автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Отливки из стабильно-половинчатых чугунов

На правах рукописи

РГБ ОД

; / Дни

ПОЛОВИНЧУК Валерий Павлович

УДК 621.74:669.14

ОТЛИВКИ

ИЗ СТАБИЛЬНО-ПОЛОВИНЧАТЫХ)

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

С.-Петербург 1999

Работа выполнена в Винницком государственном техническом университете

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель науки и техники Российской федерации

A.A. ГЕТЬМАН

доктор технических наук, профессор

Г.А. КОСНИКОВ

доктор технических наук С. С. ТКАЧЕНКО

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ЦНИИ материалов С.-Петербург, ул. Парадная, 8

Защита диссертации состоится "25" ноября 1999г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.08 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург,

ул. Политехническая, 29. '

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан

«Л.. CVfiUi/U /й

Ученый секретарь диссертационного и

Совета, д.т.н., профессор -у^ ^ ^ ^азакевич

/ / /

' !

К 60 I/ .

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В экономической фограмме по выходт Украины из кризиса поставлена задача снижения шергозатрат и удельной металлоемкости машин а оборудования. В речение достаточно длительного периода времени а обозримой буду-дем чугунные отливки сохранят свои позиции одних аз наиболее распространенных заготовок в машиностроении. Это стааит работу по улучшении физико-м^ханических а специальных эксплуатационных свойств отливок из обычных серых и легированных чугунов в ряд важных а актуальных, физико-механические свойства чугуна зависят главным образом от его структуры. Эта проблема решается как упрочнением металлической матрицы, так а оптимизацией распределения и форма графитных включений, наличием в чугуне карбидной фазы. Чугун, как конструкционный материал, располагает большими резервами дальнейшего повышения его физнхо-механических и специальных эксплуатационных свойств. Одним из таких резервов является получение отливок из стабильно-половинчатых чугунов ао принципу композиционного упрочнения.

В последнее рремя получили распространение частично графити-зирсванные железо-углеродистые сплавы, аз которых изготовляв? гильзы цилиндров и поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, детали -теклоформ, пуансоны и матрицы штампов горячего деформирования в др. Часть углррода в таких сплавах находится э еа-де графита и часть - а связанном состоянии в £яде структурно свободных карбидов. Высокие триботэхничесхие свойства (износостойкость, низкий коэффициент трения, небольшое время прираооткя 1 . удовлетворительная обрабатываемость резанием, повышенные фвзя-ко-механическиг свойства - преи.чузествл таких спд^еоэ.

В диссертации обобщаются результаты исследований, проведе ных в Винницком государственном техническом университете с 1684 по разработке технологий получения отливок из стабильно-половин тых чугунов.

Цель работы. Разработка теории и практики получен отливок из стабильно-полоЕинчатых чугунов, обладающих высоки триботехническими и повышенными физико-механическими свойствам удовлетворительной обрабатываемостью резанием и легированн сравнительно дешевыми легирующими элементами.

Для достижения поставленной цели в работе ресэны следующие задачи:

1) совершенствована теория о движущих силах микроликвацио ных процоссоз в отливках из чугуна и термодинамике графитизации

2) составлена программа расчета на ЭВМ изменения термодин мической активности углерода в чугунных отливках под влиянием л тирующих элементов;

3) совершенствована теория композиционного строения кои лексно-легироЕанных чугунов и обеспечения их триботехничеси свойств;

4) разработана аналитическая модель зернограничной диффуг меди в твердом растворе железо-медь; ..

£> создана на базе математического аппарата инхенернс уровне удобная для анализа модель расчета процессов структурос разования в отливках из стабильно-половинчатого чугуна;

6) выявлены некоторые особенности влияния меди на сгрукту! образование в чугунных отливках;

7) созде-на методики исследования специальных эксплуатацис ных свс\ств подученных чугунов, исследования влияния меди на кс пактнос ;ь включений эвтектического цементита в половинчаты* наг, исследования превращений в цементите в зоне его контакте

-з-

елезистыми фазами;

8> разработаны и внедрены з промышленность стабидьно-поло-;инчатые • чугуиы и технология получения из них отливок.

Научная новизна настоящей работы заключается з :сзда.чии основ теории получения отливок из стабильно-половинчатых гугунов, в доказательстве того, что путем легирования чугуна воз-юхно такое изменение его термодинамических характеристик, которое обеспечивает получение сплавов с достаточным количеством карбидной фазы и характерной островной структурой, отвечающей прикупу ¡Парпи-Бочвара. Это способствует композиционному упрочнению 1угунов, повышению их триботехнических свойств. Сочетание в .структуре сплавов сравнительно мягхой металлической матрицы и разобщенных ТЕердых. упрочняющих включений фаз внедрения придает сплавам высокие свойства износостойкости и антифрикг;ионнссти. Эта теория основана на различном знаке микроликвации компонентов-г;за-фитпзаторов н "антиграфитизаторов" при затвердезлн;:и чугунных отливок и на слиянии меди в процессе структурообрлзочзния. Мед: при эвтектическом превращении увеличивает "термодинамическую" склонность чугуна к срафитизащш и уменьшает эту екденноегь в области температур оате- тоиднего лрограаония.

Разработана амзлити ;еска,1 модель зернсграгшчнсй диффузи^ леди з твердом-растворе жел.гю-медь. Избыточная а твердом растворе м^дь диффундирует на граница зерен, фаз л на поверхность отливки. Этот процесс усиливается п.и теркоциклированик. разработана кать-магическая модель зоркограничной диффузии недн. Прослойки меди значительно повынают теплопроводность чугуна, а на позчрхностях 'Пения или обработки релучим инструментом спи. оказывает соот-ь«тствук!у«е антифрикционной воздействие, играя голь твердого смэ-зизаюй'.го ма'.ериала. При этом возникает известнее явдоки^.изблр!..-'едьно-о масссперен^са ат'.моа меди на кситртедс и с-братяо. сспро-

волдающееся уменьшением коэффициента трения, снижением длительности приработки, уменьшением износа пары трениа и к резком: улучшению обрабатываемости резанием.

На базе объединения тепловой теории литья и кинетической те ории кристаллизации создана математическая модель структурообра эования в отливках из стабильно-половинчатого чугуна.

Разработан механизм влияния меди на компактность включени эвтектического цементита в отливлах. Чугун приобретает необычну микроструктуру с изолированными мелкими включениями, цементита.

Практическая значимость работа Решена важная научно-техническая проблема - разработана теория практика получения отливок из стабильно-половинчатых чугунов.

Полученные резулыаты позволили достигнуть следующих целей:

- создать достаточно простые и наделхыа инженерные .метол расчета изменения термодинамической актиькости углерода в чугуь пых отливка*. под влиянием легирующих элементов, с помощью которь еще на стадии разработки легированного чугуна нового химическо: состава мохно определить (в пределах ::ссле^ованнш£ интервале варьирования}, какой чугун мы получим: серый, белый или половш чатик и его физико-механические и специальное эксплуатационш свойства;

- впервые разработать методику подобных расчетов для получ« нкя стабильно-половинчатых чугунов;

- разработать- оптимизированные составы стабильно-половинчат] чугунов для отливок различного назначения;

- внедрить разработанные чугуны для изготовления деталей ц линдро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, подши

;-:ков сколь» т.1кя, кокильной оснастки, стеклофорк, прессформ, д талей камеры прессования мааин литья под дарением на Юкном наш лостроитель.чом г. а год с (г.Днепропетровск), компании "Укрянвесткс

зерсия" (г.Винница) и целок ряде других заводов.

Апробация работы. Основный результаты диссертационной работы докдадызались и обсуждались па:

- 67-м Есемирном Конгресса литайжиков (Осака, 1330);

- Международной конференция "Антифрикционные и износостойкие чугуна" (Винница, 1332.);

- Всесоюзных конференциях "Термодинамика необратимых процессов и ее применение" (Черновцы,1334); "Износостойкость маиин" (Брянск, 1365, 1391); "Ускорение научно-технического прогресса г, литейном производстве Дальнего Востока" (Комсомольск -на-кнуре, 1335); "Прогрессивная технология, автоматизация и применение ЭВМ а литейном производстве" (Алма-Ата, 1337); "Новые высокопроизводительные процессы, сплава и оборудование в литейлом производстве" (Минск, 1330); "Вксог.ояро-чнкз ^-гунк" Кедэ, Г£85, 199* ;

- Республиканских конференциях "Пути пезьшения качества и экономичности литейных процессов" (Одесса, 13.33); "Позынекие качества отливок за счет современных методов выплавки и л» гирсва-ния" (Брянск, 1333); "Пути повысенил эффективности на автолрвдг.-рялтиях' (Винница, 1333); " Пути есьерщинет^вания экологического оСисИсЧ'Лшя раьоть автотранспорта" (Винница, 1330); "Современные методы термической осраСотк-1 и упрочнения деталей малии и И4Стру-мкнгоь" (Ташкент,1333);

- е.чегодных научно-технических конференциях в Винницком гис/ддрсгвинном Ткхниче "ком университете.

На защиту выносяться следующие основные положения и результаты:

1) основы теорли получения отливок из стабидьно-.юяоьинчэ ых ЧугуНОС,

2< «л.алитичь-ская модель зернограничной диффузии меди а *. зер-

дом растворе железо-медь;

3) математическая модель расчета процессов структурообраз ваниа в отливках из стабильно-половинчатых чугунов и влияние ме на.эти процессы; структурные диаграммы;

4) результаты исследований свойств разработанных стабил но-половинчатых чугунов для отливок.

Публикации . Основные .результаты, изложенные диссертации, опубликованы ь £7 печатных работах, в том числе г лучены авторские свидетельства на изобретения КК 166656 1780173, 1803455. ■ •

Структура и бъем диссертации. Диссертационная работа состоит кз введения, семи глав, выводе списка литературы с 333 наименованиям»: к восьми приложений. 061 объем диссертации составляет 308 страниц машинописного текс: включая 62 рисунка и 3& таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В парвой главе проведен анализ опубликоьанных данных по

мическому составу, структуре и классификации половинчатых чу нов, термодинамике графитизирующился cr.jraF.oi> железа, движущим лам микроликвационнлх процессов в чугунных с-тливках, основам т рии кристаллиз&ф.и. Структура половинчатых чугунок состиит-как включений графита, так х свободных карбидоь. Еы-окоуглеродис фазы ногут оСраэоьыЬаться зде.ь непосредст1енно при кристалла ции или за счет частичной ГрафиЧ'ИЗаЦИН КарбМДСО, При отжше самоотжиг' чугуна. Нормирование половинчатой структуры в чугуу не содержащих легирующих добавок, полностью зависит от технолс ческих факюрог. Образование и тип карбидной фазы и м-эталличеь

овы в легированных чугунах определяется как химсоставом, так и овиями охлаждения. В основу классификации половинчатых чугунов но положить.следующие признаки: 1) химический состав, 2) тер-.инамическая стабильность карбидных фаз, 3) структурные отли-I. Нелегированнне и низколегированные половинчатые чугуны от-:ятся к чугунам с нестабильной структурой. При температурах вы-Асг происходят необратимые изменения цементита или комплексных рбидов цементитного типа - их полный или частичный распад. При tee низких температурах и длительных выдержках происходит этичная графитизация эвтектоидного цементита. Одмако увеличение иичества графита, играющего роль твердой смазки в паре трения, иводит х увеличению срока службы чугунных деталей, подвергаются интенсивному истиранию при повышенных температурах. Средче-гированные чугуны являются частично графитизированными со стальной карбидной Фазой. Половинчатые чугуны чаде всего легиру-ся хромом, марганцем, ванадием, mt-дью, никелем, ниобием, титам.

С позиций термодинамики графитизирующихся сплавов рассмотре-| ьлияни^ легирующих компонентов на струк-

•рообразовани? в этих сплавах при формировании отливок. Этот ме->д позволяет получать количественные данные, котзруе можно не->средственно связывать со структурой и свойствами сплавов.

Рассмотрены методики термодинамических расчетов И.Хилхерт», .И.Сильмана, А.л.Жукова и других авторов. Проанализирована дан— je. по микроликвационным процессам в чугунных отливках. При появ-ании половинчатой структуры чугуча очень важнув роль играет по-яризациа микроликваций легирующих элементов по различный зйнам атвердеьзющего металла.. Есги бы небыло явлени« .поляризаций *И1-оликьаций, то било бы очень трудно или даже невозможно получать табильно-половинчзтые чугуны. При анализе этого явления исаоль-

эована теория электронного взаимодействия атомов компонентов Гуна группы sp-переходных металлов, d-переходных металлов, ар вих графитоидных комплексов.

Рассмотрены основы теории кристаллизации эвтектики, тистической теории кристаллизации, основы термохинэтической рин отечественных и зарубежных авторов. Анализ существующих м дов расчета структуры чугунных отливок показывает, что кахди них имеет существенные недостатки, исключающие или ограничива возможности их применения для оценки реальной структуры. Даже иболее совершенные методики решают не столько задачу рас структуры, сколько затвердевания отливки.

Во второй главе описаны движущие силы микроликвационных цессов в чугуне и термодинамика графитизации. Создание достс них математических моделей графитиз.-щии и структурообразо! чугунов - одна из главных задач современного литейного п] водства. Важнейшим критерием при графигизации чугунов явл5 термодинамическая активность углерода aie. Методики термодш ческих расчетов Г.И.Сильмана, А.А.Жукова использованы для onj ления влияния кремния, марганца, хрома, меди, ванадия на rpai зацию чугуна в двух температурных интервалах: а) при sbti чесхом превращении; б) при звтиктоидном превращении. В звп Чеспом интервале температур формируется первичная структура гукной отливки, чугун затвердевает белим, серым или половинч Для целей данной работы представляет интерес третий случай, этом интересует 'не обычньк. половинчатые чугуна, условия п водства которых крайне неустойчивые, а стабильно-половинчат эвтекто»: дном интервале температур формируется структура мет ческой «.новы чугуна. Ври полной графитизации основа по луч ферритной, при выпадании вместо графита эвтектоидного цомена перлитной. В лроиэводстве отливок из качественных марок сери

.з необходимо добиваться противоположных целей в указанных

: тс-мп«ратурны:с интервалах: гранитизации, сплава в эвтакти-'

;ом интерзале и прекращения графитизации (перлитизации струк-

¡) в эвтектоидном. Бодьаинстзо компонентов и легирующих эле-

:ов в ч.гунах действуют с этом плане однозначно, что затрудня-

;остижениз поставленной цеди.

Кедь - один из немногих элементов, способствующих графитиза-

при эатектичзсксм затвердевании и препятствующих - при эвтек-

;ном. Е проведенных расчетах это находит отражение а том, что

Г

=рвсм случае ко-Ф1>йциант межфазного ра.-.г.гвделения меди л-'оо ьше 1,0, а во втором больше 1,0.

Поменьше, торм! динамической активности углерода ас б двухфаз-Гь- - С - сплавах под зли.и<ием легируюшнх э~емент-:з раечатьгва-по уравнениям Г.И.Сильмана (X) и А.Д.Жукова (2)

ас = .а-с ехр( 2 р1с (1)

■ае - ехр< 2.

_ <К1 - 1> + (Н"с - КаН'С) <«1 - + (И" с - К!« о)

<. 2)

(3>

^с 'с

: л -а.^ сч. ¿тьчтетьинно активности углерод;» а калегироЕан-

л ¡: лиг-ир^ьанном о.1даьах; , р1с - кс-зффициентч влияния лешачих оломнтоз ^ или 1 на акгив.юегь углерода; ¡Ц — рзвно-¡.ный хо>гФици*фт расириделч-ния легирующего элемента меаду ьыса-- и низко■/! льюдиотий фазами (табл 1): Я'а и Нге - рагмевеенкз нцынт) ации углерода з мало- и аисо;:оуГ1еродисТсй Фа:;ах а атом-х .Чс и .71 - со^ерхание углерогл и л<згиру*гц4го элемента 2

сплаве в атомных долях;^.^- содержанке углзрода и легируг злемекть .-> б координатах Скрейнемакерса-, ^г = Хс/Ху» , = Хо/Х?.. , где X - кольние доли;

Таблица 2

Коэффициенты распределения легирующих зл£мептСБ

К1 элементы

5142,72 . £1>2,7Х йп Си V

КЧ-ТА . о.ог ■ 0,1 3,5 . 3,1 . . 0,5 К«5! 0,02 0,25 6,0 9,5 6,1

Расчеты проведены для;дьухфааноги равновесия Ц+у при т<=: турах эвтектического превращения и двухфазного равновесия Ц+< температурах эьтектоидного превращения. В качестьь стандар состояния углерода принят графит: а.гс - 1,0. Б этом случае чины для температур эвтектического превращение близки к

Тогда из (1)

гас - 1,05 ехр <2 ЬЧ) . <5

Величины а.°с для1 температур увтектоидног^ лревраще близки к 1,2.и тогда ,

¿ас = 1.2 ехр (21Р1 с в;) <6

Расчеты показали, что медь радикально различно влия

превращения с образованием двухфазных систем Ц*^ и П+*/ С

■ Си

+2,1...+2,4 вобласуи и £ - -3,1...-3,2 в области II

Термодинамическая активность углерода за счет влияния мед

равновесии Ц близка, . но не опускается ниже 1,05 - 1,

чугун не (■.'бедиваетса, а при. равновесии Ц +е( ею ниже 1,2,

приводит к выпаданий б сплаве ьвтектоидного цементита вместе

■lira.

Анализируя величины ас для серых,. антифрикционных, :окопрочных и ковких чугунов, разработаны термодинамические ювия получения отливок из стабильно-половинчатых чугунов:

Результаты расчетов по методам Сильмана а Жукова отличаются ГГ от друга на 1-2%.

Показано, что при кристаллизации расплава первые порции затлевшего ледебуритного цементита за счет эвтектической микро-:аации обогащаются храмом и превращается в достаточно стабиль> карбиды, не способные графитизирозаться. Последние порции обидной фазы эвтектических колоний (зерен ) , наоборот, сбедна-:я хромом и могут графитиэироваться. Более или менее аналогично >му ведет себя и марганец. Однако, вызываемый им эффект отбеля-(ия з 2-4 раза меньше.

Важную роль играет повкаанное содержание крвяяия з сплав». |ьшая часть кремния участвует в структурообра^ованки в качестве >афитиэатора". Она мнкроликвирует в противоположном направлении отношению к хрому и марганцу, скапливаясь при ледебуритном »вращении в маточном расплаве и вызывая выделение А ней графита j окончательном затвердевании. Неболызая часть кремния участву-в карбидсобраэовании, входя в состав силикокарбидной фазы, a it ( случаях, когда содержание хрома находится на верхнем предела, »нний участвует в формировании стабильной карбидной фазы MtCj .

Чтобы усилить гра^итообразование * достичь еще болызе* двф-эенциации карбидной фазы в чугуне, предложено легировать «го 5ы>. Этот элемент содержится а небольшой количестве а первых рциях цементита, обогащенного хрокси, а поэгочу я« дестабнлжэк-

рует цементит. Последние порции затвердевшей эвтектики оказывэ ются не только обедненными хромом, но и сильно обогащенными мед! (хотя ки-^остается меньве единицы), которая является графитизир> юинм элементом при эвтектической графитизации чугуна. В там условиях эвтектические карбиды в этой зоне микроструктуры не ог разуются (или распадаются в процессе самоотхига охлаждающихся от ливок), а кристаллизуется густенитно-графитная эвтектика. Чуг: получается стабильно-половинчатым с характерней островной стру! турой, отвечающей принципу шарпи-Бочвара.

При содержании хрома в чугуне ниже 1,52 по мае., а меди ви, 2,5-3,03! чугун получается с недостаточным количеством карбидн фазы и приближается к классу серых чугунов, что приводит к енкж кию износостойкости. В случае содьрханяя хрома выше 3,02, при с держании марганца выяе 1,52, а меди ниже 0,8* чуГун получает насквозь отбеленным и переходит в класс белых чугунов, что прив дит к снижению сопротивляемости тепловым ударам и резкому у худ а: нию обрабатываемости резанием. Содержание углерода в чугуне обы но не превышает 3,62. При содержании углерода ниже 2,82 возника сильный кинетический отбел чугуна и получать половинчатые чугу со стабильным соотношением графита и карбидов становится эатр> иителГ'НЫм. Показано, что нихний предел содержания углерода дола быть еще выше.

В работе показано, что износостойкость стабильно-половин' того чугуне повышается при модифицировани его силикокальци< Еальций очень слабо растворим в чугуне, однако наличие в мета. кедк и хремния обуславливает повышение растворимости в нем ка ция, что благотворно влиязт на форму графитных пластинок и гра1 тизировано металла.

Векоторое представление о двойственном характере влияния ди в чугуне дает сопоставительный анализ электронного строе

леза и меди. Оба элемента относятся к ¿-переходным металлам. У леза частично заполнен подуровень 3с1 при полностью заполненной более устойчивом уровне (наружная электронная ободочка

а4эг). На подуровне 2а часть электронов находится в сравнитель-устойчи^ом состоянии, наполовину заполняя Зй-орбитали (з соот-тствии с правилом Хунда).Часть электронов находится в резонируем состоянии между 3<3-орбиталями и зоной проводимости. У' меди ¡ешняя электронная конфигурация выражается формулой За1°4з1, е. подуровень 3<3 заполнен полностью, а электрон на частично за-¡лненной орбитали 4э удерживается сравнительно слабо и легко пе-;ходит в зону проводимости. В связи с этим медь по отношению к »дезу является донором электронов.

Донорно-акцепторное взаимодействие атомов меди и железа лро-:ходит через зону проводимости. При растворении меди в железе • нотность электронного газа увеличивается, что приводит и к успению металлической связи атомов железа в его кристаллической ре-етке. Если медью легируется сплав железо-углерод, то усиление еталдической связи проявляется в ослаблении св-ззи яелеэогУгло-од, в которой значительную роль играет ховалентная•составляющая, то приводит к увеличении термодинамической активности углерода ас и повышению склонности чугуна к графитизации. Однако такой ха-актер действия меди проявляется лишь до определенной концентра-,ии ее в еплавс, приводящей к насыщению зоны проводимости :ристаллической решетки железа. При этом возножно П5оявланиа дэу1 .ффонтов: 1) переход части электронов иэ зоны проводимости а вл-[ентную зону железа на За-г.одуров<-'нь <в соответстЕИИ с принципом !е-Шателье); 2) образование зоны проводимости, соответствующей (ристалличвской ренетка меди.

Та-им об,-азом, легирование чугун* и^дьв сопровождается тремя конкурирующими процессами: I) увеличением плотиостг. электронного

гаэа, усилением металлической связи и соответствующим повышен склонности чугуна к графитизации; 2) переходом части эдектро из зоны проводимости в валентную зону железа и угеличением скупости чугуна к карбидообрагованию; 3) насыщением электронами з проводимости хехеэа и образованием втор-й "зоны проводимое соответствующей кристаллической решётке меди. При малой конце

(1,0-1,5?; •

рации меди в чугунё^реобладает первый процесс - и медь выступ в качестве графитизатора. При больших содержаниях меди решаю роль играет два последних процесса, конкурирующие между собой.

В третьей главе рассмотрено композиционное строение кс лексно легированных чугуноь, обеспечение их три.ботехничес свойств. Особенности структурного состояния чугунов: высокая с пень микро- у. макрогетерогенности структуры, состоящей из разл них по своим физико-механическим свойствам составляющих (метал ческая патрица и высокоуглеродистые Фазы), позволяет отнести категорию железо-углеродистые сплавов к классу естественных к позиционных материалов. Эти признаки естественных композитов к яо усилить путем псвыиения степени макро- и микрогеетерогеннс чугунов за счет ввода в расплав ряда элементов в количест! превышающих пределы их растворимости в хелезе и образующих в ливке самостоятельные избыточные фазы. ..Таким обрезом, на осне нии комплексной интерпретации структурного принципа Еарпи-Бочг с приложением законов симметрии представляется возможным метол лктья приблизиться к реализации синкретического построения сц турных составляющих материала (предельное соотношение 1/1) и самым выйти на новый, урож нь свойств. Согласно принципу II пи-Бочвара сллаг, содержащий . твердую хрупкую Фазу, мигку» пластичную фазы может иметь различные свойства в зависимое, того, пахе .ится ли твердая фаз«! в виде матрицы или сетки (маю вий случай), либо в форме изолированных включений или частиц.

Рассмотрено поведение некоторых материалов в процессе изна-вания. В значительной мере сопротивление поверхностей деталей разивно-адгезионному изнашиванию определяется их твердостью и рмодинамической устойчивостью твердых составляющих, например, основе карбидов. Материалу с нестабильными структурами при сплуатации в режиме трения меняют микрогеометрию поверхности, зникает физический рельеф^ так как в поверхностных слоях появится значительные остаточные напряжения, происходят структурные фазовые превращения.

Высокая износостойкость поверхности детали определяется бла-¡приятным сочетанием структуры и сложного комплекса свойств: Фи-гческих (высокой теплопроводности, небольших различий коэффиаи-1Тов теплового расширения фаз); физико-химических (высокой насы-энности и равномерности микрораспределения легирующих элементов) физико-механических > (высокого сопротивления сжатию, изгибу, цвигу, сочетания повышенной твердости и вязкости при отсутствии рупкости) и др. Указанный комплекс свойства, иногда даже проти-эречивий, возможно получить, только в многофазных гетерогенных плавах. Мягкие составляющие в процессе трения иэнашшаптся сих»-ее, удельная нагрузка уменьшается на менее износостойкие фаги труктурных составляющих и увеличивается на более износостойкие, еновной ВКЛ.1Д в сопротивление материала изнавиваиню вносят боле» вердые составляющие. Чаще всего ими являются карбиды. Из-осостойкость повышгътся с измельчением карбидных включений. Намол ее интенсивно повышают износостойкость кэрбяяы 8 змде лзолиро-анных включений, которые а процессе изнашивания не должны выкраиваться и хороно удерживаться в более мягкой и менее износостойка составляшаей. Матрица должна быть дс-таточио прочной, чтобы 1«! разрунаться при прилслении нагрузск; износостойкой, чтобы сопротивляться истиранию, и достаточно вязкой, чтобы препятствовать

-îe-

выкраоивакию карбидов.

Следовательно, для обеспечения высокой износостойкости гете генных сплавов при достаточно высоких значениях прочности и в кости структура этих сплавов должна состоять из твердой износост кой составляющей, располагающейся на изнашиваемой поверхности де ли в виде мелких изолированных включений, и более мягкой, но дос точно прочной основе. Это заключение аналогично принципу Карпи-Б вара применительно к антифрикционным сплавам. Принцип Иарпи-Бочв в оригинальной форме толковался лишь в отношении структур т "островки - матрица". Распространяя не этот принцип на сплавы с вишенными прочностными, вязкими и износостойкими свойствами, не хсдимо обратите. внимание на вариант "решетка - матриц

Этот вариант обеспечивает получение не только оптимальной структ поверхности изнашивания, но и объемного армирования металла, структуре которого присутствуют микрококпозиции, например, в в армированных эвтектических колоний. Эффект повышения свойств такой структуре подучил название композиционного упрочнения. Пр цип композиционного упрочнения более широкий, чем принцип Ш пи-Бочвара. Поскольку на поверхности износа в обоих случаях обес чиваетса один и тот же оптимальный вид износостойкой структуры, дальнейшем применительно к износостойким сплавам этот принцип бу отождествляться с принципом Шарпи-Бочвара.

В четвертой главе разработана аналитическая модель $ерног яичной диффузии кеди в твердом растворе железо - медь. Предел ра воримости меди в твердом растворе железо - медь при темпэрату 28ЗК равен 0,5-0,^2* по мае. В условиях термоциклирования (цик ческом диффузионном отжиге) избыточная в твердрр растворе медь зерен диффундирует на границу з?рен. Концентрация меди t*a гран увеличиваете и медь "выдавливается" на поверхность детали. Ко

■во меди в самой зерне после каждого цакла уменьшается, гмотрям наш случай зарнограначной самодиффузии в поликристал-состоящем из случайно ориентированных зерен со случайным ipeделением зерен по размерам. Предположив, что градиенты кон-грации на границах зерен наблюдаются только вдоль границ, а не грек, запишем величину потока пограничной диффузии меда через эречное сечение поликристалла единичной площади < рве.1).

fz,i}=i<?t(Z, i}=2.Ji h 2)f; £ IsidkL , (?)

аналитической модели

у где индекс i относится к х-й границе

зерен толщиной S" i, составляющей угол ^ i,c направлением z; ~Ji - длина х-й границы зерен, приходящейся на единицу площади некоторого поперечного сечения поликристалла,- Dbx - коэгфяцн-ент зерногракичной диффузии меди в на i-Я границе зерен; c»t - концентрация Рис.1 меди в l-й границе зерен. ■

жирование происходит по г> граница« зерен, приходящимся на адя-

1У площади этого поперечного сечения поликристалла. Заменяем Dta,

Jf , которые не зависят от угла , на ях средня« значения; шим~еи, что среднее значение <соа > - 3/3 fi. По теореме 1Та случайно ориентированные зерна в макроскопическом однород-■ поликристалле представляют собой полиэдры размой формы. Яя-»«ый размер зерен d можно определить, подсчитывая количество 1ниц зорен на случайном сеченая поликристалла. Иощмо пехазать.' з для зерен гобой формы

J А » 4/d; 9 = Z £/d (3).(91 ,<1,0)

где А - общая ПЛощалв граней э«р«и на ««жиавг ое&ма оолаа-

ристалла; g - объемная доля границ зерен.

Подставляв принятые значения в (7), можно записать диффуэ оиное уравнение _ _ _

_~2>c»u,t) iG/7¿j 2íflJfií

где G <z,t) - поток меди из объема зерен в границу; с»(г, - концентрация меди в границе зерен, t - время отжига.

Подучено уравнение, описывающее функцию G(z,t> - диффузио ный поток из объема в границу зерен

1 Go (S,t) Л

G u.t) s - / с. (z,t I ■■ — Ш-■ - ... ÓZ . (12)

с* Jo ?t •

где Go(z,t) - поток меди из объема в границу зерен при отсутствие меди на границе..

Рассмотрен кинетический режим типе А, который относится случав больших вренен термоциклирования (отжига), «алых размер зерен в сравнительно больших коэффициентов объемной диффузия. Л большом количестве циклов концентрация диффузакга на обработан» поверхности и у границ зерен выравнивается. Это показано пут исследования образцов медистого чугунок после терйоциклироваи (500 циклов с нагревом до 623К в течение 15с и последующего с лахдения на воздухе 15с) с применением ОЖЕ - электронной спец роскопии в рабочей . камере ОЖЕ - микрозонда JAMP - IOS (JE0L яцония). С анализируемых площадок диметром около 1 икм и глу{ ной Ю — 15 атомарных слоев получены ОЖЕ - электронные спектр! расшифровки химического состава (табл.2).

Из таблицы видно, что яри среднем содержании меди в чуп 1,8* по мае.до термоциклироэмщя содержания меди вблизи rpai зерен составляет в средне'« 4,2 ат.% , а на обработанной pesi поверхности образца -0,35 av.». Это говорит о том, что при э; вердевавии чугуна с избыточным содержанием меди в твердом раст) ре медь выделяется на мехфаэиых поверхностях и по границам зер< где «6 концентрация в 2 - 2,5 рвэс кете, чем в среднем в чугуя!

Таблиаа 2

Результаты ОЖЕ-микрозондирования медистого чугуна

Содержание меди

вреднее чугуне, по мае. Б твердом растворе, X по мае. Результаты OIE-микрозондироаания, ат.Л

Вблизи границ зерен На обработ.поверхн.

1,8 0,3, До термоциклированкя 4,2 . 0,35 После термоциклирования е,з 2,в

После тэрмоциклирования содержание меди вблизи границ герен росло приблизительно на 50%, в то время, как на обргтотаьной верхности образца рост составил почти 600-. Это сойдетечьствует том, что кроме диффузии меди с границ зерен большой вклад в та-)Й рост содержания меди на поверхности образца вносит и длффузг.д ^посредственна по объему ьерен.

ы

Поназьни, что рассмотренные в диссертации режимы работы от-итносится к кинети ческому режиму тиле A. В этом случае по-икристалл модно' рассматриьат!- как однородную среду'с единстэен-им эффект: зным коэффициентом диффузии, если выполняется з ;ловие < Dt ) is?- . >, ISO d Дрн' количественное описание кинетики типа А.

В пятей главе показано структурообразованиа в отлиьках лз ...............

лабильно-половинчатого чугуга. В настоящее время ог;утствует те->рия струкгурообразоваьия и достоверная i дюдика расчета с- рукту-?! отливок из стабильно-половинчатого чугуна, разработанная в »иссертацик теория базируется на. фундаментальных разработках

Гиббса, «ольиера, К.Б.Букина, А.А.Бочвара, И.Н.Богачёва, D.H.Тарана в области структурообраэования; А.И.Колмогорова, И.Л.Мирхинг в области кинетической теории кристаллизации; работах А.И.Bairaa-ка, Г.Ф.Баландина, И.Г.Гиршовича, О.С.Комарова в области тепловой теории литья; работах Ю.А.Самойлсвича, Г.И.Иванцова, Б.Я.Дхбова, У.А.Тиллера в области математических основ зарождения и ростг кристаллов твердой фазы и новейдях разработках многочисленны? исследователей в перечисленных и смежных областях.

Известно, что половинчатый чугун состой? аз шрлата, графита, лвдебурита. Рассмотрено отдельно формирование структуры А-Г эвтектика и белого ■чугуна.

Разделы процесс кристаллизации легированной шдыз А-Г эвтектики на от,чзльныэ шриоды, исходя из условий роста эвтектических ячеек. В первом периоде начинается рост эвтектических ячеек на готовых центрах- кристаллизации. За счет теплоты кристаллизации прогревается окружающий ячейки расплав. В' момент встреч] фронтов прогрева растущих навстречу ячеек первый период заканчивается. Средня.! температура в начале второго периода мозыт понижаться или расти в зависимости от соотновення скоростей теплоот-вода и кристаллизации. К концу второго периода температура расп лава повыаьется до значений, близких к равновесной температур* кристаллизации. В третьем периоде скорость роста образоваваихс: ранее'ячеек определяется! тейлоотпдом. В момент встречи растуши: навстречу ячеек начинается четвертый период. С завершением эвтек тического превращения четвертый период заканчивается, в пятом пе риоде зат»ерде»ает медистая фаза. С точки зрения применения зако но» теплопередачи U расчету скорости роста эвтектических ячез такая ?аэ<знв<а на периода» по «ргмви т с ранв<» применяемыми боле

К 5

удобна; Создана математическая модель структурообразования.

В первом периоде иэ уравнения теплового баланса находил радиус эвтектической ячейке в любой момент времени

<14) . (15)

-

б^- с*о^осхь отвода тепла от единицы объема, Ь - время, Ьэ -тепхота кр^стафл^зау^и эвтектики, Ь - показатель степени параболы рас^ред^леци!? температуры;

1 2 + з -Аил^ у

И- Д-^ Ь-3 ' Р^ С^ЦоЗ^уЗ, Сд- .

соответственно эффективный коэффициент теплопроводности, учитывающий влияние хедн,плствость и теп^о.ё^кссть расплава. Скорость роста ячейки

7Г <5 4

К концу первого периода обцее количество центров христаяьязацяв «1 = Ко + ШсрЬ (17) ..

где Ко - количество готовых центров кристаллизации, п*ея общая средняя скорость зародашеобраэования; Шер- « пЧср + п'Чср;

а

пЧср - скорость згродыаеобраэованкя в прогретом растущинв ячейками объеме; п'Чср - в остальном непрогретом объеме.

г _ ' Qcn , ,, где £ - -г-> >4 - обьвк прогретого слоя, п*. - удел

fr Р 1 ' .

нвя спорость зарохлеки! при переохла*де«СТ иа' 1°С, Средняя скорость роста ячеек находи >хл (р

^ = = ' . <19.

где XX - радиус ячейке в ксяце первого 5.550«.

удель-

Во втором периоде скорость роста ячейки

с/г ¿IpïpbtTz-T^fTi

где Тэ - температура кристаллизации плоского фронта,- Гц температура иа середине расстояния между двумя растущими ячейа ми.

Скорость зарождения новых центров кристаллизации

2ср

(21)

где у = Тэ - Тц для второго периода; z - текущая координ теплового фронта; s - показатель степени.Для различных сплавов в s взяты 17о методике Г.».Баландина (находятся экспвриментальн п = П* ( А Т )• (22)

Обще« число центров кристаллизации к концу второго период Hi = Но + mcptt + nie» (ti - Ci) (23)

Скорость роста ячеек ^ср определяется из (20). В третьем перис

dt 4 fl г1 La Рэ 1»

Изменение радиуса ячейка во времени находим, интегрируя С

Га \ ■ ■■ ' -—- + СО (25)

11 4 р Ьэ РЭ *

где Со - радиус ячейки » концй второго периода. Можно гать, что третий пэриод характеризуется полной зависимо кристаллизации от скорости тйплосгтьода.

Четвертый период начинаеасй с момента встречи Фрс кристаллизации соседних ячэек и"заканчивается с завершение» тактического лрв»ра!еНИя.

с/г ^ У/г* 4- (Та - Тг) ' -- (26)

Пятый период начинается а момент оконаяня эвтектического реврашения я заканчивается при затвердевании медистой фазы по эаницам зерен. Теплота кристаллизации в тепдоотвод в этом период«

^ (27)

Процесс крясталдязации отливок из легированного медьв белого [угуна также разбивается на отдельные периоды, для каждого из которых составляется уравнение теплового баланса. Первый период на-[инается с момента окончания заливки металла в форму и заканчива-зтся при снижения до Та температуры прилегающего к форме слоя расплава. Начало второго периода - с момента образования в прилегающем х форма сдое расплава кристаллов аустенита, и окончание -с появлением пластин ледебурита. В третьем периоде фронт кристаллизация ледебурита продвигается к центру отливки.

Е четвертом периоде происходит снижение температуры центра в интервале То - Та. Пятый период характеризуется снижением температуры центра огливки в интервале Та - Тм. В весим периода температура центральной части отливки остается неизмеичок я практически равной Тм. В седьмом периоде затвердевает медвстзя фаза. Введем индексация: 1 - расплав; 2 - двухфазная зона расл-лав-аустенит; 3 - трехфазная зона рпсплав-аустенят-эвтехтижа; 4 -твердая корка; 5 - форма; 6 - медистая фаза.

Для первого периода уравнение теплового баланса

едч - асах (28)

где <104 - теплота, которая проводится нарез зону яачаз.а снижения температуры затиекя 'форны То; <1 Оак - иэ>эн»ние теплое о-

дерхаякя слов, в котором температура ниже Та.

, / То - Тп

<18 1 = Л аэф'Ь - Рс^ (29)

Хх

где ^1эф - эффективный коэффициент теплопроводности, учит вий цскорение теплопередачи эа счет конвективных потоков; 1 температура прилегающего к Форме слоя расплава; К - площадь верхности теплообмена; XI - толщина слоя начала снижения темпе туры То. ,

! /г ¿V С<(</Х1 ,£>*>) /у,

ыЛ/ + лЛ/зр

гдесА-коэффициент интенсивности теплопередачи. Из (30) дится путем подстановки Тп = Та, и для известного Хг устал ливается 11.

Еторой период описывается уравнением теплового баланса с)0в = с№э»к + аЗгв 4- <Шх (31)

где - теплота, отводимая формой; <¡¡§28« г

теплосодержания слоя, в котором температур? Та; - т

лота кристаллизации аустоните.

¥ вс. ( Тп - Тов > авв = --—-чг (32)

1 г С т I Хг / у,

1 Т - Те / вв

««1 = Л 1яд>'Ь ---о(= ■ (35) (36>

Хг, - Ха /ръ

где вв - коэффициент тепжо&оф активности формы; Тоа - т< ратура формы перед залиеяой ;Т> относительное количество тв( }>азы джя л;:>'.ой температуры $ »втеррале Та - Тм; ^ г а "У"/ аъ - темп кадсхзлдизэнин; X» находится из <30).

Уравнение теплового баланса для третьего периода dCb = dQi +■ dQaa + dQj лх + dQ< м + dQ«ax (37 )

, dQi расчитываются по (32), (36).

F Pi г c»« /

dQj = dQja + dQ: ак = -'-(Та-Тя)й/ (Xz-Xi ) (38)

h +• 1

L "JC 1

где c»# = ci + -:— ; A Ti = Та - Тм + Д T1з

ДТ2

dQ«M = F U f>i ( 1 - У) dX4 (39)

В четвертой периоде уравнение теплового баланса не язменя-:я (37), но формула для dQi принимает иной вид

dOt = - F j>i ci (Хо-Хг ) dTcp - F ci (To-Tcd) dXj ( 40) Для пятого периода из уравнения теплового баланса (37) иск-¡ается dQi. Уравнение теплового баланса для шестого периода dQs = dQ«p + dCUM + dQ*aK (41)

где dQ»p - теплота кристаллизации равновесных блоков леде-аита в зоне Хо - Хд . В нашем случав dG«P = О.

Уравнение теплового баланса для седьмого периода dQj = dQ«MK + dQ« эйя з 1вера(еиия кристаллизации находится из условия Х«=Хо,

Выведенные вчве зависимости справедливы и для .юловинчатсго руна, где кристаллизация серого чугуна и ледебурита протекает

по сйойм периодам. Половинчатая структура фозмиру-

6 7 -i -<

:я при скоростях охлчждения расплава 1.10 ... 1.10 Вт.м .ч .

tiko цементит в ооыкнованном половинчатом чугуне находится в

де крупных компактных включений. Материал с высокой износостой-

:ти должен соответствсййт'ь принципу Иарпи-Бочпари. Такой мате-

ал возможно получить путйЧ легирования половинчатого чугуна огг-

деленным количеством меда. Процесс затвердевания этого чугун»

энткческом интервале тёмййрвтур МЬхно разделять на пять перио-

в ( рис. 2 >.

Пгриоды кристаллизации

Г\ VI

I

111 ] 1!

Ч I г V

в)

Ш71 л

ГтЪ'1

. Г> ,

ими и *

Тис.С.

первый период, црл тещвр^туре Т„ зарождается пластина лгдабурнтного памвяти-

та (рис.2а).

Второй период. Углерод из аустеяита осах дается на пластину цементита. Пластин растёт. Медь сосредотачивается у дьухфаз ного фронта цементит-аустенит. Концепт рация меди в цементите увеличиваете (рис.26). Третий период.Содержание меди цементите достигает критической для дa^ них условий величины (предела раствор» мости). Рост пластины цементита прерывг ет-ся. Углерод из аустенита начинает осы датьсч на грабите, до тех пор, пока ко! центрация меди в цементите не ураьн' весится (рис.2в). Четвертый период. Ци возобновдявтсй. Пластина цементита нач нает сниБа расти. Но она оказывается р<з далокной предыдущей прослойкой медисто аустенита (рис.2г).Пятый период. Пластм цементита циклически растит в внье с дельных расчленённых частый до заверши! эвтектической реакции в д&ином месте. Г ловикчаткй чугун приобретает уникалы микроструктуру с изолированными обруСк. цекен-'иткых пластин <рис.2д).

В вс;той гдаье излохекы эксп ненгзл^кьт исследования отливок стабильно-половинчатых чугунов. Б частье объекта иссле-.

ваний бы» выбран чугун СЧ20. Наиболее часто применяемыми легиру-ими элементами в чугунах являются хром, никель, медь, алюминий,, либден и в последнее время ванадий. В данной работе 'число изу-нних легирующих элементов ограничено четырьмя: хром -.как наибо-е сильнодействующий к девевый легирующий элемент, медь - по ука-нным вине соображениям, ванадий - как перспективный леги-

ющий элемент и марганец, который пси содержании в чугуне свыше 8-1,02 по мае. существенно влияет на структуру и свойства нетал, действуя аналогично хрому. Чугун плавили в индукционной злект-печи ИСТ - 016, модифицировали силикокальцием я раскисляли ал*>-нием. Исследование зависимости предела прочности при растяжении, ердос-ги НВ, износа, теплопроводности чугуна и стойкости пребсую-х поршней машин литья под давлением из этого чугуна от его хими-ского состава проводили с применением математических методов анировамия экспериментов. Определение предела прочности и твер-1сти производили по общепринятым методикам на стандартном, обычно «меняемом для этих целей оборудовании. Теплопроводность измеряли 1 приборе "Измеритель теплопроводности ИТ - Лямбда - 400", в ко-Фом - использован метод динамического А-калориметра,в интервале

ы

.'мператур 298-573К через каждые 25К. Теплопроводность чугуна вихлялась как среднеарифметическая величина из трех эксперимен-иьных значений. Испытания чугуна на износ проводили на спецчаль->й установке с воззратно-поступательнык движением при трении со (азкой, содержащей абразивные частицы. Из каждой плавки испытыва-I В образцов и определяли среднее значение Извэх. Стойкость зессующих поршней при повышенной температуре Сагэк определи-' 1 путем проведения натурных испытаний на маяйне ЛПД модели 71108. а величину стойкости принимали количестве запрессовок (циклов) ^сплана алюминиевого сплава АЛ4 Или АК7 в прессформу при получе-1И одних и тех же летал.^ • яа одноР прессфсрме до но-

мента начала прорыва расплава из камера прессования. Испытьи не менее пяти поршней из чугуна кахдбй плаакк. Е работе испод: Б^.-ч метод реатгеноспектрального анализа с применением микроан: загора IIAP-1. Локальность зонда 2 мкм. Диффузионные процесс; чугуне исследовали методом ОХЕ-электронной спехтроскслип ОХЕ-микрозснде JAHF-1QS. На установке ИМАШ 20-78 моделиро ппсцесс термоздклиусванип чугуна. Засчитаны математические мо, для параметров оптимизации 'бв, НЕзь, »^агак, Игаак, Csz^k. & в - 205 - 43 - 10 ха - 11 хз г 32 х.л + о ха + 7 хв + 11 Х7 4 ха - 2 Х!Хг - 12 +■ 6 xix« +

(■ С хлш , М17а <42)

НВэо = 2013 - 403 xi -- 153 ха - 53 Ха i 230 X« + 84 -Ли * г 221 Xd . IIP XV 1- 42 -'-в + 2 :ч.й - 63 хххз + + 41 ;.i.u - , MTIa • (43)

iijoi = 25.7 - С. 3 xi - 2,1 Хг - 0,33 Хз - 1,1 ХА +■ 1,3 xs -'- 1,3 Хв ♦ 1,5 Х7 + 0,4 Хе + Xi\2 l,fl xixa + + xix» - 0,3 xüxi , Зт/м К (44)

Кгвэк = 10,3 + 3.0 + С,5 xj - 0,1 Хз - 1,4 Хч - 2,3 ха -

- 3,2 ан + 0,4 х.1 - 0,3 ха - 0,8 xj.xz + 2 хгхэ +

v 3,01 х.х* «• С,2 xsx* , ккв (45)

Свгэк = 7,5 - 1.7 Xi - 0,3 хг f 0,4 >.э * 1,8 х« + 1,4 хь + ■f 0,1 Xu + С,5 X/ <- 0,£■ хв 4 0,1 лил - 0,£ xj.xa + + 0,2 xix« - хах^ , тыс.- цикл. (46)

ГДЬ XI, .^2, Ха, X«, ХЬ, ха» X 7, Хв - CGOTEöT'JTböUHO в t роаан.чом масштабе содержание С. Si, На, Си, V, AI в чу,.'уне i личество црисмдки с^ликолальцил CK 30 с Z по мае. Параметры t мизации с авгоятнс.с-п,1й 95S и доверительными интервалам.) б"в - + 4,Ci2 tfflai д/я kfiao - + 13 1Л1а; длн - j. 0,С Вт/м-К,

- + и,3 м»К, м'1^ Сааз* • +0,25 тыс. цикле;. иписыеан)! ^

шн npoi всс .

Произведена оптимизация химического состава чутуна. Сво^стет нльно-головинчатых чугунов - рис.3. Структурные диаграммы - рис.4.' Свойства стабильно-половинчатых чугунов

3,0 % Си

ЗА. I -6ё, МШ; 2 - НВ; 3 - тещгдщюводность 1 ,Вт/к?С;4-износ И.ым

п» ИВ 1 УУ

450 _ 270 £ 140 1В

- з

400 ^ 260 _ 120 15

350 _ 250 "¡ЯР* 100 12

• ш «

240 5 2 ч . 80 9

300 -

230 _ ; 60 6

250 _

220 _ _ 40 3

200 _ 210 _ 1 _ 20 . 0

150 200 1 1 1 1

0,14 0,12 .0,10 0,08 0 06 0.04

О 1,0

г,0 3,0 4,0 5,0

ЗБ. I - , МЛа; 2 - НВ; 3 - длительность приработки { , ман; 4 - износ М/., мг/см^км; 5 - коэффициент трения 3 |33^40|

Стойкость /долговечность/ прессующих поршней нэ стабильно-голо-атых чутунов цревшает 20 тыс. запрессовок ¡здшпягвого сплава тутуна 0420 - 1,5г2 тнс. аа прессовок/..

Исследовано влияв® мэдя на компактность включений ивтектачзе-I цементита в отливках «б поле винчатнх чу^&З,

СТРУКТУРНЫЕ ДИАГРАММЫ

Си = 1,5 - 2.0 %

Перлит+Ледебурит+Цементит

с»,%

Ржс.4А

:г, %

.751

I

5о|

Разрез по С3=4.0% Термодинамические условия получения СПЧ аец~= 1,05[асо(ц+1)]... 1,19

а„ц*а<= 1,20[асо<^")]

Перлит ■+■ Ледебурит + Цементит

«Г

Пвдееу^Г^

При Си=1.4 - 1,5%

а,4"» 1,1В-1,18

а«""« 1<20_ 1 1д

Перлит Графит

0.75-

80 ЮО

Толщина отливки, мм

80 ЮО

Толщина отливки, мм

Сг, %

I

1 75+ Перлит + Ледебурит Цементит

1.004

0.50

1.05- 1,14 1.18-1.12

Перлит ♦ Графи г

20

во

Рес. 4Б

во 1Р0

Толщина о глгшки, мм

-30В седьмой гла?"> отражено использование результатов исследований в промьааленности. Разработана гамма стабильно-половинчаты: чугунов для отливок ТУ 37-1204-03-92, хорошо работающих на изно< в парах трения в условиях термоциклирования при повышенных темпе ратурах, давлениях до 150 МПа, скоростях до 20 м/с. Чугуны приме няются для отливки гильз цилиндров, коромысел клапанов, поршнеаы колец двигателей внутреннего сгорания, подшиников скольженил. ко килькой оснастки, деталей преесформ на пластмассу, резину прессующих поршней и стаканов камеры прессования машин литья по давлением при литье алюминиевых сплавов и латуней. Отливки и стабильно-половинчатых чугунов и технологии их получения внедрен на Южном машиностроительном заводе (г. Днепропетровск), АО "Крс левецпромарматура", компании "Укринвесткоиверсия" и ряде другт-заводов. Получен существенный фактический экономический эффект подтвержденный актами внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ II РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана теория нового направления в литейном производстве - получения отливок различного назначения из стабильно половинчатых чугунов, обладающих высокими триботехннческимн свойствами.

2.Доказано, что путем комплексного легирования чугуна возможно такое изменении термодинамически« характеристик сплава, которое стабильно обеспечивает получение в отливках половпнча ток структуры с неооль иим количеством разобщенных карбидны.ч вжлюченнй.

3.Используя термодинамические методы, показано, что медь, к ни один из исследованных химических элементов (кремний, 1рганец, хром, ванаднГ по-разному влияет на графитизацию чугу-)в в двух температурных интервалах: при эвтектическом преюра-ении она повышает активность углерода зс и способствует графи-(заиии, а при эвтектоидном превращении - понижает а«, стабилизуя перлитный цементит Причиной этого является электронное ¡аимодействие 3<1-электронов железа и меди, что при повышенных гмпературах приводит к усилению связей углерод - углерод и к овышению склонности чугуна к графитизации. Медь в этих случаях вляется донором валентных электронов железа. При пониженных емпсратурах медь выступает в роли акцептора валентных электро-ов, усиливает взаимодействие железо - углерсд, стабилизируя тем амым цементит перлита,

4 .Легир1'пание чугуна медью сопровождается тремя конкури-ующими процессами; 1) увеличением плотности электронного газа, силеннем металлической связи и соответствующим повышением клонности чугуна к графитизации, 2) переходом части электродов

зоны проводимост-л в валентную зону железа и увеличен«;*! клонности чугуна к карбидообразованию; 3) насыщением электро-1ами .юны проводимости железа и образованием второй зоны прс во-1имости, соответствующей кристаллической решетке леди. При мацах концентрациях меди а чугуне ( до 1,0 - 1,5 % ) преобладает перши процесс, при больших содержгниях меди решившую роль играет 1вг последних процесса, цоцкург рхющих <ежд'. собой.

-325. Развита теория получения стабильно- половинчатых чугунов с достаточным количеством карбидной фазы и характерной островной структурой, отвечающей принципу Щарпи - Бочвара. Это способствует композиционному упрочнению чугунов, повышению их гриботехнических свойств. Сочетание в структуре сплавов мягкой металлической матрицы и разобщенных твердых упрочняющих включений фаз внедрения предает этим сплавом высокие свойства износостойкости и антифрикционностн. Эта теория основана на различном знаке мнкроликвации компонентов - графитизаторов и "актиграфигизатопов" при затвердевании чугуна и на влиянии меди в процессе стру<турообразования.

6 Разработана аналитическая модель зернограничной диффузии меди в твердом растворе железо - медь. Используя метод ОЖЕ -

электронной спектроскопии, показано, что избыточная в твердом растворе медь диффундирует на границы зерен и на поверхность образца. Этот процес усиливается при термоциклированки. Разраоотйид математическая модель зернограничной диффузии челн. Рассмотренные в диссертационной работе режимы работы отливок гю зерногр 1Н.1ЧНОЙ диффузии относятся к кине! ическому режиму типа А.

7.Показано, что просло'оп меаи по границам зерен и на меж-фиккх поверхностях раздела повышает на 40 - 50% теплопроводность чугуна ро всем еги обьеме, а на поверхностях изнашивания или обреботка ре>^щим инструментом они сказыааюг соответствующее антифрикционное возд .-¡¡стане. играя роль твердого смазывающего

материала. При этом возникает известное явление избирательного массолереноса атомов меди на контртело и обратно, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения на 20 -30%, снижением длительности приработки до 40%, уменьшением износа пары трения на 25 - 30% и к резкому улучшению обрабатываемости резанием.

8. На базе объединения тепловой теории литья и кинетической теории кристаллизации создана математическая модель структурооб-разования в отливках из стабильно - половинчатого чугуна. Математическая модель основывается на разбивке всего процесса формирования структуры чугунных стливок на отдельные периоды, в пределах которых остается неизменным характер распределения температур по сечению отливки. Построены структурные диаграммы.

9. Разработан механизм влияния меди иа компактность включений эв!ектического цементита г. стабильно - половинчатых чугунах.

Чугун пр!шбре_тает необычную микроструктуру с изолированными мелкими включениями цементита. Это происходит в связи с прерывистым обогашени.-м медью растущих ае^ентитных пластич ледебурита из-за скопления меди перед фронтом роста карбидной фазы. Пластины цеме'нтита дробятся на изолированные друг от друга фрагменты.

10. Ра)реботано 12 марок чугунов ТУ 37-1204-03-92 " Чугун стабильно - половинчатый для отливок". х'ришо работающих на.износ « парах трения в условиях тсрмоциклнровання при температурах до 650°С, 'давлениях до 150 МПв. скоростях до 20 м/с.

Чугуны применяются для литья деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгоранияt деталей камеры прессова ния машин литья под давлением ( в т.ч. для литья алюминиевы: сплавов, латуней ), подшипников схольжения, деталей металлоформ стеклоформ, кокильной оснастки и др.

Получен существенный фактический экономический эффект, подт верхденкый актами внедрения.

Основное содерхание диссертации опубликовано в работах:

1. Половинчук В.П. Износостойкий стабильно-половинчатый чу гун, используемый при термоциклировзнии // Литейное производство - 1992. - N1. - С.15-16.

2. Половинчук В.П. Износостойкие антифрикционные чугуны / Тез.докл. Международной конф. "Антифрикционные и износостойки чугуны". - Винница: ВПИ - 1992. - С.10.

3. Половинчук В.П. Исследования антифрикционных чугунов применением ОЖЕ-электронной спектроскопии // Там же. С.19.

4. Половинчук В.П. Диффузионные процессы в отливках из лег* рованных медью чугунов // Там же. C.24-2S.

5. Лолозинчук В.П. Структурообразование в медистых чугунг // Там же. С.29.

6. Половинчук В.П. Заливка статopa малогабаритного электрси вигьтеля II Лилейное производство. - 1373. - N9. - С.33.

7. Половинчук В.П. Литье под давлением статора малогабари-ного • электродвигателя // Сборник рационализаторских предложена Информэлектро. Вып.5.- 1974. - С.13-14.

8. Половинчук В.П. Графитосодержашие смазки для литья п давлением алюминиевых солавдп ,'/ Лггтe;í::ce пггкгссдстсс. - 19?;. N2. - С.37-39.

-359. Половинчук В.П. Влияние вязкости смазки для литья под давлением на свойства отливок из алюминиевых сплавов // Литейное производство. - 1976. - ЯЗ. - С.39-40.

10. Половинчук В.П. Влияние вязкости смазки при литье под давлением алюминиевых сплавов // Технология и организация производства. - J877. - N2. - С.46-48. •

11. Половинчук В.П., Клименко В.И. Вязкость.смазки при литье под давлением / Деп. УкрИИИНТИ. - 1984. - Я863. - 7с.

1Z. Жуков Д.Д., Половинчук В.П., Пахнюиий И.О. Термодинамика необратимых процессов графитизацяи чугуна // Тез.докл. II Всесоюзной конференции 'Термодинамика нзобратимых процессов и её применение". - Черновцы: ВСКТО. - 1384. - С.103-104.

13. Жуков A.A., Шзлоьннчук В.П., Клименко В.И. Износостойкий медистый чугун для прессующих поршней мввин литья под давлением // Теэ. докл. Всес. конф. "Износостойкость маиин". - Брянск. ВСЯТО. - 1985. - С.204 - 205.

14. Поювинчук В.П., Хуков A.A. Прессующие порции для маяин литья под давлением из стабильно-полозивчатого чугуна. Икформ-листок Винницкого ЦНТИ. - 1986. - Н08-86. - 4с.

15. Половинчук В.П.. Хуков A.A. Прессующие порвки для маяин литья под давлением из хромоиедистого чугуна // Тез.докл. Всесоюзного секинара "Ускорение научно-технического прогресса в литейном производстве Дальнего Востока". - Комсомольск-на- Амуре, ияд. Хабаровского ЦНТИ. - 1986. - С.23-24.

16. Половинчук Р.р., •■"Хуков A.A., Сильман Г.И. Расчет на ЭВМ изменения активности углерода в чугуне под влиянием легирующих элементов / Дел. УхрЯИИНТИ. - 1986. - .'2124-:'к. - 8с.

17. Хуков A.A., Сильям* 7,1t., Половинчук В.П. Получение легированных стабильно-половинчатых чугунов // Лит« йное произ- -, «одство. - 1987. - R2. - * .

-3618. Половинчух В.П. .Хуков A.A., Клименко В.М. Медистые чугу-ны для прессующих поршней малин литья под давлением // Tea. докл. Всес. конф. "Прогрессивная технология, автоматизация и применение ЭВМ в литейном производстве"..- Алма - Ата. БСНТО. - 198?.

13. Хуков A.A., Половинчук В.П., Савицкий В.В. Применены* медистых чугунов для изготовления пороней мавин ЛПД // Технологи! и организация производства. - 1988. - HI. С.33-34.

20. Половинчук В.П. Износостойкий хромомедистый чугун /, Тез. докл. респ. конф. "Пути- повыяения качества и экономичнсст литейных процессов". - Одесса. ОЦИ. - 1388. - С.34.

21. Хуков A.A., Половинчук В.П..Савицкий В.В. Прессующи порони малин литья под давлением.из экономнолегированного чугун // Сб.Экономия металла при конструировании отливок.- Пенза. ППИ

- îaes. - с лоо-юз.

22. Половинчук В.П. Стабильно-половинчатый чугун для стака нов мавин литья под давлением / Проспект к экспонату на ВДВ УССР. - 1389. - 0,5с.

23. Хуков A.A., Половинчух В.П., Чурков B.C. Влияние меди н теплопроводность, износостойкость и обрабатываемость резанием с« рого чуг/на // Металловедение и термическая обработка металло! 1349. - «4. - С.25-27.

24. П'. л свинчу к 8.П. Хрокадисше чугуны для порцией мзяин Л1 и других деталей, подвергаемых т^рмоциклированив и ипнаииваш //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1338. -N4. С.68.

¿5. килькам Г.И., 1?кой A.A., Полопикчук В.П. 0 графитизир: ющем и кар<5и*остабили >ируювем влиянии меди на структурооб разов, ннв в чугуне // Известия 8?Эов. Черная металлургия. - 1388. - К

- С.10-34.

28. Лоловйкчук S.S. О влияния меди на структуреобразование

свойства чугуна // Тез. докл. конф. "Повышение качества отливок аа счет современны* методов выплавки, легирования". - Брянск. БТИ. - 1880.

27. Половинчук В.П. Износостойкий чугун // Проспект к экспонату на ВДНХ УССР. - 1989. - 1с.

28. Половинчук В.П. Композиционный износостойкий чугун // Проспект к экспонату на ВДНХ СССР. - 1990. - 1с.

29. Хуков A.A., Половинчук В.П., Савицкий П.Д. Экономнолеги-рованный чугун для деталей машин литья под давлением // Литейное производство. - 1990. - НЗ. - С.32.

30. Половинчук В.П., Клименко В.К., Чуркин B.C. Чугун повышенной теплопроводности для цилиндров дизелей с воздушным охлах-дением //Газ. докл. респ. конф. "Пути повышения эффективности на автомашпредприятиях". - Винница. НТО. - 1989. - С.60.

31. Чуркин B.C., Половинчук В.П. Влияние меди на струхт;л>о-обраэование и свойства чугуна // Сб. "Структура и свойства чугуна". АН УССР, ИПЛ. - Киев. - 1989. - С.28-34.

32. Хуков A.A., Половинчух В.П., Савицкий*В.В. Медистый чугун для деталей, работающих при термоцихлических нагрузках // Сб. Прогрессивные техьолсгические процессы в литейном производстве. ОмПИ. - 1889. - С.61-63.

33. Polowirchuk V.P., Zhukov A.A. lhe effect, of copper on the tribotechnical properties of cast iron under the thernocy- cling conditions // Proceedings of the 57th World Foundry Congress. Osaka /Japan/. - 1990. - 2j>.

34. Половинчук Т.П., Жуков A.A., Чуркин B.C. Структурообра-зование в конструкционных низколегированных '.у гун ах // Литейное производство. - 1990. - Н8. - C.Z.

35. Половинчук В.П. Анти'лрикционгай с габильно-лолоштнчагый чугун // Проспект к экспонату на ВДНХ 70СР. - 1990.

3S. Хуков A.A., Половинчук Б.П., Чуркин B.C. О структурос ра^эваяии в конструкционных низколегированных медью чугунах Т-'~. докл.Всес. конФ."Новые высокопроизводительные процессы, а: du и оборудование s литейном, производстве. - Минск,ВСНТС.- It

27. Половинчу:: Е.П., Янчеякс A.B. Чугуны поваленной i не состой к остр; для. деталей, работающих в условиях тер.юдикличес! нагрузок // Тез. докл. респ. конф."Пути экологического ооеспе> ння работы автотранспорта". - Винница. ВПИ. - 1330. - С.85.

38. Полоаинчук В.П., ' Янченко А.Б., Жуков A.A. Новые анх; ри^цизнны? износостойкие чугупы // Тез. докл. реся.конф. и-ккыг; методи термической обработки деталей ьашин и инструш -70L" . - Т&п.чант . ÍH' j . - 1GSG . - С.45-47.

33. Зу.ов Л.Д., Подослнчул Б.П., Важукол! ¿i.A. Об основал oprivi граф'-.'си//' ¿¡¿ь. ЛИ Металлы. - 1531. - ÍÍ3.

■10. "ОЛОЬИН Ч/К Б.71. ¡13 СТЛС.ИЛиН0-Г:0

s;iav. того чугуьд /Д^п .тиито'.'аьт^ -альнащ. М. : - 133

41. A.c. 1565563 СССР. Чугун / Зуко!. A.A., Яолозиичук В,Г ЕахнвщмЛ I'-Э. .Еанторэаич Е.И., лкугмн H.H. // £11 - 1331.- t' Zí

42. ?olcw ini.huk V".?. Wear - rcsiótint Stable -not tied С; ron used in CofiiJ j tiofir iavol. 1 ng Tjjt-'rajal Cylin^. / Cuül íí^cí

- 1331. .- /4 . К í . f. 23-24.

43. Полоькнч/к З.П.,Жуков Л.А , Саькцкии B.C., A^hj' А.Г. Патент СССГ на И'У jGt.e"'u;r..<j ""yryu" \ Гоаонко паты>' зкег.ерт;:^;; от е.03.31 Н 4.1103Г" (С2/С;3723).

•II. Яодогинчук i .П. uutb'}p<fict¿t J» щя т<гллустс'йкио tyryiw

Зрооп.4кт к 5Х¿покату и* ВДНХ '.'СО?. - 1331. - 1с.

43. Псхоьл^чук В.П., В.В. , Т-ук^в A.A.,

I'-.U. , B.C. Л П^г^-нт л^оо^стинлу "Чугун ' С¿.а.

гентной экспертизы or 1Б.10.91 N4S4380E (02/043В32).

46. Половинчук В.П. Антифрикционные композиционные чугуна роспект к экспонату на ЕДНХ Украины. - 1SS2. - 1с.

47. Половинчук B.C., Хуков i.A., Чуркин B.C. Износостойкие тифрикционные хромомедистке чугуны //Таз.докл. Зсьс.конф. "йэ-состойхосгь машин". - Брянск. ВСНТО. - 1991.' - 4.1. - C.7S.

45. Жуков A.A., Половинчук E.H. Иедь в низколегированных с&-X чугунах // МиТОИ. - 1S32. - »5. - С.43-44.

43. Хуков A.A., Пилсвинчук Б.П.', Осадчук А.К. Превращены* ь м&нтите £ зоне его контакта с зеле.,истыми фазами // НиТОИ. 3S2. - К12. - С.2-3.' '

50. Полоьикчук В.П. , Хукеъ A.A.,' Чуркин B.C. Износостойкие тифрикционные хромомедистые чугуны // Изв.вуэоЕ. Черная метал-pj ия. - 1D33. - 114. - С.30-31.

51. A.c. 17SS173 СССР. Чугун / Хуков A.A., Полоелнчук В.П., .видкий Б.В., Афанаскин A.B. // БИ --13?3.- N1.

52. Поло1;:очук В.П., Дукоь A.A. Композиционные ан гифрикцион-

*

ie чугуны ,•/ ■ juöccu' литьа. - Киеь. - i-93. - Hl. C.S4-3E.

вз. A.c. lo034öC CC.P. Чугун / Савицкий B.B. , Жуков ¿.А., ¡довинчу к В. П., Соричкин В. П., Тимокин B.C.// БИ - 1SS3.- НИ.

54. К 'уСрак Е.В. , Чуркин B.C., Поюви.ччук В.П. Детали двига-5Лей внутреннего сгорания из антифрикционных низколегированных ivyaoi // Тез.докл. Меьд. конф. "Антифрикционные и износостой!ие ,tihu". Ви-шица. БПН. - 1932. - С.10.

55. Полсвинчук В.Г., Пахнющий И.О. Трибстехиические, механи-гские и ллтейкые свойства хромомедистых 1угунсз // Там хе.С.37.

5?.. Боловинчух В.П., Осадчук A.D. ТУ 37-12С4-С^~92. Чугун ^ильно-полоэинчатый для огливоч. - ВннгагдаЛШ, - 19Э8. - 7с.

57. Яолевинчук B.1L Сгруктурн» дпш рам ш я сво1г,-?вз ста~ гьно-тлойянчатых чугунов //вестник Ы-И. - Вн^тгз. - -» С*75-81» ■ *