Морфологія та особливості природи епсілон-фази в процесі формування гетерогенної структурі зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Луцький державний технічний університет

УДК 620.22:669.131.7

Морфологія та особливості природи епсілон-фази в процесі формування гетерогенної структурі зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом

05.02.01 матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Парфентьєва Інна Олександрівна

Луцьк 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті на кафедрі матеріалознавства і обробки металів тиском, Міністерство освіти і науки України, м. Луцьк

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бобро Юрій Георгієвич, Луцький державний технічний університет, професор кафедри матеріалознавства та обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, старший науковий співробітник Тихонович Вадим Іванович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, відділ нових литих матеріалів м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент Бачинський Юрій Григорович, Тернопільський державний педагогічний університет ім. В. Гнатюка, доцент кафедри фізики та методики викладання.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “15” жовтня 2003 року о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 при Луцькому державному технічному університеті за адресою: 43018, м.Луцьк, вул. Львівська, 75.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Луцького державного технічного університету (м. Луцьк, вул. Львівська, 75).

Автореферат розісланий “11” вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Гусачук Д.А.

чавун легування композитний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Аналіз технічної літератури свідчить про підвищену увагу серед спеціалістів до розширення меж промислового використання зносостійких матеріалів, створених на базі білих і сірих чавунів з підвищеною концентрацією міді. Окрему групу серед відомих литих композитних матеріалів (ЛКМ) займають сплави, синтезовані на базі високоміцних сірих чавунів з особливою природою мікрогетерогенної структури. Накопичений в теорії та практиці досвід з використання ЛКМ показує, що експлуатаційні властивості виливків багато в чому залежать як від ступеня гетерогенності структури, так і від природи їх структурних складових. При синтезі сплавів, які містять мідь понад межі її розчинності в Fe-С системі, мікрогетерогенна структура складається з графітних кристалітів та високомідистої -фази в металічній матриці.

Незважаючи на чисельність отриманих раніше результатів щодо легування чавунів міддю стає очевидним їх суперечливий характер, що особливо стосується сплавів з концентрацією міді більше 4,0 % мас. Існуючі дані щодо легування сірих чавунів міддю є обмеженими та не розкривають суті процесу формування гетерогенної структури виливків. До кінця невирішеним залишається питання щодо форми існування високомідистої фази та її власної структури, від чого залежать більшість властивостей ЛКМ. Тому дослідження даної категорії сплавів є актуальними та своєчасними, а їх аналіз дасть можливість розкрити закономірності синтезу нової групи ЛКМ на базі високомідистих чавунів з кулястим графітом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась згідно з держбюджетною тематикою „Фізико-технічні проблеми матеріалознавства”. Назва держбюджетної теми по університету "Розробка наукових принципів синтезу композитів з широкою гамою властивостей", номер 42 д/б. Номер державної реєстрації теми 0100U000256.

Мета роботи і завдання дослідження: розкрити закономірності формування гетерогенної структури сірих високоякісних чавунів при їх легуванні міддю, вивчити морфологію та природу високомідистої -фази, на основі чого розробити наукові основи синтезу ЛКМ високої зносостійкості.

Дана мета досягається вирішенням наступних завдань:

- вивченням природи процесів диференціації структури сірих чавунів в процесі виплавки та кристалізації при їх легуванні середніми та високими добавками міді і застосуванні спеціальних технологій обробки розплавів;

- дослідженням структури, морфології та фізико-хімічного стану всіх типів виділень високомідистої -фази у виливках з ЛКМ;

- вивченням впливу різних видів термічної обробки та пластичної деформації на морфологію та структуру включень високомідистої -фази;

- розробкою теоретичних основ синтезу ЛКМ на основі сірих промислових чавунів, легованих міддю та здатних до самоорганізації структури в складних умовах експлуатації.

Методи дослідження. Для виконання завдань дослідження в роботі використовувались методи обробки розплавів чавунів (легування, модифікування, термочасова обробка), методи хімічного аналізу матеріалів, метод гартування з рідкого стану, методи структурних досліджень із застосуванням оптичної металографії, електронної мікроскопії, рентгенографії, методи фазового аналізу матеріалів (кількісної металографії, фазового рентгеноструктурного аналізу), методи кількісного та якісного мікрорентгеноаналізу, методи визначення твердості та мікротвердості, методи термічної обробки та пластичної деформації в умовах всестороннього нерівномірного стиснення, теоретичні методи аналізу термодинаміки сплавів з використанням положень синергетики та нерівноважної термодинаміки, математичні методи статистичної обробки результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблені основи наукових принципів легування сірих чавунів міддю з метою отримання литих композитних матеріалів з високим комплексом функціональних властивостей за рахунок здатності до ефективної дисипації зовнішньої енергії;

- розкрито природу процесів формування включень високомідистої -фази в чавунах промислового складу з компактною формою графіту при їх легуванні середніми та високими добавками міді;

- досліджено структуру, фізико-хімічні властивості та характер розподілення у виливках високомідистих чавунів виділень -фази, на основі чого вперше проведено диференціацію всіх морфологічних типів виділень високомідистої фази;

- вперше показано, що легування міддю сірих чавунів, за певних умо, призводить до специфічних змін флуктуаційної ситуації на різних структурних рівнях, які закінчуються появою нової складової в чавунах - сфероїдів у вигляді суміші Г+;

- вивчено зміни первинної структури ЛКМ, пов'язані з появою сферичних виділень Г+, а також особливості морфології включень -фази як в литому стані, так і при застосуванні різних видів термічної обробки високомідистих чавунів та їх холодної пластичної деформації.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій досягається використанням в роботі: повіреного та атестованого обладнання і приладів (лабораторій ЛДТУ та ФТІМС НАН України); сучасних методів реєстрації та статистичної обробки результатів досліджень; достатньої кількості експериментальних зразків та відтворюваністю одержуваних результатів; сучасних положень матеріалознавства, нерівноважної термодинаміки сплавів і синергетики для теоретичного аналізу та інтерпретації досліджуваних явищ; практичної перевірки наукових результатів.

Наукове значення роботи. Отримані в роботі результати доповнюють існуючі дані щодо структуроутворення ЛКМ на базі сірих чавунів з широкою гамою функціональних властивостей. Підвищення ступеня гетерогенності структури чавунів вирішується шляхом ускладнення флуктуаційної ситуації як в твердих, так і в рідких розчинах заліза. Розроблені принципи керування структурою ЛКМ дозволяють розвинути сучасні теоретичні положення матеріалознавства й синергетики сплавів про формування мікро- та макрогетерогенної структури зносостійких чавунів, зокрема появи додаткових трибофаз, механізм утворення яких для дослідних сплавів вивчений вперше.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблені наукові основи синтезу литих композитних матеріалів для вузлів тертя-ковзання;

- встановлені раціональні межі концентрації міді в сірих чавунах для досягнення процесів, результатом яких є поява в литій структурі виливків нової складової чавунів - сфероїдів Г+;

- запропоновані ефективні способи впливу на розплави високомідистих чавунів для реалізації багаторівневих перетворень та формування зносостійкої структури як в рідкому, так і в твердому стані ЛКМ;

- встановлені оптимальні режими термічної обробки отриманих сплавів, які дозволяють регулювати кількісне співвідношення трибофаз в сірих чавунах, досягаючи умов розширення функціональних властивостей ЛКМ відповідно до законів симетрії;

- проведено практичне застосування результатів досліджень, шляхом заміни трибовиробів з бронз на деталі з розроблених сплавів, що засвідчено актом випробування ВАТ „Електротермометрія” (м. Луцьк).

Особистий внесок здобувача. В дисертацію включено лише ті експериментальні та теоретичні результати, які були отримані безпосередньо автором. Поставлені в роботі завдання дослідження вирішувались особисто автором з використанням технічної допомоги та консультацій співавторів, опублікованих разом з дисертантом наукових праць. Співавтори робіт брали участь також в обговорюванні окремих результатів досліджень та їх аналізі, підготовці матеріалів наукових праць (розробка вступної частини, постановка мети, обговорення результатів). Важливі теоретичні положення та висновки зроблені автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота обговорювалась на розширеному науковому семінарі ЛДТУ. Основні результати досліджень доповідались:

- на міжнародній науково-технічній конференції "ЕВТЕКТИКА - V" (м. Дніпропетровськ, 11-14.06.2000 р.);

- на міжнародній науково-технічній конференції "Композиционные материалы в промышленности", Славполиком. (м. Ялта, 21-25.05.2001 р.);

- на міжнародній науково-технічній конференції "Композиционные материалы в промышленности", Славполиком. (м. Ялта, 1-5.06.2002 р.);

- на трьох науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛДТУ в 2000-2002 рр.

Публікації. За результатами основних досліджень опубліковано: 3 статті в наукових журналах, 2 статті в збірниках наукових праць, 3 публікації в матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, літератури та додатків. Викладена на 151 стор. машинописного тексту, вміщує 72 рис, 11 таблиць, бiблiографiю із 137 джерел.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, наведені відомості про наукову новизну роботи, практичне значення отриманих результатів та викладені твердження, що виносяться на захист.

Перший розділ дисертації присвячений аналітичному огляду сучасних напрямків створення ЛКМ на основі сірих та білих чавунів. Розглянуто дані про фазовий стан систем Fe-Cu, Fe-Cu-C, при цьому вказано на обмеженість існуючих результатів досліджень щодо структури та фізико-хімічної природи сірих чавунів, легованих великими кількостями міді. Проаналізовано різні фрагменти діаграм стану Fe-Cu та Fe-Cu-C систем, розглянуті основні реакції, якими супроводжуються процеси формування структури легованих чавунів.

Розглянуто рідкий стан залізовуглецевих сплавів. Показана природна схильність легованих міддю чавунів до розшарування в рідкому стані та ускладнення процесу кристалізації, у випадку концентрацій міді, які значно перевищують межі її розчинності в рідких та твердих розчинах Fe-C системи. Відмічено можливість формування в розплавах чавунів моно- чи полідисперсних емульсійних систем під впливом емульгаторів. Описані особливості стабілізації емульсійного стану розплаву.

За відомими працями проаналізований вплив міді, в широкому діапазоні концентрацій (1...20 % мас), на формування структури та властивостей виливків з сірих чавунів. Показано, що легування міддю понад межі її розчинності призводить до утворення високомідистої фази, яка суттєво впливає на формування мікрогетерогенної структури та дозволяє покращити зносостійкість чавунів. Проаналізовано зміни основних властивостей чавунів під впливом високих концентрацій міді. Вказано на обмеженість даних про механізм формування високомідистої фази у виливках, її власну структуру та морфологію. Крім того, в сучасній літературі відсутні відомості щодо механізмів впливу даної складової на властивості чавунів.

Така обмеженість не дає змоги чітко уявити природу процесів формування мікро- та макрогетерогенної структури чавунів легованих високими добавками міді, а отже не дозволяє розробити принципи керування функціональними властивостями ЛКМ, отриманих на їх основі.

Наприкінці розділу сформульовані мета та завдання досліджень.

В другому роздiлi описанi вибрані методи дослiджень для вирішення поставлених у роботі завдань.

При отриманні сплавів за основу було взято відому технологію отримання ЛКМ на базі чавунів. Легування міддю виконували вводом її як з шихтовими матеріалами, так і в рідкий розплав. Для проведення експериментальної частини чавун відливали у стержневі піщані форми (30250 мм). При цьому отримували також ступінчасті проби, одержані гартуванням з рідкого стану та литтям на металічну підкладку.

Хімічний аналіз експериментальних сплавів проводили на зразках, отриманих із стержневих виливків (табл. 1)

Основним методом для вивчення структурного стану була обрана оптична металографія. Використовувались металографічні мікроскопи МИМ-10, МИМ-8, МБС-10. Рентгеноструктурний аналіз проводили з використанням установки ДРОН-3М. Локальний мікрорентгеноаналіз проводили на мікроаналізаторі РЭММА-102А. Для отримання електронографічних зображень структури зразків використовували електронний мікроскоп ЭМ-125К.

При аналізі отриманих результатів використовували метод структурно-графічних зображень та лінійно-біфуркаційний аналіз.



Таблиця 1

Хімічний склад та твердість досліджуваних чавунів

№ плавок	Вміст хімічного елементу % мас.	Твердість, HRCэ
	C	Si	Mn	Cu	Cr	Ti	P	S	Mg
1	2,92	2,60	0,13	3,75	0,06	0,035	0,10	0,05	0,030	32
2	2,92	2,77	0,10	4,61	0,06	0,035			0,025	41
3	2,86	2,58	0,23	6,20	0,05	0,035			0,030	55
4	2,90	2,51	0,25	7,30	0,05	0,030			0,030	52
5	2,81	2,80	0,25	8,53	0,05	0,030			0,035	49
6	2,78	2,78	0,11	9,73	0,02	0,025			0,035	48
7	2,88	2,73	0,11	11,15	0,02	0,025			0,030	53
8	2,80	2,67	0,20	12,85	0,02	0,025			0,030	53
9	2,85	2,58	0,20	13,90	0,05	0,030			0,032	53
10	2,61	2,50	0,11	15,40	0,05	0,030			0,032	53

У третьому роздiлi наведені результати досліджень природи формування високомідистої фази у виливках з експериментальних сплавів. Показано, що виділення включень -фази дозволяє суттєво підвищити ступінь гетерогенності високомідистих чавунів як на мікро-, так і на макрорівні. На основі детального вивчення морфології включень високомідистої фази проведено диференціацію гетерогенної структури ЛКМ в литому стані. Вивчено вплив міді на евтектичну кристалізацію чавунів.

У дослідженнях проводили вивчення структури високомідистих чавунів в розплавах. При цьому структурно-гартувальним методом встановлено, що розплави ЛКМ у вибраному інтервалі концентрацій міді являють собою емульсію. І в даному випадку дисперсійним середовищем є рідкий розчин Fe-C-Si, а диспергованою фазою виступають краплі рідкої міді. Основною причиною існування емульсійного стану розплавів досліджуваних чавунів є явище незмішуваності, яке за проведеними розрахунками має місце в широких межах концентрацій міді та температур.

Підвищення концентрації міді викликає збільшення числа крапель емульсії в загартованих з рідкого стану зразках. При цьому встановлено, що сплави з вмістом міді до 12,0 % мас. характеризуються практично монодисперсністю емульсійного стану їх розплавів. Наступні порції міді (плавки 8, 9, 10) викликають розвиток процесів коагуляції та значного підвищення ступеня полідисперснисті емульсії.

Наявність емульсії суттєво змінює стан розплавів високомідистих чавунів як металічних систем. Емульсія сприяє підвищенню мікрогетерогенності ЛКМ на всіх стадіях процесу їх кристалізації.

Дослідження литої структури експериментальних сплавів вказують на присутність в їх структурі включень високомідистої -фази різної форми. При цьому встановлено, що в плавках з вмістом міді більше 6,0 % мас. -фаза здатна формуватись в особливій формі, утворюючи оболонку навколо первинних кристалітів графіту.

Загалом процес виділення високомідистої -фази в високомідистих чавунах можна диференціювати на чотири морфологічних типи виділень:

краплеподібні дрібні (10мкм) кулясті включення;

компактні включення середніх розмірів (30…50 мкм);

включення -фази неправильної форми;

оболонка -фази навколо первинних кристалітів графіту з розміром утворення 100…150 мкм.

Виділення крапель -фази спостерігається у всіх плавках досліджуваних чавунів. Їх походження безпосередньо пов'язано з існуванням емульсії міді в рідкому стані, на що вказує розміри крапель та формування їх переважно в кристалах аустеніту. Форма крапель мало змінюється та відповідає кулястій чи компактній, розміри крапель коливаються в межах 5...10 мкм. Травленням встановили, що краплина -фази не характеризується полізернистою структурою. При цьому електронно мікроскопічними дослідженнями виявляється рельєф типовий для будови монокристалів (рис. 1) без виділень інших фаз.

Встановлено, що при концентраціях міді більше 8,0 % краплі -фази можуть коагулювати в процесі кристалізації ЛКМ, з утворенням компактних включень порівняно більших розмірів (30...50 мкм). Такі включення зосереджуються в евтектичних зернах (рис. 2) та іноді можуть мати спотворену форму при затиснені кристалами цементиту. Дані виділення формують другий та третій морфологічні типи -фази. Явище коагуляції встановлене локальним мікрорентгеноаналізом і вказує на зв'язок процесу формування даних включень з емульсійним станом розплавів високомідистих чавунів.

З вивчення загальної структури литих сплавів встановлено, що в плавках з вмістом міді більше 8,0 % домінуючим типом включень -фази є оболонка навколо первинних кристалітів графіту (рис. 3). З виділенням даного морфологічного типу -фази пов'язують значну зміну гетерогенного стану ЛКМ та більшості фізико-механічних властивостей високомідистих чавунів і особливо покращення триботехнічних характеристик.

Послідовним зняттям шарів сплаву встановлено, що в оболонці присутні виділення інших фаз, з переважною присутністю мікровиділень графіту. Тобто дана складова ЛКМ являє собою механічну суміш фаз Г+, яка за зовнішнім контуром характеризується компактністю та розмірами в межах 100...150 мкм. Отже, дані включення являють собою сфероїди Г+.

Встановлено, що формування сфероїдів Г+ відповідає суто кристалізаційним явищам. Центрами кристалізації сфероїдів виступають зародки графітної фази чи стабільної евтектики А+Г, чим досягається рівномірність та регулярність їх розподілення в структурі ЛКМ. Причиною формування в даних місцях -фази є градієнт концентрацій вуглецю при рості кристалітів графіту. Завдяки зменшенню концентрації вуглецю навколо зародків графіту, останні захоплюються мідистою рідиною. Причому даний процес носить частковий дискретний характер у випадку формування А+Г евтектики. Ріст останньої пов'язаний з частковим розбавленням прилеглих об'ємів рідкого розплаву атомами міді, що викликає локальну зміну вуглецевого еквіваленту (за даними мікрорентгеноаналіза) до евтектичної точки. В такій ситуації порції рідкої міді переохолоджуються до температур перитектичної реакції, яка властива сплавам Fe-Cu. Наступні процеси формування оболонки пов'язані з почерговим ростом квазіевтектики (А)+Г. При цьому оболонка з -фази насичується мікровиділеннями графіту.

Мкрорентгеноаналізом встановлено, що процес формування сфероїдів Г+ сприяє значному зменшенню концентрації міді в залізовуглецевому розплаві. В даному випадку краплі емульсії виступають ефективним донором міді, значна кількість якої витрачається на утворення оболонки. Таким чином, ріст сфероїдів Г+ сприяє уникненню процесів виділення вільноструктурних включень -фази і, особливо ліквації міді. Це вказує також, що поява даного морфологічного типу високомідистої фази суттєво залежить від загального вмісту міді в чавунах. Зокрема, за результатами аналізу первинної структури розроблених ЛКМ встановлено, що кількість сфероїдів збільшується досить різко в межах вмісту міді 6...8 % мас., а надалі їх кількість не змінюється і може навіть зменшуватись при концентрації міді в сплаві більше 12 % мас.

До позитивних моментів, пов'язаних з виділенням включень Г+, можна віднести також встановлений в експериментах факт часткового рафінування розплаву високомідистих чавунів. Сфероїди при кристалізації здатні поглинати шкідливі домішки у вигляді сульфідів, оксидів та з'єднань іншої природи. Це підтверджується даними локального мікрорентгеноаналізу (табл. 2). З даних таблиці видно, що основним елементом всіх типів включень -фази є залізо, кількість якого у сфероїдах Г+ найвища.



Таблиця 2

Дані по розчинності основних елементів чавунів у високомідистій фазі

Елемент	Об'єкт аналізу
	краплі -фази (10 мкм)	компактні включення (30...50 мкм)	сфероїди Г+ (100...150 мкм)	включення неправильної форми
Fe	1,608	1,588	4,758	2,034
Cu	97,954	97,939	90,841	97,523
Mn	0,145	0,203	0,675	0,110
Si	0,192	0,180	1,221	0,205
S	-	-	2,064 (сульфіди)	0,013 (сульфіди)
P	0,101	0,090	0,441	0,115

Внаслідок зміни природи кристалізації А+Г евтектики, кристалізація високомідистих чавунів в широкому діапазоні концентрації міді проходить з відбілом їх литої структури. Причиною цього є, в першу чергу, зникнення центрів кристалізації графітної фази при їх захопленні мідистою рідиною, а також значна ліквація у сфероїди Г+ кремнію.

Проведений в роботі кількісний аналіз литої структури виливків показує, що відбілюючий ефект міді не монотонний. Зокрема, з даних рис. 4 видно, що для сплавів, з наявністю сфероїдів Г+, менша кількість ледебуриту відповідає найбільшій кількості включень Г+. Це пов'язано з обов'язковим існуванням навколо сфероїдів Г+ перліто-сорбітної зони. Зменшення кількості ледебуриту узгоджується з даними рентгеноструктурного аналізу. Як видно, зміна кількості залишкового аустеніту -фази чітко корелюється із зміною кількості ледебуриту.

Таким чином, основним результатом легування великими добавками міді сірих чавунів є поява у виливках принципово нової складової їх структури - сфероїдів Г+. Це суттєво змінює термодинамічні умови первинної кристалізації чавунів, що пов'язано з ростом двох евтектик: стабільної та метастабільної, з ускладненням мікро- та макрогетерогенного стану ЛКМ.

В четвертому розділі дисертації проводиться вивчення результатів впливу різних видів термічної обробки та пластичної деформації на морфологію та структуру всіх типів включень високомідистої -фази ЛКМ. Вивчено зміни в загальній структурі високомідистих чавунів та проведено аналіз ступеня диференціації їх гетерогенного стану.

Встановлено, що для високомідистих чавунів всіх плавок можливе проведення всього комплексу термічної обробки. Процес відпалу та гартування супроводжуються незначними змінами ступеня диференціації структури ЛКМ за рахунок зміни розчинності міді в залізовуглецевих фазах та кількісного співвідношення останніх.

Великі добавки міді по-різному впливають на процес відпалу чавунів. Показано, що підвищення вмісту міді сприяє розпаду евтектичного цементиту, що спрощує технологію отримання високомідистого чавуну з перлітною металічною матрицею. Водночас присутність міді в евтектоїдній суміші гальмує її розпад при повному графітизуючому відпалі. При цьому встановлено, що суміщення першої та другої стадій графітизації для отриманих ЛКМ з ізотермічною витримкою при субкритичних температурах прискорює процес розпаду перліту. Це спрощує технологію отримання високомідистих чавунів з перлітною структурою металічної матриці.

Встановлено, що морфологія сфероїдів Г+ практично не змінюється в процесі як першої, так і другої стадії графітизації. Проте, в дослідженнях виявлено явище розтікання -фази сфероїдів по границях зерен аустеніту з утворенням характерних пелюсток на місці сфероїду (рис. 5). При цьому залізо та інші елементи дифундують з -фази в металеву матрицю та хімічний склад пелюсток високомідистої фази наближається до складу вільноструктурних включень -фази.

Відпал сплавів призводить до появи у вільноструктурних включеннях високмідистої -фази чітких границь полікристалів. Це вказує на проходження процесу фрагментації їх структури, а отже доводить монокристалічність подібних утворень у литій структурі ЛКМ.

Кількісним металографічним аналізом встановлено, що повним графітизуючим відпалом вдається підвищити ступінь гетерогенності ЛКМ. Це пов'язано зі значним зменшенням розчинності міді у феритній металічній матриці чавунів. Підвищення ступеня неоднорідності системи викликано не лише появою нових включень -фази дифузійного походження, а й ростом кількості графітної фази. При цьому -фаза та кристаліти графіту можуть виділятись також по контуру сфероїдних включень Г+, не змінюючи їх кулястої форми.

Металографічними дослідженнями встановлено, що загальна будова мартенситу чи бейніту високомідистих загартованих чавунів мало відрізняється від типової структури цих складових для звичайних залізовуглецевих сплавів. Мартенситне перетворення змінює морфологію -фази, що в першу чергу помітно за видом вільноструктурних включень. Ці включення за рельєфом зовнішнього контуру дещо спотворюються відповідн до морфології мартенситних кристалів. Тобто за даних умов не виконується жодна умова ізоморфності -фази та -фази ЛКМ. В бейнітних чавунах форма крапель -фази не змінюється.

Легування міддю сприяє підвищенню твердості мартенситу загартованих високомідистих чавунів. З ростом вмісту міді мікротвердість (H) мартенситу поступово підвищується до значень 9500 МПа. Це сприяє підвищенню твердості металічної матриці ЛКМ та їх зносостійкості. Проте, в дослідах виявлено, що загальна твердість загартованих високомідистих чавунів суттєво залежить від кількості включень -фази. Зокрема, при вмісті міді більше 12 % твердість чавунів менша, ніж для сплавів з концентрацією міді 6...10 %.

При досягненні текучості в об'ємі ЛКМ зміна морфології включень -фази пов'язана з їх видовженням за напрямком деформації. Встановлено, що явище фрагментації включень -фази в даному випадку є найбільш вираженим (рис.6). При цьому -фаза може виступати ефективним джерелом дисипації механічної енергії та відповідно складовою, що здатна підвищити ресурс пластичності чавунів. Структурно доведена можливість ефективного зміцнення -фази за механізмом генерації дислокацій джерелами Франка-Ріда (див. рис. 6, б). Останнім пояснюється мала ступінь спотворення сфероїдів Г+ при досягненні значних величин деформації.

У п'ятому роздiлi, використовуючи отримані результати досліджень та сучасні положення нерівноважної термодинаміки і синергетики, проведено теоретичне обґрунтування процесів формування гетерогенної структури високомідистих чавунів, а також розробку наукових основ синтезу ЛКМ з високим комплексом функціональних властивостей.

Запропонований в роботі спосіб підвищення ступеня гетерогенності структури сірих чавунів полягає в отриманні під час кристалізації виливків нової фази на основі міді - -фази. При цьому для ЛКМ виконуються основні вимоги принципу Шарпі-Бочвара. По-перше, -фаза може існувати як самостійна складова структури, по-друге, -фаза за своїм природним станом суттєво відрізняється від графіту та металічної матриці.

Принциповою ознакою структури розроблених композитів є наявність сфероїдних включень Г+, які формуються у вигляді потовщеної оболонки навколо первинних кристалітів графіту. З аналізу отриманих в роботі результатів встановлено, що появу сфероїдів в литій структурі ЛКМ слід пов'язати не лише з існуванням емульсії розплаву, а й з процесом кристалізації сплавів та, в першу чергу, з виділенням графітної фази.

Захолоджування розплаву порціями міді перед твердненням сприяє формуванню центрів кристалізації, які надалі виступають джерелами росту сфероїдів Г+. Структурно показано, що такими центрами в отриманих ЛКМ є кристаліти графіту чи зародки аустеніто-графітної евтектики. Подальшу картину розвитку структурованого включення Г+ можна представити у вигляді схеми, показаної на рис. 7.

Отже, принципом регулювання морфології трибофаз розроблених ЛКМ є свідоме керування процесами виділення графітної фази. Від кількості зародків графіту чи евтектики А+Г залежить кількість сфероїдів Г+. При цьому слід надавати особливої уваги рівномірності виділення кристалітів графіту, що може бути досягнуто при застосуванні термочасової обробки розплавів.

Послідовність явищ самоорганізації структури ЛКМ на кожному етапі кристалізації можна прослідкувати за біфуркаційною діаграмою Ландау (рис. 8). Перша біфуркаційна точка (а₁) відповідає емульгуванню розплаву (зона І - квазігомогенний розплав) на дві рідини L_C та L_Cu. Даний стан є наслідком процесів легування та модифікування. Вуглець та кремній як елементи емульгатори змінюють стан атомів в приповерхневих шарах межі розподілу „дисперсійне середовище - диспергована фаза” та призводять до стабілізації емульсії (зона ІІ - формування ближнього порядку в рідких розчинах по вуглецю і металічним атомам (кластери), відповідно).

Поява біфуркаційних точок а₂ та а₃ відповідає початку кристалізаційних процесів. Точка а₂ пов'язана з появою частинок графітної фази і з виникненням стану суспензії розплавів. Стан суспензії характеризується як відокремленим існуванням кристалітів графіту, так і виникненням зародків аустеніто-графітної евтектики. Одночасно з цим графітні кристаліти захоплюються мідистою рідиною з формуванням комплексів Г+L_Cu. Це сприяє переохолодженню мідистої рідини в даних місцях та її кристалізації за перитектичною реакцією (зона ІІІ - зона передкристалізаційного періоду з утворенням зародків графіту і -фази). Вказані біфуркаційні точки відповідають одній з основних операцій термочасової обробки - захолоджуванню розплаву присадками міді. Зона IV відповідає продовженню формування субструктури, фракталів та розвитку вторинних перетворень.

Таким чином, на всьому шляху формування структури ЛКМ спостерігається кореляція спонтанних процесів з відомими положеннями синергетики. Успадковані явища можуть бути розвинуті в умовах обробки чи експлуатації отриманих сплавів. Зокрема, відомі дані про високі показники зносостійкості високомідистих чавунів є результатом виникнення нових дисипативних станів та самоорганізації матеріалу. В будь-яких випадках дії на матеріал фіксація нових дисипативних структур можлива за умов досягнення біфуркаційних перетворень.

ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі представлені результати аналізу закінченого фрагменту комплексних досліджень серії плавок ЛКМ, синтезованих на базі чавунів з кулястим графітом, легованих великими концентраціями міді (Cu - 4…15 % мас.), які дозволили розкрити декілька закономірностей процесу формування мікро- та макрогетерогенної структури в зносостійких антифрикційних виливках.

2. Експериментально підтверджено можливість використання деяких положень, які ґрунтуються на інтеграції нерівноважної термодинаміки та синергетики, і насамперед відносяться до цілеспрямованого регулювання флуктуаційною ситуацією в розплавах, пов'язаного з утворенням емульсійного стану і формуванням особливого типу високомідистої фази при використанні біфуркаційної кривої Ландау в процесі кристалізації виливків. Розвиток явищ, пов'язаних з самоорганізацією структури, завдячує формуванню особливої флуктуаційної ситуації за умов легування, модифікування та термочасової обробки розплавів. Концентраційні та енергетичні флуктуації полегшують процеси дисипації, якісна картина яких фіксується внаслідок біфуркацій.

3. В дослідженнях вперше встановлено, що концентраційні та енергетичні біфуркації в синтезованих сплавах формують сприятливі умови для проходження особливої евтектичної кристалізації чавунів, яка пов'язана з ростом двох евтектик: стабільної та метастабільної. Ріст стабільної евтектики стимулює утворення оболонки з рідкої міді навколо евтектичного зерна за рахунок емульсії та розвитку перитектичної реакції. Результатом останньої є формування принципово нової складової чавунів на основі високомідистої -фази - сфероїдів Г+.

4. Утворення вільноструктурних включень високомідистої -фази та сфероїдів Г+ сприяє рафінуванню розплаву чавунів за рахунок поглинання значної кількості шкідливих домішок і, в першу чергу, сірки. Крім того, їх присутність змінює відомі уявлення про відбілюючий вплив міді при високих її концентраціях. Встановлено, що при збільшенні кількості сфероїдів Г+ ефект відбілювання структури виливків зменшується.

5. Проведені дослідження дозволяють встановити, що з позицій триботехніки отримані ЛКМ відповідають інтерпретованому принципу Шарпі-Бочвара щодо структури зносостійких матеріалів. Так, присутні сфероїдні включення Г+, при своїх розмірах 100…150 мкм, характеризуються компактною формою та регулярністю розподілення в структурі високомідистих чавунів, яка не змінюється при проведенні різних видів термічної обробки.

6. Встановлено, що за фізико-хімічною природою сфероїди Г+ можна віднести до одного з видів трибофаз: -бронзи з мікровиділеннями графіту, сульфідів та ін. Причому, отримані ЛКМ за кількісним співвідношенням існуючих трибофаз в структурі (-фаза +(Г+) + Г) можуть відповідати одному з законів симетрії: в даному випадку субсиметрії (1:3). При цьому, самі сфероїди за структурними ознаками характеризуються високим ступенем гетерогенності та за кількістю графіту і -фази наближаються до співвідношення 50:50, тобто відповідають антисиметрії 1:1. Це наділяє дану складову ЛКМ специфічними властивостями та здатністю до ефективної дисипації зовнішньої енергії з розвитком процесів самоорганізації структури та проходженням біфуркаційних перетворень.

7. В основу наукових принципів створення та керування структурою і властивостями ЛКМ слід покласти принципи легування, модифікування, термочасової обробки розплавів, термообробки виливків та принцип структуроутворення при механічному навантаженні. З цих позицій в роботі показана можливість суттєвого підвищення ступеня гетерогенності ЛКМ на базі чавунів при їх легуванні з надлишком міді як елементом, що обмежено розчиняється в сплавах заліза. При цьому важливого значення набуває необхідність диспергування розплаву краплями міді з утворенням емульсії, що практично досягається шляхом регулювання вмісту в чавуні елементів емульгаторів: С, та Si. Тобто, важливим аспектом в ливарній технології отримання ЛКМ є вуглецевий еквівалент, від значення якого залежать біфуркаційні явища і відповідно напрямок розгалуження термодинамічного стану системи. Регулювання даного параметра виконувалось в роботі шляхом модифікування розплаву чавунів. Наступним важелем у формуванні структури є термочасова обробка, яка полягає в захолоджуванні розплаву присадками міді. Це дозволяє свідомо регулювати тепловими, енергетичними та концентраційними потоками, від чого залежить частота та густина флуктуацій і, відповідно, регулярність розподілення сфероїдів Г+ у виливках. Подальшому підсиленню гетерофазних явищ сприяє термообробка, при цьому найбільшого ефекту з позицій підвищення кількості трибофаз слід вважати повний графітизуючий відпал. Як встановлено, для ЛКМ з феритною структурою металічної матриці, ефективним механізмом зміни властивостей слід вважати пластичну деформацію.

8. Аналіз і узагальнення отриманих даних дозволяє наблизитись до оптимального складу зносостійких і антифрикційних високомідистих чавунів: C - 2,8…3,0 %; Si - 2,6…2,8 %; Mn - 0,1…0,3 %; Cu - 8,0...10,0 %; Mg - 0,03...0,035 %; S, P 0,02 %. Ливарна технологія отримання виливків відрізняється простотою і доступністю при виготовленні деталей для роботи у вузлах тертя механізмів машин різного призначення. За вказаним складом на ВАТ „Електротермометрія” були виготовлені втулки валу шестерні масляного насосу НШ-50. Під час стендових випробувань встановлено, що втулки з високомідистого чавуну характеризуються більшою зносостійкістю та довговічністю, що підтверджено актом випробувань (див. додатки). Таким чином, економічна ефективність використання даного сплаву досягається заміною деяких зносостійких матеріалів, зокрема бронз, порівняно більшої вартості.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева И.А. Некоторые особенности структуры высокомедистых чугунов с шаровидным графитом. / Сб. “Научные труды” международной научно-технической конференции “ЭВТЕКТИКА-V” (11-14 июня 2000 г., г.Днепропетровск). - Днепропетровск: ДМетАУ. - 2000. - С.219-220.

2. Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьєва І.О., Дмитріюк М.В. Зносостійкі литі композитні матеріали з широкою гамою функціональних властивостей / Сб. научных трудов международной научно-технической конференции “Композиционные материалы в промышленности” (21-25 мая 2001г., г.Ялта). - С.15.

3. Бобро Ю.Г., Парфентьева И.А., Гусачук Д.А. Структура и морфология -фазы высокомедистых чугунов // Процессы литья.- № 4.-2001.- С.21-23.

4. Парфентьєва І.О., Бобро Ю.Г., Розподіл сірки в структурі високомідистих литих композитних матеріалів//Зб. Наукові нотатки. Луцьк: ЛДТУ. 2001. в.9. С.212216.

5. Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева І.О. Особливості формування зносостійкої структури у виливках з ЛКМ // Машинознавство. -№ 5. -2002 .- С.29-31.

6. Парфентьєва І.О. Особливості природи вільно-структурних включень високомідистої -фази в сірих чавунах//Зб. Наукові нотатки. Луцьк: ЛДТУ. 2002. в.10. С.162166.

7. Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева И.А. Литые композитные материалы, синтезированные на основе серых чугунов с компактным графитом/ Сб. научных трудов международной научно-технической конференции “Композиционные материалы в промышленности”(1-5 июня 2002 г., г.Ялта).

8. Бобро Ю.Г., Парфентьева И.А. Формирование литой структуры высокомедитых ЛКМ в процессе эвтектического превращения// Процессы литья. № 2.-2003. С.49-52.

АНОТАЦІЇ

Парфентьєва І.О. Морфологія та особливості природи -фази в процесі формування гетерогенної структури зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2003.

У роботі вивчаються закономірності формування гетерогенної структури групи зносостійких ЛКМ на основі чавунів з компактним графітом, легованих великими добавками міді (Cu - 4…15 % мас.).

Основну увагу зосереджено на дослідженні морфології та структури включень високомідистої -фази ЛКМ, з встановленням та диференціацією всіх можливих типів її виділення.

Встановлено, що причиною появи дрібних крапель -фази у високомідистих чавунах є експериментально та аналітично доведений факт існування емульсії з крапель рідкої міді в розплавах чавунів. Емульсія сприяє також появі особливого морфологічного типу високомідистої фази розроблених ЛКМ - сфероїдів у вигляді суміші Г+, яка утворює оболонку навколо первинних кристалітів графіту. Встановлено механізм формування сфероїдів Г+. Показано, що сфероїди Г+, з позицій трибоматеріалознавства, є найбільш раціональною формою виділення високомідистої -фази ЛКМ.

З використанням результатів досліджень та положень нерівноважної термодинаміки і синергетики розроблено наукові основи синтезу ЛКМ з високим комплексом функціональних властивостей.

Ключові слова: чавун, литий композитний матеріал, виливок, структура, флуктуація, високомідиста фаза, дисипація, біфуркація.



Парфентьева И.А. Морфология и особенности природы -фазы в процессе формирования гетерогенной структуры износостойких высокомедистых чугунов с шаровидным графитом. -- Рукопись. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 материаловедение. Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2003.

Работа посвящена изучению процессов формирования гетерогенной структуры ЛКМ на базе серых чугунов с высоким содержанием меди (Cu - 4…15 % мас.).

В работе установлено, что расплавы высокомедистых чугунов в широком диапазоне концентраций меди и температур представляют собой эмульсию из капель жидкой меди. Устойчивость эмульсионного состояния зависит от углеродистого эквивалента, т.е. элементами эмульгаторами, в данном случае, выступают C и Si. Наличие эмульсии способствует повышению степени микрогетерогенности ЛКМ, что является причиной появления в отливках шаровидных включений в виде капель -фазы, монокристаллической природы.

Показано, что наряду с обычными свободноструктурными выделениями высокомедистой фазы, при концентрации меди 6,0 %, в отливках присутствуют шаровидные включения, в виде оболочки из -фазы вокруг первичных кристаллитов графита. Причем такие включения характеризуются регулярностью распределения в отливках и могут занимать 8...10 % об. Размер включений колеблется в пределах 100...150мкм.

Причиной появления сфероидов Г+ является градиент концентраций по углероду, связанный с началом кристаллизационных явлений. Сфероиды появляются в местах выделения первичных кристаллитов графита. При этом медистая жидкость частично или полностью обволакивает их, изменяя, в окружающем пространстве, углеродистый эквивалент до эвтектической точки. Этому способствует как ликвация кремния в указанные объемы, так и локальное переохлаждение последних. Качественная сторона дальнейших явлений связана с развитием двух взаимосвязанных процессов: ростом А+Г эвтектики и прохождением перитектической реакции L_Cu+A. Это обеспечивает формирование включений в сфероидной форме и их сравнительно большие размеры. Установлено, что подобный механизм способствует поглощению сфероидами вредных примесей (S, P), т.е. оказывает на расплав рафинирующее действие. Локальным микрорентгеноанализом показано, что сфероиды Г+ способны растворять вдвое больше железа (до 5 % мас.), чем свободноструктурные включения, т.е. -фаза в них является бронзой.

Сфероиды Г+ и другие морфологические типы включений -фазы не претерпевают существенных изменений в процессе различных видов термической обработки. Структурные изменения включений -фазы связаны с релаксацией внутренних напряжений, которая выражается в проявлении эффекта фрагментации включений, с образованием поликристаллической структуры. Температуру аустенизации для сохранения формы сфероидов Г+ следует принимать не выше 900С. Установлено, что отжигом можно повысить степень микро- и макрогетерогенности высокомедистых чугунов за счет дополнительного выделения графита и -фазы.

При развитии пластического течения в объёме ЛКМ изменения морфологии включений -фазы связаны с их вытягиванием в направлении деформации. Структурные изменения связаны с ярко выраженной фрагментацией включений. При этом -фаза выступает эффективным источником диссипации механической энергии, с чем связано повышение пластичности чугунов.

В работе, для объяснения сложной картины формирования структуры ЛКМ, были использованы современные положения неравновесной термодинамики и синергетики. Это позволило разработать научные основы создания ЛКМ с широкой гаммой функциональных свойств.

Так, при легировании чугунов используется элемент с ограниченной растворимостью в жидких и твёрдых растворах железа. Это усиливает флуктуационные явления на всех стадиях получения конечной структуры ЛКМ. Способы воздействия на расплавы высокомедистых чугунов, связанные с легированием, модифицированием и пр., обеспечивают повышение, как плотности, так и частоты флуктуаций, что способствует эффективному рассеиванию энергии, с образованием диссипативных структур. К таким структурам следует отнести эмульсию в расплавах, а также суспензию в начальный период кристаллизации. Стабилизация и устойчивость каждого состояния связана с бифуркациями.

Результатом распада диссипативных структур следует считать рост стабильной эвтектики, а также перитектическую реакцию А+L_Cu, которые в совокупности формируют гетерогенную структуру отливок разработанных ЛКМ. Причём качественная картина таких процессов касается и самих сфероидов Г+. По-сути сфероиды как структурная составляющая являются композитами, основу которых составляет высокомедистая -фаза. Установлено, что по соотношению графита и -фазы, сфероиды Г+ отвечают закону антисимметрии 11 (5050 % об.). Таким образом, их можно отнести к одному из видов трибофаз в Fe-C сплавах. Общая же структура ЛКМ, по объёму трибофаз, может отвечать закону субсимметрии 13, что обеспечивает высокую износостойкость высокомедистых чугунов и формирует широкий комплекс функциональных свойств.

Ключевые слова: чугун, литой композиционный материал, отливка, структура, флуктуация, высокомедистая фаза, диссипация, бифуркация.

Parfentieva I.A. The Morphology and particularities of the nature of -phase in the process of formation of heterogeneous structure of wear-resistant high-copper cast iron with spherical graphite. The Manuscript. Thesis for the master's degree in engineering by speciality 05.02.01 Material Science. Lutsk State Technical University, Lutsk, 2003.

In the work are studied regularities of formation of heterogeneous structure of the group of wear-resistant CCM on base of cast iron with compact graphite, alloying with high copper additive (Cu - 4 15 % mass).

The Main attention concentrated on study of the morphology and structures of the cut-in high-copper -phase of CCM, with determination and differentiation of all possible types of its separation.

It is make up by that reason of the appearance of the small drop -phase in high-copper cast iron is experimental and analytically proved fact of existence of emulsion from drop copper in melts cast irons. The emulsion promotes also appearance of the especial morphological type of high-copper phase designed CCM - a spheroids in the manner of mixture Graphite+-phases, which forms the shell around primary crystalloid of the graphite. Installed the mechanism of shaping of spheroids Graphite+-phases. It is shown that spheroids Graphite+-phases, from position of tribomaterials, are the most rational form of the separation of high-copper -phase of CCM.

With use of results of studies and positions of unevenness thermodynamics and synergetic is designed scientific bases of the syntheses CCM with high complex functional characteristic.

Key words: cast iron, cast composite materials, casting, structure, fluctuation, high-copper phase, dissipation, bifurcation.

Размещено на Allbest.ru