Решающее влияние на антифрикционные свойства и на истираемость чугуна оказывают включения графита и фосфидная эвтектика чугуна. Поэтому антифрикционные свойства чугуна определяются структурой, которая зависит от содержания кремния, марганца, никеля, хрома и т. д., а также от условий охлаждения литья и термической обработки.

В результате ряда исследований установлено, что некоторые условия оказывают одинаковое влияние на износостойкость чугуна. Одним из таких условий является пластинчато-перлитное строение структуры чугуна, при которой создается наибольшая износостойкость. Влияние перлита на износостойкость чугуна особенно сильно сказывается при содержании его до 30%. При большем содержании перлита износостойкость хотя и увеличивается, но очень незначительно.

Другим исключительно важным условием, оказывающим влияние на износ,, является количество, форма и характер распределения графитовых включений в основной структуре. При работе чугуна на износ графит выполняет двоякую роль: являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает его сопротивление силам трения, а как продукт износа графит оказывает на трущиеся поверхности благоприятное смазывающее действие. Положительное влияние графита сказывается и в том, что в результате износа он заполняет мелкие поры на трущихся поверхностях детали, уравнивая действующие удельные давления на поверхность.

Исследованиями было установлено, что при одном и том же содержании графита износостойкость чугуна возрастает с укрупнением графитовых включений и уменьшением числа их на единицу длины истираемой поверхности (так называемый «графипизированный чугун»).

Существенное значение, с точки зрения износа чугуна, имеет фосфидная эвтектика, в которую входит соединение FeP, обладающее весьма высокой твердостью. Это фосфидная эвтектика, находящаяся в виде твердого включения в перлитной или мартенсито- вой структуре, оказывает благоприятное влияние на износостойкость чугуна; при этом наиболее положительное влияние этой эвтектики сказывается в том случае, когда содержание фосфора в чугуне находится в пределах 0,3—1,0%.

Большое содержание фосфора в чугуне положительного влияния не оказывает. Совершенно другие результаты наблюдаются в том случае, когда включения фосфидной эвтектики находятся в непрочной ферритной структуре. Частицы фосфидной эвтектики, легко выкрашиваясь из слабой ферритной основы, оказывают на трущиеся поверхности резкое абразивное воздействие, т. е. увеличивают износ. Неблагоприятное действие фосфора на износостойкость чугуна проявляется также в условиях трения при повышенных температурах.

Рис. 10. Влияние структуры чугуна на его истираемость

На графике (рис. 10) показаны две марки чугуна с почти одинаковым содержанием графита, но разными структурами. Чугун I имел повышенное содержание кремния и почти чистую феррит- ную структуру с густой сеткой графита, а чугун — повышенное содержание фосфора, крупнопластинчатое перлитное строение основной массы с одиночными включениями графита и фосфидной эвтектики. Разница в истирании этих чугунов оказалась очень большой.

В последнее время Г. В. Топоровым в Институте машиноведения АН СССР были проведены исследования влияния структуры чугуна на его абразивный износ. Было проверено влияние внешних причин на относительный износ, т. е. давления между трущимися поверхностями, количества абразива между ними, зернистости абразива и скорости относительного перемещения трущихся тел. Кроме того, были исследованы износ чугуна с различной структурой, связь между абразивным износом чугуна и его поверхностью и влияние внутренних напряжений на износ.

В результате проведенных исследований было установлено:
а) повышение износостойкости чугуна при увеличении его твердости наблюдалось только тогда, когда это было связано с повышением твердости металлической основы, а не графитных включений;
б) при неизменном составе металлической основы чугуна и его химического состава повышение износостойкости происходило при увеличенных размерах графитовых включений при одном и том же количестве графита в образцах;
в) графитовые включения круглой (глобулярной) формы оказались более износостойкими, чем включения пластинчатой формы; одновременно с этим было отмечено, что чугун с мелкими глобулярными графитовыми включениями может иметь меньшую износостойкость, чем чугун с более крупными включениями пластинчатой формы;
г) влияние внутренних напряжений на износ проявляется в основном в чугуне после закалки его без отпуска или закалки с низкой температурой отпуска (100—150°).

Поэтому для достижения повышенной износостойкости нужно стремиться к получению чугуна с троститной или троститно-сорбит- ной структурой и сравнительно крупными графитовыми включениями. Получение такой структуры при литье затруднительно, так как увеличение скорости охлаждения с целью получения твердой металлической основы вызывает измельчение графитовых включений.

Таким образом возникает необходимость увеличения износостойкости чугуна путем термической обработки, в результате которой получают твердую металлическую основу и сравнительно крупные графитовые включения.

Более повышенной износостойкости добиваются не только путем изменения структуры чугуна с помощью обычных присадок кремния и марганца, но также путем их легирования никелем, хромом, молибденом, медью и другими металлами и последующей термической обработкой литья.

Износостойкость чугуна получается всегда повышенной, если специальные присадки входят в твердый раствор или образуют новые структурные составляющие без выпадения графита.

Учитывая это, добавление никеля производят при соответствующем снижении содержания кремния или вместе с присадкой хрома. Никель при этом образует ряд твердых растворов с железом и одновременно способствует графитизации чугуна, а хром оказывает упрочняющее и закаливающее действие на основную структуру чугуна, тормозит процесс ее графитизации и дает химические соединения с углеродом.

Рис. 11. Влияние различных присадок на истираемость чугуна: 1 — хром; 2 — мышьяк; 3 — фосфор; 4 — медь

Наиболее износостойким считается чугун с содержанием никеля 1,2—1,5% и хрома 0,4—0,5% (рис. 11).

Рис. 12. Зависимость износа стали от структуры и содержания углерода (при трении скольжения)

Значительного повышения износостойкости чугунных деталей добиваются путем их азотирования. Износостойкость азотированных гильз двигателей внутреннего сгорания в 2—2,5 раза выше, чем гильз из хромистого чугуна.

Исследованиями установлено, что положительное влияние на износостойкость углеродистых сталей оказывает процентное содержание углерода. Большое значение для износа при трении скольжения без смазки имеет также структура углеродистых сталей. Наибольшей износостойкостью обладает мартенситовая структура (рис. 12).

В результате исследований Н. Ф. Болховитинова, М. М. Хрущева и других установлено, что истираемость углеродистых сталей независимо от структурных состояний зависит от температуры их отпуска после закалки, т. е., чем ниже температура отпуска, тем выше износостойкость. На основании этого была установлена зависимость между износостойкостью углеродистых, сталей и их твердостью (рис. 13). Считается, что при одной и той же твердости двух одинаковых углеродистых сталей более износостойкой будет та, которая имеет устойчивую структуру. Единственным исключением являются аустенитные стали, которые обладают хорошей износостойкостью при ударах и весьма высоких удельных давлениях. Специальные стали имеют особо большую износостойкость.

Присадки, применяемые для углеродистых сталей, могут быть распределены на следующие группы: никель и кремний, образующие твердые растворы с а-железом; ванадий, марганец, молибден и вольфрам, образующие твердые растворы и устойчивые карбиды; присадки, обладающие незначительной растворимостью в а-желе- зе, но образующие карбиды хрома.

Никель, ванадий и другие присадки, образующие твердый раствор с а-железом, делают феррит более вязким и прочным, а присадки хрома, молибдена и др., вступающие в химическое соединение с углеродом, сильно повышают твердость стали. Этим в основном объясняется, что в качестве особо устойчивых сталей применяют легированные специальные стали: хро- моникелевые, хромовольфрамовые, хро- мованадиевые и др.

Кроме того, все специальные присадки в той или иной степени способствуют образованию у сталей закалочных структур, которые отличаются высокой износостойкостью.

Применять специальные стали следует только в том случае, когда они крайне необходимы, так как путем надлежащего подбора химического состава и термической обработки углеродистой стали во многих случаях можно добиться почти такой износостойкости, какой обладают самые дорогие сорта специальных сталей.

Твердость и прочность трущихся поверхностей деталей имеют существенное значение для износостойкости, поэтому для повышения поверхностной прочности и твердости деталей машин применяют следующие способы:
а) поверхностный наклеп (дробеструйная обработка) деталей (шеек валов и осей машин), после которого поверхности становятся более стойкими в отношении трения, а их усталостная прочность повышается;
б) калибрование отверстий втулок продавливанием через отверстия закаленного шарика, после чего эти поверхности становятся более устойчивыми при работе на трение;
в) обкатка баббитовых поверхностей закаленными стальными роликами, вследствие чего уменьшается начальная усадка подшипников, повышается их стойкость против трения, увеличиваются точность и чистота обработки;
г) применение штамповки и ковки при изготовлении заготовок деталей, так как детали, изготовленные таким способом, более износостойки (например, шестерни, изготовленные из прокатного металла, менее стойки в работе, чем шестерни, изготовленные из штампованных или кованых заготовок);
д) применение термической обработки (отжиг-нормализация) для ответственных поковок, так как после обработки на их поверхности появляются напряжения сжатия (но не растяжения).

Рис. 13. Износостойкость углеродистых сталей в зависимости от твердости

Для повышения поверхностной твердости и стойкости деталей на износ при сохранении вязкости их сердцевины применяют следующие способы термохимической обработки.

Цементация в твердом карбюризаторе деталей из малоуглеродистых хромистых и хромоникелевых сталей с последующей закалкой и отпуском и газовая цементация в муфельных печах при температуре 950° продуктами разложения масел, нефти и керосина. В результате газовой цементации глубина цементированного слоя достигает 1,2—1,8 мм, при выдержке в печи от 3 до 5 ч. Способ газовой цементации, оказавшийся наиболее дешевым, 0ыл разработан в 1931 г. проф. Н. А. Минкевичем (ЦНИИТМАШ).

Азотирование (нитрирование) деталей из специальных сталей для придания им высокой твердости.

Цианирование деталей в цианистых солях, т. е. цементация в жидком карбюризаторе, с целью получения твердого слоя малой величины для средне- и высокоуглеродистых сталей.

Поверхностная закалка деталей в кислородно-ацетиленовом пламени или с нагревом токами высокой частоты (по методу проф. В. П. Вологдина и др.) для получения закаленного слоя необходимой толщины.

Хромирование стали с предварительным покрытием медью или никелем или без него.

Алюминирование в расплавленных солях хлористого алюминия и хлористого натрия для защиты от коррозии при высокой температуре.

Алитирование для повышения жаростойкости деталей путем насыщения поверхности их алюминием при высокой температуре в расплавленной смеси из 49% ферроалюминия, 45% окиси алюминия и 2% нашатыря с последующим медленным охлаждением в печах, в результате чего на поверхности детали образуется тугоплавкий твердый раствор алюминия в железе.

Наварка и наплавка различных твердых сплавов на рабочие поверхности деталей, особенно подверженных быстрому износу.