автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния параметров лазерной обработки на структуру и свойства баббита Б83

Введение.

Глава I. Обзор литературы.

1.1. Антфрикционные сплавы, применяемые в машиностроении.

1.2. Малооборотные двухтактные судовые дизели и подшипниковые сплавы.

1.3. Влияние легирования и модифицирования на служебные свойства оловянистых баббитов.

1.4. Обработка лазером.

1.4.1. Термическая обработка с помощью лазерного излучения.

1.4.2. Лазерная обработка цветных металлов и сплавов.

1.5. Выводы по обзору литературы и постановка задачи.

Глава П. Методика исследования.

2.1. Приготовление сплавов и изготовление образцов.

2.2. Лазерная обработка образцов.

2.3. Металлографический анализ.

2.4. Механические свойства.

2.5. Определение глубины лазерного воздействия.

2.6. Исследование рентгеноструктурного анализа.

2.6.1. Определение фазового состава.

2.6.2. Определение параметров решетки.

2.7. Определения размеров, формы и площади ß-фазы.

Глава III. Термические циклы термодинамика и кинетика структурообразования баббита Б83 после лазерной обработки.

3.1. Термические циклы и технология лазерного упрочнения.

3.2. Термодинамика кинетика структурообразования баббита после лазерной обработки.

Глава IV. Влияние параметров лазерной обработки на технологические свойства баббита Б83.

4.1. Теория эксперимента. Математическое планирование эксперимента.

4.2. Влияние параметров лазерной обработки на глубину проплавления.

4.3. Влияние размеров зерна основы и вторичных фаз на свойства баббитов.

4.4. Получение мелкой структуры при лазерном облучении. Выводы.

Глава V. Влияние лазерной обработки на механические свойства баббита Б83.

5.1. Влияние режимов лазерной обработки на твердость и микротвердость.

5.2. Зависимость ударной вязкости от режимов лазерной обработки.

5.3. Определение износостойкости баббита Б83.

5.4. Усталостная прочность баббитаББЗ.

5.5. Экономические обоснование внедрения новой технологии при заливке судовых подшипников.

Выводы.

Большое народнохозяйственное значение имеет увеличение моторесурса современных двигателей внутреннего сгорания.

Основным узлом двигателя, определяющем срок службы машины до заводского ремонта, является коленчатый вал-подшипник. Для изготовления подшипников скольжения используют как черные, так и цветные металлы. Однако наибольшее применение в узлах трения ответственных машин и механизмов нашли баббиты. Наряду с большими достоинствами баббиты имеют существенные недостатки, низкие механические свойства и усталостную прочность.

Оловянистый баббит- многокомпонентный сплав олова, меди и сурьмы. Олово с сурьмой образует твердый раствор (а-фаза). Избыток сурьмы вступает во взаимодействие с оловом и образует химическое соединение 8п8Ь (Р-фаза). Медь с оловом образует электронные соединения Сиз8п (у-фаза). Таким образом, структура баббита Б83 гетерогенная и состоит из твердого раствора и химических соединений.

Существующие способы заливки подшипников баббитом не обеспечивают достаточной скорости кристаллизации и получения мелкой структуры сплава, поэтому структура баббита в подшипнике является грубозернистой с многочисленными включениями кубических и иглообразных вторичных фаз, неравномерно распределенных по телу подшипника. Эти грубые фазы 8п8Ь и Сиз 8п нарушают сплошность матрицы и являются основной причиной низких механических и эксплуатационных свойств баббита. Исправить эту грубую гетерогенную структуру традиционными методами термической обработки невозможно. Кроме этого, неравномерная грубая литая структура баббита Б83 сдерживает применение тонкослойной заливки подшипников, тем самым, увеличивая расход дорогостоящих сплавов. Отсюда возникает необходимость изыскания способа получения мелкозернистой структуры баббита с хорошими 5 механическими свойствами, которые обеспечивали бы четырехгодичную безремонтную эксплуатацию судов.

Настоящая работа посвящена установлению закономерностей лазерного воздействия на рабочую поверхность подшипников скольжения залитых баббитом, исследованию структурообразования баббита при сверхбыстром нагреве и охлаждении, влияния этих параметров на механические и эксплуатационные свойства сплава. На базе разработок оптимальных технологических процессов лазерного облучения подшипников скольжения, обосновать тонкослойную заливку, как наиболее прогрессивную, экономически выгодную, с большим запасом выносливости.

В результате исследования получена взаимосвязь режимов обработки на заданные параметры, которые определяют формирования структуры баббита.

Установлено влияние параметров (мощности, скорости движения луча и диаметра пятна) лазерного облучения на глубину проплавления, твердость и микротвердость, ударную вязкость, величину зерна, усталостную прочность и износостойкость.

Лазерная обработка баббита Б83 позволила получить мелкое и ультрамелкое зерно вторичных фаз с повышенными механическими свойствами, что дает основание для применения данной технологии заливки подшипников тяжелонагруженных дизелей.

Результаты исследования найдут большое применение при разработки новых технологических процессов изготовления подшипников скольжения на ? ~ заводах Дальневосточного региона.

Выводы:

1. Проведен анализ работоспособности дизелей большой мощности. Подшипники для этих дизелей в настоящее время в России заливают баббитом Б83. Установлено, что при такой заливке, подшипники дизелей, в которых удельное давление достигает 13+20 МПа и более, имеют малую долговечность (от 3 до 8 тысяч часов). Слабым звеном подшипника является баббитовая заливка, грубая и неоднородная структура сплава, на рабочей поверхности которой после определенного срока работы появляются усталостные трещины, которые распространяются вглубь и по рабочей поверхности соединяются в пространственную сетку, что приводит к выкрашиванию антифрикционного слоя и выходу подшипника из строя.

2. Исследовано влияние структуры баббита Б83 на механические свойства, износостойкость и работоспособность. Установлено, что возникающие на поверхности скольжения подшипника, залитого баббитом Б83, усталостные трещины берут свое начало, как правило, на границе раздела фаз и в кристаллах интерметаллидов. Показано, что основной причиной преждевременного выхода подшипника из строя является грубая гетерогенная структура баббита Б83 с наличием в ней крупных кристаллов интерметаллидов 8п8Ь и Сиз8п слабо связанных с твердым раствором.

3. Методом математического планирования эксперимента определена зависимость глубины проплавления(11), величины зерна(а) и микротвердости (Но) от параметров лазерного облучения: мощности, скорости перемещения луча и диаметра пятна.

4. Сделан теоретический расчет зависимости напряжения, необходимого для перехода дислокации через препятствие и показано, что чем мельче зерно включений, тем выше должно быть напряжение, тем дольше работают поверхностные слои баббита.

5. Установлено, что лазерная обработка увеличивает твердость баббитового рабочего слоя в 1,5—2 раза, что способствует увеличению износостойкости в 2 и более раз.

6. Экспериментально установлено, что баббитовые призматические образцы размером 10х10х55мТ0~3, обработанные лазерным лучом по разработанным режимам показали ударную вязкость на 20—40% выше необработанных. Этот факт указывает на то, что ударная вязкость баббита зависит от структуры поверхностного слоя баббита.

7. Испытания баббита на пульсирующие сжимающие нагрузки показали, что зарождение усталостных трещин в баббите начинается по углам кубических включений 8п8Ь с твердым раствором, где величина включения достигают 100 и более м- Имеются случаи зарождения трещин по телу включения. Начало зарождения и развития трещин в обработанном баббите происходит при нагрузке 0,8овсж и количестве циклов равном 100. В необработанном баббите зарождение и развитие трещин происходит при 0,6авсж и количестве циклов равном 60.

8. Лазерная обработка баббита дает возможность получения мелкодисперсной структуры. Структурные составляющие за счет быстрого нагрева и охлаждения измельчаются в 30-80 раз что способствует увеличению усталостной прочности подшипников, повышению их надежности и долговечности.

9. Мелкодисперсная структура основы и включений баббита, обработанного лазерным лучом, повышает механические свойства и дает основания к применению тонкослойной заливки подшипников, которая сдерживалась наличием грубой литой структурой при обычной заливке. Тонкослойная заливка увеличивает износостойкость, усталостную прочность и резко снижает расход дорогостоящего металла. Показано, что разработанная технология может быть использована для лазерной обработки тонкослойной заливки баббита как на стальную, так и на латунную подложки.

1. Бочвар A.M. Исследование белых антифрикционных сплавов. -Москва,1978.

2. Бочвар А.М. Современное состояние вопроса по антифрикционным материалам.- ОНТИ НКТП, 1986.

3. Хрущев М.М. и Курицина А.Д. Исследование измерений в строении рабочей поверхности высокооловянистого баббита в процессе трения.- АН СССР 1950.

4. Правило Шарли и микрорельеф поверхности антифрикционных сплавов: Сб.научн. тр. II всесоюзной конференции по трению и износу./ АН СССР / Отв. Ред. Матсин З.А.- Металлургия,1977.

5. Чижевский Н.П. Материалы и библиография ученых СССР.- Серия тех. наук.- Металлургия. Выпуск 2. Изд. АН СССР, 1977.

6. Буше H.A., Абрамов П.Г. Работоспособность баббита в тонкостенных подшипниках,- Техника железных дорог 1950.

7. Бочвар A.JI. Исследование сплавов свинца с кальцием и барием в связи с вопросом о применении их в качестве антифрикционного металла// Вестник инженеров-1925, №3.

8. Черновский С.А.Подшипники скольжения,- Машгиз, 1963.

9. Славинский М.П. и др. Природа малооловянистых баббитов и их свойства: Малооловянистые и безоловянистые баббиты, 1985.

10. Оловянистые бронзы, баббиты, припои и их заменители/сост. Смирягин А.П. Металлургиздат, 1979.

11. Усталость баббитов/ сост.Хрущев М.М.- АН СССР, 1977.

12. Буше H.A. Исследование и выбор баббита для заливки тонкослойных подшипников.- Трансжелдориздат, 1956.

13. Шпагин А.И, Антифрикционные сплавы,- Металлургиздат, 1956.

14. Буше H.A., Нарских И.И. Повышение надежности работы подшипников дизелей тепловозов.// Вестник БНИИ -1966.№2.

15. Рудницкий Н.М. Материалы автотракторных подшипников скольжения.- Машиностроение, 1965.

16. Антифрикционные материалы: Сб. статей под ред./ ОНТИ НКТП СССР/отв. Ред. Шаханина А.Н.- НКТП СССР 1955.

17. Ильин А.И. Антифрикционные оловянно свинцовистые бронзы для паровозов,- Трасжелдориздат, 1952.

18. Бочвар A.A. Металловедение.- Металлургиздат, 1952.

19. Смирягин А.П. Шпагин А.И, Бронзы свинцовистые.- ОНТИ НКТП СССР, 1978.

20. Буше Н.А, Исследование усталостной прочности подшипниковых сплавов и перспективные направления работ в этой области.- Наука, 1972.

21. Дьячков А.К. Подшипники скольжения.- Машгиз, 1958.

22. Дриц М., Ильин А. И. Антифрикционные материалы в машиностроении.- Гостехиздат Украины, 1977.

23. Тиней Н. и др. Подшипники скольжения (расчет, проектирование, смазка).- Академии Румынской народной республики, 1964.

24. Хрущев М.М. Влияние толщины слоя баббита, залитого по стали, на его усталостную прочность.- АН СССР, 1951.

25. Ржезников B.C. Усталость подшипников сплавов.- АН СССР, 1947.

26. Фомин Ю.Н. Эксплуатационные характеристики судовых малооборотных дизелей.- Транспорт, 1968.

27. Хрущев М.М. Три актуальных проблемы машиностроения.- Киев,1971.

28. Старосельский A.A., Гаркунов Д.П. Долговечность трущихся деталей машин,-М.: Машиностроение, 1969.

29. Мишин И. А. Долговечность деталей.-Изд. Машиностроение. Ленинград, 1968.

30. Уманский Я.С. и др. Физическое металловедение.- М.:Металлург,1956.

31. Жданов Г.С. Физика твердого тела.- Москва. 1962.

32. Коттрел А.Х. Строение металлов и сплавов.- Москва, 1961.

33. Бокштэйн С.З. Строение и свойства металлических сплавов.-М.: Металлург, 1971.

34. Новиков И.И. Дефекты кристаллической решетки металлов.- Москва.: Металлург, 1968.

35. Коттрел А.Х. Взаимодействие дислокаций с атомами растворенных элементов.-Москва, 1957.

36. Мальцев М.В. и др. Металлография цветных металлов и сплавов.-Москва. Цветная металлургия, 1960.

37. Медведевская Л.А. и др. Оборудование и технология лазерной обработки.- МиТОМ 1983 № 4.

38. Какора А.Н. Лазерная термообработка и перспективы ее применения на предприятиях Минлегпищепрома.- ЦНИИТЭ И ЛЕГПИЩЕМАШ, 1977.

39. Справочник по лазерной технике.- Киев: Техника, 1978.

40. Лазеры в технологии. //Под ред. Стельман М.Ф.- М.: Энергия, 1975.

41. Применение мощных лазеров для термообработки в США/Сб. Электротехника/ Медведовская Л.А. М.: Информэлектро, 1979. - 40с.

42. Применение лазерной технологии на АЗЛК//Технология автомобилестроения. -1980. № 5.

43. Абильсиитов Г.Л. и др. Основные проблемы лазерной технологии и технологических лазеров.- М.: НИЦГЛ АН СССР. 1981.

44. Абильсиитов Г.А. и др. Стационарный технологический со2 лазер мощностью 10 квт//Квантовая электротехника-1980. №11.

45. Gottesman Garl // Автомобильная промышленность США- 1976. №2.

46. Spalding J Optics and laser Technology.- 1978. №1.

47. Владимирова O.B. Упрочнение рабочих поверхностей с помощью С02 лазера.-. М.: Машиностроение, 1987.

48. Гранкин В.Я. Лазерное излучение.- М.: Машиностроение, 1987.

49. Григорянц А.П. Лазерная техника и технологии.-М. ¡Машиностроение, 1987.

50. Коваленко B.C. Лазерная и электроэрозионное упрочнениематериалов.- М.: Техника, 1986. 149 с.

51. Коваленко B.C. Обработка материалов импульсным излучением лазеров. Киев: Высшая школа, 1977. - 144 с.

52. Коваленко B.C. Упрочнение и легирование деталей лучом лазера. -Киев; Техника, 1990. -192 с.

53. Лазерная термическая обработка.- Англия. 1983.

54. Лахтин Ю.М, Леонтьев В.П. Материаловедение.-М.: Машиностроение, 1982. 496 е., ил.

55. Луценко Т.И. Лазерная закалка инструмента.-Москва.: Машиностроение, 1982. -147 с.

56. Поверхностная обработка лазерным лучом. -Польша. 1980.

57. Рыкалин H.H. и др. Лазерная обработка материалов.-М.: Машиностроение, 1975. -203.

58. Рыкалин H.H. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. -Москва, 1985.

59. Стрельмах М.Ф. Лазеры в технологии.-М.: Машиностроение, 1985.243с.

60. Калимуллин Р.Х. и др. Влияние лазерной обработки на структуру и свойства сплава МА 21.- МиТОм, 1987, №3.

61. Лазерное упрочнение: Сб. Лахтин Ю.М. и др. Москва, 1985.

62. Калимуллин Р.Х. и др. Лазерное облучение магниеволитьевого сплава.- МиТОМ, 1984. №3.

63. Калимуллин Р.Х. и др. Свойства сплава МА 21 после лазерной обработки.- МИТОМ, 1982. №5.

64. Влияние лазерной обработки на структуру и свойства баббита Б83:Сб. /Вологдинские чтения ДВГТУ / Дмитриев М.А.- Владивосток, 2001.

65. Исследования влияния параметров С02 лазерной обработки на микроструктуру баббита Б83:Сб./ДВГТУ/ Дмитриев М.А.- Владивосток 2002.

66. Елин И.А. и др.// Авторское свидетельство.

67. Цукерберг Б.И. Дис. .канд. техн. наук. Владивосток, ДВПИ, 1974.

68. Елин И.А. и др. Исследование причин разрушения подшипников судовых дизелей. ЦНИИ МФа, 1968.

69. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термической обработки сварки соединений. -М.: Машиностроение, 1989.

70. Григорянц А.П. лазерная технология.- М.: Машиностроение, 1989.

71. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке.-Машиностроение, 1951.

72. Дубровский Е.А. и др. Выбор параметров лазерного нагрева.-МиТОМ, 1986. №9.

73. Углов А.А. и др. Учет немонотонкости лазерного излучения при расчете режимов термической обработки.- МиТОМ 1989.№11.

74. Рыкалин Н.Н. и др. Нелинейности лазерного нагрева металлов. -ДАН СССР 1982. Т. 267, №2.

75. Лахтин Ю.М. и др. Поверхностное легирование металлов и сплавов при лазерном нагреве.- М.: Машиностроение, 1990.

76. Лившиц Л.С. и др. Металловедение сварки и термической обработки сварных соединений. М.: Машиностроение, 1989.

77. Кракошин B.C. и др. Влияние лазерного нагрева на количество остаточного аустенита в сталях и чугунах.- МиТОМ 1989 №10.

78. Kous, Sun D.K., Le Y.P., Fundamental Study of Laser Transformation Hardening Met.- Trans. A. 1983. V. 14F P. 643-653.

79. Рыкалин H.H. и др. Лазерная обработка материалов.-М.: Машиностроение, 1975.

80. Григорянц А.П. Лазерная обработка материалов.- МиТОМ 1968.№4.

81. Гурьев А.П. Металловедение,- М.: Металлургия, 1977.

82. Буше H.A. Исследование антифрикционных сплавов./ Труды ЦНИИ. МПС, 1986.

83. Бочвар A.A. Металловедение.// Металлургиздат, 1956.

84. Цукерберг Б.И. Автореферат диссертации. Владивосток, 1974.

85. Шубников A.B. Кристаллы в науке и технике.- АН СССР, 1956.

86. Чернов Д.К. Наука о металлах. /Под ред. Акад. Н.Т. Гудцова,-Металлургиздат, 1950.

87. Тамман Г.А. Русского физико-химического общества//т.34-1902.вып. 4.

88. Работ по металлофизике/ Данилов В.И. и др.- Киев: АН УССР, 1948.

89. Вестник/ Гудцов Н.Т., Гуляев Б.Б. АН СССР 1956, №5.

90. Странский И.Н., Кайшев Р. Успехи физических наук,т21-1939. вып. 4.

91. Френкель Я.И. Кинематическая теория жидкостей,- АН СССР, 1945.

92. Трудов Московского института стали/ Старк и др. 1998, вып. 10.

93. Затвердевание металлов/ Берг П.П.,- Машиздат, 1958.

94. Гуляев Б.Б. Литейные процессы,- Металлургия, 1960.

95. Кристаллизация и фазовые переходы/Сирота H.H.- Минск, 1962.

96. Anderson WA, Mehl RF. Tr. ALME,- 1945.-161,40S.

97. Данилов В.И. Строение и кристаллизации жидкости.- Киев, 1956.

98. Проблемы металловедения и физики металлов/Данилов В.И.-М,1949.

99. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов пластический деформации.-М. 1968.

100. Маг Лин. Границы зерен в металлах. Металлургиздат, 1960.

101. Чалмерс Б. Физическое металловедение.- М. 1955.

102. Мигай В .П. Литейное производство//- 1963. № 2.

103. Рост кристаллов /Каменецкая Д.С. М.1957.Т.1,

104. Юм-Розерн В. и др. Структура металлов и сплавов- М.; Ил, 1959.

105. Аналитическое исследование процесса кристаллизации. / МИС и С./ Миркин И.Л. Оборониздат, 1938. Сб.10.

106. Хрущев М.М. Усталость баббита.- Изд-во АН СССР, 1943.

107. Исследования усталостной прочности подшипниковых сплавов:Сб. Методы испытания материалов для подшипников скольжения/Буше H.A.- М. 1972.

108. Иванова B.C. и др. Природа усталости металлов.- М.: Металлургиздат, 1975.

109. Smit R.L. и др. Tr. A.S.M., 1954.- 46, 973S.

110. Пинес Б.Я. Лекция по структурному анализу. Харьков изд. ХГУ,1957.

111. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников.-М.: Металлургиздат, 1969.

112. Евдакимов Ю.А. и др. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа.- М.: Наука, 1980.

113. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента.- М.: Металлургиздат, 1969.

114. Орован Е. Классическая и дислокационная теории хрупкого разрушения. -М. 1963.

115. Orowan E.Z. Physik,- 1963, 86S.

116. Хори С., Китадзави М. -« J. Japan Ynst. Light Metals», 1969.-У 19, №1.

117. Tetplin. R. L.-ASTM, 1954.- V54.

118. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов.-М.: Металлургиздат. 1963.

119. Даньков П.Ю.- ЖФХ, 1946.- 20, 853с.

120. Порошковая металлургия и металловедение: Сб. /Дмитриев М.А., Цукерберг Б.И. Владивосток, 1993.

121. Марковец М.П. Определение механических свойств по твердости.-М.: Машиностроение, 1979.

122. Дреозу М.С. Определение механических свойств металлов без разрушения.- М.: Металлургиздат, 1965.

123. Давиденков H.H. Некоторые проблемы механических материалов.-JL; Ленинградиздат, 1943.

124. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов.- М.: Машиностроение, 1974.- ч. 2.

125. Давиденков H.H. Проблема удара в металловедении.- Металлургия; АН СССР, 1986.

126. Гуляев А.П. Ударная вязкость и хладноломкость конструкционной стали.- М.: Машиностроение, 1969.

127. Давиденков H.H. Динамичные испытания металлов. -М.:ОНТИ. 1939.- 2 изд.

128. Мак Лин Д. Механические свойства металла/. Под ред. Фридмана Я.Б.- М.: Металлургиздат, 1965.

129. ДмитриевМ.А. //Авторское свидетельство SU № 947215.

130. Крачельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.

131. Крачельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.

132. Хрущев М.М. Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. -М.: Наука,1970.

133. Любарский И.М. и др. Трения.-М.; Металлургиздат, 1976.

134. Современные теории антифрикционности: /Сост. Хрущев М.М. АН СССР, 1950.

135. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов.-М.: Металлургиздат, 1974.

136. Бернштейн М.Л. и др. Структура и механические свойства металлов.- М.: Металлургиздат, 1970.135

137. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов.- М.: «Мир»,1972.

138. Лоу Д.Ж. Р. Разрушение твердых тел. -Металлургиздат, 1967.

139. Вагури Ю. И др.-Дзюнкауу,, 1953.- т. 5, №11.

140. Бернштейн М.П. и др. Механические свойства металлов.-М.: Металлургиздат, 1979.