Особливості структури та деякі фізико-механічні властивості холоднодеформованих середньомідистих чавунів з компактним графітом

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Луцький державний технічний університет

05.02.01 - Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Особливості структури та деякі фізико-межанічні властивості холоднодеформованих середньомідистих чавунів з компактним графітом

Гусачук Дмитро Анатолійович

Луцьк - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті,

Міністерство освіти України, м. Луцьк

Науковий керівник: доктор технічних наук,профессор Бобро Юрій Георгійович, Луцький державний технічний університет, завідувач кафедри матеріалознавства і обробки металу тиском

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор П.Ф.Завгородній, Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри

кандидат технічних наук, доцент І.П.Пістун, Державний університет “Львівська політехніка”

Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет
Міністерство освіти України, м.Харків

Захист відбудеться “ _29_“жовтня 1999 року о _1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 в Луцькому державному технічному університеті за адресою: 263018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75, навчальний корпус В, аудиторія 338.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету за адресою : м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

Автореферат розісланий “28“ вересня 1999 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Дідух В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. В сучасному матерiалознавствi вiдкритi новi можливостi по створенню зносостійких литих композитних матерiалiв (ЛКМ), основою яких є звичайнi сiрi чавуни. При цьому, особливо прогресивним напрямком є синтез сплавiв, який базується на свiдомому пiдвищеннi ступеня гетерогенностi системи Fe-C.

До даного класу можна віднести сплави Fe-C-Si, якi легованi міддю до концентрацій вище її розчинності в твердому i рiдкому станах залiза. Гетерогеннiсть мiдистих чавунiв пiдвищується за рахунок проходження своєрiдних флуктуацiйних процесiв, наслiдком чого є поява в структурi виливок високомiдистої фази (e-фази). Причому, створення умов для розшарування в рiдкому станi (середньомiдистi чавуни) забезпечує утворення особливої форми e-фази, коли остання формується навколо первинних кристалiтiв кулястого графiту у виглядi сферичної оболонки.

Відомо, що середньомiдистим чавунам властива висока протидія спрацюванню в умовах тертя-ковзання та висока міцність при різних видах механічного навантаження. Проте, абсолютно невизначеними є характеристики пластичності середньомідистих чавунів та особливості їх структуроутворення в процесі пластичного течіння. При цьому, брали до уваги відомі уявлення про визначальне значення особливостей холодної пластичної деформації в процесі формування механічних властивостей металічних сплавів і серед них зносостійкості.

Виявити вплив e-фази на природу процесів формування характеристик пластичності середньомідистих чавунів дозволяє створення схеми всебічного нерівномірного стиснення в осередку деформування, при якій найкращим чином реалізується здатність матеріалу до пластичної деформації. За таких умов, з присутньою e-фазою (за природою більш пластичною) пов'язували зростання загального рівня пластичності середньомідистих чавунів. При цьому, підвищуючи пластичні властивості металічної матриці (феритизація), можна практично використати здатність середньомідистих чавунів до пластичної деформації, застосовуючи таку інтенсивну технологію обробки тиском як холодне пресування.

Встановлення закономірностей пластичного течіння середньомідистих чавунів із різним станом металічної матриці - дозволить встановити одну з причин формування високих показників зносостійкості, яка грунтується на факті створення всебічного нерівномірного стиснення в зонах дискретного контакту спряжених пар тертя-ковзання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась згiдно Державного координаційного плану науково-дослідних робіт №17 Міносвіти України на 1996-1999рр.: ІНові конструкційні матеріали та високоефективні технології їх виробництваІ. Назва держбюджетної теми по ЛДТУ - "Розробка на модельних сплавах Fe-X-C системи наукових принципiв синтезу кострукцiйних чавунiв", шифр теми - 20 д/б.

Мета роботи. Розробити наукові принципи керування структурою та властивостями середньомiдистих чавунiв при використанні холодної пластичної деформацiї та реалізації нових технологічних методів виготовлення виробів із зносостійких сплавів групи ЛКМ, а також оцінити можливості застосування отриманих результатів для розкриття деяких аспектів формування високих трибовластивостей таких матеріалів.

Дана мета досягається вирiшенням наступних завдань:

- вивченням особливостей структурного стану виливок з середньомiдистих чавунiв;

- дослiдженням структурних змiн сплавiв в процесi термічної обробки;

- встановленням особливостей структуроутворення та процесу формування механiчних параметрiв сплавiв при холоднiй пластичнiй деформацiї в умовах всебiчного нерiвномiрного стиснення;

- розробкою способiв поєднання значного деформаційного зміцнення холоднодеформованих середньомiдистих чавунiв з методами отримання виробiв. холоднодеформований чавун виливка структуроутворення

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

- вперше виявлено вплив високомідистої e-фази на характеристики пластичності середньомідистих чавунів різного структурного класу;

- показано, що формування високих механiчних параметрiв середньомідистих чавунів при холоднiй пластичнiй деформацiї зумовлено своєрідною суперпозицією напружень, ініціатором виникнення якої є високомідиста e-фаза ЛКМ;

- визначено один з аспектiв природи формування високих показникiв зносостiйкостi, що заснований на факті створення всебiчного нерiвномiрного стиснення в дискретних зонах контакту спряжених пар тертя-ковзання.

Практичне значення отриманих результатів. В результаті проведеної роботи створено новий напрямок виготовлення трибовиробів з принципово нових ливарних композитних матеріалів- середньомідистих чавунів.

Розроблено параметри інтенсивної технології отримання підшипників ковзання з даних сплавів шляхом холодного пресування, які можуть використовуватись в трибовузлах сільськогосподарських машин, автомобілів та інших механізмів. Конкретні пропозиції передані Луцькому автомобільному заводу, в якості рекомендацій по заміні втулок шкворня поворотного кулака автомобіля ІЛуАЗ”.

Особистий внесок здобувача. В дисертацію включено лише ті експериментальні та теоретичні результати, які були отримані безпосередньо дисертантом. Участь у постановці разом з науковим керівником конкретних завдань досліджень. Інші співавтори робіт брали участь у аналізі та обговорюванні результатів досліджень, підготовці матеріалів опублікованих разом з дисертантом наукових праць.

Апробацiя роботи. Дисертацiйна робота обговорювалась на розширенному науковому семiнарi ЛДТУ. Основнi результати дослiджень доповiдались:

- на мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Композицiйнi матерiали в високоефективних технологiях механоскладального виробництва" (м. Алушта, 27-29.05.1997р.);

- на мiжнародному семiнарi "Реологiчнi моделi та процеси деформування пористих i композицiйних матерiалiв" (м.Ковель, 29.09- 5.10.1997р.);

- на міжнародній науково-технічній конференції ІЛитые композиционные материалы - 97” (м. Київ, жовтень - листопад 1997р.);

- на трьох науково-технiчних конференцiях професорсько-викладацького складу ЛДТУ в 1995-1997 рр.

Публікації. За результатами основних досліджень опубліковано 12 наукових праць.

Структура i обсяг дисертацiї. Дисертацiя складається з вступу, п'яти роздiлiв, основних висновкiв, лiтератури та додаткiв. Викладена на 130 стор. машинописного тексту, вмiщує 51 рис, 13 таблиць, бiблiографiю з 132 джерел.

КОРОТКИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обгрунтовано актуальнiсть теми дисертацiї, наведенi вiдомостi про наукову новизну роботи та викладенi твердження, якi виносяться на захист.

Перший роздiл дисертацiї присвячений огляду сучасних напрямкiв покращення експлуатацiйних характеристик чавунних виливок. Вiдмiчено новi можливостi синтезу ЛКМ, основою яких є звичайнi чавуни. Описанi особливостi кристалiзацiї мiдистих, середньомiдистих чавунiв, як однiєї з груп даного класу ЛКМ.

Проаналiзованi методи деформування чавунiв з метою отримання виробiв. Висунуто припущення про можливостi пiдвищення пластичностi середньомiдистих чавунiв, як матерiалiв з суттєво вiдмiнним вiд вiдомих чавунiв структурним станом. Сформульованi мета та завдання дослiджень.

В другому роздiлi описанi методи структурних дослiджень матерiалiв, що вивчаються. Проаналiзованi особливостi структурного стану середньомiдистих чавунiв у виливках (Ж30ґ250мм) та пiсля традицiйних видiв теплової обробки. Наведено методику оцiнки пластичностi середньомiдистих чавунiв в умовах всебiчного нерiвномiрного стиснення при холодному деформуваннi.

На основi металографiчних дослiджень (МИМ-8, МИМ-10, МБС-10) литих середньомiдистих чавунiв визначено iнтервал концентрації легуючого компонента (мiдi), при якому досягається утворення додаткової структурної складової чавунiв - високомiдистої e-фази. При концентрацiї мiдi в дослiджуваних чавунах понад 6,0%мас. високомiдистi включення формуються навколо первинних кристалiтiв графiту у виглядi оболонки та рiвномiрно розподiляються в об'ємi матерiалу. Розмiр цих включень коливається в межах 100...200 мкм.

Локальним рентгеноаналiзом на растровому електронному мiкроскопi мiкроаналiзаторi марки РЭММА-101А визначено, що в e-фазi частково розчиняються практично всi компоненти чавунiв, крiм вуглецю та сiрки (% мас.: Fe - 4...6, Si<1,5, Mn<0,5). За своєю природою e-фаза близька до таких сплавiв на основi мiдi як бронзи.

При проведеннi термiчної обробки виливок встановлено, що своєрiднiсть структурного стану середньомiдистих чавунiв, яка пов'язана з присутнiстю високомiдистої фази, зберiгається при реалiзацiї рiзних режимiв обробки (нормалiзацiї, графiтизуючого вiдпалу та iзотермiчного гартування).

Для найбiльш повного розкриття закономiрностей пластичної деформацiї середньомiдистих чавунiв використовували метод запропонований Б.Д.Грозiним для деформування крихких матерiалiв. Особливiстю методу є можливiсть досягнення схеми всебiчного нерiвномiрного стиснення в дослiджуванному зразку, при простих схемах навантаження. Це дозволяє підвищити пластичність матеріалу.

Суть методу полягає в одночасному осаджуваннi чавунного цилiндричного зразка (Ж6ґ10 мм) та стальної обiйми (Ж20ґ10 мм), в осьовий отвiр якої було попередньо вставлено зразок. При цьому, напружений стан у зразку оцiнювали по значенню приведеного напруження (sіў). Це напруження за своєю суттю є тангенцiйним октаедричним напруженням, а отже визначає здатнiсть матерiалу чинити опiр зсуву. Отже, приведене напруження найкращим чином характеризує змiну механiчних параметрiв матерiалу в станi пластичностi.

У третьому роздiлi проаналiзованi структурнi змiни феритних середньомiдистих чавунiв при вибраних методах дослiджень, а також вивчено характер деформацiї сплавiв, на основi дiаграм деформацiї, як функцiї sіў=f(e). За допомогою глибоких металографiчних дослiджень встановлено фiзичну модель холодної пластичної деформацiї середньомiдистих чавунiв, при наявностi в їх структурi високомiдистої e-фази (5…8%об.). Показано, що характер пластичної деформацiї дослiджуванних сплавiв є суттєво вiдмінним вiд добре вiдомих в промисловостi графiтизованих чавунiв.

При появi в структурi чавунiв високомiдистої e-фази (Cu>6%мас.) спостерiгається чiтка стадiйнiсть в процесi їх холодної пластичної деформацiї. На початку пластичного течiння зміцнення a-фази сповільнюється і на діаграмі деформації утворюється зона інтенсивного пластичного течіння. Пiсля 40% залишкової деформацiї вiдбувається iнтенсивне змiцнення фериту, на що вказує швидкий ріст приведеного напруження зразка.

По-сутi, пластичну деформацiю середньомiдистого чавуну з вмiстом мiдi 8,53% можна розбити на два періода. Перший період характеризується інтенсивною пластичною деформацією без помітного деформаційного зміцнення. На другому періоді, який настає після 35…40% відносної деформації, відбувається інтенсивне деформаційне зміцнення із значним зростанням приведеного напруження по ходу деформації.

Важливим наслiдком появи та розширення стадiї iнтенсивної пластичної деформацiї є можливiсть пiдвищення ресурсу пластичностi легованих мiддю чавунiв (понад 70%). Водночас, зберiгається ефект деформацiйного змiцнення. Для чавуну плавки 4 приведене напруження при руйнуванні зростає майже вдвiчi по вiдношенню до критичного (sіўкр), яке вiдповiдає початку пластичного течiння.

Отриманi дiаграми деформацiї суттєво вiдрiзняються вiд вiдомих в машинобудуваннi графітизованих чавунів з найвищими пластичними властивостями (ВЧ з феритною матрицею, ковкі чавуни). Встановлено, що в рівноцінних умовах експерименту для таких сплавів властивий прямолінійний характер зміни приведеного напруження з малою швидкістю деформаційного зміцнення. Пластична деформацiя закiнчується при досить малому значенні приведеного напруження (sіў=530МПа). Механiзм руйнування тут вiдповiдає традицiйним уявленням про процеси деструкцiї графiтизованих чавунiв: значне спотворення графiтних кристалiтiв зумовлює утворення макротрiщин.

Присутнiсть в структурi графiтизованих чавунiв високомiдистої e-фази змiнює розвиток пластичної деформацiї, що було встановлено металографiчними дослiдженнями.

В початковий перiод деформацiйна ситуацiя в середньомiдистих чавунах (Cu>6,0% мас.) характеризується ефектом пiдвищення пластичностi сплаву, за рахунок поглинання (релаксацiї) напружень e-фазою. Дане явище завдячує особливiй взаємодiї структурних складових композитного матерiалу з рiзним рiвнем механiчних параметрiв.

Маючи, як матерiал з г.ц.к. граткою, значну кiлькiсть систем ковзання суттєво рiзної орiєнтацiї, e-фаза чавуну здатна, завдяки легкій реалiзацiї цих систем, до поглинання значної долi макродеформацiї сплаву в початковий перiод деформування. При цьому, e-фаза зазнає помiтної деформацiї на фонi мало спотворених зерен фериту

Змiцнюючись в цей перiод, e-фаза в подальшому (>40% залишкової деформацiї) виступає як своєрiдний концентратор напружень, iнiцiюючи пластичну деформацiю металiчної матрицi. При цьому, вiдбувається значне змiцнення a-фази середньомiдистих чавунiв з утворенням своєрiдних надзмiцнених дiлянок, які включають високомiдисті включення та прилеглі до них феритні зерна. Останнi, у вказаних мiсцях, зазнають значного спотворення (рис. 3, б). Добре помітним є факт збереження вiдносно компактної форми графiтними кристалiтами, розташованими у високомiдистiй оболонцi. e-фаза, в цьому випадку, виступає як пластична обiйма, що здатна ефективно розсiювати поле напружень навколо графiтних кристалiтiв.

Описаний механiзм пластичної дефорацiї середньомiдистих чавунiв пiдтверджується характером змiни мiкротвердостi a- та e-фази в процесi деформацiї

В результаті проведених досліджень встановлено, що у випадку пiдвищення твердостi металiчної матрицi середньомiдистих чавунiв (нормалiзацiя, iзотермiчне гартування), суть визначеного механiзму деформацiї зберiгається.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Бобро Ю.Г., Дмитрюк Н.В., Гусачук Д.А. Особенности структуры и свойств высокомадистых чугунов с шаровидным графитом//Литейное производство.- 1997.-№10.-С.10-12

2.Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Бобро А.Ю. Износостойкость и деформационная способность композитов на основе чугунов с шаровидным графитом// Процессы литья.- 1997.-№4.-С.15-17.

3. Бобро Ю.Г., Дмитрюк Н.В., Гусачук Д.А. Теоретические аспекты синтеза литейных композитных материалов//Тези доповыдей мыжнпрожного семынару “Реогогычны моделы та процеси деформування пористих ы композитних матерыалыв”.-Луцьк:ЛП.-1997.-С.69

АНОТАЦІЯ

Робота присвячена вивченню потенційних можливостей формування фізико-механічних властивостей середньомідистих чавунів як нового класу литих композитних трибоматеріалів. Встановлено, що в чавунах з компактним графітом, які містять 6,0…8,0% мас. міді, утворення високомідистої e-фази відбувається у вигляді оболонки навколо кристалітів графіту. Показано, що при холодній пластичній деформації за умов всебічного нерівномірного стиснення, середньомідисті чавуни такого складу характеризуються високими запасом пластичності та здатністю до механічного зміцнення. Розроблено механізм холодної пластичної деформації середньомідистих чавунів, в основу якого покладено особливості взаємодії структурних складових з різними механічними параметрами (металічна матриця (легована система Fe-C) + С(графіт) + e-фаза). Основним ефектом такої взаємодії є виключення явища істотного графітного шарування чавуну.

АННОТАЦИЯ

В работе изучалась группа среднемедистых чугунов с компактным графитом (Cu=3,5…8,53% мас.).

Основной целью исследований было установление закономерностей структурообразования и формирования характеристик пластичности среднемедистых чугунов как литейных композитных материалов с особым структурным состоянием.

Характерной чертой структурного состояния изучаемых сплавов является присутствие в отливках, полученных по специальной технологии, сферических включений высокомедистой e-фазы. Установлено, что для наиболее известных в отечественном машиностроении конструкционных чугунов (еС,Si=5…6%мас.) содержание меди для устойчивого формирования e-фазы соответствует не менее 6,0% мас.

Указанная особенность структурного состояния среднемедистых чугунов способствует существенному повышению их пластичночти. Изучение данной характеристики проводили путём использования известного метода холодного деформирования хрупких материалов в условиях всестороннего неравномерного сжатия. При этом, имеется возможность проследить реакцию материала на действие тангенциальных напряжений, отвечающих за его пластическое течение.

Среди рассматриваемых в работе сплавов при холодном деформировании в условиях всестороннего неравномерного сжатия феритные чугуны с 8,53% мас.Cu характеризуются наибольшей пластичностью (до 70% остаточной деформации). Кроме того, в данных условиях, наблюдается значительное упрочнение материала без особо свойственной для обычных чугунов слоистости искажённых кристаллитов графита и металлической матрицы.

Изменение традиционной ситуации заключается в своеобразном взаимодействии фаз с существенно различными механическими параметрами (металлическая матрица + графит + e-фаза). Развитие пластического течения в начальный период, сопровождается селективным поглощением деформации высокомедистой e-фазой, что обусловлено природой кристаллического строения последней (г.ц.к. решётка). В то же время, способность к значительному упрочнению e-фазы, в последствии изменяет ситуацию и при степени деформации более 40% наиболее интенсивно деформируется металлическая матрица. На данном этапе e-фаза выступает как концентратор напряжений, инициируя существенное деформационное упрочнение металической матрицы. Такое явление имеет наибольшее проявление в объёмах основы чугуна, которые размещены вблизи e-фазы, что приводит к формированию разобщённых участков с высоким механическим упрочнением.

За счёт торможения деформирования металлической матрицы значительно расширяется область безопасной деформации графитизированных чугунов, с исключением преждевременной диструкции кристаллитов графита и разрушения материала. Данное обстоятельство дало возможность использовать установленный уровень пластичности среднемедистых чугунов путём применения холодного прессования для получения трибоизделий как одного из возможных практических способов реализации результатов работы.

В исследованиях наблюдали проявление массопереноса меди и общее положительное влияние на процесс контактирования материала с деформирующим инструментом, присутствующей в чугунах высокомедистой фазы. Установленное при этом, эффективное упрочнение сплавов обуславливает значительное повышение износостойкости прессизделий (в 10…15 раз). Это даёт возможность получать высококачественные изделия из ферритных среднемедистых чугунов для узлов трения скольжения, где требуются высокие антифрикционные параметры при достаточной износостойкости.

ABSTRACT

This thesis deals with studying the ways to form physical/mechanical properties of medium-copper cast irons as a new class of cast composite tribomaterials. It is estimated that with cast irons, containing compact graphite and 6-8% of copper, high-copper e-phase is formed as a shell around graphite crystallites. It is shown that in the process of cold strain in conditions of close irregular compression, medium-copper cast irons present a high degree of residual deformation and mechanical strengthening. A new mechanism for cold strain of medium-copper cast irons, based on special interaction between structure components with various mechanical characteristics (metal matrix (alloy system Fe-C) + C (graphite) + e-phase) has been worked out. The major effect of such interaction is exclusion of any considerable graphite stratification of cast iron.

Чавун, литий композитний матеріал, високомідиста фаза, механічне зміцнення, структура, холодне пресування, зносостійкість.

Чугун, литой композиционный материал, структура, высокомедистая фаза, пластическая деформация, механическое упрочнение, холодное прессование, износостойкость.

Сast iron, cast composite, high-copper phase, mechanical strengthening, structure, cold pressing, wear-resistance.

Размещено на Allbest.ru