Національна академія наук України

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля

Самотугіна Юлія Сергіївна

УДК 621.771.07.001.5

ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЧАВУННИХ ВИРОБІВ ДИСКРЕТНОЮ МОДИФІКАЦІЄЮ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти та науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор, Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ. Завідувач лабораторії зміцнення поверхні елементів конструкцій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Лошак Матвій Говшійович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ. Старший науковий співробітник, завідувач відділом досліджень фізико-механічних властивостей надтвердих матеріалів та випробувань інструментів.

- доктор технічних наук, професор

Копилов Вячеслав Іванович, Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»; професор кафедри «Відновлення деталей машин»

Захист відбудеться « 15 » травня 2008 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, вул. Автозаводська 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, вул. Автозаводська 2.

Автореферат розіслан « 10 » квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.І. Лавріненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш перспективних напрямків розвитку сучасного виробництва є впровадження інтенсивних технологій модифікації поверхневого шару виробів з використанням висококонцентрованих джерел нагрівання (ВКДН) - лазерного й електронного променів, плазмового струменя. Завдяки високій густини потужності та можливості регулювання робочих параметрів використання цих джерел енергії дозволяє наносити покриття або виконувати поверхневе зміцнення широкого кола матеріалів, зокрема, чавунів різних типів. За рахунок гарних ливарних і механічних властивостей чавуни широко застосовуються для виготовлення масивних важконавантажених деталей і інструменту - прокатних валків, броньових плит, напрямних верстатів і т.п. З методів обробки ВКДН безсумнівні переваги стосовно до масивних деталей має плазмова обробка - завдяки високій тепловій потужності (до 30 кВт) і можливості нанесення зміцнених шарів значної товщини (до 5мм).

Методи обробки ВКДН, завдяки неоднорідному розподілу густини теплової потужності, не дозволяють отримати поверхневий модифікований шар однорідної суцільної будови на робочій поверхні великої площини. Однак поверхнева обробка ВКДН може бути ефективно застосована для створення робочого шару виробів з макрогетерогенною регулярною структурою – дискретної будови із твердими і пластичними ділянками, що чергуються по певній закономірності. Масивні важконавантажені чавунні вироби є одним з найбільш перспективних об’єктів використання технології дискретного поверхневого модифікування. Завдяки дискретності структури поверхневого шару значно підвищується його працездатність – обмежуються ріст напруг і процес тріщиноутворення, підвищується зносостійкість, виключається когезійне розтріскування і адгезійне відшаровування. Разом з тим, властивості дискретних модифікованих шарів досліджені недостатньо. Відсутні науково обґрунтовані принципи вибору режимів і технологій поверхневої обробки й оптимальних конструкцій робочого шару стосовно до масивних чавунних деталей з урахуванням умов їх навантаження.

Тому, підвищення працездатності масивних чавунних виробів за рахунок формування поверхневого робочого шару із заданими конструктивними й фізико-механічними характеристиками є актуальним і має важливе практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті і є складовою частиною НДР відповідно до координаційного плану, затвердженому Міністерством освіти й науки України: «Створення наукових основ підвищення в'язкості руйнування інструментальних матеріалів за рахунок нанесення покриттів з мікрокристалічною структурою плазмовою поверхневою обробкою» (№ держ. реєстрації 0103U001477) і «Створення наукових основ одержання інструментальних твердих сплавів нового класу з наддисперсною структурою й підвищеними експлуатаційними властивостями» (№ держ. реєстрації 0106U001403), а також НДР, виконаної в Інституті проблем міцності ім. Г.С.Писаренко НАН України « Розробка критеріїв оптимізації поверхневого зміцнення деталей машин та інструменту,

конструктивних схем суцільних та дискретних покриттів, методів керування технологічними процесами» (№ держ. реєстрації 0107U000627).

Мета роботи: підвищення експлуатаційних властивостей поверхневого шару виробів з чавуну дискретною модифікацією поверхневого шару шляхом встановлення залежностей між його конструктивними параметрами й технологічними параметрами плазмової обробки, що забезпечують оптимальний для умов експлуатації рівень експлуатаційних властивостей і напружено-деформованого стану.

Завдання досліджень:

- розробити розрахункову методику й вибрати оптимальні режими плазмової модифікації чавунів різного складу, що забезпечують одержання необхідних структури, фазового складу й твердості поверхневого шару;

- дослідити вплив технологічних параметрів плазмової модифікації на зносостійкість і механізми зношування поверхневого шару;

- дослідити вплив технологічних параметрів плазмової модифікації на тріщиностійкість і характер руйнування поверхневого шару;

- розробити принципи вибору дискретної структури поверхневого шару, що забезпечує досягнення найбільш високого рівня службових властивостей - зносостійкості й тріщиностійкості чавунних виробів;

- розробити методику оцінки напружено-деформованого стану поверхневого шару дискретної будови, засновану на визначенні залишкових напруг при плазмовій модифікації й еквівалентних напруг при зовнішньому навантаженні;

- розробити технологічні процеси поверхневої модифікації масивних чавунних деталей і інструменту нанесенням поверхневого шару з дискретною будовою й найбільш високим рівнем експлуатаційних властивостей.

Об'єкт досліджень – процеси, що відбуваються у поверхневому шарі дискретної будови на чавунах при обробці висококонцентрованим плазмовим струменем.

Предмет досліджень – структурні перетворення та експлуатаційні властивості (твердість, зносостійкість, тріщиностійкість, напружений стан) у поверхневих модифікованих шарах дискретної будови на чавунах.

Методи досліджень. Вивчення структури, механічних властивостей і напружено-деформованого стану поверхневого шару виконано з використанням теоретичних і експериментальних методів, що базуються на положеннях теорії фазових перетворень у залізовуглецевих сплавах при обробці концентрованими джерелами нагрівання, теорії зношування, механіки руйнування, теорій деформованого твердого тіла й теплопровідності, чисельного моделювання методом кінцевих елементів. Дослідження структури виконані з використанням методів рентгеноструктурного аналізу, металографії; випробування на зносостійкість виконано з використанням методики Хауорта-Брінеля; випробування на тріщиностійкість проводились на маятниковому копрі МК-30.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше встановлено, що рівень експлуатаційних властивостей поверхонь, який досягається при модифікації чавунів різних типів, залежить не стільки від

форми графіту, скільки від фазового складу матриці та показано, що найбільш високий рівень властивостей отриманий при плазмовій обробці високоміцного чавуну з перлітною матрицею й кулястим графітом, а основною структурною складовою, яка визначає їх зносостійкість і тріщиностійкість (характер руйнування) є високодисперсний мартенсит (загартування у твердій фазі) або квазіледебурит (загартування з рідкої фази).

2. Виявлено, що найбільш висока твердість на сірому й високоміцному чавунах (відповідно HV 680 та HV 835) досягається при плазмовій обробці з оплавленням поверхні, а найбільш висока зносостійкість і тріщиностійкість - при обробці без оплавлення на високоміцному чавуні (Кз=3,5; КС=5,1 Дж/см2) й з оплавленням на сірому чавуні (Кз=2,5) і показано, що низька тріщиностійкість квазіледебуриту обумовлена зниженням зернограничної міцності в міжфазних границях евтектики й, як наслідок, реалізацією руйнування по мікромеханізму інтеркристалітного зколу.

3. Показано, що додаткове підвищення тріщиностійкості (на 25%) при збереженні зносостійкості досягається при застосуванні не лише фінішного об’ємного відпуску після поверхневої модифікації, а і попереднього об'ємного нагрівання (для обробки з оплавленням) або заключного відпуску (при обробці без оплавлення) при температурах в межах 100...500 єС.

4. Вперше розроблена модель напруженого стану дискретного поверхневого шару та показано, що оптимальне співвідношення зносостійкості та тріщиностійкості відбувається у випадку, коли відстань між модифікованими шарами не перевищує половину їх ширини, а за базову схему обробки визначене плазмове модифікування без оплавлення поверхні, коли в поверхневому шарі виникають залишкові стискаючі напруження, що досягають 735 МПа на поверхні та 650 МПа на межі з вихідним металом.

Практичне значення отриманих результатів.

1. На підставі досліджень структури, експлуатаційних властивостей та напруженого стану дискретних модифікованих шарів розроблені основні вимоги і принципи вибору оптимальних технологічних параметрів плазмової обробки для підвищення працездатності масивних чавунних виробів в залежності від умов їх експлуатації.

2. Розроблені способи нанесення й конструкції дискретного поверхневого шару для підвищення працездатності напрямних металорізальних верстатів, плит, валків.

3. Розроблено принципи технологічного керування експлуатаційними властивостями модифікованого поверхневого шару - зносостійкістю, тріщиностійкістю, напруженим станом.

Розроблені технологічні процеси модифікації робочої поверхні масивних чавунних деталей знайшли дослідно-промислове застосування на підприємствах металургії (ВАТ «Маркохім» - подові плити коксових батарей), машинобудування ( ВАТ «ММК ім. Ілліча» - напрямні металорізальних верстатів), мукомельного виробництва (ТОВ «Агрофірма «Конкурент»» - валки для роздроблювання зерна).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Особистий внесок здобувача становить:

- обґрунтування методики досліджень, аналіз структури й фазового складу чавунів при плазмовій модифікації;

- виконання експериментів й оцінка параметрів зносостійкості й тріщиностійкості поверхневого шару;

- обрання конструкції зразків, виконання випробувань і аналіз закономірностей зношування чавунів з дискретним поверхневим шаром різної будови;

- проведення випробування впливу плазмової модифікації поверхневого шару на параметри тріщиностійкості; вибір способів підвищення тріщиностійкості масивних чавунних виробів;

- виконання експериментів і розрахунки параметрів напруженого стану модифікованого шару;

- розроблення способів поверхневої модифікації масивних чавунних деталей надпотужним плазмовим струменем.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень докладені й обговорені на міжнародних конференціях: 2й, 5й і 6й конференціях «Інженерія поверхні й реновація виробів» (м. Київ -Ялта, 2002-2006 р.р.), «Современные проблемы и перспективы развития станко-инструментального производства и усовершенствование подготовки кадров» (м. Мариуполь, 2003 р.), «Нові конструкційні сталі й сплави й методи їхньої обробки для підвищення надійності й довговічності виробів» (м. Запоріжжя, 2005 р.), «Математичні проблеми механіки неоднорідних структур» (м. Львів, 2006 р.); республіканської конференції «Сучасні проблеми зварювання, наплавлення й матеріалознавства» (м. Маріуполь, 2005 р.); ЙЧ – ЧЙЙЙ Регіональних конференціях « Університет-Місту» (м. Маріуполь, 2002-2006 р.р.), наукових семінарах в Приазовському державному технічному університеті, Інституту проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України, Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України (2006-2008 р.р.)

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано: 9 статей у спеціалізованих науково-технічних журналах і збірниках; 6 тез доповідей у збірниках міжнародних і республіканських конференцій; 4 тез доповідей у збірниках регіональних конференцій. Отриманий 1 патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається із введення, 6 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел з 143 найменувань, і містить 169 сторінок машинописного тексту, 48 малюнків, 14 таблиць, 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, її наукова новизна, дана характеристика сучасного стану проблеми, сформульована мета досліджень і основні положення, які виносяться на захист, наведені дані про практичну значимість роботи, кількість публікацій і структура дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертації викладений аналіз літературних даних про умови експлуатації й методи підвищення працездатності виробів з чавуну.

У даному розділі наведений огляд способів зміцнення чавунних деталей (об'ємної термічної обробки - нормалізації, ізотермічного загартування; поверхневої обробки - загартування струмами високої частоти, електро-дугового, лазерного й плазмового загартування). Встановлено, що обробка поверхні виробів з чавуну з використанням висококонцентрованих джерел нагрівання (лазерним променем і плазмовим струменем) має безсумнівні техніко-економічні переваги в порівнянні з відомими методами об'ємного й поверхневого зміцнення. При цьому для масивних чавунних деталей і інструменту найбільш перспективне використання плазмової поверхневої модифікації, що забезпечує в порівнянні з лазерною більш високу продуктивність і більшу товщину зміцненого шару.

Як показує аналіз літературних даних, у розвитку методів поверхневої модифікації найбільш перспективним напрямком є одержання поверхневого робочого шару з макрогетерогеною регулярною структурою дискретного типу із твердими й пластичними ділянками, що чергуються по певній закономірності. Заміна суцільного зміцненого шару на переривчастий з мозаїчно-дискретною структурою дозволяє перебороти крихкість - основний недолік твердих поверхневих структур. В роботах відомих вітчизняних та закордонних вчених В.С. Антонюка, Б.М. Асташкевича, С.А. Кліменка, Б.А. Ляшенка, Л.С. Малінова, А.Я. Мовшовича, Е.В. Якштаса та ін. досліджені властивості та обґрунтована перспектива використання дискретних покриттів та зміцнених шарів, отриманих методами напилення, конденсації в вакуумі, електротермічної та лазерної обробки. Однак стосовно використання для поверхневої модифікації надпотужних джерел нагрівання, яким є плазмовий струмінь потужністю до 30 кВт, відомості про властивості дискретних модифікованих шарів в літературі відсутні. Складність і актуальність досліджень в цьому напрямку зумовлена також тим, що завдяки неоднорідному розподіленню щільності теплового потоку плазмового струменя в плямі нагрівання, зона плазмового впливу на поверхні матеріалу має завжди дискретну будову з неоднорідним рівнем поверхневої твердості.

Вказані проблеми обумовлюють необхідність розробки та дослідженню методів дискретної плазмової модифікації поверхневого шару виробів з чавуну.

У другому розділі наведені методи дослідження структури й експлуатаційних властивостей чавуну після плазмової поверхневої обробки. Наведена характеристика устаткування для проведення плазмової поверхневої обробки; методики визначення зносостійкості й тріщиностійкості.

Основним інструментом для здійснення процесу поверхневого модифікування матеріалів є плазмотрон непрямої дії із секційною міжелектродною вставкою (рис .1), що працює на інертному газі аргоні та має оптимальні конструктивні параметри.

Розроблена інженерна методика розрахунку оптимальних режимів плазмового модифікування з застосуванням аналітичних залежностей, отриманих при рішенні диференціальних рівнянь теплопровідності в лінійній постановці. Для умов плазмової обробки масивних деталей із чавуну використано рівняння теплопровідності при нагріванні поверхні напівнескінченного тіла потужним нормально - круговим джерелом тепла, що рухається. З використанням відомих розрахункових

залежностей та експериментально встановлених параметрів визначаються оптимальні значення (що забезпечують максимальні твердість та розміри модифікованого шару) ефективної питомої потужності плазмового нагрівання, коефіцієнту зосередженості, термічного ККД плазмотрону та ККД плазмового струменя. Дослідженнями встановлено, що тепловкладення в матеріал (чавун) при плазмовій обробці (при незмінних конструктивних параметрах плазмотрону) визначається двома незалежними параметрами режиму обробки - величиною струму дуги I і швидкості обробки v. У даних дослідженнях зазначені параметри змінювалися у межах: I = 300...400 A; v = 10...30 м/год.

Як об'єкти досліджень прийняті: високоміцний чавун ВЧ-80, сірі чавуни СЧ-18, СЧ-40. Особливості фазових і структурних перетворень при плазмовій обробці чавунів досліджені за допомогою металографічного й рентгеноструктурного аналізу. На шліфах виконували виміри твердості по Роквелу й Вікерсу, фотографічну зйомку макроструктури й металографічні дослідження мікроструктури на оптичних мікроскопах МІМ - 8м і «Неофот – 21». Фазовий склад металу модифікованої зони й вихідного металу визначали рентгеноструктурним аналізом на дифрактометрі ДРОН – 3,0 у залізному K - випромінюванні. Для оцінки зносостійкості зміцненої поверхні використана методика випробувань Хауорта - Бринеля. Випробування зразків чавуну з поверхневим модифікованим шаром на тріщиностійкість проводили на стандартному маятниковому копрі МК – 30, який оснащений апаратурою для запису діаграм руйнування у координатах «зусилля-час». Фрактографічні дослідження зломів зразків виконані на растровому мікроскопі РЕМ-200.

У третьому розділі наведені результати дослідження структури й фазового складу чавунів після плазмової поверхневої обробки.

У таблиці 1 наведені режими, варіанти обробки і розміри зони плазмового впливу (ЗПВ). Для порівняння було виконане також об'ємне гартування по стандартному режиму (900°С, 1 година, охолодження в оливу).

Дослідженнями встановлено, що у вихідному стані високоміцний чавун має твердість HV 240 і структуру, що складається із пластинчастого перліту й включень графіту кулястої форми. При плазмовій обробці без оплавлення внаслідок нагрівання до температури аустенітизації й надшвидкісного охолодження перлітна матриця перетворюється у високодисперсний мартенсит (рис. 2,б). У структурі ЗПВ є також залишковий аустеніт (10...15% - залежно від режиму обробки) і зберігається увесь графіт. Твердість чавуну після модифікування (див. таблицю 1) у порівнянні з вихідним станом підвищується більш ніж в 3 рази. Після об'ємного гартування твердість чавуну значно нижче - HV 560, структура - крупноголчастий мартенсит (рис. 2, а).

Плазмова обробка по режимах №3, 4, 6, 7, 9 і 10 (див. таблицю 1) призводить до оплавлення на значну глибину з порушенням мікрорельєфу поверхні й виплеском частини рідкого металу під газодінамічним впливом плазмового струменя - макрооплавленню, а по режимах №5, 8 і 11 - до оплавлення тонкого шару зі збереженням мікрогеометрії поверхні - мікрооплавленню. При обробці з мікрооплавленням стає можливим одночасне й незалежне формування кристалів обох фаз евтектики (квазіледебуриту) - аустеніту й цементиту. Обидві фази дуже малих розмірів ростуть до зіткнення, причому регулярного розташування їх немає. Відсутні й границі евтектичних колоній, а існують границі між фазами. Така структура при надшвидкісній кристалізації називається тонким конгломератом фаз (рис. 2, в). При обробці з макрооплавленням мікроструктура оплавленого шару і його фазовий склад у сильному ступені залежать від параметрів режиму плазмового нагрівання. В оплавленому шарі графіт частково або повністю розчиняється в рідкому металі. Але навіть при максимально можливій потужності плазмового нагрівання й мінімальній швидкості обробки частина глобулей графіту залишається нерозчинена. У мікроструктурі оплавленого шару при всіх досліджених режимах макрооплавлення практично не виявляються зерна надлишкового аустеніту (див. рис. 2, г).

Очевидно, при макрооплавленні швидкість охолодження розплаву залишається досить високою (приблизно 104 град/с), що й сприяє придушенню кристалізації надлишкового аустеніту й квазіевтектичному затвердінню розплаву. Тому утворену евтектичну суміш при макрооплавленні, як і при мікрооплавленні, можна вважати квазіледебуритом.

За даними рентгеноструктурного аналізу в металі оплавленого шару при всіх режимах обробки стабільно присутні три фази: аустеніт, цементит і мартенсит. Можна відзначити загальну тенденцію, що з переходом від макро- до мікрооплавлення ступінь дисперсності квазіледебурита й твердість підвищуються, а кількість залишкового аустеніту знижується.

Також, у даній роботі був досліджений вплив плазмової поверхневої модифікації на різних режимах (без оплавлення, з мікро- і макрооплавленням) на мікроструктуру й експлуатаційні властивості (твердість, абразивну зносостійкість) чавунів з різними типом матриці й формою графіту - сірого феритно-перлітного із пластинчастим графітом (СЧ-18), сірого перлітного з вермікулярним графітом (СЧ-40).

Таблиця 1 - Вплив режиму плазмової обробки на характеристики зміцненої зони чавуну ВЧ-80

Номер режиму | I, A | V,

м/год | Варіант

модифікування | Товщина

модифікованого шару

дЗПВ , мм | Твердість

HV* | Зміст залишкового аустеніту Азал, %

1 | 400 | 27 | без оплавлення | 2,7 | - / 800 | -/15

2 | 400 | 30 | без оплавлення | 2,4 | - / 745 | -/10

3 | 400 | 18 | з макрооплавленням | 3,4 | 790/ 740 | 50/15

4 | 400 | 20 | з макрооплавленням | 3,3 | 810/ 755 | 45/14

5 | 400 | 22 | з мікрооплавленням | 2,9 | 835/ 810 | 36/12

6 | 360 | 15 | з макрооплавленням | 3,4 | 800/ 745 | 40/16

7 | 360 | 18 | з макрооплавленням | 3,2 | 810/ 760 | 38/14

8 | 360 | 20 | с мікрооплавленням | 2,9 | 835/ 800 | 36/10

9 | 320 | 10 | з макрооплавленням | 3,3 | 790/ 750 | 36/12

10 | 320 | 12 | з макрооплавленням | 3,2 | 810/ 765 | 36/10

11 | 320 | 15 | з мікрооплавленням | 2,8 | 820/ 800 | 32/10

*у чисельнику - в оплавленому шарі; у знаменнику - у загартованому шарі

При плазмовій обробці без оплавлення поверхні перлітна основа матриці сірого чавуну (рис. 3, а) перетворюється у високодисперсний дрібноголчастий мартенсит (рис. 3, б). При обробці сірого чавуну з макрооплавленням, як і для високоміцного чавуну, структура модифікованої зони складається з квазіледебуриту (рис. 3, в) Крім мартенситу в структурі модифікованої зони на сірих чавунах присутній ферит (рис. 3, б). Твердість сірих чавунів: при обробці без оплавлення - HV 520; з мікрооплавленням - HV535; з макрооплавленням - HV 570.

Найбільш високий рівень твердості досягнутий при плазмовій обробці високоміцного чавуну з перлітною матрицею й кулястим графітом. При модифікації сірих чавунів з феритно-перлітною матрицею й пластинчастим або вермікулярним графітом твердість нижче. Форма графіту не впливає на сприйнятливість чавунів до поверхневого зміцнення та рівень експлуатаційних властивостей.

Таким чином, дослідження мікроструктури й фазового складу чавунів після плазмового зміцнення показали можливість реалізації різних схем обробки (без оплавлення, з макро- або мікрооплавленням) і регулювання в досить широких межах розмірів ЗПВ, твердості й процентного вмісту фаз.

У четвертому розділі наведені результати досліджень експлуатаційних характеристик поверхневого модифікованого шару дискретної будови на чавуні.

Проводилися випробування на абразивну зносостійкість з визначенням коефіцієнту зносостійкості Кз (Кз mэ/mзраз, де mзраз і mэ – відповідно втрати у вазі досліджуваного зразку й зразку-еталону при терті в заданих умовах і протягом заданого часу) модифікованої зони на зразках з високоміцного чавуну ВЧ-80, зміцнених по різних режимах: 1) вихідний стан - еталон при розрахунку коефіцієнта зносостійкості; твердість HV 240; 2) об'ємне загартування від 900 єС у оливу + об'ємний відпуск при 300 єС с витримкою 1 година; твердість HV 485; 3) об'ємне гартування; твердість HV 560; 4) плазмова обробка з макрооплавленням (режим № 3,); твердість HV 790; 5)плазмова обробка з мікрооплавленням (режим № 5,); твердість HV 835; 6) плазмова обробка без оплавлення (режим № 1,); твердість HV 800.

Випробуваннями встановлено, що об'ємне загартування високоміцного чавуну приводить до підвищення його абразивної зносостійкості в 2,10 рази, що можна пояснити гартуванням матриці, утворенням крупноголчастого мартенситу й підвищенням твердості. Наступний об'ємний відпуск сприяє підвищенню в'язкості й тріщиностійкості загартованої матриці, однак приводить до зниження твердості й зносостійкості – до Кз = 1,54. Найбільш високу абразивну зносостійкість високоміцний чавун має після плазмової обробки без оплавлення поверхні – Кз підвищується до 3,35. При обробці з мікро- або макрооплавленням зносостійкість нижче (відповідно 2,86 та 2,52), однак значно вище в порівнянні з об'ємним загартуванням (таблиця 2).

Для всіх випадків обробки зразків з загартуванням у твердому стані без нанесення поверхневого вибіленого шару (№2, 3, 6) встановлена залежність Кз= (HV), близька до лінійної (рис. 4, а). При плазмовій обробці з оплавленням поверхні залежність Кз = (HV) носить складний характер, що можна пояснити наявністю вибіленого шару з різною твердістю, товщиною й ступенем дисперсності структури. У той же час встановлена чітка залежність Кз від змісту залишкового аустеніту для всіх варіантів плазмової обробки (№4, 5, 6) (рис. 4, б) – з підвищенням частки -фази в структурі металу ЗПВ абразивна зносостійкість чавуну після плазмової модифікації монотонно знижується.

Таблиця 2 - Коефіцієнт абразивної зносостійкості зразків із чавуну ВЧ-80

№зраз | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

Кз | 1 | 1,54 | 2,10 | 2,52 | 2,86 | 3,35

Дослідження поверхонь зношування дозволили зробити висновок, що зниження зносостійкості оплавленого шару зі структурою квазіледебуриту в порівнянні зі зносостійкістю шарів зі структурою гартування у твердому стані обумовлено зниженням в'язкості руйнування, утворенням великої кількості мікротріщин у основ виступів оплавленої поверхні (які є концентраторами напружень) і крихкими мікроруйнуваннями цих виступів під впливом абразивних часток. Наступні абразивні частки трохи згладжують поверхню зношування, однак, вихідна мікрогеометрія поверхні оплавленого шару після випробувань на зношування в значній мірі зберігається.

Найбільшою мірою зносостійкість знижується у випадку плазмового макрооплавлення з утворенням квазіледебуриту дендритної будови. У випадку ж плазмового мікрооплавлення й утворення квазіледебуриту пластичної будови зносостійкість високоміцного чавуну вище, ніж при макрооплавленні, але нижче, ніж при обробці без оплавлення. Найбільш імовірними осередками утворення мікротріщин в основі виступів оплавленої поверхні під дією абразивних часток є ділянки, у яких вектор напруг, що сколюють, збігається з міждендритною межою сусідніх кристалів квазіледебуриту.

Також були проведені дослідження впливу плазмової поверхневої обробки на різних режимах (без оплавлення, з мікро- і макрооплавленням) на абразивну зносостійкість чавунів з різними типом матриці й формою графіту - сірого феритно-перлітного із пластинчастим графітом (СЧ-18) і сірого перлітного з вермікулярним графітом (СЧ-40). Результати випробувань на абразивну зносостійкість наведені на рис. 5.

Значну увагу у дисертації приділено дослідженням тріщиностійкості та механізмів руйнування чавунів з поверхневим модифікованим шаром, оскільки однією з головних причин передчасного виходу з ладу масивних виробів з чавуну (прокатних валків, броньових плит та ін.), поряд зі зношенням робочої поверхні, є крихкі руйнування. У таблиці 3 наведені результати випробувань (ударна в’язкість КС) та розрахунків по діаграмам руйнування (динамічний коефіцієнт інтенсивності напружень ) зразків з чавуну ВЧ-80 з тріщиноподібним надрізом після об’ємної термічної обробки (загартування, відпуск – по наведеним вище режимам) та плазмової модифікації без оплавлення поверхні. На зразках після випробувань виконувався електронний мікрофрактографічний аналіз зломів.

Таблиця 3 - Твердість і динамічна тріщиностійкість високоміцного чавуну при різних варіантах зміцнення без оплавлення поверхні (зразки з надрізом)

Варіант обробки | Ударна в'язкість

КС, Дж/см2 | Динамічний коефіцієнт інтенсивності напружень

, МПа

I. Вихідний стан | 3,6 | 7,1

II. Плазмова обробка | 3,1 | 6,2

III.Плазмова обробка + відпуск | 3,3 | 7,5

IV. Об'ємне гартування | 1,5 | 4,8

V. Об'ємне гартування + відпуск | 1,9 | 5,2

VI. Об'ємне гартування + плазмова обробка | 2,3 | 5,4

VII. Об'ємне гартування + плазмова обробка + відпуск | 2,7 | 6,6

Випробуваннями встановлено, що плазмова поверхнева модифікація чавуну приводить до зниження КС та на 15-20% у порівнянні з вихідним станом. У той самий час об’ємне гартування приводить до значно більшого зниження динамічної тріщиностійкості – КС у 2,4 рази, а - 1,5 рази.

Перевага поверхневої модифікації чавуну висококонцентрованим плазмовим струменем перед об’ємною термообробкою зумовлена реалізацією більш сприятливого механізму руйнування - високодисперсного квазізколу на відміну від міжзеренного (інтеркристалітного) зколу при об'ємному гартуванні. Ефективним для підвищення тріщиностійкості для обох методів зміцнення є виконання фінішного об’ємного відпуску. При цьому у разі виконання відпуску після поверхневої обробки параметри тріщиностійкості можуть досягати і навіть перевищувати (- табл. 4) їх значення для вихідного стану. Крім того, для тих випадків, коли об’ємне гартування є обов’язковим, використання плазмової модифікації поверхневого шару може сприяти підвищенню і зносостійкості, і тріщиностійкості.

Для оцінки впливу технології плазмової модифікації на динамічну тріщиностійкість і характер руйнування були проведені випробування зразків без надрізу після плазмової поверхневої обробки без оплавлення, з мікрооплавленням і макрооплавленням. У зв’язку з відсутністю вихідного тріщиноподібного концентратору напружень на зразках параметр у даному випадку не розраховувався, а тріщиностійкість оцінювалась зміненням стандартних параметрів ударної в’язкості КС і критичної величини зусилля руйнування (по діаграмах «зусилля-час»). Дослідженнями встановлено, що при варіантах поверхневої модифікації з оплавленням поверхні тріщиностійкість знижується в значно більшій мірі, ніж при модифікуванні без оплавлення. Це зумовлене реалізацією у поверхневому відбіленому шарі з квазіледебуритною структурою, як і при об’ємному загартуванні, механізму міжзеренного (інтеркристалітного) зколу.

Зіставлення результатів проведених досліджень тріщиностійкості високоміцного чавуну після плазмової модифікації з результатами дослідження абразивної зносостійкості при аналогічних технологічних схемах обробки наведене на рис. 6. Видно, що оптимальним варіантам плазмової поверхневої модифікації чавуну можна вважати обробку без оплавлення поверхні, оскільки в даному випадку досягаються найбільш високі значення зносостійкості і тріщиностійкості поверхневого шару.

Додаткове підвищення тріщиностійкості без суттєвого зниження зносостійкості може бути досягнуте при застосуванні не лише фінішного об’ємного відпуску після поверхневої модифікації (див. табл. 3), а й попереднього об’ємного підігрівання до температури в межах 100…500 єС. Випробуваннями встановлено, що при обробці без оплавлення більш ефективне використання заключного відпуску, а при обробці з оплавленням – попереднього підігріву.

Таблиця 4 - Твердість і параметри динамічної тріщиностійкості високоміцного чавуну після плазмової обробки (зразки без надрізу)

Варіант обробки |

KC, Дж/см2 | ,кН

Вихідний стан | 9,9 | 3,4

Плазмова обробка без оплавлення | 5,1 | 3,0

Плазмова обробка з мікрооплавленням | 4,8 | 2,7

Плазмова обробка з макрооплавленням | 2,4 | 2,1

При плазмовому модифікуванні деталей як плоскої, так і циліндричної форми дискретна будова робочої поверхні може бути отримана з нанесенням твердих (модифікованих) і м'яких (вихідних) ділянок у вигляді паралельних смуг (рис. 7, а) або у вигляді перехресної насічки (рис. 7, б, в). При цьому направлення зношування може або співпадати (рис. 7,а) з напрямком плазмової обробки при поверхневому модифікуванні, або складати деякий кут – прямий (рис. 7, а, б) або інший (рис. 7, в). Змінюватись може й ширина м’яких (необроблених) ділянок – в межах 0…50% від ширини зони плазмового впливу.

Для моделювання зношування розглянутих вище випадків одержання зміцненого шару дискретної будови проводили випробування зразків розміром 50х60х15 мм із високоміцного чавуну ВЧ-80 чотирьох груп: 1 – плазмова обробка без оплавлення поверхні виконується в напрямку, що збігається з напрямком зношування; 2 - плазмова обробка без оплавлення поверхні виконується в напрямку, перпендикулярному напрямку зношування; 3 - плазмова обробка з оплавленням поверхні виконується в напрямках, перпендикулярному й співпадаючому з напрямком зношування; 4 - плазмова обробка виконується при перехресному переміщенні плазмотрона в перпендикулярному напрямку й у напрямку, що становить кут 45є з напрямком зношування.

Випробуваннями встановлено, що зносостійкість зразків після плазмової модифікації без оплавлення поверхні у напрямку, перпендикулярному напрямку зношення, вище, ніж після обробки у напрямку, що збігається з напрямком зношення. В обох випадках зі збільшенням відносної площини модифікованої поверхні коефіцієнт зносостійкості збільшується. Однак при обробці з оплавленням поверхні встановлена протилежна закономірність.

Найбільш високу зносостійкість мають зразки з дискретним модифікованим шаром у вигляді перехресної сітки (мал. 7, б, в), особливо у випадку, коли кут між направленням обробки і направленням зношування складає 45є (рис. 7, в). Такі конструкції поверхневого модифікованого шару можна вважати оптимальними з точки зору досягнення найбільш високої зносостійкості.

Таким чином, на підставі досліджень розроблені основні вимоги конструкції дискретного модифікованого шару та технології його отримання:

- направлення плазмової обробки повинно буди перпендикулярним або складати кут 45є до направлення зношення;

- дискретний модифікований шар повинен бути у вигляді паралельних смуг або перехресної сітки;

- ширина необроблених (м’яких) ділянок дискретної поверхні повинна не перевищувати 25...50% від ширини модифікованої зони (у залежності від типу абразиву та умов навантаження).

Працездатність модифікованих шарів при поверхневій обробці матеріалів концентрованими джерелами нагрівання буде визначатися не тільки ступенем дисперсності структури, фазовим составом металу модифікованої зони, конструкцією модифікованої зони але й величиною, знаком і характером розподілу внутрішніх залишкових напружень.

У п'ятому розділі наведений аналіз напруженого стану поверхневого шару.

При обробці без оплавлення в металі зміцненої зони виникають залишкові стискаючі напруження, рівні 735 МПа в поверхні й 650 МПа на границі з вихідним металом. При обробці з оплавленням поверхні утворяться залишкові розтягуючі напруження. При мікрооплавленні вони становлять 485 МПа , при макрооплавленні 920 МПа в поверхні й 255 МПа в границі з нижчележачим шаром гартування у твердому стані.

Для розробки оптимальних технологій нанесення модифікованого шару дискретної будови велике значення має аналіз напружено-деформованого стану поверхні при зовнішньому навантаженні, який в даній роботі був виконаний при використанні методу кінцевих елементів, тому що розглядається не одна, а кілька смуг контакту, якими є модифіковані зони. Математичне моделювання напруженого стану модифікованих шарів показує, що при обробці з оплавленням поверхні оптимальні еквівалентні напруження відповідають випадку нанесення доріжок з перемичкою а = 6 мм, тобто а = , а при обробці без оплавлення поверхні – а = 2 мм, тобто а = (див. рис.1). Аналіз результатів чисельних розрахунків напружено-деформованого стану, представлених на рис. 8, показує, що збільшення ширини пластичної зони від 1-2 мм до 4-5 мм при ширині модифікованої зони 10 мм супроводжується зменшеннями еквівалентних напружень уекв у цій зоні, а подальше збільшення між модифікованими ділянками не приводить до мінімізації напружено-деформованого стану.

Розроблена математична модель дозволяє одержувати не тільки кількісні значення напружень на поверхні дискретного модифікованого шару, але й виконувати просторові (об'ємні) побудови епюр напруг у металі й прикордонних ділянках модифікованих зон. Як приклад на рис. 9 показаний розподіл напружень у ЗПВ і прикордонних зонах. На шкалі показані величини еквівалентних напружень (Н/мм2).

Отримані чисельні результати добре погоджуються з експериментальними даними, які свідчать про те, що оптимальне співвідношення зносостійкості й тріщиностійкості спостерігається у випадку, коли відстань між модифікованими зонами представляє половину їхньої ширини (рис. 10).

Таким чином, отримані за допомогою математичного моделювання дані про величину й характер зміни еквівалентних напружень у модифікованих шарах дискретної будови дозволяють вибрати технологію обробки й конструкцію дискретного шару для деталей різного призначення.

У шостому розділі на підставі результатів досліджень розроблені технологічні процеси дискретної модифікації поверхневого шару масивних виробів з чавуну.

Найбільш високу стійкість подових плит коксових батарей металургійного виробництва з високоміцного чавуну ВЧ-80 забезпечує нанесення дискретного модифікованого шару при перехресному переміщенні плазмотрону у напрямку обробки, який складає кут 45є до напрямку зношування. Експлуатаційні випробування показали, що більш висока стійкість плит досягається у випадку обробки без оплавлення поверхні. При обробці з макрооплавленням у процесі зношування через високу крихкість квазіледебуритної структури мали місце явища викрашування окремих фрагментів поверхні плити.

Плазмова обробка контактної поверхні напрямних станини токарно-гвинторізного верстату 16К20 здійснюється з нанесенням модифікованого шару дискретної будови з паралельним розташуванням загартованих доріжок із зазором між доріжками не більше 1/4 ширини доріжки. Щоб уникнути відколів й небажаної концентрації напруг верхня торцева грань і канавки не обробляються. Через високі вимоги до якості поверхні плазмова обробка з оплавленням не допускається.

Нанесення модифікованого шару дискретної будови плазмовою обробкою рекомендовано й для підвищення зносостійкості чавунних напрямних ковзання з ідеально плоскою контактною поверхнею (т.зв. «дзеркальної»). У цьому випадку найбільш кращою схемою обробки, є та, що застосована для броньових плит - з перехресними напрямками переміщення плазмотрону під кутом 45єдо напрямку зношування й зазором між загартованими доріжками в межах 1/4 ...1/2 ширини доріжки.

Стосовно до чавунних валків для здрібнювання зерна діаметром 220...250 мм із довжиною бочки 325 мм доцільно наносити модифікований шар дискретної будови двох типів: а) з розташуванням загартованих доріжок уздовж утворюючої, тобто перпендикулярно напрямку зношування; зазор між доріжками становить 40...50% ширини доріжки; б) з перехресним розташуванням загартованих доріжок - під кутом 45є до напрямку зношування; зазор між доріжками - також 40...50% ширини доріжки. Обробка валків може здійснюватися як без оплавлення, так і з мікрооплавленням. Результати дослідно-промислових випробувань показали, що найбільше підвищення довговічності валків для здрібнювання зерна (в 2...4 рази) реалізується при нанесенні модифікованого шару сітчастого типу з розташуванням загартованих доріжок під кутом 45є до напрямку зношування й зазором між ними не більше 1/2 ширини окремої доріжки.

Розроблені технологічні процеси модифікації робочої поверхні масивних чавунних деталей знайшли дослідно-промислове застосування на підприємствах металургії (ВАТ «Маркохім» - подові плити коксових батарей), машинобудування ( ВАТ «ММК ім. Ілліча» - напрямні металорізальних верстатів), мукомельного виробництва (ТОВ «Агрофірма «Конкурент»» - валки для роздроблювання зерна).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В роботі вирішена важлива науково-технічна задача підвищення експлуатаційних властивостей великогабаритних чавунних виробів різного функціонального призначення за рахунок формування плазмовою поверхневою обробкою модифікованих поверхневих шарів дискретної будови, які забезпечують високий рівень службових властивостей - зносостійкості, тріщиностійкості, а також оптимальний розподіл еквівалентних напружень у модифікованих шарах.

Основні наукові та практичні результати полягають у наступному:

1. Доведена можливість спрямованого формування модифікованого шару з високодисперсною структурою дискретної будови на виробах з чавунів різного складу за рахунок обробки їх поверхні надпотужним (30 кВт) висококонцентрованим плазмовим струменем, що дозволяє досягти підвищення зносостійкості та тріщиностійкості робочої поверхні таких виробів.

2. Визначені режими плазмової обробки, що дозволяють досягти умов необхідної модифікації поверхневого шару чавунів з різною формою графіту за рахунок реалізації надшвидкісного загартування із твердого (при обробці без оплавлення) або рідкого (при обробці з оплавленням поверхні) станів та показано, що твердість модифікованих шарів, отриманих методом плазмової обробки (HV 800-835), є на 30...50% вищою, ніж при традиційних методах об'ємного або поверхневого зміцнення.

3. Встановлено, що рівень експлуатаційних властивостей поверхонь, який досягається при модифікації чавунів різних типів залежить, не стільки від форми графіту, скільки від фазового складу матриці та показано, що найбільш високий рівень властивостей отриманий при плазмовій обробці високоміцного чавуну з перлітною матрицею й кулястим графітом, а основною структурною складовою, яка визначає їх зносостійкість і тріщиностійкість (характер руйнування) є високодисперсний