автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Развитие теоретических основ и технологических способов рационального структурирования графитизированных чугунов

На правах рукописи

МАКАРЕНКО КОНСТАНТИН ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ РАЦИОНАЛЬНОГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

. __ ч Нижний Новгород-2014

005556120

4 Ш 2014

005556120

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (БГТГГА)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Сильман Григорий Ильич

Официальные оппоненты:

Крапошин Валентин Сидорович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (г. Москва), профессор

Андреев Валерий Вячеславович, доктор технических наук, ГНЦ РФ ОАО "Научно-производственное объединение «ЦНИИТМАШ» (г. Москва), главный научный сотрудник

Костылева Людмила Венедиктовна, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» (г. Волгоград), профессор

Ведущая организация: ГНЦ РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина» (г. Москва).

Защита состоится 6 февраля 2015 г. в 13.00 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»: www.nntu.ru/sites/default/files/file/dissertacii/2014/inakarenko k_v.pdf.

Автореферат разослан 27 ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ульянов Владимир Андреевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Рост качества и обусловленное технологическим развитием постоянное увеличение мощности и ресурса продукции машиностроения требуют от производителя разработки новых материалов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Снизить отрицательное влияние включений графитовой фазы, как концентраторов напряжений, можно путем уменьшения их размеров и более равномерного распределения в объеме металлической матрицы. Изменяя форму графитовых включений, их распределение и количество, в сочетании с рациональным структурированием металлической матрицы, можно эффективно управлять свойствами чугунов.

Другим важнейшим направлением является разработка новых технологических методов в сочетании с рациональным легированием для создания композиционных оболочек вокруг включений графитовой фазы. При таком подходе удается, за счет использования методов рационального структурирования, нивелировать роль графитовых включений как концентраторов напряжений в чугуне. Исследования в этой области открывают широкие перспективы для получения изделий из рационально структурированных графитизиро-ванных чугунов, которые могут достойно конкурировать с конструкционными сталями.

Широкое внедрение современных систем для компьютерного анализа структур материалов диктует новые требования к способам математического описания строения чугуна. Таким образом, в рамках нового подхода актуальной является задача разработки нового метода, основанного на современных геометрических принципах для описания структурных параметров графитовой фазы в чугунах.

Большое разнообразие фаз и структурных составляющих металлической основы чугунов позволяет получать структуры с различной морфологией, обеспечивающей широкий диапазон механических и эксплуатационных характеристик. Одновременное сочетание в структуре половинчатого чугуна цементита и графш-а позволяет использовать преимущества каждой из фаз с целью обеспечения высоких свойств в изделиях. Особый интерес, в рамках данной работы, представляет изучение процессов структурообразования половинчатых чугунов при кристаллизации и превращений, происходящих в твердом состоянии.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в изучение процессов структурообразования графитизированных чугунов внесли работы H.H. Александрова, В.В. Андреева, ЮГ. Бобро, К.П. Бунина, М.В. Волощенко, И.В. Гаврилина, Н.Г. Гиршовича, A.A. Горшкова, И.С. Григорьева, A.A. Жукова, Д.П. Иванова, Л.И. Леви, А.П. Любченко, Е.В. Ковалевича, О.С. Комарова, Е.И. Маруковича, Б.С. Мильмана, И.Г. Неижко, И.В. Салли, Г.И. Сильмана, Р.Л. Снежного, О.В. Соценко, В.Ю. Стеценко, Ю.Н. Таран-Жовнира, Д.Н. Худокор-мова, A.B. Черновола, M. Hillert, H. Morrogh, J.M. Motz, A. De Sy, T. Skaland, D. M. Stefanescu, S.W. Williams, R. Wlodawer и многих других.

/

Повышение уровня свойств изделий из чугунов возможно за счет улучшения структурных композиций при использовании новых структурных эффектов. Оптимизация размерно-топологических характеристик структуры графитизиро-ванных чугунов, усиленная новыми структурными эффектами, может обеспечить более высокий уровень свойств этой группе Бе-С сплавов.

Процессами структурообразования можно эффективно управлять на этапе затвердевания за счет рационального выбора химического состава и использования разнообразных методов внепечной обработки расплава. Термическая обработка изделий позволяет получать заданную структуру металлической матрицы при управлении фазовыми превращениями с учетом особенностей первоначального структурного состояния чугуна. Выбор оптимального сочетания параметров этих процессов позволяет производить изделия из графитизи-рованного чугуна, по свойствам и технологичности превосходящие стальные.

Целью работы является изучение структурообразования и разработка способов рационального структурирования графитизированных чугунов для получения изделий с высоким уровнем механических и эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать систему взаимосвязи технологических способов с процессами структурообразования чугунов.

2. Провести исследования особенностей формирования графитовой фазы и металлической матрицы в чугунах.

3. Разработать новые способы управления процессами структурообразования для получения изделий из чугунов с заданным уровнем свойств.

4. Оценить влияние различных методов воздействия на расплав для управления структурными характеристиками графитовой фазы в чугунах и разработать методы контролируемого изменения ее размерно-топологических параметров.

5. Разработать методику математического описания размерно-топологических параметров графитовой фазы в чугунах, при согласовании ее с действующим ГОСТ 3443-87.

6. Исследовать механизм формирования бейнитных структур в чугунах с шаровидным графитом и разработать новые технологические процессы получения таких структур в изделиях.

7. Исследовать структурные особенности легированных половинчатых чугунов с целью установления взаимосвязи между строением расплава, процессами эвтектической кристаллизации и струюурообразованием в твердом состоянии.

8. Проверить, внедрить и использовать результаты диссертационной работы в производстве изделий из графитизированных чугунов.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. На основаншг теории кластер-кластерной агрегации вещества разработан механизм кристаллизации чугуна с шаровидным графитом, позволяющий объяснить особенности распределения графитовых включений и явления, сопровождающие этот процесс.

2. Предложен метод математического расчета размерно-топологических характеристик графитовой фазы в чугунах, основанный на использовании методов фрактальной геометрии.

3. Предложена новая концепция модифицирования, направленная на измельчение графитовой фазы, она основана на усилении процесс;! зародышеобразования за счет суммарного воздействия на расплав ряда физических явлений и технологических методов.

4. Выявлены новые структурные эффекты, базирующиеся на особенностях строения графитизированных чугунов и ликвации отдельных легирующих элементов, позволяющие создавать композиционные оболочки вокруг включений графитовой фазы с целью повышения свойств.

5. Разработаны теоретические основы, объясняющие особенности формирования двухфазной аустенигно-карбидной структуры при распаде пересыщенного аусте-нита в половинчатых чугунах.

6. Определены основные отличительные особенности формирования бейнитных структур в высокопрочных чугунах.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработан способ получения различных структур металлической матрицы в чугунах непосредственно из литого состояния. Способ основан на использовании методов контролируемого охлаждения. На изобретение получен патент РФ №2196835.

2. На основании положений механики неоднородных сред разработана методика компьютерного моделирования и оптимизации структуры чугуна. Методика была использована для совершенствования технологического процесса, обеспечивающего повышение прочностных свойств во втулках дизелей из чугунов с шаровидным графитом, производимых ранее ОАО «БМЗ».

3. Разработан метод идентификации формы и других параметров графитовой фазы, основанный на фрактальном анализе изображений микроструктур чугунов. Метод был использован для анализа изображений чугунов различных по структуре и показал хорошую адекватность результатов.

4. Разработана упрощенная технология термической обработки, которая обеспечивает получение в низколегированном высокопрочном чугуне бейнитных структур. Способ основан на использовании эффекта, выявленного в ходе диссертационных исследований. Он проявляется в повышении устойчивости ау-стенита в области эвтектоидного распада при высоких температурах аустенити-зации изделий из высокопрочного чугуна. На изобретение получен патент РФ №2449043.

5. Разработан способ получения чугуна со структурой, состоящей из дисперсных графитовых включений сферической формы и аустенитно-ферритной матрицы. Способ основан на использовании рационального легирования и термоциклической обработки. Получаемая структура обеспечивает изделиям из чугуна высокие значения пластичности и ударной вязкости при сравнительно высокой прочности. На изобретение получен патент РФ №2415949.

6. Разработан способ получения половинчатых чугунов с шаровидным графитом и аусферритной металлической матрицей непосредственно из ли-

того состояния за счет использования при изотермической закалке тепла затвердевших заготовок (патент РФ № 2250268). Структура чугуна, получаемая в результате применения разработанного способа, обеспечивает изделиям высокие прочностные и износостойкие свойства, что позволяет им успешно конкурировать с лучшими зарубежными аналогами.

7. Создана технология «синергетического» модифицирования для измельчения графитовой фазы в чугунах. Технология основана на усилении инокули-рующей способности за счет создания определенных условий в момент, предшествующий образованию графитовой фазы. На изобретение получен патент РФ №2402617. Использование данной технологии при производстве маслотных заготовок из чугуна марки А-ВПЧ-ХНММ позволило повысить упругость колец на 13%, эксплуатационную стойкость на 17 % и значительно снизить уровень брака по причине структурного несоответствия требованиям ТИ 78.005-87И. Внедрение технологии модифицирования при производстве маслот из легированного серого чугуна марки А-ХМ обеспечило повышение упругости колец на 10 %, стойкости на 15 %, и способствовало снижению уровня брака по причине структурного несоответствия ТИ 78.00887 на 35 %. Экономический эффект от внедрения данной технологии на предприятии составил 15 млн. 320 тыс. руб.

8. На ОАО «Клинцовский завод поршневых колец» были внедрены операции термической обработки (нормализация и изотермическая закалка) поршневых колец из высокопрочного легированного чугуна марки А-ВПЧ-ХНММ. Использование данной технологии позволило повысить упругость на 13 %, износостойкость материала колец в 1,5 раза. Экономический эффект от внедрения термической обработки составляет 1 млн. 130 тыс. руб.

Методология и методы исследования. Способы рационального структурирования графитизированных чугунов базируются на системном анализе процессов структурообразования, протекающих на различных масштабных уровнях. Для системного анализа были применены различные методы, основанные на математико-логистических, алгоритмических, детерминированно-вероятностных, статистических методах и теории графов.

Для изучения структуры чуг-унов использовали методы оптической и электронной микроскопии, в том числе способы компьютерного анализа изображений. Химический состав сплавов определяли как традиционными титри-метрическими и спектральными методами, так и микрорентгеноспектральным анализом. Механические свойства чугунов определяли на сертифицированном оборудовании в специализированных лабораториях.

Исследования проводились в лабораториях следующих предприятий и организаций: ОАО «УК «БМЗ»; ОАО «ПО «Бежицкая сталь»; ОАО «Коломенский завод»; ОАО «КЗПК»; ЗАО «Термотрон-завод»; ЗАО «Балаково-Центролит»; ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Автор благодарит всех и выражает глубокую признательность за помощь в проведении исследовательских работ.

Положения, выносимые на защиту: 1. Методика рационального структурирования графитизированных чугунов, предназначенная для получения требуемого уровня свойств в изделиях, осно-

ванная на положениях механики структурно неоднородных тел и представлении о структуре сплава как о неоднородном материале, где каждая структурная составляющая и фаза обладает индивидуальными физико-механическими свойствами.

2. Модели процессов структурообразования в чугунах, основанные на анализе морфологических особенностей распределения отдельных структурных составляющих и фаз сплавов.

3. Способы идентификации и математического описания размерно-топологических характеристик графитовой фазы в чугунах.

4. Технологии управления процессами структурообразования в графитизиро-ванных чугунах, базирующиеся на рациональном сочетании термической обработки, методов воздействия на расплав и комбинировании этих операций.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и постановки задач исследования, анализе литературных данных, проведении экспериментальных работ и обработке полученных результатов, разработке теоретических положений и моделей процессов структурообразования в графитнзиро-ванных чугунах, создании новых методик определения параметров графитовой фазы, разработке новых способов получения изделий из чугунов с заданными свойствами, что подтверждено соответствующими патентами на изобретения, а также во внедрении новых технологий в производство.

Степень достоверности подтверждается многочисленными экспериментальными и опытно-промышленными работами, которые проводились с использованием апробированных методик и современных способов исследования, их сходимостью и повторяемостью в производственных условиях, а также согласованностью полученных результатов с работами ведущих отечественных и зарубежных исследователей

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); Международной научно-технической конференции «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение» (Брянск, 2003); V, VIII и IX Съездах литейщиков России (Москва, 2001; Ростов-на-Дону, 2007; Уфа, 2009); Международной научно-технической конференции «Современные технологии и материаловедение» (Магнитогорск, 2003); Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007); X Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2010); II Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (Новокузнецк, 2012).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 69 печатных работах. Основные результаты работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК, всего 31 публикация. По теме диссертации издано 2 монографии и глава в

сборнике монографических работ. На основании исследований, проведенных по теме диссертации, разработано и получено 6 патентов на изобретение.

Структура и обьем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов, заключения, списка литературы и приложений (акты внедрения). Диссертация изложена на 329 страницах, содержит 106 рисунков, 27 таблиц и 414 ссылок на литературные источники.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введении обоснована актуальность темы диссертации, отмечена научная новизна, представлены основные положения, выносимые на защиту, показана научная и практическая значимость результатов работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопроса структурирования графитизированных чугунов и рассмотрению основных этапов развития теоретических основ в этой области.

Проанализированы результаты работ в областях изучения процессов структурообразования при кристаллизации и в твердом состоянии. Рассмотрены вопросы исследования процессов графитообразования и особенности формирования эвтектических композиций в чугунах. В рамках данного вопроса рассмотрены многочисленные гипотезы и теории, связанные с исследованиями строения жидких расплавов чугунов.

Для графитизированных чугунов проблема описания строения расплавов остается актуальна в настоящее время по ряду причин. Во-первых, в чугунах сильно проявляются так называемые «наследственные» свойства, которые не могут быть устранены даже при длительной термовременной обработке. Во-вторых, задача разработки единой теории модифицирования чугунов остается до настоящего времени полностью нерешенной. Основная причина - отсутствие четкого представления о явлениях, происходящих в момент ввода модификатора в расплав и механизмах действия компонентов модификатора на графитообразование. В-третьих, отсутствуют единые подходы к рассмотрению процесса графитизации, которые могли бы объяснить многообразие форм графитовых включений и особенности распределения графитовой фазы в структуре чугуна. В-четвертых, так как чугуны являются эвтектическими сплавами, то жидкое состояние расплава должно объяснять особенности строения эвтектических композиций и их широкое разнообразие в чугунах. К сожалению, в настоящий момент, отсутствует модель строения жидких Бе-С расплавов, которая позволила бы дать однозначные ответы на перечисленные вопросы.

Как следствие, отсутствие единой теории кристаллизации графита в чугуне не позволяет объяснить ориенташюнной закономерности расположения графитовых включений в структуре. Исходя из анализа исследований, проведенных в данных направлениях, напрашивается естественный путь решения обозначенных задач. Огветы на эти вопросы следует искать при изучении особенностей распределения графитовой фазы.

Другое направление - рациональное структурирование металлической матрицы чугунов. Изучены подходы к решению задач управления структурооб-разованием в твердом состоянии, с целью обеспечения в изделиях требуемого уровня свойств. Систематизированы данные по оценке влияния различных металлических матриц на механические и эксплуатационные свойства изделий из графитизированных чугунов.

На основании анализа основных вопросов, связанных с тематикой диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава освещает вопросы, связанные с систематизацией факторов воздействия на процессы структурообразования и разработкой общих подходов к проблеме их управления и контроля. Рациональный выбор структуры графитизированных чугунов при производстве конкретных изделий обеспечивается оптимизацией сочетания структурных компонентов сплава.

Для решения задачи управления процессами структурообразования в графитизированных чугунах были использованы подходы теории систем. Предлагаемая модель управляемого производства изделий из графитизированных чугунов была построена на основе системного анализа технологического процесса производства.

В рамках исследований была разработана системная модель, с условным названием «Чугун». Входами в систему является химический состав (X,), который в значительной степени предопределяет дальнейшее развитие процессов структурообразования. К выходам (1у) относятся всевозможные сочетания конечных структур, которые могут бьгть получены в чугунах У; еК На изменение взаггмосвязи между входными и выходными параметрами оказывают влияние управляющие (А4) и неконтролируемые (IIе) факторы. Так как рассматриваемая система является динамической, то уравнение взаимосвязи имеет следующий вид:

Г/т) = Г[Х,(г).МДг),^(г),г], (1)

где т- время.

Зависимость позволяет, руководствуясь информацией о влиянии входных параметров Х„ Л4, иг, разрабатывать эффективные стратегии управления выходами системы Ур т.е. получением конечных структур в чугунах.

Для описания внутренних процессов, происходящих в системе «Чугун», используется функция, которая характеризует внутреннее состояние системы в определенный момент времени Р(т). Она определяет закономерность происходящих событий в процессах структурообразования.

С позиции оценки внутренних процессов, протекающих в системе, они описывают изменение структуры под воздействием различных факторов Х„ М^ ие и характеризуются фазовым составом а также размерно-

топологическими параметрами структуры чугуна А:

р(т)=/[^ялва г]. (2)

«Вазовый состав представлен синтезом различных фаз, которые присутствуют в определенный момент времени в чугуне. Размерно-топологический фактор А определяется следующими характеристиками: ха-

рактером взаимопроникновения фаз; относительным объемом; формой фаз; степенью их дисперсности; и т.д.

При таком подходе струкгурообразование рассматривается как последовательное изменение состояний в системе «Чугун»:

Р(т)->Дг+г)...->ДгД (3)

где Тк - конечный момент времени, определяющий формирование заданных структур.

С позиции разработки эффективной стратегии рационального структурирования необходимо, чтобы каждое последующее движение приближало систему к первоначально заданной конечной структуре У(ц):

ШпР(г) = У(г*). (4)

Оптимизация конечной структуры У(т^) в момент ввода изделия в эксплуатацию производится в соответствии с определенными критериями по схеме:

7(^)-мгахо?, (5)

где а, - критерий оптимизации, характеризующий конкретное физико-механическое, технологическое или эксплуатационное свойство.

В случае многокритериальной оптимизации выражение (5) примет

вид:

У(тк) -> тахсг,,тт^... (б)

Для изучения влияния на процессы структурообразования различных факторов и оптимизации технологии получения изделий из высокопрочного чугуна, в соответствии с разработанной методикой, было произведено рациональное структурирование детали «Втулка», ранее выпускаемой ОАО «БМЗ». Для оценки влияния химического состава высокопрочного чугуна и термокинетических параметров разработана структурная номограмма. При использовании статистических методов получена зависимость влияния структурных составляющих на твердость чугуна. Функциональная зависимость послужила основанием для разработки номограммы определения твердости изделий из высокопрочного чугуна.

Третья глава посвящена изучению пространственного распределения графита с целью определения основных факторов, влияющих на процессы формирования графитовой составляющей чугунов. Такое исследование позволило получить более полное представление о явлениях, сопровождающих процессы кристаллизации высокопрочных чугунов с шаровидным графитом.

Исследования пространственного распределения графитовых включений в высокопрочном чугуне проводили с использованием методов стереоскопической металлографии. Для получения представления об объемном расположении графитной фазы производили послойную механическую полировку. Обработку полученных изображений микроструктуры проводили с помощью программы 1та§е1 1.38х. Результаты компьютерной обработки микроструктуры представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Пространственное распределение графитовых включений в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом

Результаты анализа в виде проекций изолиний графитовых включений показаны на рисунке 2, а и б.

Рисунок 2. Послойное распределение графитовых включений с выделением ориентированных цепочек: а -слой состоит из 10 изображений; 5- слой из 8 изображений

Структуры геометрически-ориентированных цепочек графитовых включений, образующиеся в процессе кристаллизации высокопрочного чугуна, фактически являются фрактальными кластерами, которые могут быть описаны с помощью модели CCA (Cluster - Cluster Aggregation). Исходными частицами для формирования в расплаве чугуна кластерных агрегатов являются эвтектические ячейки, состоящие из графитового включения, расположенного в центре, и покрытого аустенитной оболочкой. Соприкосновение отдельных ячеек при кристаллизации чугуна происходит через аустенитные оболочки, в результате которого ячейки привариваются друг к другу. С целью выявления основных геометрических параметров получающихся в процессе кристаллизации чугуна агрегатов, состоящих из эвтектических ячеек, был проведен фрактальный анализ изображений микроструктуры высокопрочного чугуна.

При подготовке изображения реальной микроструктуры высокопрочного чугуна к компьютерному анализу графитовые включения были заменены расчетными эвтектическими ячейками. Для анализа распределения эвтектических ячеек в структуре высокопрочного чугуна был использован алгоритм определения фрактальных размерностей по методу сеток, при котором изображение агрегата разбивается сеткой на ячейки заданных размеров (рисунок 3, а). Сканирование изображения агрегата осуществляется за ограниченное количество циклов, при этом на каждом последующем цикле размеры ячеек сетки увеличиваются (рисунок 3, б).

а) б)

Рисунок 3. Результаты отдельных циклов сканирования изучаемого агрегата сеткой с ячейками различных размеров: а, б- размер сетки ячеек 10 и 14 пикселей соответственно

Фрактальная размерность анализируемого бинарного изображения агрегата вычисляется по формуле:

г» г {nNs

D = lim-n\

s-^0 In £

где s - размер ячейки сетки, Ne - количество ячеек размера s, содержащих пиксели изображения агрегата. Раз- ; v мер ячейки (е) определяется как отношение площади ячейки к общей площади изображения.

На рисунке 4 представлена графическая зависимость (-Ins) -libVa полученная на основании расчетных данных фрактального анализа распределения эвтектических ячеек в структуре высокопрочного чугуна. Построенная линия регрессии соответствует 012 3 4 5 6 -¡,;е линейному уравнению: Рисунок 4. Зависимость (-Ine) - 1пА'й предназна-

]дДГ __J 79 In £4-0 33 \ ченная для определения фрактальной размерно-

сти изображения

Коэффициент детерминации г2 равен 0,99.

Коэффициент при предикторе (-Ins) определяет фрактальную размерность для заданного положения сетки изображения {Dp= 1,79).

Фрактальная размерность изображения Dp, рассчитанная как среднее значение для четырех различных начальных положений сеток, равна 1,75. Данное значение фрактальной размерности соответствует ССА - модели кластера, образующегося при ассоциации частиц в трехмерном пространстве.

В соответствии с выбранной моделью агрегации затвердевание высокопрочного чугуна можно представить как многоэтапный процесс возникновения фрактального агрегата (рисунке 5). На первом этапе эвтектической кристаллизации в расплаве образуются первичные фазы: включения графита и кластеры ау-стенита, которые агрегатируют в эвтектические ячейки. При взаимном касании эвтектических ячеек аустенитными оболочками происходит их приваривание. В результате ассоциации цепочек эвтектических ячеек образуются кластерные агрегаты. Заключительный этап кристаллизации чугуна - переход от фрактального агрегата к перколяционному. Применительно к процессу затвердевания чугуна на этом этапе происходит перетекание маточного расплава в межкластерном пространстве, возникшем при образовании фрактального агрегата.

Рисунок 5. Этапы формирования структуры высокопрочного чугуна при затвердевании: а - возникновение кластеров из эвтектических ячеек и аустенита; б - фрактальная агрегация первичных кластеров; в - переход к перколяционному кластер)'; г - микроструктура в образце из высокопрочного чугуна

Особенностью чугунов является возможность формирования их эвтектической структуры в двух системах: с графитом и цементитом. Такие расплавы могут быть в определенных температурных условиях самопроизвольно диспергирующимися с наличием твердофазных кластеров, соответствующих фазам эвтектик, и возможностью их последующей агрегации. В результате агрегации образуются эвтектические кластерные комплексы, играющие роль зародышей в процессе последующей кристаллизации расплава. В чугунах эти кластерные агрегаты могут быть как двухфазными (у+Г или у+Ц), так и трехфазными (у+Г+Ц, где фазы у, Г и Ц представляют собой аустенит, графит и цементит соответственно). Участок диаграммы состояния Ре-С приведен для обоснования положения составов ¿т, ¿г и Ьц на энергетической кривой при микрорасслоении расплава (рисунок 6).

температуре /] (а) и энергетическая схема формирования кластерных группировок всех эвтектических фаз в этой системе (б): у, Г и Ц - аустенит, графит и цементит соответственно, Ьг, ¿г и ¿ц - равновесные с соответствующими фазами эвтектик участки расплава 1гри температуре Сг и Сц соответствуют химическим составам эвтектик у+Г и у+Ц

В половинчатых чугунах при образовании графитово-аустенитной эвтектической ячейки возможно аномальное отклонение в процессе образования сплошной аустенитной оболочки, при котором часть сектора оболочки, на этапе

ее образования, около графитовой фазы заменяется цеменгитным кластером. Таким образом, фактически наблюдается на этой стадии образование трехфазного зародыша. Последующий рост приводит к возникновению структуры, в которой цементитный конус врастает в сфероид графита (рисунок 7).

Рисунок 7. Схема, объясняющая механизм врастания цементита в графитовые включения (последнее изображение - реально наблюдаемое внедрение цементитного конуса в графитовое включение (травление 4-% спиртовым раствором пикриновой кислоты), х500)

Одновременная кристаллизация из жидкого расплава цементита и графита возможна в условиях сравнительно больших переохлаждений При значительном переохлаждении, обуславливающем выделение дендритов аустенита состава уь которые фактически представляют собой «первичный» аустенит, наблюдается формирование перитектической смеси цементита и графита.

В заключении данной главы продемонстрированы результаты микроструктурных и рентгенографических исследований различных типов чугунов, полученных в ходе экспериментальных работ, подтверждающие предложенные теоретические представления.

Четвертая глава представляет результаты исследований в области изучения геометрических параметров графитовой фазы, их влияния на механические свойства чугунов и технологических способов управления этими параметрами.

Широкое внедрение систем компьютерного анализа для контроля структур материалов диктует новые требования к разработке способов, основанных на математическом описании фазового строения сплавов. В работе используется методика фрактального анализа изображений для определения морфологических параметров графитовой фазы, которые не могут быть численно определены стандартными методами. К таким параметрам относятся распределение и форма графитовых включений.

Диапазон фрактальных размерностей был разделен в соответствии со шкалами ГОСТ 3443-87 на пять ступеней «компактности» графита. Первая ступень [1,0... 1,09] отвечает пластинчатой игольчатой форме графита (ПГфЗ); вторая [1,1... 1,29] - пластинчатой прямолинейной (ПГф1); третья [1,3... 1,49] -пластинчатой завихренной (ПГф2) и гнездообразной (ПГф4), а также вермику-лярной извилистой (ВГф2); четвертая [1,5... 1,69] - вермикулярной узелковой (ВГфГ) и утолщенной (ВГфЗ), а также структуре ковкого чугуна - нитевидной (КГф1) и хлопьевидной (КГф2); последняя пятая ступень [1,7... 1,9] включает компактную форму включений ковкого чугуна (КГфЗ) и всю шкалу, относя-

щуюся к чугуну с шаровидным графитом (ШГф1...ШГф5). Для упрощения идентификации графитовых включений была использована цветовая шкала, на которой отдельным ступеням фрактальных размерностей формы включений были присвоены свои цвета. Фрактальная размерность отдельных графитовых включений определяется в соответствии с формулой, аналогичной (7).

Примеры использования фрактального анализа для идентификации графитовых включений в чугунах различных марок представлены на рисунке 8.

* /V ург V; v и*. .

г* Г^ V А ^ ♦ • ' .

- > x К ,i д с * * ** -* * .

•т. * » f* • •

::* л _ ..м* <*> А ч

б;

*.••*•• . . * . •»

-л»V

-ir*--k*'«I i, ?чв--и-в)

Dp

I и

1Лл

Рисунок 8. Примеры идентификации графитовых включений в образцах, х 100: а - се/ 5 рый чугун; б - ковкий чугун; в - чугун с вер-микулярным графитом; г - высокопрочный I - чугун; (дополнение: д - цветовая идентификационная шкала компактности)

4,9 д)

Помимо формы графитовых включений при компьютерном анализе можно численно определить параметры, характеризующие количество, размер и распределение графитовой фазы в чухнах.

Количество графитовой фазы в чугуне вычисляется из соотношения количества пикселей (Сф), которые характеризуют содержание графитовой фазы, наблюдаемой в плоскости шлифа, к общему количеству пикселей изображения (Сиз):

С

Я =_^100%.

* С.„

(9)

Размер графитовых включений оценивается по отношению суммы площади графитовых включений (Р,) к общему числу включений (и), сегментированных на изображении микроструктуры:

A --ÉL ^ _ „

(10)

Уравнение позволяет вычислить среднюю площадь графитовых включений.

Для оценки распределения графитовых включений используется лакунарность, которая характеризует неоднородность заполнения изображения пикселями, относящимися к графитовой фазе. Мерой лакунарности (Л) является изменение плотности изображения графитовой фазы при сканировании сеткой ячеек различных размеров.

Л =

г \2 а

(П)

где (7- стандартное отклонение массы (для бинарного изображения - количество пикселей) фрактального агрегата в ячейках сетки заданного размера е, /л -среднее значение массы агрегата в ячейках заданного размера е.

Результаты вычислений параметров графитовой фазы в чугунах различных марок представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты вычисления морфологических параметров графитовой фазы в

Оцениваемый параметр графитовых включений

Форма Размер Количество Распределение

Чугун Средняя фрактальная размерность включений, Эр Средняя площадь включений, Лгр, ПКС. Содер;кание графитовой фазы на изображении. Sep, % Лакунарность изображения. А

Серый (рис. 9, а) 1,42 815 8,5 1,38

Ковкий (рис. 9. б) 1,63 993 10,6 1,44

С вермикулярным графитом (рис. 9. в) 1,59 547 15.3 1,6

Высокопрочный (рис. 9. г) 1,72 504 11.8 1,46

Все параметры, представленные в таблице 1., имеют не описательные, а конкретные числовые значения, они могут быть использованы для разработки

математических моделей взаимосвязи механических свойств и структуры чугу-нов.

Были проведены исследования влияния графитовой фазы на процессы разрушения чугунов. Использовали два метода: 1. компьютерное моделирование на моделях структуры чугуна в соответствии с подходами механики структурно неоднородных сред; 2. фрактографические исследования изломов.

Этапы моделирования распределения полей напряжений в структуре серого чугуна представлены на рисунке 9.

д) е)

Рисунок 9. Этапы моделирования плоского напряженного состояния серого чугуна с пластинчатым графитом: а - исходное изображение микроструктуры (не травлено), х 100; б- бинарное изображение распределения графитовой фазы; в - контуры графитовых включений; г - перфорация модели структуры контурами графитовых включений; д - модель структуры чугуна с матрицей конечных элементов; е - модель структуры с распределенным полем напряжений

Аналогичным образом были произведены исследования образцов микроструктуры высокопрочного чугуна (рисунок 10).

Мах: 1,4е

Мах: 1,4е10

Min: 2.3е5

пик напряжений

Min: 2.3es

б)

Рисунок 10. Результаты моделирования плоского напряженного состояния микроструктуры высокопрочного чугуна: а - вертикальное растяжение; б - горизонтальное растяжение, х 100; в - локальные эффекты полей напряжений, х 250

Для З-О реконструкции поверхностей изломов использовали метод послойной оптической микроскопии, который позволяет получать топографические рельефы объемных объектов на основании информации из частично резких изображений. Поверхность излома высокопрочного чугуна представлена на рисунке 11, а.

а) б)

Рисунок 11. Фрактограмма поверхности излома образца из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом: а - профиль поверхности; б - микроструктура излома (травление 4-% спиртовым раствором азотной кислоты), х 200

Анализ микроструктуры поверхности излома высокопрочного чугуна (рисунок 11,6) доказывает, что поверхность излома проходит по цепочкам графитовых включений, которые являются кластерными цепочками эвтектических ячеек. Графитовые включения, выходящие на поверхность излома, соединены между собой и образуют агрегаты, по которым и распространяется трещина при разрушении. Результаты фрактографического анализа подтверждаются результатами компьютерного моделирования испытаний струюуры чугуна (рисунок 10).

Для обеспечения максимально возможного уровня прочностных свойств конструкционных изделий из чугуна было произведено моделирование и рациональное структурирование высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Динамическое состояние структуры материала Р(т) в общем случае описывается уравнением (2). С учетом представления структуры чугуна, как композиционного материала, состоящего из графитовой фазы (Гр) и металлической матрицы (Мл/.), выражение (2) можно представить в следующем виде:

РЛт) = Г[гр(0РЛ^АРЛ)ММ0и.и.),т], (12)

где параметры графитовой фазы: Од - средняя фрактальная размерность, которая характеризует форму включений; Агр - средняя площадь включения, геометрический аналог его размера; 3,р - площадь, занимаемая графитовой фазой на изображении, используется для определения количества графита в чугуне; Л - лакунарность характеризует распределение графитовой фазы; Дю., - размерно-топологические параметры металлической матрицы.

В первом приближении матрицу чугуна можно представить как однородную фазу, при этом ее параметры сводятся к объему, который, при анализе плоского изображения микроструктуры, может быть определен как:

(13)

С точки зрения разработки эффективной стратегии управления процессами структурообразования в чугунах необходимо, чтобы технологические факторы, дополнительно включаемые в существующий технологический процесс, приближали чугун к оптимальной структуре (см. уравнение (3)).

Исходя из критерия разрушения, за который принят критерий фон Мизе-са. максимальные прочностные свойства в чугуне ггри оптимизированных параметрах графитовой фазы будут определяться физико-механическими характеристиками металлической матрицы, в частности значениями <тг.

С учетом основной цели моделирования - повышение прочностных характеристик изделия из графитизированного чугуна, процесс оптимизации структуры может бьгть представлен в виде следующей зависимости:

/[Гр(Рр,4р*йгрЛ)№ м.,тк~\ = тах(ат). (И)

Анализ изображения плоского напряженного состояния позволил выявить слабые элементы структуры материала, в которых прогнозируется разрушение металлической матрицы. Повышение прочности чугуна возможно за счет измельчения графитовых включений, создания условий их более равномерного распределения и повышения степени их сферичности.

Для решения этой задачи была разработана технология измельчения графитовых включений в чугуне, основанная на «синергетическом» эффекте. Это эффект, при котором совместное воздействие на некую систему одновременно нескольких факторов превышает влияние отдельных факторов или их сумму. Технология «синергетического» модифицирования использует многостадийную обработку расплава. Во-первых, предсфероидизирующая обработка чугуна ферросилицием в индукционной печи непосредственно перед выпуском металла в ковш, для гетерогенизации расплава. Во-вторых, расчет оптимальной температуры для сфероидизирующего модифицирования чугуна. В-третьих, механическое перемешивание расплава после сфероидизирующего модифицирования. В-четвергых, позднее графитизирующее инокулирование, обеспечивающее гетерогенное зародышеобразование графита. В-пятых, ввод кремнийсодержащих модификаторов, обеспечивающий конечный эвтектический состав чугуна. Совместное, согласованное воздействие всех этих факторов в момент формирования графита в расплаве приводит к синергетическому эффекту, выраженном в усилении процесса измельчения графитных включений в чугуне.

Результаты моделирования микроструктуры высокопрочного чугуна с мелкодисперсной графитной фазой, полученной при использовании технологии «синергетического» модифицирования, представлены на рисунке 12.

М1п: 2.3е!

Рисунок 12. Результаты моделирования плоского напряженного состояния микроструктуры высокопрочного чугуна, полученного по технологии «синергетического» модифицирования: а - исходное распределение графитовой фазы, х 100; б - моделирование вертикального растяжения; в - моделирование горизонтального растяжения

г.1(п: 2.3е5

Образцы из данного чугуна, подвергнутые изотермической закалке, имели следующие свойства (таблица 2).

Таблица 2

Режим термической обработки и механические свойства высокопрочного чугуна

Режим термической обработки Механические свойства

Аустенитизация Изотермическая закалка сгв МПа сто,2, МПа Твердость. НЯС 5, %

Т, сС т, мин Т, °С т, мин

900920 60 - 70 260300 90- 100 15001620 12201300 45 - 50 1 -2,5

Таким образом, используя методы компьютерного моделирования структуры чугуна и ее оптимизацию, удалось повысить прочностные свойства изделий за счет направленного усовершенствования технологического процесса при обеспечении наиболее рациональных параметров графитовой фазы.

Пятая глава отображает результаты исследований в области рационального структурирования металлических матриц графитизированных и половинчатых чугунов. Выявленные в ходе исследований закономерности структурооб-разования и новые структурные эффекты позволили разработать несколько технологических процессов получения в графитизированных чугунах различных типов металлических матриц.

В частности был разработан способ получения половинчатого чугуна с аусферритной структурой (рисунок 13).

Рисунок 13. Микрострукту ра образцов чугуна, изотермически закаленного из литого состояния: а - после выбивки отливки из формы с выдержкой 20 мин в печи при температуре 900 °С и изотермической закалки при температурах 300 °С в течение 60 мин, * 500; б - распад ледебуритного цементита, * 1000 (травление 4-% спиртовым раствором азотной кислоты)

Обобщенная кривая охлаждения при технологическом процессе получения половинчатого чугуна с шаровидным графитом и аусферритной структурой с указанием структурных областей представлена на рисунке 14.

Совместно с Г.И. Сильманом была разработана теория неравновесной кристаллизации доэвтектических чугунов, которая объясняет образование двух видов аустенита, отличающихся по химическому составу: ликвационно неоднородного первичного аустенита с пониженным средним содержанием углеро-

да и легирующих элементов и более однородного эвтектического аустенита с повышенным содержанием растворенных в нем элементов. Были изучены особенности строения двухфазной аустенитно-карбидной составляющей, возмож-

Рисунок 14. Схема охлаждения отливки с совмещенными термокинетическими диаграммами кристаллизации и распада аустенита

На рисунке 15 приведена энергетическая схема кристаллизации аустенита и цементита в доэвтектическом белом чугуне в условиях значительного переохлаждения. Конода уо-Цо характеризует равновесие. Однако кристаллизующиеся фазы имеют химический состав, который заметно отличается от равновесного - аустенит 71 и цементит Ц,. Это значит, что в процессе изотермической выдержки аустенит выделяет углерод в количестве ДСУ в виде вторичного цементита, который может наслаиваться на эвтектический цементит или образовывать самостоятельные выделения.

Рисунок 15. Энергетическая схема кристаллизации аустенита и цементита в доэвтекическом белом чугуне

Подобный анализ может быть проведен и на основе изучения диаграммы железо-цементит при экстраполяции линий солидус и ликвидус в метастабиль-ную область переохлаждения расплава (рисунок 16).

Рисунок 16. Диаграмма железо-цементит с экстраполяцией линий солидус в метастабильную область переохлаждения расплава

Видно, что в структуре чугуна присутствуют два разных по составу ау-стенита (эвтектический и первичный переменного состава при среднем составе и твердый раствор на основе цементита Ц с дефицитом по углероду.

В условиях гомогенизации при температуре 1\ в участках первичного аустенита -уг' в основном происходит выравнивание химического состава с возможным выделением вторичных карбидов. Значительно более пересыщенный углеродом эвтектический аустенит у( склонен уже не только к выделению вторичных карбидов, но и к двухфазному превращению по реакции У1-»Го+Цо.

Другое направление обеспечения композиционного упрочнение структуры чугуна при использовании новых структурных эффектов. Использование выявленных структурных эффектов для преднамеренного устранения слабых мест в структуре позволяет повысить показатели механических и эксплуатационных свойств изделий из графитизированных чугунов. Одним из наиболее эффективных способов решения данной задачи является получение композиционных структур на основе металлической матрицы за счет образования структурной оболочки вокруг графита.

Для получения таких структур в чугунах, где графитовые включения изолируются оболочкой от основной матрицы, представляется возможным использовать несколько направлений. Во-первых, использовать особенности строения чугунов, обусловленные ликвационными явлениями, сопровождающими их кристаллизацию. Во-вторых, применять специальные методы и технологические процессы, основанные на термической обработке, для рационального управления процессами структурообразования. В-третьих, использовать

комбинированное направление, в котором сочетаются легирование элементами, обеспечивающими контролируемую сегрегацию в околографитовом пространстве, и термическая обработка.

В основе всех предложенных направлений получения структурных оболочек используются особенности строения и сочетание структурных составляющих графитизированных чугунов. Включения графитовой фазы в чугуне являются локальными источниками углерода. Концентрация и распределение углерода в аустените при термической обработке или при затвердевании оказывает существенное влияние на структурные превращения.

Разработано несколько способов создания композиционных структур на базе графитовых включений, которые представлены на рисунке 18. При образовании таких структур графитовые включения покрываются структурной оболочкой, которая затрудняет начальный этап образования трещины на границе раздела графит - металлическая матрица.

■ аМ0 - 4Ь*' С

в) г)

Рисунок 18. Микроструктуры графитизированных чугунов, основанные на ряде выявленных структурных эффектов: а - чугун с мелкодисперсным шаровидным графитом и двухфазной (аустенитно-ферритной) металлической матрицей, х 1000; б - чугун с шаровидным графитом с околографитовым и зернограничным упрочнением медистым бейнитом, х 1000; в - чугун с шаровидным графитом, ферритной оболочкой вокруг графитовых включений и бейнитной металлической матрицей, х 1000; г - чугун с вермикулярным графитом, отороченным микрокомпозиционным гетерогенным ферритом, х 500 (травление 4-% спиртовым раствором пикриновой кислоты)

Шестая глава отражает вопросы, связанные с промышленным внедрением разработанных технологий. Рассмотрены примеры внедрения разработанных технологических процессов, основанных на концепции «синер-гетического» модифицирования и термической обработке чугунных поршневых колец. Технологии разработаны и внедрены для чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом.

При использовании технологии «синергетического» модифицирования для чугуна А-ХМ (серый чугун легированный хромом и молибденом) влияние «наследственных» свойств и ликвационных процессов, являющихся основной причиной возникновения структурного несоответствия, удается снизить за счет образования большого количества графитовых включений.

В результате использования технологии «синергетического» модифицирования удалось улучшить механические и эксплуатационные свойства поршневых колец. Повышение свойств изделий было обеспечено за счет улучшения размерно-топологических параметров графш-овой фазы и фосфидной эвтектики, а также за счет получения более дисперсных эвтектоидных структур. При этом графитовая фаза в чугунах распределена более равномерно, а включения имеют шаровидную форму и меньшие размеры по сравнению со структурой чугуна, полученной по исходной технологии. Все эти изменения позволили повысить уровень механических и эксплуатационных свойств, и улучшить технологические показатели производства поршневых колец.

Получение более прочных (чем перлитные) структур из литого состояния при маслотном способе получения колец нерационально, так как это привело бы к повышению трудозатрат на механическую обработку. Поэтому в нашем случае наиболее рациональным способом является термообработка разрезанных колец.

Исследование проходило в два этапа: на первом определялись оптимальные структуры металлической матрицы, на втором - режимы термообработки, обеспечивающие стабильное получение заданных структур. Структура колец должна отличаться стабильностью при эксплуатации, что не может быть обеспечено при бейнитных и мартенситных структурах металлических матриц. Это объясняется свойствами данных типов структур, которые являются мета-стабильными и при увеличении температур стремятся уменьшить уровень свободной энергии за счет образования термодинамически более устойчивых металлических матриц. На втором этапе были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных режимов термообработки.

Как показали исследования наиболее перспективными являются режимы термообработки поршневых колец - изотермическая закалка и улучшение (закалка + высокотемпературный отпуск), позволяющие получить наиболее высокие механические свойства и обеспечивать высокую износостойкость поршневых колец, но они требуют более высоких затрат по сравнению с нормализацией.

Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных технологий в производство составил 16 млн. 450 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В ходе исследований процессов структурообразования были решены следующие проблемы в области металловедения графитизированных чугу-ноп:

- получены модели процессов структурообразования в высокопрочном чугуне, позволяющие объяснить закономерности распределения в них графитовой фазы;

- разработаны теоретические основы эвтектической кристаллизации, основанные на кластерном механизме формирования структуры сплавов;

- предложена методика определения, размерно-топологических параметров, характеризующих графитовую фазу в чугунах;

- разработаны способы измельчения графитовых включений и новые технологии получения бейнитных структур и структур, обеспечивающих композиционное упрочнение в чугунах.

2. Разработана системная модель описания процессов структурообразования графитизированных чугунов. Структурообразование рассматривается с позиции качественных и количественных изменений в структуре чугуна.

3. Разработан метод рационального структурирования графитизированных чугунов, основанный на анализе результатов компьютерного моделирования структуры, которая, с позиции методологии, представляет собой структурно неоднородный композиционный материал, где каждая структурная составляющая обладает индивидуальными физико-механическими свойствами. Для изучения строения материала используются компьютерные модели микроструктур графитизированных чугунов, созданные и исследуемые в соответствии с разработанным алгоритмом.

4. При использовании методики фрактального анализа пространственного распределения графитовой фазы в высокопрочном чугуне разработана теория процессов первичного структурообразования. Вычисленные фрактальные размерности позволяют представить процесс кристаллизации чугуна как агрегацию первичных кластеров и эвтектических ячеек, происходящую в соответствии с кластер-кластерной моделью роста фрактального агрегата и последующий его переход к перколяционному кластеру.

5. Совместно с Г.И. Сильманом разработан комплексный метод оценки процессов и механизмов структурирования эвтектичесгагх расплавов и связанных с ним особенностей эвтектического превращения. В основе концепции лежит представление о возможностях и условиях кластерного диспергиро-ванггя эвтектического расплава и термодинамической устойчивости такой дисперсной системы. В рамках данной концепции разработаны теоретические основы формирования структуры графитизированных и половинчатых чугунов.

6. Разработан метод идентификации формы графитовых включений и определения их размерно-топологических параметров, основанный на фрактальном анализе изображений. Форма графитовых включений определяется че-

рез фрактальную размерность исследуемого включения, а распределение через лакунарность.

7. Разработан технологический процесс «синергетического» модифицирования, который используется для измельчения графитовых включений в чугу-нах. Согласованное воздействие различных технологических методов и термокинетических параметров в момент зародышеобразования графитовой фазы, в совокупности с оптимизацией химического состава, приводит к си-нергегическому эффекту, выраженному в увеличении количества графитовых зародышей в расплаве чугуна. Измельчение графита, достигнутое при использовании «синергетического» модифицирования, позволяет на 10 - 15 % повысить уровень механических свойств. На изобретение получен патент РФ.

8. Подтверждена гипотеза о повышенной устойчивости первичного аусте-нита, сформировавшегося при кристаллизации. Данный факт был использован при разработке технологических процессов, сочетающих раннюю выбивку литых изделий из форм при температурах, соответствующих ау-стенитному состоянию с последующим регулируемым охлаждением при термообработке. Такое совмещение процесса охлаждения отливок и термической обработки позволяет получать требуемую структуру в чугунах непосредственно из литого состояния. На разработанные способы получены два патента РФ.

9. Выявлено, что при неравновесных условиях формирования структуры доэв-тектических чугунов сильное влияние на превращения оказывает ликваци-онная неоднородность аустенита и склонность его к расслоению. В легированных половинчатых чугунах это связано с выделением из пересыщенного аустенита пластинчатых включений вторичного цементита. Характерной особенностью этих структур является их однонаправленная ориентация в процессе кооперативного роста, что является результатом аустенитно-карбидного расслоения.

10. Исследования различных видов термической обработки послужили основой для разработки упрощенных способов получения бейнитных структур и создания композиционных структур, в том числе, за счет образования структурных оболочек вокруг графитовых включений. На разработанные способы получены три патента РФ.

11. Внедрена технология «синергетического» модифицирования при производстве маслотных заготовок поршневых колец из чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом. Разработана и внедрена технология термической обработки поршневых колец из высокопрочного чугуна, обеспечивающая стабильное получение заданных структур. Внедрение технологий позволило значительно уменьшить брак маслотных заготовок по причине несоответствия микроструктуры и повысить уровень эксплуатационных свойств поршневых колец. Суммарный экономический эффект от внедрения составил 16 млн. 450 тыс. руб.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Как показывают результаты исследований, представленные в диссертации, существуют

многочисленные пути дальнейшего повышения свойств изделий из чугунов. Отчасти они связаны с процессами дальнейшего измельчения графитовой фазы, большой потенциал заложен в управлении процессами струкгурообразования при получении металлической матрицы и выявлении новых структурных эффектов, наиболее перспективным является разработка методов, обеспечивающих композиционное структурирование матрицы (в том числе и на наноуровне) гра-фитизированных чугунов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Книги

1. Макаренко, К.В. Графитовая фаза в чугунах / Теоретические и технологические основы рационального структурирования чугунов и сталей. Сбор, монографических работ / Под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: Изд-во БГИТА, 2010.-С. 121-179.

2. Макаренко, К.В. Фрактальный анализ структурообразования чугунов [Текст] + [Электронный ресурс]: монография / К.В. Макаренко. - Брянск: БГТУ, 2013.-92 с.

3. Макаренко, К.В. Системный анализ технологии производства отливок из чугуна [Текст] + [Электронный ресурс]: монография / К.В. Макаренко. -Брянск: БГТУ, 2013. - 165 с.

Научные статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций

4. Выбор состава высокопрочного чугуна для получения мелющих шаров прокаткой и литьем в кокиль / А.Н. Поддубный, H.H. Александров, И.К. Куль-бовский, К.В. Макаренко // Литейное производство. - 1997. - № 5. - С. 22.

5. Макаренко, К.В. Инокулирующее модифицирование чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко, Ю.М. Иващенков // Ползуновский альманах. -2007.-№ 1-2.-С. 107-109.

6. Макаренко, К.В. Бейнитная закалка чугуна из литого состояния / К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов . - 2007. - № 7. -С. 29-32.

7. Макаренко, К.В. Синергетический подход в разработке процесса измельчения графитных включений в высокопрочном чугуне /' К.В. Макаренко // Литейное производство. - 2008. - № 6. - С. 7 - 8.

8. Макаренко, К.В. Распределение остаточного содержания элементов в ковше после модифицирования / К.В. Макаренко, О.В. Петраков // Литейное производство. - 2008. - № 11. - С. 19- 22.

9. Петраков, О.В. Особенности внутриформенного модифицирования при литье маслотных заготовок / О.В. Петраков, К.В. Макаренко // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - № 6. - С. 8 - 10.

Ю.Макаренко, К.В. Особенности распределения графита в отливках из ЧШГ / К.В. Макаренко // Известия вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 1. - С. 43 - 46.

П.Макаренко, K.B. Идентификация графитовых включений в чугунах / К.В. Макаренко // Литейное производство. - 2009. - № 4. - С. 2 - 7.

12.Макаренко, К.В. Фрактографический анализ графитизированных чугунов / К.В. Макаренко, Д.В. Чмыхов // Заготовительные производства в машиностроении. -2009. 11.-С. 39-44.

13.Макаренко, К.В. Моделирование процесса кристаллизации чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов . - 2009. - № 11. - С. 16 - 20.

И.Макаренко, К.В. Управление процессами структурообразования в отливках из легированного серого чугуна / К.В. Макаренко И Известия вузов. Черная металлургия. - 2010. - № 1. - С. 45 - 49.

15.Макаренко, К.В. Особенности образования бейнитных структур в чугунах при непрерывном охлаждении / К.В. Макаренко // Заготовительные производства в машиностроении. - 2010. - № 7. - С. 28 - 32.

16.Макаренко, К.В. Использования модифицирования чугуна для улучшения микроструктуры и повышения свойств изделий / К.В. Макаренко II Справочник. Инженерный журнал. - 2010. - № 7. - С. 42 - 46.

17.Сильман, Г.И. О некоторых особенностях формирования эвтектических структур в чугунах / Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов . - 2010. - № 7. - С. 26 - 30.

18.Макаренко, К.В. О получении из литого состояния половинчатых чугунов с аусферритной структурой / К.В. Макаренко // Литейное производство. -2010,- №7. -С. 2-6.

19.Макаренко, К.В. Влияние графитовой фазы на процессы разрушения чугунов / К.В. Макаренко, Д.А. Плюшкин // Металлургия машиностроения. -2010.-№3,-С. 25-29.

20.Макаренко, К.В. Компьютерный метод оценки взаимосвязи состава, структуры и свойств чугуна / К.В. Макаренко // Литейное производство. - 2011. -№ 1.-С.2-6.

21.Макаренко, К.В. Анализ процессов структурообразования в чугунах / К.В. Макаренко // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 4. - С. 43 - 48.

22.Макаренко, К.В. Компьютерное моделирование и оптимизация структуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Вестник машиностроения. - 2011. - № 9. - С. 69 - 73.

23.Макаренко, К.В. Модель технологических процессов получения изделий из чугунов с заданными свойствами / К.В. Макаренко // Вестник машиностроения. - 2011. - № 6. - С. 55 - 60.

24.Макаренко, К.В. Способ оптимизации структуры конструкционных материалов / К.В. Макаренко, A.B. Тотай, В.П. Тихомиров // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 11. - С. 46 - 52.

25.Макаренко, К.В. Особенности формирования эвтектик при кристаллизации половинчатых чугунов / К.В. Макаренко // Вестник БГТУ. - 2011. - №2. - С. 8-13.

26.Макаренко, K.B. Использование фрактального формализма для описания структур конструкционных материалов / К.В. Макаренко, A.B. Тотай, В.П. Тихомиров // Вестник БГТУ. - 2011. - № 4. - С. 55 - 64.

27.Макаренко, К.В. Бейнитная закалка чугуна из литого состояния / К.В. Макаренко, Е.А. Зенцова // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2012. - Вып. 1. -С. 285-289.

28.Композиционное структурирование высокопрочного чугуна / К.В. Макаренко, A.B. Тотай, А.Н. Поддубный, Е.А. Зенцова // Вестник БГТУ. - 2012. - № 1, - С. 99- 103.

29.Сильман, Г.И. Аустенитно-карбидное расслоение в чугунах и сталях / Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов . - 2012. - № 8. - С. 3 - 8.

30.Сильман, Г.И. Проявление аустенитно-карбидного расслоения в жидком чугуне / Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов .-2012.-№ 9. - С. 24 - 26.

31 .Бейнитный высокопрочный чугун с шаровидным графитом / Г.И. Сильман!, К.В. Макаренко, В.В. Камынин, Е.А. Зенцова // Металловедение и термическая обработка металлов . - 2013. - № 4. - С. 3 - 8.

32.Макаренко, К.В. Методы создания структурных оболочек вокруг графитовых включений в высокопрочном чугуне / К.В. Макаренко, A.A. Псшторухо // Вестник БГТУ. - 2013. - №2. - С. 64 - 68.

33.Макаренко, К.В. Повышение прочностных свойств графитизированных чу-гунов / К.В. Макаренко, Е.А. Зенцова, P.A. Богданов, P.A. Филипов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - № 9. - С. 3-6.

34. Сильман, Г.И.| Графигизированные чугуны / [Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2014. - Ла 2. - С. - 3-10.

Прочие публикации

35.Исследование влияния химического состава на свойства мелющих шаров из высокопрочного чугуна / А.Н. Поддубный, И.К. Кульбовский, A.B. Дюков, К.В. Макаренко // Материаловедение проблемы в машиностроении: сб. науч. тр. / под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 1997. - С. 22.

36. Макаренко, К.В. Исследование влияния "горячей выбивки" на структурооб-разование в чугунах с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Материаловедение проблемы в машиностроении, сб. науч. тр. / под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 1998. - С. 12- 74.

37.Мельников, В.П. Влияние небольших добавок элементов на ход затвердевания чугунных крупногабаритных отливок / В.П. Мельников, К.В. Макаренко, A.B. Лебедев // Материаловедение проблемы в машиностроении: сб. науч. тр. / под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 1998. - С. 36 - 38.

38.Афонин, Д.Г. Поиск технологических параметров повышения эксплуатационных свойств тормозных колодок для железнодорожного транспорта / Д.Г. Афонин, К.В. Макаренко, Е.А. Тупатилов // Материаловедение и высокотемпературные технологии. Межвузовский сб. науч. тр. - Н. Новгород: БГТУ, 1999,- С. 52-54.

39.Макаренко, K.B. Влияние условий аустенитизации на изотермическую закалку ЧШГ / К.В. Макаренко // Материаловедение и производство: сб. на-учн. тр. / Под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 2000. - С. 66 - 69.

40.Макаренко, К.В. Способ получения различных структур в чугунах из литого состояния / К.В. Макаренко, А.Н. Поддубный, A.C. Прокопенко // Материаловедение и производство: сб. науч. тр. / под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 2000. - С. 115- 118.

41.Макаренко, К.В. Эффективность инокулирующего модифицирования чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко, И.К. Кульбовский // Состояние и перспективы развития дорожного комплекса: сб. тр. Международной науч,-техн. конф. - Брянск: БГИТА, 2000. - С. 67 - 69.

42.Макаренко, К.В. Экспертная система «Чугун с шаровидным графитом» // К.В. Макаренко, И.К. Кульбовский // Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге 21 века: сб. информ. матер. Междунар. научн.-техн. конф. в 2 ч. -Брянск: БГИТА, 2000. - Ч. 2. - С. 91 - 93.

43.Макаренко, К.В. Усовершенствование технологического процесса изготовления поршневых колец, выпускаемых на ОАО «Клинцовский завод поршневых колец» / К.В. Макаренко, И.К. Кульбовский, С.С. Хрущев // Качество машин: сб. тр. 4-й междунар. конф.: в 2 т. / под общ. ред А.Г. Суслова. -Брянск: БГТУ, 2001. - Т.2. - С. 179-181.

44.Макаренко, К.В. Структурно-прочностная диаграмма для отливок из чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: тез. докл. науч.-техн. конф., 16 - 18 мая 2001 г. -Брянск, БГИТА, 2001. - Т. 1. - С. 78 - 80.

45.Кульбовский, И.К. Модернизация технологии получения поршневых колец на Клинцовском заводе / И.К. Кульбовский, K.B. Магаренко // Тр. V съезда литейщиков России. - М.: Радуница, 2001. - С. 151 - 154.

46.Макаренко, К.В. Системная модель прогнозирования процессов структуро-образования / К.В. Макаренко // Материаловедение и производство: сб. науч. тр. Вып.2. - Брянск: БГИТА, 2001. - С. 57 - 68.

47.Макаренко, К.В. Моделирование процессов структурообразования в Fe-C сплавах / К.В. Макаренко, Е.А. Тупатилов // Аэрокосмическое технологии и образование на рубеже веков: тез. док. Всероссийской науч.-техн. конф. В 3-х ч. - Рыбинск: РГАТА, 2002 . - Ч. 1 - С. 70 - 71.

48.Макаренко, К.В. Моделирование технологического процесса производства отливок / К.В. Макаренко // Современные технологии и материаловедение: сб. науч. тр. / под ред. Ю.А. Баландина. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 163-165.

49.Макаренко, К.В. Половинчатый чугун с бейнитно-аустенитной матрицей /К.В. Макаренко, В.П. Мельников // Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., 22-24 окт. 2003 г., г. Брянск / под ред. А.Г. Суслова. - Брянск, 2003. - С. 260 -263.

50.Макаренко, K.B. Половинчатый чугун с шаровидным графитом, легированный никелем и молибденом / К.В. Макаренко // Вестник БГИТА, серия «Производство и эксплуатация машгш». - Брянск, 2005. - С. 97 - 99.

51 .Макаренко, К.В. Моделирование процессов структурообразования / К.В. Макаренко // Территория развития: образование, наука, инновации: тез. докл. Всеросс. конф. / под ред. O.A. Горленко, В.И. Попкова. - Брянск, БГТУ, 2006. - С. 46 - 47.

52.Макаренко, К.В. Системная модель процессов кристаллизации в чугунах / К.В. Макаренко // Современные технологии в машиностроении: сб. статей X Междунар. науч. - практ. конф. - Пенза, 2006. - С. 51 - 53.

53.Способ получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом и бей-нитной металлической матрицей без применения магнийсодержащих модификаторов / И.К. Кульбовский, К.В. Макаренко, P.A. Богданов, О.В. Петраков // Тр. VIII съезда литейщиков России. В 2-х т. - Ростов-на-Дону, 2007. -Т. 1. Черные и цветные сплавы. - С. 20 - 25.

54.Макаренко, К.В. Влияние термической обработки на структурные превращения в чугунах с шаровидным графитом / К.В. Макаренко, A.B. Кривов // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: сб. науч. тр. на-уч.-техн. конф. / под ред. Б.Н. Самошина.- Брянск, БГИТА, 2008. - Т.З. - С. 49 - 56.

55.Макаренко, К.В. Мультифрактальный анализ структур чугунов / К.В. Макаренко, И.А. Филатов // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: сб. тр. 6-й Междунар. конф./ под общ. ред А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2008.-С. 34-36.

56.Макаренко, К.В. Чугуны с высокой пластичностью и ударной вязкостью / К.В. Макаренко, О.В. Петраков // Тр. IX съезда литейщиков России. - Уфа, 2009. - С. 49 - 52.

57.Макаренко, К.В. Совершенствование технологии производства поршневых колец из серого чугуна на ОАО «КЗПК» /К.В. Макаренко, В.И. Хенкин // Вестник БГИТА, серия «Производство и эксплуатация машин». - Брянск, 2009. - № 2. - С. 54-58.

58.Макаренко, К.В. Технологические способы управления наследственными свойствами графитизированных чугунов / К.В. Макаренко, В.И. Хенкин // Наука и производство - 2009: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф./ под общ. ред С П. Сазонова. - Брянск: БГТУ, 2009. - С. 73 - 76.

59.Отчет о научно-исследовательской работе по проекту РФФИ № 09-08-97508-р_центр_а «Обеспечение композиционного структурирования в чугунах и сталях» / Г.И. Сильман, В.В. Камынин, К.В. Макаренко, В.В. Гончаров / под ред. Г.И. Сильмана. - Брянск: БГИТА, 2010. - 198 с.

бО.Макаренко, К.В. Влияние температуры аустенитизации на пластические свойства при неполной изотермической закалке высокопрочных чугунов / К.В. Макаренко, Е.А. Зенцова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: матер. II Междунар. науч.-прак. конф. / под ред. кол.: Е.В. Павлов (отв.ред.) [и др.]. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2011. - С. 238 - 242.

61.Макаренко, К.В. Управление свойствами высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко, Е.А. Зенцова // Новые технологии в промышленности и сельском хозяйстве: матер. 1-ой всероссийской заоч. науч.-прак. конф. - Бийск, 2012. - С. 69-73.

62.Макаренко, К.В. Рациональное структурирование графитизированных чугу-нов / К.В. Макаренко // Труды НГТУ им. Алексеева. - 2014. - №2 (104). - С. 196-205.

63.Макаренко, К.В. Оптимизация размерно-топологических параметров 1рафи-товой фазы с целью повышения механических свойств чугунов / К.В. Макаренко // Труды НГТУ им. Алексеева. - 2014. - №3 (105). - С. 239 - 236.

Патенты

64.Способ получения различной структуры металлической матрицы в заготовках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из литого состояния / К.В. Макаренко, И.К. Кульбовский // Патент РФ №2196835. - Бюл. №2, 2003.

65.Способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейиитной структурой / К.В. Макаренко // Патент РФ №2250268. - Бюл. №11, 2005.

66.Способ измельчения графитных включений в высокопрочном чугуне / К.В. Макаренко // Патент РФ №2402617. - Бюл. №30, 2010.

67. Способ получения чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей / К.В. Макаренко // Патент РФ №2415949. - Бюл. №10,2011.

68.Чугун и способ его получения / Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Патент РФ №2432412. - Бюл. №2,2011.

69.Способ термической обработки чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Патент РФ №2449043. - Бюл. №12,2012.

Макаренко Константин Васильевич

Развитие теоретических основ и технологических способов рационального структурирования графптизированных чугунов

Автореферат

_Темплан 2014 г., п. 31

Подписано в печать 23.10.14 . Формат 60x84 1;16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 1,97. Уч.-изд.л. 1.97. Тираж 150 экз. Заказ 324. Бесплатно.

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, Брянск, бульвар 50-легия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49. Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.