Міністерство освіти і науки України

Хмельницький національний університет

АРЕНДАР Любомир Анатолійович

УДК 621.793.8: 669.268

РОЛЬ фосфідноЇ евтектиКИ

У ФОРМУВАННІ СТРУКТУРИ ТА ДЕЯКИХ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ перлітних чавунів

У ПРОЦЕСІ ТЕРТЯ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі зносостійких покриттів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Широков Володимир Володимирович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів,

завідувач відділу зносоcтійких покрить

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки

Голубець Володимир Михайлович,

Український національний лісотехнічний університет, Львів,

завідувач кафедри технології матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент

ГУПКА Богдан Васильович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І.Пулюя,

доцент кафедри технології машинобудування

Провідна установа: | Вінницький національний технічний університет, кафедра технології підвищення зносостійкості

Захист дисертації відбудеться "15" листопада 2005 р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам’янецька,110/2.

Автореферат розіслано "11"жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Застосування в машинобудуванні економнолегованих сплавів із задовільним комплексом фізико-механічних та експлуатаційних характеристик – одна з найактуальніших проблем. Особливо гостро вона стоїть в Україні, у зв’язку з дефіцитом багатьох легувальних елементів. Як було показано у працях І.П.Волчка, А.О.Жукова, Г.І.Слинька, О.П.Осташа, Ю.Г.Бобро, Я.Н. Малиночки та ін., особливо перспективні фосфористі чавуни, оскільки легуванням фосфором можна суттєво покращити механічні властивості та технологічність сірих та високоміцних чавунів.

Проте, якщо вплив фосфору на міцність за різних схем навантажень, пластичність, тріщиностійкість та мікромеханізми руйнування чавунів детально вивчено, то на поверхневу міцність та роль структурного чинника у зносотрив-
кості – недостатньо.

Це суттєво обмежує масштаби їх застосування. У чавунах, згідно з літературними даними, за концентрації фосфору понад 0,05 мас. % може утворюватися фосфідна евтектика (ФЕ), яка складається з фериту, збагаченого фосфором, цементиту та фосфіду заліза Fe3P. ФЕ має порівняно високу твердість 39...53 НRС проти 90…120 НВ для нелегованого фериту і крихкість. Роль її в процесах зношування чавунів повинна бути визначальною, але на сьогодні відповідні систематичні дані та рекомендації про її вміст у матриці відсутні.

Тому встановлення закономірностей впливу включень ФЕ на зносотривкість сірих (ФСЧ) та високоміцних (ФВЧ) чавунів, експериментальне та теоретичне обґрунтування здатності ФЕ до антифрикційної дії є актуальною проблемою і предметом досліджень даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботу виконано у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України у рамках проблеми "Фізико-хімічна механіка руйнування конструкційних матеріалів" як складову частину державних наукових програм із фундаментальних досліджень: РБ 19/185 "Розробка механізмів водневого зношування і руйнування поверхневих шарів металів у процесі тертя", номер державної реєстрації 1198U003531 (дисертанту належить встановлення особливостей формування і властивостей дифузійних покрить на залізовуглецевих сплавах); РБ 19/224 “Дослідження фізико-механічних передумов та механізмів тріщиноутворення при терті шорстких металевих поверхонь”, номер державної реєстрації 0101U004854 (дисертанту належить аналіз кінетики зміни шорсткості металевих поверхонь в процесі контактної взаємодії); РБ 19/270 “Дослідження механізмів зношування гетерогенних матеріалів за умов сухого та граничного тертя із застосуванням теплодинамічних підходів” (дисертанту належить встановлення механізму впливу включень ФЕ в перлітних сірих та високоміцних чавунах на поверхневе руйнування). Дисертант був стипендіатом Національної академії наук України у 2001 р. (науково-дослідна робота “Розробка багатофункціональних захисних покрить для контактних поверхонь’’, лауреат стипендії Голови Львівської обласної державної адміністрації для молодих вчених та спеціалістів у 2003 р.

Об'єкт дослідження

Леговані фосфором сірі (ФСЧ) та високоміцні (ФВЧ) чавуни з перлітною матрицею.

Предмет дослідження

Структурні зміни в поверхневих шарах та на поверхнях тертя фосфористих сірих та високоміцних перлітних чавунів.

Методи досліджень

Для вивчення фазового складу, морфології виділень, топографії поверхонь досліджуваних матеріалів застосовано методи металографічного (мікроструктурного), дюрометричного та рентгеноструктурного аналізів. З метою вимірювання мікротвердості за температур 20…350С створено приставку на базі приладу ПМТ-3.

Зносотривкість матеріалів досліджували за стандартними методиками на установках СМЦ-2 та СМТ 20-70. Для визначення динаміки зміни основних висотних і крокових параметрів мікрогеометрії поверхонь тертя було створено і використано відповідну комп’ютерну програму, що дала можливість оцінити геометрію профілю з високою точністю.

Застосовувались результати математичного моделювання температурних спалахів в зонах фактичного контакту, що грунтуються на теорії А.В. Чічінадзе.

Мета роботи

Розкрити закономірності формування структури поверхневих шарів фосфористих перлітних чавунів та роль фосфідної евтектики в процесах їх зношування, обґрунтувати та оптимізувати склад чавунів за об’ємним вмістом евтектичної складової, щоб забезпечити їх зносотривкість.

Основні завдання

1. Дослідити основні закономірності впливу легування фосфором на зношування перлітних сірих і високоміцних чавунів в умовах граничного тертя і без змащування.

2. Встановити особливості зміни структури, хімічного складу та параметрів геометрії мікрорельєфу поверхневих шарів чавунів залежно від умов тертя та обґрунтувати їх вплив на зносотривкість.

3. Аналітико-експериментальними методами оцінити температуру нагріву фосфідних включень при терті та вплив тепловиділення на їх твердість.

4. Обґрунтувати механізм підвищеної зносотривкості фосфористих чавунів.

5. Оптимізувати фосфористі чавуни за об’ємним вмістом евтектичної складової для забезпечення їх підвищеної зносотривкості в експлуатаційно важливому діапазоні швидкостей і контактних тисків (0,2…0,5 м/с та 0,5…5 МПа відповідно).

На захист виносяться:

1. Закономірності впливу об’ємного вмісту фосфідної евтектики на зношування сірих і високоміцних чавунів за умов тертя без змащування і граничного тертя.

2. Кінетичні закономірності впливу концентрації фосфору на зміни параметрів топографії рельєфу поверхонь тертя ФВЧ і ФСЧ за різних умов фрикційної взаємодії.

3. Аналітико-експериментальне обґрунтування механізму антифрикційної дії включень фосфідної евтектики у чавунах.

4. Практичні рекомендації щодо оптимізації вмісту фосфідної евтектики у сірих та високоміцних чавунах з перлітною матрицею.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше детально досліджено вплив легування фосфором в широкому концентраційному інтервалі на опір зношуванню та деякі інші фізико-механічні властивості гами перлітних чавунів.

2. На основі експериментальних підходів із застосуванням металофізичних методів структурних досліджень встановлено існування швидкісних інтервалів та інтервалів контактних навантажень, за яких зносотривкість фосфористих чавунів забезпечується не високою твердістю фосфідних евтектичних включень, а їх здатністю перерозподілитися на поверхні тертя у вигляді тонких прошарків (до 5 мкм), орієнтованих по довжині у напрямку тертя.

3. Вперше для гетерогенного матеріалу, а саме чавунів з фосфідною евтектикою із застосуванням теорії спалахів розраховано їх температуру (з урахуванням параметрів шорсткості реальних поверхонь тертя) та показано, що вона може бути близькою до температури плавлення евтектичних виділень.

4. Розроблено механізм впливу фосфідних включень на зносотривкість фосфористих чавунів та оптимізовано їх хімічний склад з метою мінімізації зносу в інтервалі швидкостей і контактних тисків 0,2…0,5 м/с та 0,5…5 МПа відповідно.

Практичне значення результатів.

Запропоновано фосфористий чавун з вмістом фосфідної евтектики 3…7 об % для виробництва деталей циліндро-поршневої групи, газорозподільного механізму двигунів внутрішнього згоряння різних класів, запірної арматури та деталей дрібносерійного виробництва, який забезпечує підвищення зносотривкості в 1,2-1,8 разів за умов експлуатації в інтервалі швидкостей 0,2…0,5 м/с при контактних тисках 0,5…5 МПа в умовах тертя без змащування і граничного тертя.

Використання чавунів даного типу дозволило підвищити надійність, ресурс працездатності елементів трибосистем та знизити металоємність в 1,8 рази.

Обгрунтованість та достовірність сформульованих у дисертації наукових положень і висновків забезпечено використанням стандартизованих методик, сучасного сертифікованого обладнання, науково обґрунтованим трактуванням отриманих результатів, їх узгодженістю з літературними даними.

Особистий внесок здобувача:

·

·

·

·

·

·

Апробація роботи. Матеріали дисертації викладено у доповідях на конференціях:

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 16 статей, з них: 8 – у спеціалізованих журналах та збірниках наукових праць, 8 – у матеріалах міжнародних та інших науково-технічних конференцій. Отримано позитивний висновок № 7 С21С21/00 про видачу деклараційного патенту на корисну модель за заявкою № 20041109133 від 08.11.2004 р.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 156 найменувань, додатків, викладена на 154 сторінках, містить 49 рисунків, 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету роботи, викладено наукову новизну і практичну цінність, а також положення, що виносяться автором на захист.

У першому розділі проаналізовано літературні дані про основні фізико-хімічні процеси, особливості структурних змін в приповерхневих шарах залізовуглецевих сплавів, які відбуваються під час тертя та методи підвищення зносотривкості металевих матеріалів.

Як показано у працях Б.І.Костецького, І.В.Крагельського, В.С.Комбалова, В.А.Кислика, М.М.Хрущова, Е.Д.Брауна, М.Хебди, А.В.Чічінадзе та багатьох інших визначних вчених, за фрикційної взаємодії у приповерхневих шарах твердих тіл виникають зміни, зумовлені пружно-пластичними деформаціями, підвищенням температури і хімічною дією середовища та, як наслідок, структурно-фазового стану матеріалу. Характер цих змін суттєво відрізняється на етапах притирання і усталеного тертя. На основі огляду літературних даних зроблено висновок, що для виявлення ролі та оцінки вкладу хімічного і фазового складу трибоматеріалів на механізми поверхневого руйнування та прогнозування необхідно диференційовано аналізувати фізико-хімічні та механічні явища, що відбуваються на макро-, мікро- і субмікроскопічних рівнях в околі фактичного контакту з врахуванням кінетики зміни топографії поверхні.

До основних методів підвищення зносотривкості матеріалів належить створення нових матеріалів із прогнозованими властивостями, зокрема економнолегованих сплавів. Показано, що перспективними матеріалами для вузлів тертя є гетерофазні матеріали на основі заліза, зокрема, сірі та високоміцні чавуни з фосфідною евтектикою. ФЕ відносно легкоплавка ( 9500С), тверда та крихка, внаслідок чого може суттєво підвищити, крім рідкотекучості та оброблювальності, зносотривкість металу. Проте, трактування впливу ФЕ на характеристики чавунів неоднозначне, а зміна її вмісту від 0 до 10-11 об. % суттєво впливає на їх структуру та трибологічні властивості. Також обмеженими і неоднозначними є відомості щодо механізму впливу ФЕ на опір зношуванню чавунів на різних його етапах.

На основі аналізу літературних даних показано необхідність виявити закономірності впливу легування фосфором перлітних чавунів та фосфідної евтектичної складової на їх зносотривкість, виявити роль фосфідних включень у процесах поверхневого руйнування під час тертя, оптимізувати вміст ФЕ за трибологічними та деякими іншими фізико-механічними властивостями. Визначено напрямки розв'язання цих задач.

У другому розділі обґрунтовано вибір матеріалів, описано експериментальні установки, зразки та методики досліджень.

Об’єктами дослідження вибрано сірі та високоміцні чавуни з перлітною матрицею та вмістом фосфору в межах 0,055…0,97 мас. % (Табл.1), виплавлені в лабораторних (Запорізький національний технічний університет) і в промислових умовах (ВАТ “Мотор-Січ”) в індукційних електричних печах та вагранках.

Мікроструктуру вивчали за допомогою металографічного мікроскопа МИМ-9М із адаптованою кінокамерою та реєстрацією сигналу на ПК. Мікротвердість у температурному діапазоні 20…350С вимірювали приладом ПМТ-3, оснащеним спеціальною приставкою. Фазовий склад аналізували на установці "ДРОН-2".

Таблиця 1. Хімічний склад досліджуваних чавунів (мас. % ).

Плавка | С | Sі | P | S | Mn | ФЕ (об.%) | Mg | Примітки

ФВЧ1 | 3,44 | 2,48 | 0,055 | 0,075 | 0,51 | 0,05 | 0,05 | Для порівняння

ФВЧ2 | 3,33 | 2,38 | 0,74 | 0,075 | 0,49 | 0,2 | 0,05 |

Експериментальні плавки

ФВЧ3 | 3,07 | 2,39 | 0,090 | 0,074 | 0,50 | 1 | 0,05

ФВЧ4 | 3,.79 | 2,63 | 0,150 | 0,070 | 0,47 | 2,2 | 0,05

ФВЧ5 | 3,56 | 2,50 | 0,200 | 0,075 | 0,46 | 2,5-3 | 0,05

ФВЧ6 | 3,25 | 3,05 | 0,400 | 0,063 | 0,52 | 3,4-4,5 | 0,05

ФВЧ7 | 3,50 | 3,12 | 0,550 | 0,069 | 0,51 | 5-6 | 0,05

ФВЧ8 | 3,08 | 2,62 | 0,760 | 0,053 | 0,50 | 7-8 | 0,05

ФВЧ9 | 3,19 | 2,48 | 0,970 | 0,070 | 0,52 | 9-11 | 0,05

ФСЧ1 | 2,79 | 2,58 | 0,027 | 0,075 | 0,46 | 0,05 | - | Для порівняння

ФСЧ2 | 3,33 | 2,38 | 0,055 | 0,074 | 0,45 | 0,2 | - |

Експериментальні плавки

ФСЧ3 | 3,19 | 2,39 | 0,090 | 0,070 | 0,51 | 1 | -

ФСЧ4 | 2,86 | 2,40 | 0,150 | 0,067 | 0,56 | 2,2 | -

ФСЧ5 | 3,27 | 2,45 | 0,260 | 0,056 | 0,52 | 2,5-3 | -

ФСЧ 6 | 3,37 | 2,76 | 0,400 | 0,063 | 0,53 | 3,4-4,5 | -

ФСЧ 7 | 3,45 | 2,86 | 0,550 | 0,069 | 0,55 | 5-6 | -

ФСЧ8 | 2,78 | 2,98 | 0,760 | 0,073 | 0,46 | 7-8 | -

ФСЧ9 | 3,24 | 2.48 | 0,970 | 0,070 | 0,49 | 9-11 | -

Зносотривкість матеріалів досліджували в умовах граничного тертя (олива
И-20) та тертя без змащування на установках СМЦ-2 та СМТ 20-70. Програма досліджень: швидкість ковзання 0,4 м/с, тривалість досліду 0,25…100 год; шлях припрацювання 210 м; контактний тиск 0,5-1,5 МПа (тертя без змащування),
5-7 МПа (граничне змащування); силова схема “диск - колодка”. Контролювали масовий знос, зміну коефіцієнта тертя, температуру на відстані 2 мм від фрикційної поверхні.

Для визначення шорсткості поверхні застосовували профілограф-профілометр “Калибр С-265”. Згідно зі стандартами ГОСТ 2789 – 73 та ISO 4287 оцінювали зміну комплексних параметрів мікрорельєфу поверхні у вихідному стані, на різних етапах притирання та тривалих випробувань тертям, використовуючи оригінальне програмне забезпечення. Застосовували комп’ютерні методи теоретичних обчислень та обробки експериментальних даних.

Третій розділ. Проаналізовано вплив об’ємного вмісту ФЕ на зносотривкість, зміни структури та фазового складу поверхневих шарів ФСЧ і ФВЧ в умовах граничного тертя і без змащування.

Експериментально встановлено, що незалежно від концентрації ФЕ інтенсивність зношування сірих чавунів в умовах тертя без змащування суттєва
(0,7…0,8 кг/м2-•год). Аналіз профілограм і продуктів зношування свідчить про його абразивний характер.

За умов граничного змащування інтенсивність зношування ФСЧ менша на 2-3 порядки, особливо чавунів з вмістом ФЕ 3-7об. % (рис.1,а). Після 2…3 год. (етап притирання) та під час тривалих випроб (рис.1б) коефіцієнт тертя зменшується від 0,085…0,10 до 0,045…0,05, стабілізується тепловиділення, інтегральна температура поверхні тертя досягає 70…75 0С (рис.1в).

а) | б)

в) |

Рис.1. Зносотривкість ФСЧ за граничного тертя:

а – знос; б – діаграма зміни коефіцієнтів тертя; в – діаграма зміни температури на відстані 2 мм від поверхні тертя.

1 – ФСЧ1; 2 – ФСЧ9; 3 – ФСЧ6.

Високоміцні і фосфористі високоміцні чавуни більш зносотривкі, ніж відповідні сірі чавуни. Об’ємний вміст ФЕ у ФВЧ впливає на інтенсивність їх зношування. За умов тертя без змащування із збільшенням кількості включень ФЕ знижується інтенсивність зношування ФВЧ у 2 рази, а контртіла - у 4 рази. Розмір продуктів зношування у 5 разів менший, ніж у ФСЧ.

За умов граничного змащування зносотривкість ФВЧ на 2-3 порядки вища. Характер притирання подібний до ФСЧ. Характер зношування і коефіцієнт тертя залежать від вмісту ФЕ (рис.2б). Найменше зношуються чавуни ФВЧ4-ФВЧ7. Продукти зношування дрібніші (1…3 мкм). Максимальна температура спостерігається під час притирання (рис.2в).

На основі експериментальних запропоновано оптимальний вміст ФЕ, який забезпечує найкращі за даних умов тертя антифрикційні характеристики фосфористих чавунів: 3…7 об. %, що відповідає 0,2…0,6 мас. % фосфору.

На основі аналізу профілограм поверхонь ФСЧ і ФВЧ та контртіла в процесі від притирання до усталеного тертя встановлено, що шорсткість поверхонь тертя зменшується від вихідного п’ятого до 8-10 квалітету. Радіуси заокруглення мікровиступів поверхні тертя збільшуються від 10 до 100 мкм у ФСЧ і 250 мкм у ФВЧ. Аналіз характеру зміни опорних кривих, побудованих на основі профілограм фрикційної поверхні чавунів, свідчить, що максимальне відносне зближення поверхонь досягається за вмісту ФЕ 3-7 об. % (рис.3).

а) | б)

в) | Рис.2. Зносотривкість ФВЧ за граничного тертя (1 – ФВЧ1; 2 – ФВЧ9; 3 – ФВЧ6):

а – знос за масою;

б – коефіцієнти тертя;

в – температура на відстані 2 мм від поверхні тертя.

За результатами металографічного аналізу структурних змін поверхневих шарів ФСЧ та ФВЧ встановлено, що під час тертя в їх формуванні бере участь і фосфідна складова. Характер її розміщення та морфологічні ознаки змінюються. Як правило, після тертя включення фосфідної складової видовжуються в напрямку ковзання, скупчуються в приповерхневих шарах, порівняно з іншими об’ємами металлу (рис.4). Незалежно від типу чавуну кількість включень ФЕ збільшується в середньому на 25…30 %. На поперечних шліфах чітко фіксується поступове утворення відносно тонкого поверхневого шару ФЕ (рис.4в).

Рентгеноструктурний аналіз фазового складу поверхневих шарів підтвердив, що під час притирання поверхневі та приповерхневі шари збагачуються включеннями ФЕ. Про це свідчить зміна співвідношення інтенсивності рефлексів ?-Fe, Fe3C i Fe3P на відповідних рентгенограмах. Крім того, за умов тертя без змащування на поверхні та в продуктах зношування утворюються оксиди заліза Fe3O4, Fe2O3. Як показали О.Кубашевський, Б.Гопкінс, це говорить про те, що температура на поверхні тертя досягає 6000С.

Рис.3. Характерний вигляд опорних кривих профілю чавунів з різним вмістом ФЕ у вихідному стані, за умов притирання і усталеного тертя; зs – -відносна опорна довжина профілю, е -– відносне зближення поверхонь тертя.

а) | б)

в) | Рис.4. Мікроструктура ФВЧ7 після випробувань:

а – фрикційна поверхня, граничне тертя; б - поперечний переріз, граничне тертя;

в - поперечний переріз, тертя без змащування.

Ступінь переорієнтування включень ФЕ корелює із зменшенням масових втрат, змінами коефіцієнта тертя, шорсткості трибопари та тепловиділенням під час зношування (див. рис.1,2).

На основі аналізу отриманих експериментальних результатів, а також даних металографічних і рентгеноструктурних досліджень висунуто припущення, що внаслідок локального підвищення температури в зоні фактичного контакту під час тертя можливе тимчасове розм’якшення фосфідної евтектики, що призводить до переорієнтації її включень вздовж напрямку відносного переміщення контактуючих поверхонь та до зменшення параметрів шорсткості поверхні, а відтак, і інтенсивності зношування.

У четвертому розділі на основі сумісного аналізу експериментальних даних і результатів математичного моделювання температурних спалахів у зонах фактичного контакту, що базується на викладках моделі А.В.Чічінадзе, обґрунтовано механізм зношування фосфористих чавунів внаслідок зміни твердості (розм’якшення) включень ФЕ.

Експериментально встановлено, що з температурою мікротвердість ФЕ різко падає. Якщо за 200С вона становить 12 ГПа, то в діапазоні 320…3500С зменшується до 6…7 ГПа (рис.5).

На основі експериментальних даних про зміну мікроструктури поверхні тертя, зокрема, переорієнтації включень ФЕ, висунуто гіпотезу про розм’якшення останніх внаслідок дії температурного фактора. Це явище, з огляду на малі розміри включень і порівняно невисокі середньоінтегральні температури поверхні тертя (75…1400С) в досліджуваному діапазоні навантажень, можна пояснити дією локальних підвищень температури цих включень.

а) б)

Рис.5. Температурна залежність мікротвердості фазових складових чавунів (а) та відбитки алмазної піраміди ПМТ-3 на ФЕ (б) при температурах: 1 – 200С; 2 – 3500С.

Експериментально визначити локальну температуру на поверхні тертя, особливо на мікровиступах, складно. Тому використали узагальнення математичної моделі А.В. Чічінадзе для визначення температури спалахів, які виникають внаслідок розриву міжмолекулярних зв’язків і є надлишковими щодо середньоінтегральних температур тертя. Спалахи виникають на твердих мікровиступах, які ковзають по відносно гладкій поверхні контртіла. Вважають, що одиничний мікровиступ з діаметром плями контакту dr, висотою h1m та радіусом заокруглення r1 рухається зі швидкістю v0 по порівняно гладкому півпростору, нагрівається в результаті тертя (теплові потоки q1, q2 направлені у мікровиступ та у півпростір відповідно) і, пройшовши шлях Lr, виходить із контакту в результаті розм’якшення або зминання (рис.6). Таку модель математично описують за допомогою двох диференційних рівнянь з крайовими умовами другого роду:

, де - розподіл температури у півпросторі;

, де - розподіл температури в одиничному мікровиступі, який, згідно з умовами нашої задачі, утворений твердим фосфідним евтектичним включенням. Тут аі – коефіцієнти температуропровідності для мікровиступу (і=1) та півпростору (і=2), і – коефіцієнти теплопровідності, - відповідно температури для мікровиступу та півпростору, z – напрям розповсюдження тепла за нормаллю до поверхні тертя, t – час, v0 – швидкість ковзання мікровиступу.

Рис.6. Схема контакту мікровиступу з півпростором.

У моделі А.В.Чічінадзе та її наступних модифікаціях дуже важливим параметром є коефіцієнт розподілу теплових потоків між півпростором та мікро виступом, оскільки він регулює кількість тепла, яка йде на нагрівання мікровиступа. Коефіцієнти розподілу теплових потоків ? визначали за найвідомішими співвідношеннями, отриманими Блоком, Єгером, Шарроном. Теплоємність с=499,4 Дж/(кг·К) фосфідної евтектики в інтервалі температур 16…100є? та зміну коефіцієнта теплопровідності 2 з ростом температури визначили експериментально (табл.2).

Таблиця 2. Зміна коефіцієнта теплопровідності з температурою

Т, є? | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250

2,Вт/(м·К) | 24,286 | 19,883 | 17,988 | 20,055 | 17,540 | 16,654 | 16,227 | 16,324 | 15,684 | 15,233

На основі цих даних вперше для фосфідної евтектики розраховано середні значення коефіцієнта температуропровідності в інтервалі температур 20…40є? і в околі 100є?: а1 = 5,59·10-6 м2/с, а2 = 5,09·10-6 м2/с відповідно. Після підстановки коефіцієнтів розподілу температурних потоків у відповідні вирази для температурних спалахів отримано формули для розрахунку температури на мікровиступах включень фосфідної евтектики:

(для , визначеного за Шарроном);

(для , визначеного за Блоком);

(для , визначеного за Єгером).

Величину загального теплового потоку q знаходили за формулами , , а діаметр плями контакту мікровиступу із співвідношення , де HB2 – твердість контртіла, р0 – тиск, - параметри опорної кривої, розраховані на основі аналізу кривих профілю фрикційної поверхні чавунів (див. рис. 3).

Згідно з проведеними обчисленнями, температури спалахів можуть суттєво перевищувати критичні температури розм’якшення евтектичних включень – близько 320…3500С.

Таким чином, на основі теоретичних розрахунків зроблено висновок, що пластифікацію евтектичних фосфідних включень можуть зумовлювати температурні спалахи, абсолютна величина яких сягає 350…4000С, навіть за тривалості контакту 0,01с. Сумарно з температурою термометрування вона переважає 500 0С. З тривалістю тертя, згідно з опорними кривими, зростають радіуси заокруглення мікровиступів, що призводить до збільшення діаметрів плям контакту, а отже, і фактичної площі контакту, а відтак – до зменшення на неї тиску (див. розділ 3). Такі поверхневі зміни, згідно з уявленнями Б.І.Костецького та інших, можна розглядати як структурну самоорганізацію.

а) | б)

Рис.7. Кінетичні залежності температури спалахів для різних значень радіуса заокруглення r1 (а): 1 - 45 мкм; 2 - 100 мкм; 3 – 250 мкм; та зміна величини діаметра плями контакту з ростом радіусу заокруглення мікровиступу (б).

У п’ятому розділі обґрунтовано механізм впливу ФЕ опір зношуванню фосфористих чавунів.

На основі експериментальних даних і теоретичних розрахунків температури спалахів можна вважати, що руйнування (самоорганізація) фрикційної поверхні фосфористих чавунів під час тертя відбувається за такою схемою (рис.8).

Рис.8. Схема механізму впливу фосфідної евтектики на зносотривкість фосфористих чавунів.

На початковому етапі тертя перлітна складова в околі включень графіту відривається (сколюється), поступово розширюються границі цих включень і мікровиступи ФЕ жорстко контактують з поверхнею контріла. Очевидно, видалення з поверхневих шарів металу перліту призводить до перерозподілу контактного тиску і його зосередження на мікровиступах ФЕ. Це спричиняє збільшення локальних температур на цих виступах, які сягають критичної температури пластифікації 350…400 0С (0,3…0,5 від температури плавлення) за час фрикційного контакту ~ 0,01 с. Сукупна дія температурних, силових і швидкісних чинників спричиняє поступову пластифікацію включень ФЕ, у яких змінюється форма і збільшується радіус заокруглення. Відтак, збільшується діаметр плям контакту та площа ФЕ на поверхні тертя (на 20…30 %) і, як наслідок, зменшується контактний тиск. Пластифікація відбувається в основному на початкових етапах фрикційної взаємодії. За усталеного тертя локальний тиск на мікровиступах зменшується, температура спалахів знижується до 2500С, і міцнісні характеристики ФЕ відновлюються. Як наслідок, експериментально фіксується зниження інтегральної температури від 100…120 до 85…95 0С, зменшення коефіцієнта тертя та масових втрат. Слід зауважити, що армувальні включення ФЕ стають бар’єрами на шляху розширення границь графітових включень внаслідок руйнування перлітної матриці. Ці “розширення” можуть відігравати роль додаткових резервуарів для накопичення змащувальної рідини, що сприяє підвищенню зносотривкості чавунів.

Якщо вміст ФЕ у чавунах менший від оптимального (< 3 об. %), ефекти пластифікації несуттєво впливають на притирання та утворення несучої поверхні. Зі збільшенням кількості ФЕ понад 7 об. % процеси притирання характеризуються вищими значеннями коефіцієнтів тертя та інтегральних температур (1100 С). Аналіз мікроструктур поверхонь тертя свідчить, що поряд з пластифікованими включеннями ФЕ є і непластифіковані. Тобто зі збільшенням кількості включень ФЕ зростає їх площа, перерозподіляються тиски і, відповідно, знижується температура на включеннях та сповільнюється пластифікація.

На основі проведених досліджень запропоновано новий хімічний склад фосфористих чавунів з вмістом ФЕ 3…7 об. % (табл. 3), які мають підвищену зносотривкість в інтервалі швидкостей 0,2…0,5 м/с за контактних тисків 0,5…5 МПа в умовах тертя без змащування та граничного. Результати щодо опору зношуванню дають підстави стверджувати про можливість взаємозамінності ФВЧ на ФСЧ за граничного змащування.

Таблиця 3. Оптимізація хімічного складу фосфористих чавунів за трибологічними властивостями.

Сірі чавуни | Чавун (плавка) | ФЕ, об.% | Ik,

мг/см2 | Iч, мг/см2 | ·10-2 | НRВ | в, МПа | Із вмістом ФЕ, нижчим від запропонованих сплавів | ФСЧ1 | 0,05 | 0,37 | 0,65 | 4,9 | 83,0 | 160 | ФСЧ2 | 0,2 | 0,33 | 0,60 | 4,8 | 83,6 | 174

ФСЧ3 | 1 | 0,30 | 0,55 | 4,6 | 83,7 | 194 | Запропоновані

cплави | ФСЧ4 | 2-2,2 | 0,28 | 0,55 | 4,5 | 83,8 | 226 | ФСЧ5 | 2,5-3 | 0,26 | 0,54 | 4,2 | 85,2 | 236

ФСЧ6 | 3,5-4,5 | 0,24 | 0,50 | 4,0 | 86,3 | 226 | ФСЧ7 | 5-6 | 0,24 | 0,50 | 4,0 | 88,5 | 210 | ФСЧ8 | 7-8 | 0,28 | 0,55 | 4,3 | 89,9 | 200

Із вмістом ФЕ, вищим від запропонованих сплавів | ФСЧ9 | 9-10 | 0,30 | 0,55 | 4,8 | 89,0 | 180

Високоміцні чавуни | Із вмістом ФЕ, нижчим від запропонованих сплавів | ФВЧ1 | 0,05 | 0,35 | 0,805,8 | 155 | 478

ФВЧ2 | 0,2 | 0,33 | 0,75 | 5,5 | 156 | 490

ФВЧЗ | 1 | 0,28 | 0,655,3 | 166 | 500 | Запропоновані сплави | ФВЧ4 | 2-2,2 | 0,25 | 0,605,0 | 197 | 520 | ФВЧ5 | 2,5-3 | 0,23 | 0,50 | 4,9 | 197 | 530 | ФВЧ6 | 3,5-4 | 0,230,464,3 | 197 | 488 | ФВЧ7 | 5-6 | 0,200,464,5 | 207 | 420 | ФВЧ8 | 7-8 | 0,22 | 0,53 | 4,8 | 207 | 322 | Із вмістом ФЕ, вищим від запропонованих сплавів | ФВЧ9 | 9-10 | 0,23 | 0,85 | 5,0 | 207 | 216 | Оскільки в багатьох випадках необхідно наносити на поверхню виробів із залізовуглецевою матрицею покрить різного функціонального призначення, ми показали можливість формування боридних та нітрид-титанових покрить на ФВЧ та ФСЧ. Встановлено, що на фосфористих чавунах можна задовільно формувати боридні покриття з розплаву натрію, а також нітрид-титанові покриття іонно-плазмовим напиленням (Рис.9).

Рис.9. Інтенсивність зношування фосфористих чавунів з вмістом ФЕ 3-7 об. % (1), борованої сталі 45 (режим борування 9500С, 6 год, розплав Na–B, товщина покриття 80 мкм) (2), сталі 45 з покриттям TiN (товщина покриття 3 мкм) (3).

висновки

На основі комплексних випробувань (в умовах тертя без змащування та граничного) стійкості до зношування широкої гами легованих фосфором (0,055…0,97 мас. %) перлітних сірих і високоміцних чавунів, вивчення фазового складу і еволюції структури під час тертя, аналізу фрикційного тепловиділення обґрунтовано хімічний склад і розв’язано важливу науково-технічну задачу забезпечення зносотривкості цих чавунів в експлуатаційно важливому діапазоні швидкостей і тисків: 0,2… 0,5 м/с і 0,5…5 МПа відповідно.

1. Підтверджено дані про те, що на фізико-механічні властивості фосфористих чавунів суттєво впливає фосфідна евтектика, її розподіл та морфологія.

2. Встановлено, що внаслідок тертя включення фосфідної евтектики локалізуються в тонких (до 5 мкм) підповерхневих шарах металу та на поверхнях тертя, переорієнтовуються у напрямку вектора ковзання, а їх кількість на поверхні зростає на 20…30 %.

3. На основі аналітичних розрахунків із застосуванням теорії спалахів та її модифікацій для стрижневої моделі твердого тіла розраховано локальну температуру спалахів на включеннях ФЕ, яка на початкових етапах тертя може перевищувати 0,5 від температури плавлення, за якої різко падає твердість евтектики.

4. Обґрунтовано механізм впливу ФЕ на зносотривкість ФСЧ та ФВЧ. Температурні спалахи на включеннях ФЕ призводять до їх пластифікації, збільшення площі на поверхні тертя і, як наслідок, зменшення контактних тисків, зниження середньоінтегральної температури та підвищення зносотривкості.

5. Запропоновано новий хімічний склад сірих та високоміцних фосфористих чавунів з 3…7 об. % фосфідної евтектики, які відрізняються від відомих підвищеною зносотривкістю в інтервалі швидкостей 0,2…0,5 м/с, за контактних тисків 0,5 - 5 МПа в умовах тертя без змащування та граничного.

6. Експериментально підтверджена можливість отримання на високофосфористих чавунах дифузійних боридних покрить з натрієвого розплаву та нітрид-титанових іонно-плазмовим напиленням.

7. Впровадження оптимізованих за фосфором чавунів дозволило підвищити надійність і ресурс працездатності станин та елементів трибосистем нестандартного обладнання відповідно в 1,2 і 1,25 рази, знизити їх металоємність відповідно в 1,3 і 1,8 рази.

Список опублІкованих праць

1. Широков В.В., Кіцак М.І., Рудковський Є.М., Арендар Л.А. Формування та властивості дифузійних покрить на сталях, утворених боруванням у розплавах. Фізико-хімічна механіка матеріалів.- 1999- №2.-С.86-91.

2. Василів Х., Арендар Л., Павлина О., Василенко Ю. Отримання хромових та боридних багатофункціональних покрить на сталях з легкоплавких розплавів // Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів: в 2-х т. / Спецвипуск журналу “Фізико-хімічна механіка матеріалів”.-Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, 2000 –Т.1.-С.340-344.

3. Широков В.В., Арендар Л.А., Слинько Г.І., Волчок І.П. Вплив фосфідної евтектики на зношуваність високоміцних чавунів. Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2003.-№2.-С.115-117.

4. Широков В.В., Василів Х.Б., Арендар Л.А. Особливості дифузійних процесів у системі “залізовуглецевий сплав - розплав Na-B” Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2004.- №2. – С.99-104.

5. Широков В.В., Арендар Л.А., Рицар Д.І. Трибологічні властивості сірих чавунів, легованих фосфором.- Фізико-хімічна механіка матеріалів .-2004.- №4. – С.70-75.

6. Широков В.В., Арендар Л.А., Ковальчик Ю.І., Василів Х.Б., Василів О.М. Комп’ютерний обробіток профілограм фрикційних поверхонь.- Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2005.- №1. –С.93-96.

7. Широков В.В., Арендар Л.А., Волчок І.П., Слинько Г.І., Широков О.В. Вплив фосфідної евтектики на зношуваність, будову та фізико-механічні властивості чавунів. Материали міжнар. конф. "Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях".-К.:УИЦ “Наука. Техника. Технология”.-2001.-С.129.

8. Широков В.В., Волчок І.П., Слинько Г.І., Арендар Л.А. Трибологічні властивості високоміцних чавунів з фосфідною евтектикою. Збірник наукових праць Х міжнародної науково-технічної конференції “Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах”.-Запоріжжя, 2003.-С.181-183.

9. Широков В.В., Василів Х.Б., Арендар Л.А. Фізико-механічні властивості дифузійних хромових покриттів на сталях // Науковий вісник: Лісопромисловий комплекс напередодні ХХІ століття: освіта, наука, виробництво.-Львів:УкрДЛТУ.-1999.-Вип.9.6.-С.185-186.

10. Широков В.В., Арендар Л.А, Рацька Н.Б. Вплив фосфідної евтектики на зношуваність, будову та фізико-механічні властивості високоміцних чавунів. Науковий вісник : Збірник науково-технічних праць.-Львів:УкрДЛТУ.-2001.-Вип.11.4.-С.153-158.

11. Широков В.В., Арендар Л.А., Широков О.В., Вплив фосфідної евтектики на будову та фізико-механічні властивості чавунів. Матеріали відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів ''Інструмент-2000''.-Львів.-10-12 листопада 2000 р.-С.78-81.

12. Широков В.В., Ковальчик Ю.І., Арендар Л.А. Механізм антифрикційної дії фосфідної евтектики в чавунах.- Матеріали четвертої промислової міжнародної науково-технічної конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”.- К. УИЦ “Наука. Техника. Технология”.-2004.- С.294-297.

13. Широков В.В., Арендар Л.Ф., Рацька Н.Б. Фізико-механічні властивості чавунів, легованих фосфором. Матеріали Другої промислової міжнародної науково-технічної конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современних условиях”.- К.УИЦ “Наука. Техника. Технология”.-2002.- с.113.

14. Широков В.В., Василів Х.Б., Арендар Л.А. Рідкометалеве борування сплавів системи Fe-C і його особливості.- .- Вісник двигунобудування .- №3.-2004.-С.138-142.

15. Широков В.В., Арендар Л.А., Василів Х.Б., Василів О.М. Метод кількісного аналізу топографії фрикційних поверхонь.- Матеріали П’ятої промислової міжнародної науково-технічної конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”.- К. УИЦ “Наука. Техника. Технология”.-2005.- С.333-335.

16. В.В.Широков, Л.А.Арендар, В.М.Довгуник Зносостійкість фосфористих чавунів.- Матеріали XVII відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка “Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи”.-Львів, 2003 р., С.86-89.

АНОТАЦІЯ

Арендар Л.А. РОЛЬ фосфідноЇ евтектиКИ У ФОРМУВАННІ СТРУКТУРИ ТА ДЕЯКИХ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ перлітних чавунів У ПРОЦЕСІ ТЕРТЯ – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах.

Хмельницький національний університет, м.Хмельницький, 2005 р.

У дисертації на основі результатів комплексних експериментальних випробувань (в умовах тертя без змащування і граничного) стійкості до зношування широкої гами легованих фосфором (0,055…0,97 мас. %) перлітних сірих і високоміцних чавунів, вивчення фазового складу і еволюції структури в процесі тертя, експериментального та теоретичного аналізу фрикційного тепловиділення обґрунтовано і розв’язано важливу науково-технічну задачу забезпечення зносотривкості згаданих чавунів в експлуатаційно важливому діапазоні швидкостей і тисків, що становлять 0,2…0,5 м/с і 0,5…5 МПа відповідно.

Підтверджено дані про те, що на фізико-механічні властивості фосфористих чавунів суттєво впливає наявність фосфідної евтектики, її розподіл та морфологія. Встановлено, що внаслідок тертя включення фосфідної евтектики локалізуються в тонких (до 5 мкм) підповерхневих шарах металу та на поверхнях тертя, переорієнтовуються у напрямку вектора ковзання, а їх кількість на поверхні зростає на 20…30 %.

На основі аналітичних розрахунків із застосуванням теорії спалахів А.В.Чічінадзе та її модифікацій для стрижневої моделі твердого тіла розраховано локальну температуру спалахів на включеннях фосфідної евтектики, яка на початкових етапах тертя може переважати 0,5 від температури плавлення, за якої різко падає твердість евтектики.

Обґрунтовано механізм впливу фосфідної евтектики на зносотривкість ФСЧ та ФВЧ. Температурні спалахи на евтектичних включеннях призводять до їх пластифікації, збільшення площі на поверхні тертя і, як наслідок, зменшення контактних тисків, зниження середньоінтегральної температури та підвищення зносотривкості.

Запропоновано новий хімічний склад сірих та високоміцних фосфористих чавунів з 3…7 об. % фосфідної евтектики, які відрізняються від відомих підвищеною зносотривкістю в інтервалі швидкостей 0,2…0,5м/с, за контактних тисків