuduvannі, 2013, No 2, P.60-63. 10. Izotov V.I. i dr. Vlijanie struktury perlitnoj stali na mehanicheskie svojstva i osobennosti razrush- enija pri izgibno m nagruzhenii , FMM. , 2009, T. 108. ,V. 6. , P.638-648. 11. Janchenko A. B. Povyshenie tribotehnicheskih svojstv chugunov s melkoze rnistym ko mpakt,ny m grafito m be jnitnoj za kalkoj , A. B. Janchenko, V. I. Saulja k , Proble mi tribologії (Proble ms of T ribology),2012. , No 1, P. 135-138. 12. Hesse O. Zur Festigkeit niedrig legierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasiven Verschleiß , O. Hesse, J. Merker, M . Bry kov, V. Efre menko , Tribologie , Sch mierungstechnik, 2013, No 6, P.37-43.