ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СЛИНЬКО Георгій Іванович

УДК 669.15:62-2:621.43

РОЗВИТОК ОСНОВ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І КЕРУВАННЯ

ВЛАСТИВОСТЯМИ ФОСФОРИСТИХ ЧАВУНІВ,

ЯКІ ПРАЦЮЮТЬ В УМОВАХ ЦИКЛІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

ТА ПІДВИЩЕНИХ ТЕМПЕРАТУР

05.02.01-Матеріалознавство

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступення

доктора технічних наук

Запоріжжя – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

- доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович,

Запорізький національний технічний університет,

завідувач кафедри „Технологія металів”

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович,

Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя,

завідувач кафедри “Машини і технологія ливарного виробництва”

- доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна,

Харковський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, м. Харків, професор кафедри “Ремонт тракторів, автомобілів та сільськогосподарських машин”

- доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович,

Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь,

проректор з науково-педагогічної та виховної роботи

Провідна установа – Державне підприємство “Завод ім. В.О. Малишева” Міністерства промислової політики України, м. Харків

Захист відбудеться 01.03.2005р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою:

39063, м.Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ЗНТУ

за адресою 39063, м.Запоріжжя, вул.Жуковського 64

Автореферат розісланий 01.02.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д17.052.01 Ю.М. Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв’язку з дефіцитом в Україні легувальних елементів гостро стоїть проблема застосування в машинобудуванні економнолегованих сплавів для роботи в умовах циклічних навантажень та підвищених температур. В цьому плані найбільш перспективними є леговані фосфором чавуни. Як було показано у роботах А.О. Жукова, Я.Н. Малиночки, М.Г. Осади, О.Д. Шермана, Б.М. Гринберга, О.П. Осташа, І.М. Андрейка та ін., легування фосфором дозволяє підвищити механічні і службові властивості сірих і легованих чавунів. З іншого боку, в роботах М.Г. Гиршовича, В.І. Литовки, показано, що легування чавунів фосфором сприяє зниженню їх механічних властивостей. Із сказаного витікає, що при виготовленні литих заготовок для деталей машинобудування фосфор можна розглядати з одного боку, як шкідливий хімічний елемент, а з іншого – як легувальний, при введенні якого в розплав, в чавунах утворюється фосфідна евтектика та підвищуються їх механічні властивості. Проте вплив фосфору на такі властивості чавунів, як міцність при статичних та динамічних навантаженнях, пластичність, твердість, зносостійкість, циклічну тріщиностійкість при кімнатній і підвищеній температурах, термостійкість та мікромеханізми руйнування фосфористих чавунів в різних умовах навантаження вивчені недостатньо. Це стримує впровадження фосфористих чавунів в машинобудування.

У зв’язку з цим подана на захист робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної та практичної задачі – розвитку основ структуроутворення і керування властивостями при виробництві графітизованих і відбілених фосфористих чавунів і створенню на цій основі спектру нових сплавів з різним співвідношенням тріщиностійкості, термостійкості, міцності, пластичності і зносостійкості та ін. для задоволення потреб України в матеріалах для виробництва деталей машинобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з державною цільовою комплексною програмою “Легкові автомобілі України особливо малого и середнього класів”, прийнятій на засіданні науково-технічної ради Мінмашпрому України (рішення №7 від 12.02. 1992р.) і затвердженій міністром Мінмашпрому України 19.08.1992р.; за планом ДКР МАП, протокол № 4515-96-86, ТЗ № ЗП 37 001.1066-87, “Розробка і організація випуску силового агрегату на базі моделі МеМЗ-2453 для вантажно-пасажирського автомобіля ЛуАЗ-1301” [тема № 17.13-86/(13)]”; Розробка конструкції і освоєння виробництва силового агрегату на базі моделі МеМЗ-245 з автоматичним приводом зчіплення для автомобіля ЗАЗ-1102, керованого інвалідами” [тема № 18.14-86/(14)]; за комплексними планами розвитку науки і техніки на Мелітопольському мотороному заводі на 1986…1993 роки, у відповідності з темами науково-дослідних робіт з питань розробки і впровадження економнолегованих конструкційних матеріалів для відповідальних деталей автомобільних двигунів та удосконалення діючих і впровадження нових технологічних процесів їх виробництва (№ 99.99-86; № 74.99а-86/99а; №75.75-88; № 134.134-89; № 76.76-91; № 92.88а-90/89а; № 94а.94а-91; № 87.87-92; № 88.88-92; № 115.115-92; № 253.253-92; № 97.97-93; № 98.98-93; №99.99-93; № 101.101.93); у відповідності з науково-технічною програмою “Фізико-хімічна механіка конструкційних матеріалів” згідно постанови бюро відділення ФТПМ НАН України № 8 від 13.05.1997р. за темою “Розробка методів визначення характеристик циклічної тріщистійкості структурно-неоднорідних матеріалів типу керамік та високоміцних чавунів” (№ держреєстрації 0197U003366); у відповідності з науково- дослідними роботами №451-2003/1323 “Дослідження механізмів втомного пошкодження та підвищення циклічної міцності конструкційних матеріалів в екстремальних умовах” (№ держреєстрації 0104U002075) та №4814 “Дослідження і розробка технології виробництва литва із спецчавунів в сирі піщано-глиністі форми” (№ держреєстрації 0194U044404), в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягала у розвитку основ структуроутворення і керування властивостями фосфористих чавунів, які працюють в умовах циклічних навантажень та підвищених температур.

Для досягнення поставленої мети небхідно було вирішити такі наукові і прикладні задачі:

1. Встановити закономірності структуроутворення і визначити характеристики структурних складників чавунів з різною формою графіту в залежності від ступеню легування їх зростаючими домішками фосфору.

2. Дослідити мікромеханізми руйнування фосфористих чавунів в різних умовах навантаження і визначити необхідну кількість домішок фосфору для забезпечення заданих механічних властивостей і експлуатаційної надійності деталей машин.

3. Розробити математичну модель визначення міцності чавуну в залежності від кількості в ньому фосфідної евтектики (ФЕ) виконати порівняння розрахункових та експериментальних результатів випробувань.

4. Встановити вплив фосфідної евтектики на тріщиностійкість чавунів з пластинчастим і кулястим графітом при 20 і 450С;

5. Отримати залежності, які описують вплив характеристик матриці, фосфідної евтектики, графіту, технологій легування, модифікування і термічної обробки на структуру, механічні властивості і термін експлуатації деталей з економнолегованих фосфористих чавунів.

6. Вивчити вплив масштабного чинника на розміри і морфологію фосфідної евтектики і графітної фази в нелегованих чавунах з пластинчастим і кулястим графітом.

7. Визначити відносний вплив структурних складників на властивості фосфористих чавунів з пластинчастим і кулястим графітом і частку участі структурних складників у зміні цих властивостей в залежності від ступеню легування чавунів фосфором.

8. Розробити концепцію легування фосфором чавунів в залежності від їх хімічного складу і призначення.

9. На підставі літературних даних і досвіду виробництва встановити критерії, які визначають технологічність і експлуатаційну надійність деталей двигунів внутрішнього згоряння, як типових представників високонавантажених деталей машинобудування.

10. Створити серію економнолегованих фосфористих чавунів і технології виготовлення литих заготовок для деталей двигунобудування. Нові матеріали і технології впровадити у виробництво.

Об’єкт дослідження – створювані ливарні чавуни різних класів та механізми їх структурного зміцнення.

Предмет дослідження – фосфористі чавуни, в яких фосфідна евтектика виконує роль армувальної фази, що надає можливість підвищення їх міцності, тріщиностійкості, твердості, зносостійкості.

Методи дослідження: статистичний і детермінований факторний аналізи, фізико-математичне моделювання і математична обробка експериментальних даних за допомогою персонального компьютера; оптична і електронна (просвічувальна і растрова) мікроскопія з кількісним мікроаналізом фаз; кількісний рентгенофлуоресцентний, спектральний, кулонометричний, гравіметричний та експресний аналізи; гідростатичне зважування; зміцнення поверхневого шару оплавленням; статичні випробування на розтягування (при 20 и 450С), стискання, згинання; визначення твердості і мікротвердості; випробування на циклічну (при 20 і 450С) і статичну тріщиностійкість, термостійкість в умовах термоциклічних (400600С) навантажень; динамічні випробування на згинання; випробування на зношуваність в умовах сухого і вологого тертя-ковзання; оброблюваність лезовим інструментом; неруйнівний контроль якості; моторні стендові і шляхові експлуатаційні випробування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку основ структуроутворення і керування властивостями фосфористих чавунів при створенні конструкційних матеріалів для деталей машинобудування, які працюють в умовах циклічних навантажень та підвищених температур.

Основні положення, які характеризують наукову новизну дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу виробництва і умов експлуатації визначено причини виходу з ладу і сформульовано критерії надійності і довговічності високонавантажених деталей двигунобудування. Обгрунтовано доцільність застосування для основних деталей циліндро-поршневої групи, газорозподільного механізму та компресора турбонадуву фосфористих чавунів, в яких фосфідна евтектика виконує роль армувального структурного складника та забезпечує підвищення міцності, твердості тріщиностійкості і зносостійкості.

2. Встановлено закономірності структуроутворення в чавунах з різною формою графіту в залежності від домішок фосфору та масштабного чинника. Підтверждено, що фосфор є графітоутворювальним елементом, при цьому дія фосфору є переважною у порівнянні з дією масштабного чинника.

Вперше в результаті співставлення металографічних і графічних результатів досліджень визначено оптимальні розміри ФЕ, довжина вкраплень якої в чавуні з пластинчастим графітом (ЧПГ) має бути не більшою 90 мкм, а в чавуні з кулястим графітом (ЧКГ) має бути в межах 90...120 мкм. Запропоновано вважати оптимальними довжину пластин графіту 60...90 мкм, а діаметр куль - 45...60 мкм.

3. З метою виконання комплексних досліджень процесів структуроутворення і отримання нових відомостей щодо впливу структурних складників на властивості фосфористих чавунів запропоновано характеризувати фосфідну евтектику в чавунах у вигляді індексу Іфе і параметру її форми фе, між якими існує тісний взаємозв’язок з коефіцієнтами кореляції r=0,99.

4. Вперше теоретично розроблено математичну модель визначення границі міцності чавуну в залежності від кількості в ньому ФЕ, її форми, розмірів і схеми розташування в металевій матриці. На цій підставі отримано аналітичний вираз для обчислення границі міцності фосфористих чавунів. Встановлено, що максимальна міцність при розтягуванні стандартних циліндричних зразків досягається за наявності в чавуні 2...3% ФЕ, параметри форми якої дорівнюють: феп= 4,6...7,2. Одержано узгоджені теоретичні та експериментальні дані, розбіжність між якими складає 3,5%.

5. Вперше встановлено, що мікромеханізм руйнування фосфористих чавунів, не залежно від виду навантаження і температури випробувань (до 600С), може характеризуватися трьома основними типами:

- транскристалічним сколом при твердорозчинному зміцненні чавуну фосфором;

- змішаним руйнуванням: транскристалічним та міжзеренним сколом при зміцненні чавунів за твердорозчинним та дисперсійним механізмами. При цьому фосфідна евтектика виконує роль бар’єрів на шляху мікро- та макротріщин.

- міжзеренним руйнуванням чавунів, в яких ФЕ розташовується у вигляді суцільної сітки по межах зерен, утворює стиснення пластичної деформації металевої матриці і крихко руйнується. У цьому випадку індекси і параметри форми фосфідної евтектики перевищували оптимальні.

6. Вперше на підставі металографічного аналізу встановлено, що зміцнення поверхневого шару плазмовим оплавленням фосфористих чавунів забезпечує отримання ледебуритного шару з дисперсними вкрапленнями ФЕ. Твердість оплавленого шару чавуну підвищується зі зростанням вмісту домішок фосфору. Для забезпечення повного розчинення графіту при оплавленні деталей довжина графітових пластин має бути не більшою 120 мкм, а діаметр його куль – 60 мкм.

7. Вперше одержано експериментальні залежності, котрі визначають вплив фосфідної евтектики на тріщиностійкість фосфористих чавунів при кімнатній та підвищеній (450С) температурах. Встановлено, що інтенсивність падіння характеристик циклічної тріщиностійкості чавунів з пластинчастим і кулястим графітом є різною в залежності від кількості ФЕ. При вмісті фосфору 0,1…0,4% чавуни є ще достатньо працездатними і їх допустимо легувати фосфором в зазначених межах, не погіршуючи суттєво опір крихкому руйнуванню.

8. Вперше на підставі комплексного статистичного аналізу експериментальних даних встановлено взаємозв’язок між властивостями фосфористих чавунів з їх структурною будовою. Встановлено, що провідну роль у зміцненні чавунів відіграє фосфідна евтектика, а за її відсутності – зміцнена фосфором металева матриця.

9. Вперше методом детермінованого факторного аналізу основних властивостей фосфористих чавунів встановлено:

- у підвищенні твердості частка участі ФЕ є більш значною у порівнянні з матрицею;

- фосфідна евтектика в кількості 1...6 % сприяє підвищенню міцності чавунів. Частка її впливу є співмірною з часткою впливу металевої матриці;

- частка участі фосфідної евтектики в зниженні пластичності фосфористих чавунів є найменшою у порівнянні з частками впливу графіту та металевої матриці.

10. Вперше методами статистичної обробки експериментальних даних одержані рівніння, що описують вплив домішок фосфору, необхідних для забезпечення основних механічних властивостей фосфористих чавунів в литих заготовках деталей двигунів внутрішнього згоряння, що дало можливість рекомендувати оптимальні інтервали легування фосфором чавунів різних класів в залежності від їх призначення.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується їх узгодженістю із загальними уявленнями про закономірності структуроутворення, взаємозв’язків між структурою і властивостями, природу і мікромеханізми руйнування залізовуглецевих сплавів, експериментальним підтвердженням та повторюваністю загальних для різних (за хімічним складом, структурою та умовами експлуатації) класів ливарних чавунів, закономірностей впливу ФЕ на механічні, технологічні та службові властивості фосфористих чавунів, коректністю використання методологічних підходів при вирішенні поставлених завдань, використанням в експериментальних дослідженнях сучасних методів отримання, реєстрації та обробки інформації, опосередкованим узгодженням отриманих експериментальних результатів з відомими в літературі, практичним використанням зроблених висновків і рекомендацій.

Наукове значення роботи. Проведено розвиток основ визначення характеристик структурних складників фосфористих чавунів, які передбачають: дослідження структури і властивостей ливарних чавунів різних класів; аналітичне визначення частки впливу ФЕ на рівень зміцнення литих заготовок в залежності від ступеню їх легування фосфором; визначення співвідношень характеристик структурних складників і комплексу механічних, технологічних та експлуатаційних властивостей; керування властивостями литих заготовок деталей машинобудування в залежності від їх призначення.

Отримані в даній роботі аналітичні та кореляційні залежності щодо механізмів впливу фосфору на процеси структуроутворення, опору руйнуванню при статичних та циклічних навантаженнях при кімнатній та підвищеній температурах можуть бути використані для підвищення якості інших сплавів.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в удосконаленні діючих і розробці нових матеріалів і технологічних процесів, методик та інструкцій виробництва виливків для деталей циліндро-поршневої групи, газорозподільного механізму та компресора турбонадуву двигунів внутрішнього згоряння різних класів: МеМЗ до легкових автомобілів “Таврія”, “Дана” та ін. для вантажного автомобіля “Івеко”; Д-250 для мотоблоку; “Мотор-Січ-270” для бензомоторної пили та інших виливків для деталей машинобудування. Застосовано: технологію поверхневого зміцнення методом плазмового оплавлення кулачків розподільних валів і носиків коромисел клапанів двигунів серії МеМЗ; гнучкий автоматизований технологічний комплекс керування якістю економнолегованих чавунів для виливків деталей двигунобудування; методику і прилад неруйнівного контролю твердості виливків із спеціальних чавунів в залежності від їх мікроструктри.

Легування фосфором чавунів різних класів забезпечило підвищення їх механічних властивостей, надійність і довговічність деталей компресора турбонадуву, газорозподільних механізмів та циліндро-поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння. Підвищена зносостійкість: кулачків розподільних валів в 1,5…1,6 рази; носиків коромисел – в 1,7…1,8 рази; втулок напрямних клапанів – в 1,2…1,3 рази; поршневих кілець – в 1,8 рази. Виключені руйнування: втулок напрямних клапанів при їх запресовуванні в головку циліндрів; коромисел клапанів , розподільних валів МеМЗ-245 та поршневих кілець для бензомоторної пили “Мотор-Січ-270” в експлуатації.

В результаті впровадження у виробництво оптимізованих складів чавунів, технічних умов і технологічної документації на виливки, науково-технічних заходів по удосконаленню конструкційних матеріалів для деталей двигунів внутрішнього згоряння та інших деталей для машинобудування знижені: собівартість однієї тони литва – в 1,5 раза; брак в ливарному виробництві – на 1,58…3,2%; трудоємність механічної обробки деталей – в 2 рази.

Розроблені склади чавунів і технології виробництва деталей впроваджені на Мелітопольському моторному заводі ВО Авто ЗАЗ “Комунар” (ЗАО “Авто ЗАЗ-ДЕУ”) і ВАТ “Мотор-Січ”.

Технічна новизна та практичне значення роботи підтверджується 2 авторськими свідоцтвами СРСР і 2 патентами України на винаходи. Річний економічний ефект від впровадження результатів роботи на Мелітопольському моторному заводі склав 3927,2 тис. грн.; на ВАТ “Мотор-Січ 84,0 тис. грн. Сумарний річний економічний ефект склав 4011,2 тис. грн.

Особистий внесок автора. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У тих, що були опубліковані у співавторстві, йому належать:

- визначення напрямків досліджень, розробка і дослідження механічних властивостей та зносостійкості фосфористих чавунів, узагальнення результатів [10, 23, 24, 28];

- постановка задачі і проведення досліджень, основні технічні рішення, узагальнення та інтерпретація результатів щодо впливу фосфідної евтектики на властивості чавунів [3, 4, 9, 29, 31, 32];

- наукове обгрунтування і дослідження впливу фосфідної евтектики на процеси структуроутворення, мікромеханізми руйнування і властивості чавунів при кімнатній і підвищеній температурах, рекомендації щодо використання одержаних результатів [1, 15];

- ідея розробки математичної моделі, отримання вихідних даних та визначення характеристик структурних складників і механічних властивостей фосфористих чавунів, обговорення наукових результатів [16];

- металографічні та феноменологічні дослідження впливу структурних складників на циклічну тріщиностійкість, узагальнення результатів досліджень [17, 34];

- дослідження впливу фосфору і кремнію на процеси структуроутворення, оптимізація легування чавунів фосфором [25]

- обгрунтування конструкції приладу і методики неруйнівного контролю якості виливків, лабораторні і промислові випробування [5, 30].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на семінарі “Совершенствование технологии и оборудования в литейном производстве с целью улучшения труда и экологии окружающей среды”, Москва, 1991; республіканських і міжнародній науково-технічних конференціях “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”, Запоріжжя, 1991, 1994, 2000, 2003; міжнародній науково-технічній конференції “Антифрикционные и износостойкие чугуны”, Вінниця, 1992; всесоюзній і міжнародних науково-технічних конференціях “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надёжности и долговечности изделий”, Запоріжжя, 1992, 1995, 1998, 2000, 2003; науково-технічному семінарі “Труд и экология сварочного производства”, Москва, 1994; науково- практичній конференції “Наукоємні технології подвійного призначення”, Київ, 1994; науково-практичній конференції “Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин”, Москва, 1994; міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы повышения качества машин”, Брянськ, 1994; 2-nd, 4-th, 5-th and 6-th International Symposium of Ukrainian Mechanikal Engineers, Lviv, 1995, 1999, 2001, 2003; міжнародній 51-й науково-технічній конференції професорів, викладачів, наукових працівників, студентів БДПА, присвяченій 75-річчю Білоруської державної політехнічної академії “Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификоции в Белорусской Государственной политехнической академии”, Минск, 1995; Республіканському семінарі “Покращення показників теплових двигунів і ресурсозбереження”, Мелітополь, 1996; міжнародній конференції “Износостойкость и надёжность машин”, Хмельницький, 1996; першій міжнародній конференції “Наука і Освіта ’98”, Дніпропетровськ, 1998; 3 rd International Simposium of Croatian Metallurgists “State and Development of Plastic Metal Processing”, Croatia, Sibenik, 1998; міжнародних науково-технічних конференціях “Вопросы современного материаловедения” – “Стародубовские чтения”, Дніпропетровськ, 1998, 2001, 2002, 2003, 2004; міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку”, Харків-Алушта, 1998; другій міжнародній конференції у Львові “Механіка руйнуванняя матеріалів і міцність конструкцій”, Львів, 1999; Miedzynarodowa Konferencja “Tendencje Rozwojowe w Mechanizacji Procesow Odlewniczych”, Krakow, 1999; International Scintific Conference on Mechanics-2000, Rzeszow, 2000; International Conference “Modern Foundry Technologies-Environmental Protection”, Krakow, 2000; 1 промышленной научно-технической конференции “Эффективность реализации научного ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, Славское, Львовской обл., 2001; [Conference] Situation and Mechanical Industry (Krusevac, 22-24 Oktober 2001); Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос”, присвяченій пам’яті академіка М. К. Янгеля (5-7 червня 2002 р., м. Дніпропетровськ); 5th International Symposium of Croatian Metallurgical Society SHMD 2002 “Materials and metallurgy” (Sibenic, Croatia, June 23-27, 2002); International Scintific Conference “HEAVY MACHINERY 2002” (KRALJEVO – Mataruska Banja, 27-30. 06.2002); Міжнародній конференції “Перспективні задачі інженерної науки” (Алушта, Крим, 3-9 июля 2002); 2nd International Conference “Research and Development in Mechanical Industry” RaDMI 2002 (Vrnjanska Banja, Yugoslavia, 01-04 September, 2002); The 14th European Conference on Fracture (Cracow, Poland, 8-13 September, 2002); International Scientific Conference “Aims for Future of Enginecring Science” AFES 2003 (Igalo, Montenegro, 2-8 July, 2003).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 48-ми наукових працях, у тому числі: 1 монографія (у співавторстві), 43 – у фахових виданнях (28 робіт одноосібних), які входять до переліку ВАК, одержано 2 авторських свідотства СРСР і 2 патенти України на винаходи. Всього за матеріалами дисертації опубліковано 78 наукових праць. Перераховані публікації не містяться в кандидатській дисертації та її авторефераті.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів із висновками в кінці кожного розділу, загальних висновків, переліку наукових джерел із 247 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 331 сторінку друкованого тексту, з яких 277 сторінок основного тексту, 120 рисунків, 40 таблиць та 15 додатків на 26 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, її мета та задачі досліджень, визначена наукова новизна, теоретична і практична цінність отриманих результатів досліджень.

У першому розділі на підставі літературного огляду виконано ретельний аналіз впливу фосфору на процеси структуроутворення та властивості чавунів, аналіз матеріалів і технологій, які застосовуються для виготовлення деталей машин, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень при кімнатній та підвищеній температурах, динамічних та термоциклічних навантажень, вологого та граничного тертя-ковзання. Для дослідження і впровадження наукових розробок було вибрано деталі двигунів внутрішнього згоряння, які є типовими представниками деталей машин, що поєднують вказані умови експлуатації. Встановлено, що в залежності від потужності двигунів внутрішнього згоряння для деталей різного призначення використовуються вуглецеві та низьколеговані сталі, металокерамічні сплави та різного ступеню легованості чавуни. Зокрема для виготовлення деталей циліндро-поршневої групи та компресора турбонадуву застосовуються леговані хромом, нікелем та міддю чавуни з кулястою і пластинчастою формами графіту для розподільних валів і втулок напрямних клапанів двигунів МеМЗ-245 застосовуються чавуни з пластинчастою формою графіту, леговані хромом, молібденом, никелем, титаном, а для коромисел клапанів – чавун ВЧ70 з кулястим графітом, додатково легований хромом, нікелем та міддю. Чавуни значно відрізняються за хімічним складом, а технологія плавлення, легування і модифікування не дає стабільних результатів отримання високих механічних і експлуатаційних властивостей, мікроструктури металевої матриці, форми, розмірів і розподілу графітових вкраплень.

Досліджено умови роботи і причини виходу з ладу деталей різних двигунів, в тому числі МеМЗ-245 та “Мотор-Січ”. Встановлено, що основними причинами виходу з ладу є руйнування розподільних валів і коромисел в експлуатації, та руйнування втулок напрямних клапанів при їх запресовуванні в головку циліндрів при виконанні збиральних операцій, передчасне зношування, яке викликане, насамперед, незадовільною мікроструктурою чавуну на поверхнях тертя і впливом жорстких умов експлуатації.

Виходячи з одержаних результатів, встановлено основні критерії надійності конструкційних матеріалів для деталей циліндро-поршневої групи, газорозподільного механізму та компресора турбонадуву і, з урахуванням цих критеріїв, визначено необхідність виконання науково-дослідних та експериментальних робіт з метою розробки нових та вдосконалення існуючих матеріалів і технологій виготовлення з них високонавантажених деталей машинобудування. Відзначено, що необхідно розробити методики і обладнання для визначення твердості готових виливків в залежності від мікроструктури матриці чавуну.

В другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи, яка виконувалась за допомогою стандартних методик. Об’єктом досліджень були графітизовані та відбілені фосфористі чавуни з пластинчастим і кулястим графітом лабораторних і промислових плавок, виплавлених на синтетичній і загальній шихті в індукційних електричних печах та у вагранках. При вивченні впливу легуючих елементів і модифікування на властивості чавуну застосовували метод фракційної розливки. Зразки заливали в сухі піщані форми.

Контроль хімічного складу, густини, мікрострукутри, фізико-механічних властивостей при кімнатній та підвищених температурах, фрактографічний та мікрорентгеноспектральний аналізи виконували стандартними методами.

Зміцнення поверхонь тертя дослдних чавунів виконували із застосуванням плазмотрону прямої дії у середовищі аргону.

Тріщиностійкість фософристих чавунів визначали за стандартними методиками та методиками, розробленими ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України. Визначення характеристик циклічної тріщиностійкості К* на стадії росту тріщини виконували на компактних зразках (діаметром 85 мм, товщиною 7 мм) з концентратором напружень. Критичний коефіцієнт концентрації напружень К1С досліджували на призматичних зразках (10х20х185 мм) з тріщиноподібним концентратором напружень.

Термостійкість (кількість циклів навантаження до руйнування) зразка 3х3 мм у режимі 400600С зі статичним розтягувальним навантаженням, що утворювало нормальні напруження (11 МПа) у робочому перерізі, проводили за відомими методиками на установці ИМАШ-20-75. Вплив ФЕ на розміри графітних вкраплень і зерна металевої матриці чавуну оцінювали за допомогою оптичної металографії. Роль фосфідної евтектики, графіту і металевої матриці у зародженні, розповсюдженні або гальмуванні тріщини оцінювали за допомогою металографічних та фрактографічних досліджень зламів дослідних зразків.

Дослідження фосфористих чавунів на зношування проводили на машині тертя МИ1 та на установці для дослідження зносостійкості за схемою вкладиш-втулка, виготовленій у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України. Оброблюваність різанням оцінювали методом свердління виливків з різною структурою і твердістю. Оброблюваність характеризувалася безрозмірним параметром К – відносною оброблюваністю, як відношенням подачі свердла при обробленні дослідного і еталонного матеріалів.

Крім стандартних у дисертації були застосовані методики, розроблені з участю автора:

1. Методика експрес-аналізу хімічного складу чавуну.

2. Методика і обладнання неруйнівного контролю якості виливків коромисел і напрямних втулок клапанів.

3. Методика визначення параметру форми фе та індексу фосфідної евтектики Iфе, які характеризували її розміри і кількість в сплаві.

4. Статистичний (в тому числі регресійний) аналіз експериментальних даних, які оброблялись на комп’ютері АМД-850 за програмою “Статистика”. Метою цього аналізу було отримати формули, які б аналітично визначали співвідношення характеристик структурних складників і властивостей фосфористих чавунів.

5. Детермінований факторний аналіз впливу структурних складників на властивості фосфористих чавунів, який передбачав:

-

-

Випробування деталей з чавунів оптимальних складів проводили в двигунах внутрішнього згоряння на спеціальних стендах експериментальних цехів і в заводських лабораторіях випробування агрегатів і дослідження дефектів Мелітопольского моторного заводу та заводу “Мотор-Січ”, а також в умовах шляхових моторних випробувань за стандартними і заводськими методиками у відповідності з державними стандартами.

У третьому розділі досліджено процеси структуроутворення чавунів з пластинчастим і кулястим графітом при їх легуванні зростаючими домішками фосфору та при зміні швидкості кристалізації у залежності від розмірів литих заготовок. З літературних джерел відомо, що при введенні кремнію у сплави системи Fe-P-C знижується розчинність в аустеніті як вуглецю, так і фосфору. При цьому кремній є обов’язковою домішкою у чавунах. Він знижує стійкість аустеніту, утворюючи твердий розчин заміщення. Із збільшенням його вмісту в чавуні потрійна ФЕ утворюється при менших концентраціях фосфору.

У зв’язку з цим необхідно було отримати відомості щодо взаємного впливу фосфору і кремнію на процеси структуроутворення і розподілу їх між структурними складниками чавуну. Дослідженнями розподілу елементів у чавуні, хімічний склад якого відповідав, мас %: 2,83С; 2,56Si; 0,78Mn; 0,43P; 0,004S встановлено, що фосфор розташовувався в основному у ФЕ, частково в примежевому (5...10 мкм) між фосфідною евтектикою і матрицею шарі, а також у невеликій кількості містився у металевій основі. Такий розподіл фосфору в структурних складниках чавуну, на нашу думку, є результатом його дії за присутності кремнію. Як свідчать результати наших досліджень, більшому вмісту кремнію у кожному із структурних складників відповідав менший вміст фосфору [25]. Наявність фосфору у примежевому шарі вказує на те, що фосфор при його підвищених концентраціях в чавуні схильний не тільки до ліквації в міжзеренну рідину під час кристалізації чавуну, а й до легування матриці з підвищенням його концентрації в останній. Такий характер розподілу фосфору і кремнію у структурних складниках чавуну може, безперечно, вплинути на процеси структуроутворення та властивості чавунів з різним вмістом легуючих елементів, насамперед, фосфору.

Виходячи з результатів попередніх досліджень щодо розподілу хімічних елементів у структурних складниках чавуну були виплавлені і досліджені синтетичні фосфористі чавуни з пластинчасим і кулястим графітом, складу, мас. %: 2,76...2,89C; 2,40...2,78 Si; 0,67...0,93 Mn; 0,002...0,009 S; 0,08 Cr; 0,1...0,18 Ni (у ЧПГ); 0,41...0,5 Ni та 0,03...0,05 Mg (у ЧКГ); Fe – решта. При фракційному заливанні дослідних зразків чавуни легували зростаючими домішками фосфору у межах 0,02...0,97 %.

Металографічний аналіз синтетичних фосфористих чавунів показав, що їх структура в литому стані складалася з перлітної металевої матриці, вкраплень графіту пластинчастої або кулястої форми (в залежності від типу чавуну), ФЕ та фериту, який оточував графітові вкраплення. Будова ФЕ залежела від кількості домішок фосфору в чавунах. Відповідно до ГОСТ 3443–87 її класифікували як потрійну дрібнозернисту ряд 1 ФЕ 3 в кількості 45...50%, потрійну гольчасту ряд 1 ФЕ 4 в кількості 45...50% та потрійну з пластинами цементиту ряд 1 ФЕ 5 в кількості до 10%. Об’ємний вміст ФЕ і розміри її вкраплень збільшувалися із збільшенням домішок фосфору. Більші розміри вкраплень ФЕ були в ЧКГ.

Встановлено, що індекси Іфе і параметри форми фе фосфідної евтектики зростали із збільшенням домішок фосфору в чавуни (рис.1).

Параметри форми перевищували індекси ФЕ в усьому диапазоні домішок фосфору. При цьому абсолютні їх значення в ЧКГ були більшими порівняно з ЧПГ.

Рис. 1. Вплив домішок фосфору на індекс і параметр форми фосфідної евтектики в чавунах з пластичним і кулястим графітом.

В чавунах з низьким (0,02%) вмістом фосфору фосфідна евтектика була відсутня. Найбільш інтенсивне зростання характеристик було в межах домішок фосфору 0,04...0,4%, коли інтенсивно утворювалась фосфідна евтектика.

Збільшення кількості і розмірів ФЕ вплинуло на зміну співвідношення структурних складників матриці. При мінімальному (0,02%) вмісту фосфору в чавунах, коли ФЕ була відсутня, їх матриця складалася переважно з перліту (99%). При наявності в чавунах близько 4% ФЕ кількість фериту зросла до 9% (ЧПГ) і 3 % (ЧКГ). Подальше збільшення кількості ФЕ не впливало суттєво на збільшення кількості фериту, частка якого в чавунах, легованих 0,97% Р (ЧПГ) і 0,95% Р (ЧКГ) складала близько 10 і 4 відсотків, відповідно [18]. Процеси графітизації в ЧКГ проходили повільніше, що було пов’язано з наявністю в них нікеля.

Під впливом зростаючої кількості ФЕ суттєво змінювалась графітна фаза. Збільшувалась довжина і товщина пластин графіту в ЧПГ і відповідно зменшувалась їх кількість в полі зору мікроскопу [27].

В ЧКГ також збільшувались розміри кульок графіту та зменшувались їх кількість і ступінь сфероїдизації. Ці зміни, звичайно, позначались на индексах (Iг) і параметрах форми графіту г (рис.2).

Індекс пластинчастого графіту Iгп інтенсивно зростав від 0,63 (0,02%Р) до 1,37 (0,26%Р). Підвищення вмісту ФЕ з 2,6 до 4% спричинило зростання Iгп до 1,42. Зростання кількості ФЕ до 10% майже не вплинуло на величину Iгп , який дорівнював 1,44…1,49 в чавунах з вмістом 0,55...0,97% Р.

Рис. 2. Вплив фосфідної евтектики на графітизацію чавунів з пластинчастим (а) і кулястим (б) графітом.

Параметр форми пластинчастого графіту гп інтенсивно зростав з 5,9 (0,02%Р) до 11,8 (0,4%Р). Подальше збільшення домішок фосфору і відповідне збільшення кількості ФЕ в ЧПГ не суттєво вплинуло на збільшення параметру форми графіту, який в чавуні з вмістом 0,97% Р був гп=12,9 (рис. 2 а).

Аналогічних змін зазнав кулястий графіт в ЧКГ. Але у зв’язку з його компактною формою абсолютні величини індексу кулястого графіту Iгк і параметру його форми гк були значно меншими. Найбільш значними були зміни характеристик графіту при збільшенні кількості ФЕ в чавуні до 4% (рис. 2 б).

Графічне співставлення характеристик ФЕ і графіту показало, що зростання індексів графіту співпадало із зростанням індексів фосфідної евтектики.

Аналіз взаємозв’язку параметрів форми ФЕ і графіту показав, що при збільшенні фе параметри форми графіту збільшувались. Криві взаємозв’язку мали вигнуто-вігнутий характер, де точки перегину відповідали феп=6,0 (0,26% Р) та фек=6,45 (0,23% Р) (рис. 3). Співставлення часток збільшення параметрів форми ФЕ і графіту на різних ділянках кривих і аналіз співвідношень дав можливість дійти висновку, що оптимальні властивості можуть мати чавуни з вмістом 0,23...0,4% фосфору, в яких феп6; гп.11,6; фек6,45; гк 1,62.

При таких характеристиках довжина вкраплень фосфідної евтектики і графіту в ЧПГ не перевищує 90 мкм, в ЧКГ вкраплення ФЕ перебувають в межах 90...120 мкм, а діаметр графітових куль – 45...60 мкм.

Рис. 3. Взаємозв‘язок параметрів форми фосфідної евтектики і графіту у фосфористих чавунах з пластинчастим (а) і кулястим (б) графітом: І; ІІ; ІІІ – ділянки кривих на рисунках а) і б).

Вплив масштабного чинника на структуру фосфористих чавунів відповідає відомим в літературі даним та має деякі характерні особливості. У литих зразках діаметром 10 мм незалежно від вмісту фосфору структура матриці була перлітною. Максимальна кількість фериту не перевищувала 5...7% для чавунів, легованих 0,95 (ЧКГ) і 0,97% Р (ЧПГ).

При збільшенні діаметра зразків до 100 мм у структурі тих же чавунів кількість фериту збільшилась до 22 і 34%, відповідно (рис. 4), що співпадає з відомими даними. При легуванні чавунів фосфором до 0,97 %, коли ФЕ розташовувалась у вигляді суцільної сітки, кількість фериту в них зросла до 39% (ЧПГ) і 49% (ЧКГ), що вказує на значну феритизуючу дію фосфору у масивних виливках [38, 48].

Рис. 4. Вплив масштабного чинника на структуру металевої матриці перлітних чавунів.

Такі перетворення у структурі чавунів були викликані евтектичними реакціями, під час яких фосфор частково (до 0,09%) розчинявся в матриці, а вуглець дифундував з неї і збагачував графітну фазу. Надлишковий фосфор вступав у хімічну реакцію із залишковою рідиною і утворював ФЕ.

Описані зміни структурних складників, що проходили під дією масштабного чинника відбиті у індексах і параметрах форми ФЕ і графіту, які збільшувались у залежності від збільшення перерізу виливків.

У відпалених зразках встановлено зростання діаметра зерен фериту під дією зростаючих домішок фосфору. У ЧПГ їх величина збільшувалась від 10,62 (при 0,02% Р) до 23,75 (при 0,97% Р) мкм, а у ЧКГ – від 20,0 (при 0,02% Р) до 34,37 (при 0,95% Р) мкм. Найбільш інтенсивне зростання діаметра зерен до 18,75 (у ЧПГ) і 30,0 (у ЧКГ) мкм було встановлено при збільшенні домішок фосфору в чавунах у межах 0,02...0,4 %. Подальше легування чавунів фосфором (до 0,95 та 0,97%) спричинило незначне зростання діаметра зерен фериту: до 23,75мкм (у ЧПГ) та до 34,37 мкм (у ЧКГ).

Після відпалювання чавунів з вмістом фосфору до 0,4% фосфідна евтектика перетворилась на псевдоподвійну (фосфід і ферит) ряд 1 ФЕ1 та (фосфід і цементит) ряд 1 ФЕ2. В той же час у високофосфористих чавунах ФЕ з цементитною пластиною (ряд 1 ФЕ5) змінилася на потрійну (ряд 1 ФЕ3 та ФЕ4) [44]. Такі зміни свідчать, що перетворення цементиту в графіт проходили дифузійно під дією високих температур. Фосфор, на наш погляд, не брав участі у цих перетвореннях, бо він був відсутній у цементиті [14].

Рекристалізація та високотемпературне нормалізування не вплинули на будову ФЕ, а лише спричинили утворення перлітної та сорбітної матриць чавуну.

Статистичний аналіз взаємозв’язку характеристик ФЕ, графіту і металевої матриці показав, що між ними існує тісний кореляційний зв’язок (коефіцієнти кореляції r=0,89...0,98). Вперше встановлено аналітичні залежності між параметрами форми та індексами ФЕ, які для дослідних чавунів мають вигляд рівнянь та кривих третього ступеню:

, (1)

де феп – параметр форми ФЕ в чавуні з пластинчастим графітом,

Іфеп - індекс фосфідної евтектики в чавуні з пластинчастим графітом

, (2)

де фек – параметр форми ФЕ в чавуні з кулястим графітом,

Іфек - індекс фосфідної евтектики в чавуні з кулястим графітом.

Встановлено також прямі і зворотні аналітичні і графічні залежності між всіма досліджуваними характеристиками структурних складників, що дає можливість аналітично визначити структурний склад фосфористих чавунів за наявності хочаб одного структурного складника, або фази, наприклад графіту.

У четвертому розділі вивчено мікромеханізми руйнування фосфористих чавунів різних класів під дією статичних, динамічних, циклічних навантажень - при 20 і 450С та термоциклічних навантажень при 400600С [39,40]. Встановлено, що за станом мікро- і макроструктур та фрактограм поверхонь досліджуваних зразків можна виділити три основних види мікромеханізмів руйнування:

1. Транскристалічний скол, коли індекси і параметри форми ФЕ і графіту є низькими і окремі вкраплення ФЕ гальмують мікротріщини, що виникли біля графіту; 2. Змішане – череззеренне та міжзеренне, коли розміри ФЕ та графіту і, відповідно, їх індекси і параметри форми є оптимальними, а матриця зміцнена за твердорозчинним і дисперсійним механізмами; 3. Міжзеренне – коли ФЕ розташована у вигляді суцільної сітки (скелету) по межах зерен і спричиняє початок руйнування чавунів [7, 15, 17, 20, 22, 34]. З точки зору мікромеханізмів руйнування фосфористих чавунів найбільш прийнятним для підвищення їх трищіностійкості є легування фосфором у межах 0,15...0,4%.

У п’ятому розділі розглянуто вплив мікроструктури на фізико-механічні, технологічні та експлуатаційні властивості фосфористих чавунів. Провідну роль щодо впливу на вказані властивості відіграє ФЕ. Із врахуванням, отриманих у третьому розділі, відомостей