НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Ільченко Володимир Дмитрович

УДК 621.74.04:669.1/.8:621.813

Технологічні особливості процесу лиття та властивості сплавів системи Fe-Cu-S-P

як замінника бронз для підшипників ковзання.

Спеціальність 05.16.04 "Ливарне виробництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Марковський Євген Адамович Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Бабаскін Юрій Захарович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, головний науковий співробітник

кандидат технічних наук Андерсон Валерій Августович, ВАТ "КАМЕТ", завідувач відділу

Провідна установа: Національний технічний університет України "КПІ", кафедра фізико-хімічних основ технології металів, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться "29" березня 2001р. о 14-00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, м. Київ-142, МСП, пр. Вернадського 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, м. Київ-142, МСП, пр. Вернадського 34/1.

Автореферат розісланий "14" лютого 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.232.01 доктор технічних наук, професор Чорновол А. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. У машинобудуванні України широко застосовуються ливарні антифрикційні чавуни, бронзи, латуні, бабіти, алюмінієві й цинкові сплави для виробництва деталей, що працюють в умовах зовнішнього тертя. Використання ливарної технології, в тому числі й спеціальних методів лиття, забезпечує отримання литих виробів з мінімальними витратами матеріалів та енергії. Антифрикційні порошкові матеріали, які містять неметалеві фази (сульфіди та селеніди) мають високі триботехнічні характеристики, однак технологія їхнього виробництва, на відміну від ливарної, є складною та дорогою. Мідні сплави з вмістом міді від 60 до 90%, леговані оловом, нікелем, свинцем, цинком, є дорогими й дефіцитними та не завжди забезпечують достатній рівень несучої здатності при максимальних контактних навантаженнях. Останнім часом підвищення експлуатаційних вимог до антифрикційних матеріалів, викликає необхідність розробки нових ливарних антифрикційних сплавів на основі недорогих та недефіцитних матеріалів. Як показав аналіз досліджень, антифрикційні чавуни та сталі (в тому числі леговані обмеженою кількістю міді або сірки), мають недостатню здатність прироблятися через малий вміст у структурі сплавів фаз, котрі забезпечують захист поверхонь, що труться, від металевого контакту.

У працях таких дослідників, як Бобро Ю.Г., Марковський Є.А., Кіріевський Б.А., Тихонович В.І., Жуков О.А., Смирнов А.І., Rote F.B. та інших, виконувались дослідження окремого легування міддю, сіркою, фосфором та у ряді випадків, комплексами типу Cu-P и Cu-S - для збільшення зносостійкості чавунів, дослідження обмежувалися зазначеними системами легуючих елементів. Але водночас не були проведені системні дослідження комплексу легуючих елементів Cu-S-P на зносостійкість Fe-C сплавів. Окрім цього, при додаванні сірки до антифрикційного чавуну було встановлено її відбілюючий вплив, що зменшує його антифрикційні й механічні властивості. Для умов тертя у корозійних середовищах для виготовлення деталей машин використовуються аустенітні нікель-мідисті чавуни, зокрема, чавун марки ЧН15Д7Х2 (ГОСТ7769-82), у складі якого міститься 6-8% міді, до 0,1% сірки та до 0,3%фосфору. Однак використання такого класу матеріалів при сухому або граничному терті не є доцільним через аустенітну матрицю сплаву, котра не має у зазначених вище умовах антифрикційних властивостей. Існують досить суперечливі дані щодо впливу легування чавунів окремо міддю, сіркою, фосфором та застосування легування міддю-фосфором та міддю-сіркою. Водночас розробок сплавів на основі заліза (сталі), легованих комплексом мідь, сірка й фосфор, практично не проводилось.

Дана робота спрямована на дослідження технології отримання нових антифрикційних сплавів на основі заліза з вмістом вуглецю від 0,2 до 1%, які економно леговані міддю, сіркою й фосфором – легуючими елементами, що забезпечують утворення достатньої кількості спеціальних фаз з властивостями, подібними до твердих мастил, з метою економії дорогої й дефіцитної міді та альтернативної заміни мідних антифрикційних сплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі нових литих матеріалів Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України в рамках плану науково-дослідної роботи: тема 1.6.5.383 виконується за постановою бюро ВФТПМ НАН України від 11.06.1996 р., протокол №9, назва: "Створення наукових принципів керування структурою і властивостями сплавів на базі системи Fe-Cr та Fe-Cr-C з метою створення нових економно легованих багатофункціональних сплавів для екстремальних умов експлуатації". У ході виконання вище згаданої роботи здобувач приймав активну участь у розробці плану і методик досліджень, технічній підготовці та проведенні експериментів, опрацюванні й узагальнені їхніх результатів, упорядкуванні та оформленні звітної документації.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка складу й технології виплавки сплавів на основі заліза (сталі) для лиття підшипників ковзання з урахуванням фізико-хімічних процесів формування структури при легуванні комплексом Cu-S-Р. Об'єктом дослідження у представленій роботі є процеси утворення неметалевих включень на основі сполук з властивостями, подібними до твердих мастил, в структурі литих залізовуглецевих сплавів як замінників антифрикційних бронз для підшипників ковзання. Предметом дослідження є визначення раціонального вмісту легуючих елементів, котрі утворюють достатню кількість мідистих та неметалевих включень в литій структурі сплавів і забезпечують необхідні експлуатаційні та технологічні властивості Fe-Cu-S-P сплавів при литті підшипників ковзання.

Відповідно до цієї мети було поставлено такі задачі:

1. На підставі аналізу сучасного стану виробництва і застосування антифрикційних матеріалів науково обґрунтувати можливість створення нових литих зносостійких матеріалів на основі заліза, комплексно легованих елементами, що забезпечують отримання в литій структурі сплаву мідних включень і неметалевих фаз із структурними параметрами твердих мастил.

2. Дослідити вплив вмісту обраних легуючих елементів на формування й особливості литої структури в процесі кристалізації сплавів.

3. Вивчити антифрикційні властивості досліджуваних сплавів залежно від вмісту легуючих елементів.

4. Дослідити вплив вмісту легуючих елементів на ливарні властивості розроблюваних сплавів і визначити параметри технології їх виплавки.

5. Провести дослідно-промислові випробування досліджуваного сплаву в умовах граничного мастила і жорстких режимів навантаження .

Для розв'язання поставлених задач було застосовано такі методи дослідження:

- розрахунки термодинамічних параметрів утворення неметалевих включень в залізовуглецевих сплавах при легуванні їх міддю, сіркою та фосфором - елементами, які здатні утворювати комплексні сполуки з кристалографічними та фізичними властивостями, подібними до твердих мастил;

- експериментальні й аналітичні методи для визначення впливу вмісту легуючих елементів при виплавленні сплавів на формування мідистих та неметалевих включень, їх складу та кількісних характеристик в структурі відливок, кристалографічних характеристик сполук, що входять до складу неметалевих включень з метою встановлення режимів виплавлення для отримання оптимальних характеристик литої структури сплавів;

- експериментальні методи для визначення впливу кількісних та структурних характеристик мідистих і неметалевих включень на антифрикційні властивості досліджуваних сплавів з метою встановлення меж вмісту легуючих елементів в сплавах для забезпечення необхідного рівня їх триботехнічних характеристик;

- експериментальні методи для визначення ливарних властивостей досліджуваних сплавів у залежності від вмісту легуючих елементів з метою оптимізації технологічних параметрів лиття сплавів з оптимальними експлуатаційними характеристиками та проведення дослідно-промислових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено утворення в процесі затвердіння сплавів системи Fe-Cu-S-Р сульфідних включень, котрі складаються зі сполук Cu5FeS6, Cu2S, FeS, Cu5FeS4, та виявляють властивості, подібні до твердих мастил, що забезпечує рівень антифрикційних властивостей сплавів до 1,5 раза вищий, ніж у бронзи БрO10Ф при терті в умовах граничного мастила та режимах навантаження від 5 до 20 МПа.

2. Вперше встановлено закономірності змін рідкотекучості сплавів системи Fe-Cu-S-P, які описуються лінійними залежностями. Зі збільшенням вмісту в сплавах міді від 5 до 15%, а фосфору від 0,5 до 1,5% рідкотекучість збільшується до 1,1 раза та 1,5 раза відповідно. Зі збільшенням вмісту сірки від 0,5 до 1,5% рідкотекучість сплавів зменшується до 1,3 раза.

3. Вперше встановлено, що лінійна усадка сплавів системи Fe-Cu-S-P при зміні вмісту Cu, S та P переважно визначається об'ємним вмістом сульфідних включень та зменшується від 1,96 до 1,33% при збільшенні об'ємного вмісту сульфідних включень від 0,02 до 5,8%.

4. Вперше досліджено вплив об'ємного вмісту вторинних фаз на зносостійкість сплавів системи Fe-Cu-S-P і встановлено, що при збільшенні вмісту сульфідних фаз від 0,4 до 5,8% зносостійкість збільшується в 2,5 рази, а при збільшенні об'ємного вмісту високомідистої фази від 0,2 до 7,5% зносостійкість збільшується в 1,4 раза - при середньому лінійному розмірі включень не більше 8 мкм і рівномірному їх розподілі у литій структурі.

5. Встановлено, що зі збільшенням навантаження від 5 до 20 МПа зносостійкість сплавів при терті в умовах граничного мастила збільшується у 1,2-1,7 раза залежно від вмісту легуючих елементів і перевищує зносостійкість БрО10Ф в умовах граничного мастила і навантаженнях 5ё20 МПа до 1,5 раза.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нові антифрикційні сплави на основі сталі 20Л, легованої 9-11% міді, 0,9-1,1% сірки, 0,9-1,1% фосфору та 9-11% міді, 1,4-1,6% сірки, 0,9-1,1% фосфору. В результаті проведених досліджень було підтверджено високі експлуатаційні властивості нових антифрикційних сплавів на основі заліза, легованих міддю, сіркою та фосфором. На підставі досліджень та дослідно-промислових випробувань ці сплави впроваджено на підприємстві ВАТ "БОРЕКС" у якості замінників антифрикційних сплавів на основі міді марок БрА9Ж4 і БрО9Ц3С2.

Особистий внесок здобувача:

- термодинамічні розрахунки вірогідності утворювання неметалевих сполук, здатних виявляти властивості, подібні до твердих мастил;

- дослідження кількісних характеристик мідистих та неметалевих включень у литий структурі сплавів і визначення закономірностей змін їх кількості від вмісту легуючих елементів;

- аналітичні розрахунки сполук, що визначають состав неметалевих включень на підставі рентгеноструктурного аналізу, фізико-хімічних процесів утворення сульфідних сполук та даних мікрорентгеноспектрального аналізу;

- дослідження триботехнічних характеристик досліджуваних сплавів у залежності від їх складу та кількісних характеристик мідистих і неметалевих включень. Встановлення оптимальних меж вмісту легуючих елементів для забезпечення необхідних триботехнічних характеристик;

- дослідження впливу вмісту легуючих елементів на ливарні властивості сплавів; участь у експериментальному відпрацюванні технологічних особливостей лиття досліджуваних сплавів та оптимізація цих параметрів з урахуванням експлуатаційних властивостей сплавів;

- підготовка публікації за темою дисертації.

Апробація роботи. Основні наукові положення й результати дослідження були предметом наукової доповіді на міжнародній науково-технічній конференції "Ливарно-металургійні процеси. Нові технології, матеріали й обладнання" (Київ, 27-29 жовтня 1998р.), наукових семінарах аспірантів ФТІМС НАН України (1997, 1999), на семінарах відділу нових литих матеріалів ФТІМС НАН України (1997 - 2000).

Публікації. За результатами дослідження опубліковано 5 наукових праць у провідних фахових виданнях України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, заключної частини, бібліографічного списку й додатка. Загальний обсяг роботи складає 171 сторінку, в тому числі 70 рисунків, 37 таблиць та 146 джерел літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначені мета та задачі досліджень, сформульована наукова новизна, практична цінність роботи.

У першому розділі проведено аналіз широковживаних технологічних процесів лиття підшипників ковзання з мідних й залізовуглецевих сплавів. Розглянуто особливості виплавки антифрикційних чавунів та мідних сплавів, переваги й недоліки технологічних методів отримання якісних відливок з антифрикційних сплавів. На підставі аналізу було обрано два методи лиття для відпрацювання технологічних параметрів отримання здорових відливок із сплавів системи Fe-Cu-S-P: лиття у піщано-глинисті форми та за газифікованими моделями, що дозволяє отримати відливки різної номенклатури без використання спеціального ливарно-технологічного обладнання в умовах одиничного та серійного виробництва.

Аналіз вимог, що висуваються до технологічних властивостей ливарних антифрикційних сплавів показав, що визначення ливарних властивостей сплавів: усадки й рідкотекучості, на базі бінарних та багатокомпонентних систем не дозволяє визначити конкретні величини цих параметрів для багатокомпонентних сплавів, особливо при вмісті більш, ніж двох основних легуючих елементів. Аналіз показав необхідність проведення комплексних досліджень ливарно-технологічних властивостей сплавів системи Fe-Cu-S-P.

На підставі дослідження сучасних праць обґрунтовано основні експлуатаційні характеристики, котрі повинні мати перспективні антифрикційні сплави. Ці характеристики й було використано при вивченні властивостей досліджуваних сплавів.

Аналіз порівняльних механічних та антифрикційних характеристик залізовуглецевих та мідних сплавів показав, що перспективними антифрикційними сплавами, замінниками дорогих та дефіцитних мідних сплавів можуть бути залізовуглецеві сплави, в тому числі й чавуни. Обмеження сфери використання чавунів пов'язане з тим, що вони мають недостатню здатність прироблятися за умов великих навантажень та швидкостей ковзання, а також деякі марки чавунів мають обмежену стійкість при ударних навантаженнях внаслідок досить високої крихкості. Вказаних недоліків позбавлені високомідисті сталі, проте для забезпечення необхідних антифрикційних властивостей вміст міді у їх складі має бути не меншим 30%. Вміст міді можна знизити шляхом графітизування сталей через довготривалу й складну термічну обробку. Відтак у якості основи ливарних антифрикційних сплавів доцільно використовувати ливарні вуглецеві сталі, леговані міддю, вміст котрої можна знизити за рахунок використання додаткового комплексу легуючих елементів - сірки й фосфору.

Отримання багатофазної структури завдяки оптимальному легуванню заліза (сталі) міддю, сіркою й фосфором має забезпечити значне підвищення зносостійкості сплаву в умовах граничного тертя за рахунок ефектів масопереносу.

У другому розділі розглянуто методики експериментальних досліджень. Обґрунтовано вибір об'єкта досліджень та системи легуючих елементів на підставі аналізу властивостей простих і складних сульфідних сполук та термодинамічних розрахунків. Виходячи зі змін ізобарно-ізотермічного потенціалу (рис.1) визначені найбільш вірогідні сполуки простих та складних сульфідів, утворення яких може відбуватися при виплавленні сплавів системи Fe-Cu-S-P. Найбільш низьку вільну енергію, та, як наслідок цього, більшу стійкість при охолодженні в інтервалі температур 1000-250С, мають сполуки MnS, Cu5FeS4, CuFeS2, FeS, Cu2S, котрі повинні утворюватися в структурі литого сплаву системи Fe-Cu-S-P при кристалізації та охолодженні.

Рис. 1 Зміна вільної енергії сульфідів залежно від температури.

(*) - вільна енергія CuS.

Вільну лінійну усадку досліджуваних сплавів визначали за допомогою приладу з диференціально-трансформаторною схемою, який дозволяє визначити цей параметр в процесі охолодження від температури початку кристалізації до температури оточуючого середовища. Конструкція приладу забезпечує одночасний запис кривих перебігу усадки й температури охолодження відливки. Похибка виміру приладу складає ±2,5%.

Вплив легуючих елементів на рідкотекучість сплавів системи Fe-Cu-S-P було визначено методом вакуумного всмоктування, розробленого Ю.О. Нехендзі., М.Г. Гіршовичем., Є.І. Єгоровим. Похибка виміру рідкотекучості складала 4,5%. Металографічні дослідження проводили за допомогою мікроскопу “Епіквант” при збільшенні х100, х400, х600 відповідно до ГОСТ 1778-70, ГОСТ 10243-75, ГОСТ 5640-68. Фізико-механічні властивості визначали на зразках на розрив відповідно до ГОСТ 7564-97 та ГОСТ 1497-84. Дюрометричні дослідження проводили на приладі ПМТ-3, Роквела та Брінеля згідно з ГОСТ 9012-59, ГОСТ 9013-56 та ГОСТ 9450-76. Дослідження впливу легування міддю, сіркою та фосфором на кількість, розмір, розподіл та об'ємний вміст у структурі сплавів високомідистої фази й неметалевих включень проводили з використанням програмного методу аналізу структури, розробленого під керівництвом завідувача відділу нових литих матеріалів ФТІМС НАН України, д.т.н., проф. Гаврилюка В.П. співробітником відділу Стасем О.М., у відповідності до ГОСТ 5639-82, ГОСТ 1778-70, на підставі даних, отриманих на мікрорентгеноспектральному аналізаторі REMMA-102. Газовий аналіз проводили на аналізаторі газу моделі ТС-30 фірми “LECO” відповідно до ГОСТ 17745-90. Визначення складу й параметрів кристалічної решітки неметалевих включень було виконано на установці ДРОН-УМ01 в l-мідному випромінюванні на електролітично виділених осадах. Виділення осадів неметалевих фаз проводилося за допомоги електролітичного розчинення сплавів у розчині Фітера – Лукашевич–Дуванової, що складається з 3% розчину сірчанокислого закису заліза (3% FeSO4, 7%H2O), 1% розчину хлористого натрію (NaCl) та 0,3% розчину сегнетової солі. Густина струму становила 0,025 А/см2 при напрузі від 3 до 5В. Зносостійкі властивості визначалися на машині тертя конструкції ІПЛ НАНУ за методикою, що відповідає ГОСТ 23.201-78, ГОСТ 23.204-78, ГОСТ 23.205-79 и ГОСТ 23.216-84. У якості об'єктів використовувались порожнисті циліндричні зразки, які труться торцями з площею контакту 10-4м2, коефіцієнтом перекриття 1, швидкістю ковзання 0,12 м/хв та інтервалом навантажень від 5 до 20 МПа. Зносостійкість досліджували як при терті у граничному мастилі (масло И-20 ГОСТ 20799-88), так і без мастила. Величину зносу визначали за зміною маси, використовуючи аналітичні терези ВЛА-200М з точністю ±10-4г. У якості матеріалу спряженого зразка було обрано сталь 34ХН3М з твердістю після нормалізації НВ=3000МПа. Наведено методику виплавлення сплавів та підготовки вихідних компонентів, величини угару легуючих елементів, що вводяться у залежності від плавильного агрегату. У якості компонентів, що використовувалися при виплавленні досліджуваних сплавів використовували сталь 20Л ГОСТ 977-88, мідь марки М3 ГОСТ 859-78, ферофосфор марки ФФД по ЧМ ТУ 5–29-70, сірчане залізо (вміст S-25%), сірий чавун СЧ15 ГОСТ 1412-85.

У третьому розділі досліджено вплив технологічних параметрів та легуючих елементів: Cu, S, P на структуру сплавів системи Fe-Cu-S-P. Розглянуто вплив вуглецю та термічної обробки на формування гетерогенної структури досліджуваних сплавів. Вивчено фазовий склад сплавів.

Виплавлені сплави системи Fe-Cu-S-P у печі опору з захисною аргоновою атмосферою та індукційній печі з кислою футеровкою та кристалізацією в піщано-глинистих формах характеризуються структурою, що відповідає правилу Шарпі, формування якої значною мірою залежить від вмісту міді, сірки та фосфору. Сплави, виплавлені на базі сталі 20Л з вмістом вуглецю ~0,2% у литому стані характеризуються ферито-перлітною матрицею, наявністю у структурі компактних, рівномірно розподілених включень мідистої фази, а також неметалевих сульфідних включень складного складу.

Збільшення вмісту вуглецю у сплавах системи Fe-Cu-S-P от ~0,2% до ~1% за рахунок введення у рідкий сплав сірого чавуну марки СЧ15 змінює матрицю сплаву від ферито-перлітної до перлітної структури, збільшуючи твердість сплавів від 2600 до 3800 МПа. Характеристики розподілу та форма високомідистої фази та неметалевих сульфідних включень неістотно залежить від вмісту вуглецю. Використання термічної обробки (гартування з відпуском) стосовно дослідних зразків з досліджуваних сплавів значною мірою впливає на структуру матриці сплавів, збільшуючи твердість від 3000 до 5800МПа. При цьому у структурі сплавів зберігається характер розподілу і досить висока кількість мідистої фази та неметалевих включень, що забезпечує збереження структури, яка відповідає правилу Шарпі.

Розглянуто формування мідистих та неметалевих включень у структурі сплавів системи Fe-Cu-S-P з використанням методу гартування з рідкого та рідко-твердого стану в інтервалі температур 1600-12500С. Аналіз результатів показав, що у рідкому стані сплави системи Fe-Cu-S-P є емульсіями, котрі містять у базовій рідині дрібнодисперсні включення шароподібної форми мідистої рідини та включення на основі сірки, міді й заліза. Виходячи з досліджень, формування мідистих та неметалевих включень, з урахуванням їх структурних характеристик, слід забезпечувати повільне охолодження в інтервалі затвердіння при кристалізації відливок зі сплавів системи Fe-Cu-S-P.

На підставі досліджень, проведених за допомоги растрового електронного мікроскопа-мікроаналізатора для Fe-Cu-S-P сплавів було розраховано структурні параметри e-фази й неметалеві сульфідні включення у залежності від кількості легуючих елементів. Встановлено, що зі збільшенням вмісту сірки від 0% до ~1,4% (рис. 2), об'ємна кількість e-фази знижується з 2,2% до 0,8%, але при цьому збільшується об'ємна кількість неметалевих сульфідних включень від 0% до 5,8%, а при збільшенні вмісту міді від ~4% до ~14% (рис. 3) збільшується об'ємний вміст як e-фази від 0,2% до 7,5%, так і неметалевих сульфідних включень від 0,9% до 3%. Фосфор при вмісті у сплаві від ~0,4% до ~1,4% практично не впливає на параметри e-фази й неметалевих сульфідних включень, збільшуючи їх об'ємний вміст у структурі литих сплавів на 0,1-0,2%.

Рис. 2 Залежність об'ємного вмісту неметалевих включень від кількості міді (вміст S~1%; P~1%), сірки (вміст Cu~10%; P~1%) й фосфору (вміст Cu~10%; S~1%) в сплавах.

Рис. 3 Залежність об'ємного вмісту високомідистої (e) фази від кількості міді (вміст S~1%; P~1%), сірки (вміст Cu~10%; P~1%) й фосфору (вміст Cu~10%; S~1%) в сплавах.

Дослідження хімічного складу матриці сплавів, високо-мідистої (e) фази, неметалевих сульфідних включень, що утворюються на базі основних металевих елементів сплаву (Fe, Mn, Cu) показали, що e-фаза сплавів містить залізо від 3% до 25%, сірку від 0,1% до 0,5%, фосфор від 0,1% до 0,5%, марганець и кремній від 0% до 0,4%. Неметалеві сульфідні включення сплавів містять всі елементи, що входять до хімічного складу сплавів, однак кількість елементів змінюється у широкому діапазоні: мідь від 1,4% до 67%; сірка від 0,2% до 37%; фосфор від 0% до 11,4%; марганець від 0,1% до 55%; кремній от 0,5 до 10,4%; залізо від 2,8% до 95%.

На підставі фізико-хімічних процесів утворення сульфідних сполук, шляхом аналітичних розрахунків цих хімічних сполук та за допомоги рентгеноструктурного аналізу встановлено, що склад неме-талевих сульфідних включень відповідає сполукам Cu5FeS6, Cu2S, Cu5FeS4, FeS, MnS, при цьому найбільша концентрація Cu5FeS6, Cu2S забезпечується у Fe-Cu сплавах легуванням і1% сірки та і0,4% фосфору. Зазначені сполуки мають переважно гексагональну кристалічну ґратку з високим співвідношенням с/а>2,7 й твердістю 600-1400 МПа і, таким чином, можуть відігравати роль твердого мастила поряд з мідистою фазою. Основні структурні параметри сульфідів було отримано методом рентгеноструктурного аналізу (табл.1).

Таблиця 1 Параметри сульфідних включень сплаву (0,19% С, 10,5% Cu, 0,6% P и 1,2% S)

Сполука Параметри кристалічної ґратки, Е Тип кристалічної ґратки

Cu5FeS6 а=3,894 с=17,403 с/а=4,469 Гексагональна ґратка

Cu2S а=4,012 с=11,213 с/а=2,795 Гексагональна ґратка

FeS а=6,012 с=11,803 с/а=1,963 Гексагональна ґратка

Cu5FeS4 а=11,08 с=22,129 с/а=1,997 Тетрагональна ґратка

Було визначено механічні властивості зразків із сплаву, відлитих у піщано-глинисту форму. Встановлено, що міцність литого сплаву досягає 400МПа, при подовженні ~2,7%, у випадку відсутності у структурі металу ливарних дефектів: пористості та великих (>20 мкм) неметалевих включень.

У четвертому розділі викладено результати системних досліджень порівняльної зносостійкості литих сплавів системи Fe-Cu-S-P при терті в умовах граничного мастила та сухого тертя, залежно від навантаження. Встановлено, що легування Fe-Cu сплаву на основі сталі 20Л, що містить ~10% міді, сіркою та фосфором (~1%) підвищує зносостійкість сплаву до 3,5 разів порівняно з Fe-Cu сплавом при терті у парі зі сталлю 34ХН3М в нормалізованому стані з твердістю HВ=3000МПа.

Визначено вплив кількості легуючих елементів на зносостійкість досліджуваних сплавів. Показано, що зі збільшенням вмісту міді від 4 до 14%, а сірки й фосфору від 0,3 до 1,4% зносостійкість сплавів при терті в умовах граничного мастила збільшується. Як показано на рис. 4, рис. 5, збільшення об'ємного вмісту неметалевих сульфідних включень справляє визначальний вплив на збільшення зносостійкості сплавів системи Fe-Cu-S-P, при величині коефіцієнта тертя, що дорівнює 0,07-0,08.

Вплив кількості вуглецю на триботехнічні властивості сплавів характеризується тим, що лінійне підвищення зносостійкості сплавів забезпечується при збільшенні вмісту вуглецю від 0,7 до 1,03%. Використання термічної обробки (гартування з відпуском) до сплавів з ~8% міді, ~0,7% сірки та ~0,5% фосфору з вмістом вуглецю від 0,3 до 1,03% продемонструвало ефективність останньої для підвищення їх зносостійкості у 1,4 раза при сухому терті порівняно з БрО10Ф.

Рис. 4 Вплив кількості міді на зносостійкість досліджуваних сплавів при терті у маслі И-20 та навантаженні 10МПа. Вміст сірки та фосфору по ~1%: 1- знос зразка ; 2- знос пари тертя; 3- твердість сплавів; 4-об'ємний вміст e-фази, %; 5- об'ємний вміст сульфідних включень, %

Рис.5 Вплив кількості сірки на зносостійкість досліджуваних сплавів при терті у маслі И-20 та навантаженні 10МПа. Вміст міді ~10%, а фосфору ~1%: 1- знос зразка; 2- знос пари тертя; 3- твердість сплавів; 4- об'ємний вміст e-фази, %; 5- об'ємний вміст сульфідних включень, %.

Дослідження впливу навантаження на зносостійкість досліджуваних сплавів дозволило встановити, що сплав, котрий містить ~10% Cu, ~1% S та ~1% P в інтервалі навантажень від 5 до 20МПа при терті у маслі И-20 має зносостійкість, яка у 1,5-2 рази перевищує зносостійкість БрО10Ф. Сплав, котрий містить ~10% Cu, ~1,5% S та ~1% P в інтервалі навантажень від 15 до 20МПа має зносостійкість, що у 1,3-6 разів перевищує зносостійкість БрА10Ж3Мц2.

На підставі спектрів хімічного складу поверхні тертя спряженого тіла після граничного тертя з досліджуваними сплавами встановлено формування на цих поверхнях мідних плівок та плівок сульфідів на основі міді й заліза, що містять невелику кількість фосфору.

Результати досліджень сплавів системи Fe-Cu-S-P, що розроблялися, показали їх високу зносостійкість (антифрикційність) за рахунок реалізації (додатково до міді) ефектів твердого мастила на базі неметалевих сульфідних включень у сплаві.

У п'ятому розділі для визначення температурних режимів виплавлення та заливання сплавів системи Fe-Cu-S-P залежно від хімічного складу встановлено вплив системи легуючих елементів на температури ліквідус, солідус та інтервал кристалізації. Встановлено, що легування сталі 20Л ~10% міді, ~1% сірки й ~1% фосфору забезпечує зниження температури ліквідус до 14300С, солідус - 11100С, при цьому інтервал кристалізації дорівнює - 3200С. Вплив на інтервал кристалізації сплаву переважно справляє вміст сірки, збільшення вмісту якої розширює інтервал кристалізації. У сплаві, легованому ~10% Cu, ~1,5% S та ~1% P, температура ліквідус дорівнює 14100С, температури солідус - 10600С та інтервал кристалізації - 3500С.

Дослідження показали, що визначальний вплив на рідкотекучість сплавів системи Fe-Cu-S-P справляє вміст сірки й фосфору (рис. 6, 7, 8). Збільшення вмісту сірки в сплаві на 0,5% знижує його рідкотекучість на 10-15%, а збільшення вмісту фосфору на 0,5% підвищує рідкотекучість сплаву на 10-25%, у такий спосіб дозволяючи знизити негативний вплив сірки на рідкотекучість. Збільшення вмісту міді від 5 до 15% збільшує умовно-істинну рідкотекучість сплавів на 10%. У сплаві, легованому ~10% Cu, ~1% S та ~1% P рідкотекучість при температурі сплаву 15000С дорівнює 280 мм., а при температурі перегріву 200С - 240 мм. Сплав, легований ~10% Cu, ~1,5% S і ~1% P характеризується рідкотекучістю при температурі сплаву 15000С - 260мм та при перегріві 200С - 195 мм.

Рис. 6. Залежність рідкотекучості Fe-Cu-S-P сплавів з різним вмістом міді від температури. Вміст сірки та фосфору по ~1%: 1- сплав з 5% Cu; 2- сплав з 10% Cu; 3- сплав з 15% Cu.

Рис. 7. Залежність рідкотекучості Fe-Cu-S-P сплавів з різним вмістом сірки від темпе-ратури. Вміст міді ~10%, а фосфору ~1%: 1- сплав з 0,5% S; 2- сплав з 1% S; 3- сплав з 1,5% S.

Рис. 8. Залежність рідкотекучості Fe-Cu-S-P сплавів з різним вмістом фосфору від температури. Вміст міді ~10%, а сірки ~1%: 1- сплав з 0,5% P; 2- сплав з 1% P; 3- сплав з 1,5% P.

Вивчення впливу легуючих елементів сплавів системи Fe-Cu-S-P показало, що зменшення усадки досліджуваних сплавів переважно пов'язане зі збільшенням вмісту сірки й міді за рахунок зростання об'ємного вмісту неметалевих сульфідних включень (рис. 9). При цьому лінійна усадка сплавів, у залежності від систем їхнього легування та кількості легуючих елементів в сплавах, змінюється від 1,96 до 1,33%. Встановлено, що при збільшенні у сплаві вмісту сірки від 0,5% до 1,5%, яке призводить до зростання об'ємного вмісту неметалевих сульфідних включень від 0,4% до 6%, лінійна усадка сплавів зменшується з 1,53% до 1,33% (рис. 9), а при збільшенні вмісту міді від 5% до 15% зі зростанням об'ємного вмісту неметалевих сульфідних включень від 0,9% до 3% (рис. 9) лінійна усадка сплавів зменшується з 1,48% до 1,37%. Лінійна усадка сплаву з оптимальними антифрикційними властивостями з вмістом міді ~ 10%, сірки ~ 1,0% й фосфору ~ 1,0% становить 1,45%, а сплаву з вмістом міді ~ 10%, сірки ~ 1,5% та фосфору ~ 1,0% становить 1,33%.

Рис. 9. Вплив вмісту міді й сірки на лінійну усадку сплаву.

1 - зміна усадки сплаву залежно від вмісту міді (вміст сірки та фосфору по ~1%);

2 - зміна усадки сплаву залежно від вмісту сірки (вміст міді ~10%, а фосфору ~1%);

3 - об'ємний вміст сульфідних фаз залежно від вмісту міді (вміст сірки та фосфору по ~1%);

4 - об'ємний вміст сульфідних фаз залежно від вмісту сірки (вміст міді ~10%, а фосфору ~1%).

На підставі фізико-хімічних процесів, що відбуваються при виплавленні сплавів системи Fe-Cu-S-P, досліджено вплив багаторазового переплаву цих сплавів на зміну їх хімічного складу та структурних характеристик (кількості, середньої площі, об'ємного вмісту) мідистих і сульфідних включень, які визначають експлуатаційні та технологічні властивості сплавів Fe-Cu-S-P. Встановлено, що найбільш інтенсивно угар міді та сірки (крім фосфору) відбувається при першому переплаві (рис. 10). При наступних переплавах угар міді та сірки зменшується, тоді як угар фосфору збільшується внаслідок дефосфорації. Як наслідок, при кожному наступному переплаві сплавів Fe-Cu-S-P параметри мідистих включень зменшуються: середня площа до 20% і об'ємний вміст до 15%; параметри сульфідних включень також зменшуються: середня площа до 14% і об'ємний вміст до 6%. В результаті визначено можливість багаторазового використання звороту власного виробництва (литникові додатки та системи) та спрацьованих деталей із сплавів системи Fe-Cu-S-P у якості однієї з основних шихтових складових. Окрім того, залежно від потрібного хімічного складу виплавлення сплавів можна проводити виключно на звороті власного виробництва без істотного зниження експлуатаційних властивостей. При проведенні плавки слід використовувати розкислення феросиліцієм (0,3-0,6% від маси металу), а перед випуском - алюмінієм. Використання феромарганцю є неприпустимим через інтенсивне видалення сірки зі сплаву.

Рис. 10. Зміна угару елементів сплаву при багаторазовому переплаві.

Виходячи з прове-дених досліджень ливарно-технологічних властивостей сплавів системи Fe-Cu-S-P відпрацьовано технологію виплавлення сплавів та виготовлення відливок на базі типових технологічних операцій при отриманні відливок у піщано-глинисті форми та за газифікованими моделями. На базі зазначеної технології були відлиті заготовки масою від 10 до 150 кг та виготовлені підшипники ковзання зі сплаву, що містить мідь ~10%, сірку ~1,0% й фосфор ~1,0% та сплаву, який містить мідь ~10%, сірку ~1,5% й фосфор ~1,0% у якості замінників антифрикційних бронз марок БрА9Ж4 та БрО6Ц6С3.

ВИСНОВКИ

1. Проведено комплекс досліджень структурних особливостей, ливарно-технологічних та зносостійких властивостей сплавів системи Fe-Cu-S-P, який підтвердив правильність вибору легуючих елементів, котрі забезпечують утворення в литій структурі сплавів в процесі твердіння фаз типу твердих мастил, що надають сплавам необхідних властивостей.

2. Встановлено, що за рахунок легування залізовуглецевого сплаву міддю, сіркою та фосфором в процесі виплавлення, у структурі сплаву утворюються неметалеві сульфідні фази типу Cu5FeS6, Cu5FeS4, Cu2S, FeS, котрі виявляють властивості твердих мастил, які, у свою чергу, впливають на технологічні та зносостійкі властивості цих матеріалів. При збільшенні вмісту міді у сплаві від 5 до 15% мас. об'ємна кількість сульфідних фаз змінюється від 0,9 до 2,7%, а при збільшенні вмісту сірки у сплаві від 0,5 до 1,5% мас., об'ємна кількість змінюється від 0,4 до 5,8% - при середньому лінійному розмірі сульфідних включень не більше 7,5 мкм.

3. Встановлено, що литі сплави системи Fe-Cu-S-P при вмісті від 0,16 до 1% вуглецю мають ферито-перлітну або перлітну матрицю з рівномірно розподіленими високомідистими та сульфідними включеннями. Застосування термічної обробки (гартування з відпуском) дозволяє отримати сплави з матрицею сорбітної, трооститної та мартенситної будови та різною твердістю. У сплавах цієї системи при вмісті легуючих елементів (міді від 5 до 15% та сірки від 0,5 до 1,5%) об'ємна кількість високомідистої фази змінюється від 0,2 до 7,5% при середньому лінійному розмірі мідистих включень не більше 8 мкм.

4. Встановлено хімічний склад сплавів, що мають високу зносостійкість в умовах граничного тертя в інтервалі навантажень від 5 до 20 МПа, котрі містять ~10% Cu, ~1% S, ~1% P і ~10% Cu, ~1,5% S, ~1% P, при якому об'ємний вміст високомідистої фази в литій структурі становить 0,7 та 1,2% відповідно, а сульфідних фаз - 1,1 та 5,8%, при цьому коефіцієнт тертя ~0,07, а зносостійкість у 1,5-2 рази перевищує зносостійкість БрО10Ф.

5. Дослідження впливу вмісту легуючих елементів на температури ліквідус, солідус та інтервал кристалізації сплавів системи Fe-Cu-S-P дозволило встановити, що збільшення вмісту Cu, S і P зменшує температури ліквідус та солідус сплавів, збільшуючи інтервал кристалізації, причому визначальний вплив належить сірці. Збільшення вмісту сірки від ~0,5 до ~1,5% збільшує інтервал кристалізації на 500С. Антифрикційний сплав що містить ~10% Cu, ~1% S і ~1% P має температуру ліквідус 14300С та інтервал кристалізації 3200С, а сплав, котрий містить ~10% Cu, ~1,5% S і ~1% P, має температуру ліквідус 14100С та інтервал кристалізації 3500С.

6. Визначено вплив легуючих елементів на рідкотекучість та лінійну усадку сплавів системи Fe-Cu-S-P. Встановлено, що кожне наступне збільшення вмісту сірки у складі сплаву на ~0,5% зменшує його рідкотекучість до 15%, а збільшення вмісту фосфору у сплаві збільшує його рідкотекучість до 25% на кожні ~0,5% фосфору, що дозволяє зменшити негативний вплив сірки. Лінійна усадка сплавів власне залежить від об'ємного вмісту неметалевих сульфідних включень у сплавах, який визначається вмістом сірки та міді. Антифрикційний сплав, що містить ~10%Cu, ~1%S та ~1%P, має рідкотекучість при температурі сплаву 14500С – 240 мм, лінійну усадку 1,45%, а сплав, котрий містить ~10%Cu, ~1,5%S та ~1%P, має рідкотекучість при температурі сплаву 14300С – 195 мм, лінійну усадку 1,33%.

7. Шляхом дослідження впливу багаторазового переплаву на угар елементів та експлуатаційні характеристики сплавів системи Fe-Cu-S-P встановлено, що внаслідок одноразового переплаву сплавів угар основних легуючих елементів становить: міді ~5%, сірки ~16% та фосфору ~1%; при наступних переплавах величина угару міді та сірки зменшується, а фосфору збільшується. З урахуванням зміни хімічного складу сплавів при переплавах визначено доцільність використання звороту власного виробництва у якості основної шихтової складової у кількості не менше 50%.

6. В результаті дослідно-виробничої перевірки встановлено, що розроблені антифрикційні сплави як замінники бронз БрА9Ж4 и БрО6Ц6С3 забезпечують підвищення зносостійкості вузлів тертя до 1,5 раза, а відтак є доцільним їх застосування у якості замінника мідних антифрикційних сплавів, що підтверджується актом впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Качко М.О., Марковський Є.А., Ільченко В.Д. Антифрикційні сплави заліза з фазами твердого мастила // Металознавство та обробка металів. –1998. -№3. –С.17-22.

2. Марковский Е.А., Ильченко В.Д., Бутенко Л.И., Качко Н.А. Влияние состава и структуры антифрикционного сплава железа на его износостойкость // Процессы литья. –1999. -№2. –С.60-64.

3. Ільченко В.Д. Зносостійкість нового антифрикційного матеріалу на основі заліза залежно від вмісту легуючих елементів // Наукові вісті НТУУ "КПІ". –1999. -№3. –С.57-60.

4. Ильченко В.Д., Марковский Е.А., Бутенко Л.И., Качко Н.А. Литейные свойства антифрикционных сплавов в зависимости от количества основных легирующих элементов сплава // Процессы литья. –1999. -№4. –С.62-66.

5. Ильченко В.Д., Марковский Е.А., Хоружий В.Я. Особенности структурного состояния антифрикционных сплавов на базе системы железо-медь, легированых серой и фосфором // Процессы литья. –2000. -№2. –С.69-75.

АНОТАЦІЯ

Ільченко В.Д. Технологічні особливості процесу лиття та властивості сплавів системи Fe-Cu-S-P як замінників бронз для підшипників ковзання. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.04 "Ливарне виробництво". Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАНУ, Київ, 2001.

У роботі досліджені технологічні особливості лиття сплавів системи Fe-Cu-S-P, їх структура, фазовий склад, триботехнічні характеристики. Оптимізовано технологічний режим виплавлення та хімічний склад сплавів з урахуванням експлуатаційних характеристик.

Вивчено вплив легуючих елементів та вуглецю, а також термічної обробки на особливості гетерогенної структури сплавів системи Fe-Cu-S-P. Вивчення фазового складу сплавів показало, що мідисті включення є твердими розчинами на основі міді, а сульфіди є сполуками: Cu5FeS6, Cu2S, Cu5FeS4 і FeS зі структурними характеристиками, подібними до твердих мастил (MoS2, графіт). З урахуванням параметрів мідистих й неметалевих сульфідних включень, досліджено зносостійкі властивості Fe-Cu-S-P сплавів. Встановлено визначальний вплив на зносостійкі властивості сплавів середньої площі та об'ємного вмісту сульфідних включень в литій структурі.

Встановлено основний вплив сульфідних включень у сплавах системи Fe-Cu-S-P на їх ливарні властивості. На підставі досліджень експлуатаційних характеристик та технологічних властивостей визначені оптимальні склади сплавів, що містять ~10% міді, ~1% сірки та ~1% фосфору, а також ~10% міді, ~1,5% сірки і ~1% фосфору. Виходячи з досліджень технологічних властивостей, а також враховуючи формування мідистих й неметалевих сульфідних включень, оптимізовано технологію виплавлення та отримання відливок з розроблених сплавів оптимального складу на базі типових