Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Розробка матеріалів для склоформувального устаткування з урахуванням дії силікатних розплавів

Колотілкін Олег Борисович

Львів 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри технології металів, м. Запоріжжя

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович, Приазовський державний технічний університет, проректор з навчально-виховної роботи, м. Маріуполь

доктор технічних наук, професор Калініна Наталія Євграфівна, Дніпропетровський національний університет,

професор кафедри технології виробництва, м. Дніпропетровськ

доктор технічних наук, професор Пашечко Михайло Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри фізики металів та матеріалознавства, м. Львів

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, відділ ситалів, м. Київ

Захист відбудеться 24.02.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5

Автореферат розісланий 21.01.2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Погрелюк І.М.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Перехід галузей промисловості до ринкових відносин зумовлює підвищені вимоги до якості продукції. Це у повній мірі відноситься і до скляної промисловості, яка сприяє науково-технічному прогресу у багатьох галузях науки та техніки. Промислове та цивільне будівництво, виробництво оптичних та медичних приладів, вирішення питань забезпечення населення продуктами харчування та насичення ринку товарами народного споживання нерозривно пов'язане з чітко налагодженими поставками скла різного призначення (технічного, сортового, медичного та ін.). У останні роки значно поширився діапазон використання виробів із скла: скловолокна для композиційних матеріалів, хімічно стійкі вироби для хімічної та харчової промисловості, скломатеріали з особливими оптичними властивостями для електронного приладобудування, вироби для ракетної та космічної техніки, вироби для вирішення екологічних проблем (зокрема, для поховання радіоактивних відходів) та ін. Успішне використання такого перспективного конструкційного матеріалу як скло у значній мірі залежить від надійної та тривалої експлуатації склоформувального устаткування та високої якості напівфабрикатів та виробів із скла. Низькі темпи модернізації та обновлення технологічного устаткування у скляній промисловості призвели до того, що у теперішній час на Україні експлуатуються склоформувальні машини, які у порівнянні з аналогами технічно розвинених країн мають нижчу майже у 3 рази продуктивність при підвищених до 2,5 разів матеріалоємності та енергоємності. Це зумовлено головним чином низькими службовими властивостями матеріалів, що використовуються для виготовлення деталей та вузлів склоформувального устаткування, у тому числі і для головного робочого органу - склоформувального інструменту.

Деталі склоформувального інструменту руйнуються під впливом дії хімічно активної скломаси, термоциклічних та механічних навантажень. Температура робочої поверхні інструменту досягає 750С, а частота термоциклів - до 60 за хвилину. У цих умовах матеріал склоформувального інструменту повинен бути хімічно інертним до скломаси і мати високі механічні властивості, термостійкість, а також високу теплопровідність та малий коефіцієнт термічного розширення. Крім цього матеріал повинен добре оброблюватися різанням у зв'язку зі значною часткою ручної праці (гравіювання, карбування) при виготовленні багатьох деталей інструменту. Основними недоліками матеріалів, що використовують для виготовлення деталей інструменту є недостатній опір руйнуванню в умовах дії в'язкої хімічно активної скломаси, невисокі міцність, тріщіностійкість та пластичність, які обмежують термін експлуатації та надійність інструменту. Умови роботи та механізми пошкодження матеріалів при періодичному контакті з розплавленою скломасою вивчено недостатньо, що стримує розроблення нових конструкційних матеріалів з підвищеним опором руйнуванню в цих умовах, а також затруднює пошук перспективних напрямків підвищення надійності склоформувального устаткування.

Представлена дисертаційна робота присвячена встановленню закономірностей та механізмів руйнування конструкційних матеріалів різних класів (графітизованих і легованих сталей та чавунів, а також нікелевих сплавів) під впливом силікатних розплавів при термоциклічних та механічних навантаженнях. Одержані результати спрямовані на вирішення важливої народногосподарської проблеми - збільшення ресурсу експлуатації деталей та вузлів склоформувального устаткування та підвищення якості продукції скляної промисловості.

Звязок роботи із науковими програмами, планами, темами. Основні етапи дисертаційної роботи, у яких автор приймав безпосередню участь у різні часи як виконавець, відповідальний виконавець та керівник, виконувались згідно з планами науково дослідних робіт за програмою ДКНТ України “Розробка науково обгрунтованих напрямків ресурсозберігаючого виробництва машин, механізмів та інструменту для скляної промисловості України”, 5.43.07 / 174-93, № держ. реєстр.0194U009817; за програмами Міністерства освіти і науки України “Розробка математичних моделей формування структури та властивостей сплавів для склоформувального обладнання при їх виробництві та в процесі експлуатації”, ДБ 04814, № держ. реєстр. 019U009677, “Науково-обгрунтовані методи створення матеріалів для відновлення та зміцнення склоформувального обладнання”, ДБ 04810, № держ. реєстр. 0100U001000, “Розробка комплексної системи діагностики опору матеріалів руйнуванню в умовах в'язких агресивних середовищ”, ДБ 06613, № держ. реєстр. 0103U000109 і галузевими планами розвитку науки та техніки корпорації “Укрбудматеріали” (раніш Мінбудматеріали УРСР) на 1987...1996 роки.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає у розробці наукових основ створення конструкційних матеріалів з підвищеними службовими характеристиками для експлуатації в умовах дії в'язких хімічно активних силікатних розплавів при термоциклічних та механічних навантаженнях.

Для досягнення цієї мети вирішено такі задачі:

1. Уточнено та узагальнено фактори, які впливають на пошкоджуваність конструкційних матеріалів для інструменту різного призначення (склоформи, ножі для відрізання порцій скломаси та ін.).

2. Розроблено методологію комплексної оцінки надійності та довговічності конструкційних матеріалів, що періодично контактують з в'язким силікатним середовищем, яка містить як стандартні, так і спеціально розроблені методи досліджень.

3. Науково обгрунтовано та експериментально встановлено показникі службових властивостей (кут змочування та коефіцієнт адгезії скломаси до конструкційних матеріалів, бал пошкодження оксидних шарів, зміна шорсткості поверхні матеріалу після контакту зі скломасою, швидкість термохімічної ерозії, в'язкість руйнування матеріалів у скломасі) основних конструкційних матеріалів, які використовуються для виготовлення та відновлення і зміцнення склоформувального інструменту (вуглецеві та леговані сталі, чавуни, нікелеві сплави).

4. Розроблено моделі пошкодження поверхневих та внутрішніх шарів конструкційних матеріалів при періодичному контакті із в'язкими хімічно активними силікатними розплавами.

5 Аналітично досліджено зв'язок між коефіцієнтом концентрації напружень та розміром мікрозон пластичної деформації біля включень графіту у залізовуглецевих сплавах за різної кількості графітової фази.

6. Встановлено залежності запропонованих показників механічних та службових властивостей конструкційних матеріалів від хімічного складу та структурних факторів, на підставі чого визначено оптимальні склади конструкційних матеріалів (сталей, чавунів та сплавів на нікелевій основі), які мають підвищений опір руйнуванню під впливом в'язких силікатних середовищ, термоциклічних та механічних навантажень, та розроблено ресурсозберігаючі технології виробництва та відновлення і зміцнення деталей склоформувального інструменту.

Об'єкт дослідження - фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів за умов дії в'язких хімічно активних силікатних розплавів і термоциклічних та механічних навантажень.

Предмет дослідження - процеси руйнування та міцність конструкційних матеріалів, які періодично контактують із в'язкою агресивною скломасою.

Методи дослідження. Фізико-механічні випробування матеріалів із різною структурою, встановлення методами хімічного, металографічного, мікрорентгеноспектрального та рентгеноструктурного фазового аналізів структурних особливостей матеріалів. Для визначення фізико-механічних характеристик конструкційних матеріалів використано стандартні (міцність, твердість, термостійкість, зносостійкість, шорсткість) та спеціальні методи випробувань (в'язкість руйнування та зношування в умовах дії в'язких хімічно активних розплавів, змочування та коефіцієнт адгезії скломаси, пошкодження оксидних шарів, термохімічне руйнування у силікатних розплавах), методи математичної обробки результатів, регресійні та кореляційні аналізи.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень і результатів забезпечується коректним застосуванням сучасних методів та методик експериментальних досліджень і підтверджується задовільною збіжністю аналітичних і експериментальних результатів та узгодженістю даних випробувань лабораторних і промислових зразків.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна полягає у встановленні механізмів руйнування конструкційних матеріалів, які працюють у контакті з в'язкими хімічно активними силікатними розплавами при термоциклічних та механічних навантаженнях.

Основні положення, які характеризують наукову новизну роботи полягають у наступному:

1. Розроблено науково-обгрунтовані основи створення конструкційних матеріалів з підвищеними службовими характеристиками для експлуатації в умовах в'язких хімічно активних середовищ при термоциклічних та механічних навантаженнях.

2. Вперше узагальнено закономірності руйнування конструкційних матеріалів різних класів, що періодично контактують з в'язкими хімічно активними силікатними розплавами, які пов'язано зі зміною структурно-фазового стану і механізмами пошкодження поверхневих шарів матеріалів у зоні контакту із агресивним середовищем.

3. Запропоновано методику комплексної оцінки механізмів руйнування та прогнозування довговічності конструкційних матеріалів у в'язких хімічно активних силікатних розплавах при термоциклічних та механічних навантаженнях, що базується на стандартних і спеціально розроблених методах оцінки надійності та довговічності матеріалів (а.с. 1262345, 1290143, 1670526, 1709201, 1796960; пат. 53970А, 53976А).

4 Встановлено зв'язок між концентрацією напружень та розміром мікрозон пластичної деформації біля включень графіту за різної їх кількості і форми. Встановлено, що із збільшенням параметру форми включень до г=15,3, коефіцієнт мікродеформованого металу зростає на 25...39% (залежно від жорсткості включень), що в 3 рази прискорює швидкість термоерозійного руйнування.

5. Вперше одержано залежності, які пов'язують кількість графітової фази, теплофізичні, механічні і службові властивості графітизованих сталей та чавунів. Обгрунтовано перспективність використання графітизованих сталей для деталей склоформувального обладнання.

6. Визначено граничні концентрації основних та легувальних елементів у чавунах з урахуванням умов їх експлуатації (а.с. 1569349, 1713968). Вперше встановлено, що найбільш ефктивним для чавунів, які працюють в умовах підвищеної термохімічної ерозії, є сумісне легування хромом (0,4...0,6%), алюмінієм (0,4...0,6%) та міддю (0,15...0,3%).

7. Встановлено оптимальний вміст вуглецю (а.с. 1574674, 1793001; пат. 56691А, 66496А) і режими термічної та термоциклічної обробки графітизованих кремнієвих сталей, які забезпечують підвищений опір корозійно-механічному та ерозійному зношуванню. Вперше виявлено негативний вплив вольфраму, молібдену та ванадію на опір поверхневих шарів швидкорізальних сталей термохімічній ерозії у розплавленій скломасі і визначено оптимальні концентрації вуглецю (0,9%), вольфраму (0,35%), молібдену (3%) та ванадію (3%), які забезпечують стабільність стуктури при експлуатації та оптимальне поєднання тепло- і зносостійкості та опору ерозійному руйнуванню швидкорізальних сталей (пат. 66497А).

8. Визначено механізм руйнування сплавів на нікелевій основі в умовах періодичного контакту з розплавленою скломасою. Вперше отримано залежності коефіцієта адгезії, шорсткості та властивостей оксидних шарів від хімічного складу нікелевих сплавів, на підставі чого сформульовано рекомендації для підвищення їх працездатності в середовищі силікатних розплавів (пат. 56682А, 56683А, 56687А, 56688А, 56690А, 66497А).

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено хімічні склади та технологічні режими виготовлення деталей інструменту з чавунів, графітизованих та легованих сталей, а також склади наплавочних матеріалів на нікелевій основі для відновлення та зміцнення інструменту. Використання чавунів з оптимальними сполученнями вуглецю, кремнію і марганцю, та легованих хромом, алюмінієм та міддю на Костянтинівському скляному заводі та Московському кришталевому заводі забезпечило підвищення ресурсу експлуатації інструменту до 4-х разів. Відновлення та зміцнення деталей інструменту за допомогою розроблених сплавів на нікелевій основі дозволило підвищити у середньому в 3,2 рази термін експлуатації інструменту на Київському та Тираспільському склотарних заводах. Виготовлення ножів для відрізання порцій скломаси із сталі 90Х5ВМ3Ф3Л замість 90Х5В2М2Ф2БЛ та Р9 і Р18, забезпечило підвищення стійкості ножів у 1,7...3,9 рази на Рокитнівському і Симферопільському склотарних заводах та Житомирському заводі лабораторного скла. Взагалі розроблені склади чавунів, сталей та нікелевих сплавів впроваджено на 12 підприємствах скляної промисловості України та на 6 підприємствах країн СНД.

Особистий внесок здобувача. На основі аналізу факторів, які впливають на механізм руйнування деталей склоформувального інструменту, узагальнив та науково обгрунтував головні напрямки комплексних досліджень матеріалів (чавуни, графітизовані та леговані сталі, сплави на нікелевій основі), що працюють у в'язких хімічно активних силікатних розплавах [13, 20, 53]. Запропонував показники властивостей матеріалів для надійної експлуатації у силікатних розплавах та розробив методики їх визначення [4, 13, 15, 17-19, 38]. Обгрунтував умови руйнування мікрооб'ємів металу біля графітових включень на ділянках з підвищеною концентрацією напружень та розробив методику визначення розмірів мікрозон пластичної деформації металу [11, 16, 21]. За допомогою розробленої моделі переміщення в'язкого розплаву по поверхні конструкційного матеріалу доказав, що механізм термохімічного руйнування містить і ерозійне зношування поверхневих шарів металів [18, 19, 25, 49]. Встановив та науково обгрунтував стан та кількість графітової фази, вміст основних та легувальних елементів у матеріалах різних класів, які забезпечують підвищення опору руйнуванню у в'язких хімічно активних силікатних розплавах при термоциклічних та механічних навантаженнях та надійну експлуатацію деталей склоформувального інструменту [7, 11, 12, 14, 25, 26, 40, 42, 44-48, 50-52, 54, 55].

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: 15-th International Congress on Glass, Leningrad, 1989; 1-st International Glass Exhibition and Conference “Glassprom'91”, Kiev, 1991; 8-th International Conference on Fracture ICF-8, Kiev, 1993; 2-nd, 4-th 5-th and 6-th International Symposium of Ukrainian Mechanical Engineers, Lviv, 1995, 1999, 2001, 2003; міжнародних науково-технічних конференціях “Энерго-ресурсосберегающие технологии в производстве стекла”, Костянтинівка (Донецька обл.), 1995; “Прикладные исследования в технологии производства стекла и стеклокристаллических материалов”, Костянтинівка (Донецька обл.), 1997; “Инженерия поверхности и реновация изделий”, Київ-Феодосія, 2001; “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин”, Хмельницький, 2001; “Вопросы современного материаловедения”, Дніпропетровськ, 2001, 2002, 2004; Odlewnictwa Metali Nichelarnych “Hauka i Tehnologia”, Lucien, Poland, 2002; “Людина і космос”, Дніпропетровськ, 2002; “Aims for Future of Enginering Science”, Alushta, 2002, Igalo, Montenegro, 2003, Paris, France, 2004; “Новые технологии, методы обработки и упрочнение деталей энергетических установок”, Запоріжжя-Алушта, 2002; “Materials and Coatinqs for Extreme Performances: Investiqations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization”, Katsiveli, 2002; “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, Кiev, 2002; міжнародній конференції-виставці „Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів”, Корозія-2004, 2004, Львів; міжнародних семінарах “Актуальные проблемы прочности”, Київ, 2001; “Компьютерное проектирование технологий современного материаловедения”, Київ-Запоріжжя, 2002; “Новое в разработке, производстве и применении инструментальных материалов”, Київ-Запоріжжя, 2002; семінарі з міжнародною участю “Разработка, производство и применение инструментальных сталей и сплавов”, Київ, 1998; всесоюзному симпозіумі “Новые технологии получения и свойства металлических материалов”, Москва, 1991; всесоюзних (міжнародних з 1994 р.) науково-технічних конференціях “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”, Запоріжжя, 1989, 1992, 1995, 1998, 2003; всесоюзній конференції “Механика разрушения материалов”, Львів, 1987; науково-практичній конференції “Интегрированные технологии и энергосбережение”, Харків- Малий Маяк, 2001; республіканських науково-технічних конференціях “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”, Запоріжжя, 1988, 1991, 1994, 1997; “Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок”, Дніпропетровськ, 1990; республіканських науково-технічних семінарах “Научно-технический прогресс в производстве стекла и стеклокристаллических материалов строительного и технического назначения”, Костянтинівка (Донецька обл.), 1987; “Состояние и перспективное развитие прогрессивных ресурсосберегающих технологий в заготовительном производстве”, Севастопіль, 1990; зональній науково-технічній конференції “Ресурсосбережение в машиностроении”, Запоріжжя, 1992; науково-технічному семінарі “Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных материалов, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов”, Ленінград, 1990; республіканських галузевих семінарах по підвищенню довговічності деталей склоформувального устаткування та підвищенню ефективності роботи скляних заводів України, Київ, 1992, 1997.

Публікації. Основою дисертації є 56 публікацій, у тому числі 2 монографії, 1 брошура, 25 статей у фахових виданнях, які входять до переліку ВАК, 9 авторських свідоцтв та 12 патентів на винаходи. Перераховані публікації не містяться в кандидатській дисертації і її авторефераті. Усього з теми дисертації здобувачем особисто і у співавторстві опубліковано 189 робіт, у тому числі одержано 38 авторських свідоцтв і патентів на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 8 розділів, списку використаних джерел, додатків, викладених на 329 сторінках, з яких 264 сторінки основного тексту, 107 ілюстрацій, 35 таблиць, 361 використане джерело на 35 сторінках, 7 додатків на 29 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Вступ. Обгрунтовано актуальність роботи, її мету та задачі досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення виконаної роботи.

Аналіз сучасних підходів підвищення опору матеріалів руйнуванню. Розділ присвячений аналізу сучасного стану підвищення опору матеріалів руйнуванню в умовах дії агресивних середовищ та механічних навантажень, а також умов експлуатації та причин руйнування склоформувального інструменту на різних стадіях технологічного процесу виготовлення скловиробів. Відзначено, що до найперспективніших матеріалів для деталей інструменту належать чавуни, швидкорізальні сталі та сплави на нікелевій основі для наплавки, але їх склади вимагають уточнення. Відмічено, що ряд науково важливих результатів по створенню конструкційних матеріалів, які працюють в специфічних умовах висвітлено у наукових працях О.М. Олександрова, Ю.Г. Бобро, К.П. Буніна, К.І. Ващенка, Ю.А. Геллера, Н.Г. Гіршовича, А.А. Жукова, М.С. Ковальченка, Л.С. Кремньова, Л.О. Позняка, Г.І. Сильмана та ін. Особливий інтерес при контакті твердих тіл з розплавами при підвищених температурах мають питання змочування та хімічного розчинення. Ряд принципово важливих теоретичних та експериментальних результатів про фізико-механічні та фізико-хімічні процеси, які відбуваються на поверхні конструкційних матеріалів при контакті з агресивними середовищами при підвищених температурах, та механізми руйнування матеріалів одержано вченими: Н.А. Ватолін, В.В. Дерягін, А.Д. Зімон, В.Н. Єременко, Є.В. Колотіло, Г.Г. Максимович, В.І. Похмурський, В.Я Прохоренко, Ю.В. Найдич, В.М. Федірко, В.В. Широков, Є.Д.Щукін та ін. Значний внесок у створення наукової бази вивчення та прогнозування утворення та розповсюдження тріщин у матеріалах під дією зовнішніх факторів здійснено такими вченими як І.І. Василенко, Г.В. Карпенко, С.Є Ковчик, А.Я. Красовський, О.П. Осташ, В.В. Панасюк, Є.І Попель, О.М. Романів та ін. За результатами аналізу сучасного стану створення конструкційних матеріалів показано необхідність поширення розробок науково-обгрунтованих підходів визначення механізмів руйнування матеріалів за умов дії в'язких агресивних середовищ та сформульовано основну ціль та головні завдання даної дисертаційної роботи, виконання яких дозволяє створити наукові основи для розробки конструкційних матеріалів з підвищеним опором руйнуванню в умовах дії в'язких агресивних середовищ при термоциклічних та механічних навантаженнях. Показано, що для вирішення цієї проблеми необхідно розробити науково обґрунтовані підходи до вивчення механізмів руйнування матеріалів та створити методологію формування властивостей конструкційних матеріалів з підвищеним опором руйнуванню у силікатних розплавах.

Методологія створення конструкційних матеріалів. Висвітлено загальний напрямок досліджень, які обумовлено необхідністю встановлення механізмів руйнування матеріалів та спрямовано на комплексне вирішення проблеми підвищення опору конструкційних матеріалів руйнуванню в умовах дії в'язких агресивних середовищ, термоциклічних та механічних навантажень. Показано, що успішне вирішення цієї проблеми пов'язане з необхідністю використання як стандартних, так і спеціально розроблених методів досліджень, висвітлено їх апаратурно-технічне та метрологічне забезпечення. Контроль хімічного складу, щільності, мікроструктури, фізико-механічних властивостей при кімнатній та підвищених температурах, мікрорентгеноспектральний та рентгеноструктурний фазовий аналізи виконували стандартними методами. Оцінку впливу включень графіту на механічні та службові властивості залізовуглецевих сплавів здійснювали за допомогою параметру форми г включень (відношення максимального розміру включення до мінімального). Теплопровідність сплавів визначали стандартним порівняльним методом на вимірникові ИТЭМ-1М з використанням стандартних та спеціально розроблених зразків (пат. 53970А). Визначення питомої теплоємності С здійснювали за допомогою приладу ИТ-С-400. Коефіцієнт термічного розширення визначали за допомогою кварцового дилатометру системи Шевенара з головкою SN. Дослідження матеріалів на механічне та термоерозійне зношування проводили на типовій машині МИ-1 та на спеціально розробленій установці (а.с. 1670526). Для визначення тріщиностійкості К1С залізовуглецевих сплавів використовували циліндричні зразки з кільцевим концентратором напружень з наведеною тріщиною та без неї. Дослідження впливу розплавленої скломаси на тріщиностійкість графітизованих чавунів та сталей проводили за допомогою розробленого пристрою (а.с. 1796960). Термоциклювання зразків з перерізом 3х3 мм у режимі 500700С зі статичним розтягувальним навантаженням, що утворювали нормальні напруження 25 МПа у робочому перерізі, проводили за відомою методикою на установці ИМАШ-20-75, а також з використанням спеціально розроблених методики та зразків (пат. 53976А). Термостійкість N матеріалів оцінювали за кількістю циклів, яку стандартні та спеціально розроблені зразки витримували до руйнування. Змочування матеріалу розплавленою скломасою при температурі 700С визначали крайовим кутом краплі розплавленого скла, який вимірювали на інструментальному мікроскопі УИМ-7 з точністю 1. Адгезійну взаємодію скломаси з поверхнею матеріалу досліджували методом “лежачої краплі” з використанням спеціально розробленої установки. Адгезію оцінювали за допомогою запропонованого (а.с. 1709201) коефіцієнта адгезії А=F1/F2 (F1 - площа поверхні металу, до якої прилипла скломаса, F2 - площа поверхні, яку займала уся крапля розплавленого скла). Пошкодження оксидних шарів оцінювали за допомогою розробленого пристрою (а.с. 1290143), принцип дії якого грунтується на втисканні у шари індентора у вигляді ролика при навантаженні Р = 0,5 Н. Характер руйнування оксидних шарів оцінювали балом пошкодження Б. Здатність матеріалу чинити опір ерозійному руйнуванню при періодичному контакті з розплавленою скломасою оцінювали швидкістю втрати маси зразком та зміною шорсткості його поверхні Ra, які визначали за допомогою спеціально розробленої установки (а.с. 1262345) та профілографа-профілометра.

Аналіз механізмів руйнування склоформувального інструменту. На підставі аналізу факторів, які впливають на механізми руйнування деталей склоформувального інструменту, виготовленого із різних конструкційних матеріалів, виявлено, що головною причиною зниження опору руйнування інструменту у скломасі є термохімічна ерозія і ерозійне зношування поверхневих оксидних шарів. Підтверджено, що руйнуванню сталей сприяють також процеси розпаду карбідів та окислення вуглецю, що діють у поверхневих шарах металу. На підставі цього зроблено висновок про необхідність підвищення опору поверхневих оксидних шарів металу руйнуванню. Встановлено перспективний напрямок підвищення службових властивостей швидкорізальних сталей у силікатних розплавах внаслідок оптимальних сполучень легувальних елементів. Поширено уявлення про механізм руйнування робочих поверхонь інструменту із чавуну. Підтверджено, що рівень температур на поверхні склоформувального інструменту, виготовленого з чавуну достатній для окислення вуглецю, розчинення у скломасі графіту та фазових перетворень (розпад перліту), що негативно впливає у першу чергу на стан та шорсткість робочих поверхонь інструменту при експлуатації, а також на надійність та довговічність конструкційного матеріалу у цілому.

За допомогою розробленої математичної моделі переміщення в'язкого середовища типу скломаси встановлено, що термохімічне руйнування робочих поверхонь інструменту містить і ерозійне зношування. На підставі одержаних результатів розроблено класифікацію деталей інструменту та сформульовано науково обгрунтовані основні вимоги до конструкційних матеріалів для їх виготовлення та відновлення і зміцнення. З урахуванням цих вимог, визначено основні підходи при розробленні складів цих матеріалів (чавуни, графітизовані та швидкорізальні сталі і сплави на нікелевій основі).

Вплив графітових включень на опір руйнуванню, механічні та службові властивості залізовуглецевих сплавів. Вивчено вплив форми графітових включень при зміні кількості графітової фази від 2,1 до 18,3 об'ємн. % на концентрацію напружень, величину мікрозон пластичної деформації, процес зародження мікротріщин, теплофізичні, фізико-механічні та службові властивості графітизованих сталей та чавунів. Показано, що із збільшенням кількості графітової фази, частка поверхневого руйнування по графіту зростає з 90,5% до 905%.

На підставі рішення аналітичної задачі в рамках лінійної механіки руйнування, встановлено зв'язок між концентрацією напружень біля гострих включень графіту та механізмами руйнування залізовуглецевих сплавів залежно від кількості графітової фази. Висока збіжність аналітичних та експериментальних результатів підтвердила можливість розширення діапазону використання рішення аналітичної задачі для прогнозування границі міцності не тільки чавунів, але і графітизованих сталей.

Відомо, що опір твердих тіл дії навантажень та їх руйнування суттєво залежить від дефектності (включень, пор, тріщин та ін.). Переважна кількість публікацій на цю тему присвячена крихкому та квазікрихкому руйнуванню, що вивчається у рамках теорії пружності. Одним з недоліків вирішення задач на підставі теорії пружності є не урахування явищ, які можуть виникати у зонах концентрації напружень у вигляді локальних пластичних ділянок. Для експериментального визначення розмірів мікрозон пластичної деформації відпрацьована методика, яка передбачає нанесення на зразки - шліфи з перерізом 3х3 мм за допомогою алмазної піраміди мірних сіток у вигляді квадратів з стороною 0,03 мм. Експериментально доведено, що при навантаженні залізовуглецевих сплавів біля загострених включень з підвищеною концентрацією напружень виникають мікрозони пластичної деформації. Розміри мікрозон пластичної деформації металу. З урахуванням розмірів мікрозон пластичної деформації встановлена частка мікродеформованого металу у залізовглецевих сплавах при навантаженні, яка при підвищенні кількості графітової фази від 2,1 до 18,3 об'ємн.% зростає в залежності від жорсткості включення у 12…19 разів (табл. 1).

Доказано, що зі зростом параметра форми включень графіту г від 1,15 до 15,3 коефіцієнт мікродеформованого металу зростає за експоненціальним законом, що підтверджує вплив напружень на кінцях включень графіту на пошкодження металу:

(1)

де А=0,0309, В=0,174 при =0,05; А=0,029, В=0,154 при =0,1;

г - параметр форми включення; =ЕВ/ЕМ - жорсткісь включення;

ЕВ - модуль пружності включення;

ЕМ - модуль пружності металевої основи.

Таблиця 1. Значення коефіцієнту мікродеформованого металу Км залежно від вмісту графіту

Аналітичні та експериментальні дослідження підтвердили, що мікрозони пластичної деформації, які є додатковими осередками пошкодження матеріалу, сприяють розрихленню матеріалу біля загострених включень графіту і прискорюють руйнування залізовуглецевих сплавів.

З підвищенням у сплавах вуглецю з 0,48 до 4,02%, збільшенням розмірів графітових включень та зменшенням відстані між ними знижувались значення твердості з 220НВ до 121НВ. Між кількістю графітової фази та міцністю сплавів відзначена прямолінійна залежність; збільшення кількості вуглецю сприяло зниженню границі міцності з 652 МПа до 186 МПа при температурі 20С і з 511 МПа до 152 МПа та з 155 МПа до 48 МПа при температурах 500С та 700С відповідно.

При підвищенні вмісту вуглецю до 1,51% в'язкість руйнування при температурі 20С була незмінною, а при 500С трохи знижувалась.

Вищі концентрації вуглецю призводили до різкого зниження цього показника. Це пояснюється тим, що поля напружень біля включень кулястої форми при малих концентраціях вуглецю не перекривають одне одного і внаслідок цього суттєво не впливають на процес розповсюдження тріщини та величину К1С.

Коли відстані між включеннями достатні для взаємного накладання полів напружень, полегшується розповсюдження тріщини і знижується К1С. Різке зниження К1С з підвищенням кількості графітової фази при температурі 700С та у розплавленому склі відбувається внаслідок окрихчувальної дії розплавленої скломаси.

Характеризується збільшенням у сплавах від 0,48 до 4,02% С зменшився на 2,3% коефіцієнт термічного розширення та підвищилась на 78% теплопровідність.

При збільшенні в сплавах вмісту вуглецю до 4,02% знизився на 64% показник змочування кут , підвищились на 722% коефіцієнт адгезії, на 412% шорсткість та на 292% швидкість термохімічної ерозії сплавів. Різке підвищення швидкості термохімічної ерозії було відзначено при вмісті вуглецю у межах 2,13...2,52%.

У цих межах вуглецю пластинки графіту вермикулярної та пластинчастої форми при їх міждендритному розташуванні наближені одна до одної, що сприяє накладанню полів напружень та підвищенню швидкості термохімічної ерозії залізовуглецевих сплавів. З урахуванням результатів аналізу визначення закономірностей розподілу включень графіту в залізовуглецевих сплавах в залежності від параметру форми г встановлено, що найбільша щільність включень з достатньо великим параметром форми (г=10,9...15,3) має місце при 3,47...4,02%С, що, у свою чергу, підвищує імовірність руйнування сплавів при таких концентраціях вуглецю, як при механічних навантаженнях, так і під впливом силікатних розплавів.

Вплив кількості графітової фази на характер руйнування поверхневих шарів залізовуглецевих сплавів при періодичному контакті з розплавленою скломасою, що дозволило запропонувати схему термохімічної ерозії залізовуглецевих сплавів у в'язкому агресивному середовищі типу розплавленої скломаси, яка показує, що руйнування сплавів у першу чергу відбувається вздовж графітових включень незалежно від їх форми. Результати досліджень використано при розробці раціональних складів графітизованих сталей (а.с. 1574674, 1793001; пат. 56689А, 56691А).

Вплив хімічного складу на руйнування чавунів під навантаженням у в'язких силікатних розплавах. З метою ефективнішого використання чавунів для виготовлення деталей склоформувального інструменту виконано аналіз сумісного впливу вуглецю, кремнію і марганцю на механізм руйнування та на показники властивостей відпалених на ферит чавунів з пластинчастою, вермикулярною та кулястою формою графіту. Підтверджено, що у чавунах з пластинчастою та вермикулярною формою графіту, з підвищенням вмісту вуглецю в усьому інтервалі зміни кремнію (1,8…3,8%) при кімнатній температурі діється зниження границі міцності. Зародження мікротріщин у цих чавунах, особливо при концентраціях марганцю менш ніж 0,6% діється у першу чергу біля графітових включень, які нормально зорієнтовано до напрямку дії розтягувального навантаження. Це можна пояснити підвищеною концентрацією напружень біля загострених включень, які сприяють утворенню мікротріщин у локальних мікрооб'ємах металу і підтверджують результати досліджень про накладання полів напружень від близько розташованих включень при змінній кількості графітової фази. Показано, що легування твердого розчину марганцем у чавунах з пластинчастим та вермикулярним графітом, у порівнянні з легуванням кремнієм, на показники міцності оказує більш ефективний вплив. У чавунах з кулястим графітом при збільшенні до 3,0…3,2% С відмічено підвищення границі міцності, яке пов'язане з більш рівномірним розподілом включень графіту та підвищеним ступенем їх сфероїдизації. Марганець, концентрація якого біля включень графіту підвищена, у чавунах з пластинчастим та вермикулярним графітом, на відміну від чавунів з кулястим графітом, підвищує опір чавунів руйнуванню внаслідок зміцнення цих небезпечних для руйнування ділянок металевої основи.

Показано, що із збільшенням вмісту вуглецю у чавунах, особливо з пластинчастим графітом, показник К1С знижується, що можна пояснити підвищеною чутливістю цієї характеристики до внутрішніх надрізів, якими у чавунах є включення графіту. Тому зміцнення металевої основи марганцем майже до 0,93% доцільне насамперед для чавунів з пластинчастим графітом. У чавунах з вермикулярним та кулястим графітом зниження параметру г позитивно впливає на показник К1С і дає можливість, як показали результати досліджень, обмежитись у цих чавунах значно нижчим вмістом марганцю (0,26%). Визначено, що у чавунах з кулястим графітом при підвищенні вмісту кремнію до 2,8% тріщиностійкість збільшується. У подальшому, внаслідок зниження ступеня сфероїдизації графіту, підвищуються мікронапруження і знижується показник К1С.

При температурі 700С у чавунах з пластинчастим і вермикулярним графітом, також як і при кімнатній температурі, із збільшенням вмісту вуглецю міцність знижується. Це можна пояснити збільшенням кількості графіту пластинчастої форми та його різним орієнтуванням, що підвищує напруження на кінцях включень. Встановлено, що при 700С кремній практично не впливає на міцність чавунів з пластинчастим та вермикулярним графітом, тому присутність у цих чавунах 0,94% Mn та 0,83% Mn відповідно доцільна. При температурі 700С збільшення вмісту вуглецю з 2,16 до 3,84%, незалежно від форми графіту, призводило до зниження показника К1С. Тому у чавунах, які працюють при температурах порядку 700С та при навантаженнях вміст вуглецю повинен бути мінімальним.

Результати досліджень показали, що у чавунах з пластинчастим і вермикулярним графітом підвищення вмісту вуглецю негативно впливає на термостійкість, що обумовлено станом графітової фази (наявність міждендритного та пластинчастого графіту з великим параметром форми г). Але, якщо у чавунах з пластинчастим графітом монотонне зниження термостійкості було відмічено на усьому інтервалі зміни вуглецю (2,16…3,84%), то у чавунах з вермикулярним графітом таке зниження міцності характерне тільки при 2,6…3,84% С. У інтервалі 2,16…2,6% С таке зниження відмічене не було внаслідок високого ступеня сфероїдизації включень графіту та відсутності напружень біля включень. У чавунах з кулястим графітом тенденція зниження термостійкості відмічена до 3,2% С. При подальшому збільшенні вмісту вуглецю показник термостійкості стабілізувався, що пов'язане із збільшенням кількості великих включень графіту, які гальмували розвиток тріщин. У чавунах з пластинчастим графітом впливу кремнію на термостійкість не відмічено, внаслідок більш суттєвого впливу на цей показник дії графітової фази. У чавунах з вермикулярним та кулястим графітом із збільшенням кремнію до 2,6% термостійкість підвищувалася. Це можна пояснити зміцненням твердого розчину внаслідок розчинення кремнію у феритній основі. Подальше збільшення кремнію сприяло окрихчуванню металевої основи та зниженню термостійкості. Встановлено, що оптимальний вміст марганцю для забезпечення підвищеної термостійкості у чавунах з пластинчастим, вермикулярним та кулястим графітом знаходиться у межах 0,26…0,53%.

У чавунах з пластинчастим графітом із збільшенням вмісту вуглецю і кремнію шорсткість підвищується, що підтверджує суттєвий вплив стану графітової фази на пошкодження поверхневих оксидних шарів при контакті чавуну з в'язким силікатним розплавом. У чавунах з кулястим графітом при вмісті 1,8…2,4%Si відмічено деяке підвищення шорсткості, що обумовлено присутністю ізольованих включень кулястої форми досить великих розмірів та недостатніми захисними властивостями оксидної кремнієвої плівки. При вмісті понад 2,4%Si захисні властивості кремнієвої плівки підвищуються і суттєво впливають на зниження шорсткості внаслідок згладжування дефектів на поверхні чавуну. У чавунах з вермикулярним графітом внаслідок сприятливого стану графітової фази позитивний вплив кремнієвої плівки виявляється більшою мірою в усьому інтервалі зміни кремнію (1,8…3,8%). У чавунах з вермикулярним графітом мінімальне значення шорсткості відмічено при 2,8…3,0% С та 3,8% Si. Це пов'язане із здрібненням включень графіту та зниженням пошкодження поверхні чавуну, яка контактує з силікатним розплавом, внаслідок присутності захисної кремнієвої плівки. При подальшому збільшенні вмісту вуглецю захисні властивості плівки знижуються внаслідок виходу на поверхню включень графіту великих розмірів, які порушують суцільність плівки та сприяють проникненню агресивної скломаси вглиб металу. При цьому включення, насамперед кулястої форми, внаслідок слабкого зв'язку з металевою основою викришуються при контакті із скломасою більш інтенсивно, ніж включення пластинчастої форми, що і пояснює підвищення шорсткості у чавунах із кулястим і вермикулярним графітом при збільшенні вмісту вуглецю понад 3,0%. Викришування графіту, особливо кулястої форми, нейтралізувало вплив марганцю на шорсткість, що дозволило знизити його вміст у чавунах з кулястим графітом до 0,26%, у той час коли для чавунів з пластинчастим та вермикулярним графітом його оптимальні концентрації дорівнювали 0,53% та 0,72% відповідно.

Незалежно від форми графіту, кремній сприяв зниженню швидкості термохімічної ерозії чавуну внаслідок, як уже було відмічено, утворення захисної кремнієвої плівки. Підвищення вмісту вуглецю до 2,8..3,0%, насамперед у чавунах з вермикулярною формою графіту, також призводило до зниження розглядаємого показника внаслідок здрібнення графітових включень та більш рівномірного їх розподілу. У чавунах з пластинчастим графітом, крім того, що форма графіту прискорювала процеси руйнування чавуну у скломасі, оксиди марганцю, що добре розчиняються у силікатних розплавах, також прискорювали процес термохімічної ерозії. Тому у таких чавунах вміст марганцю понад 0,26% не доцільний. У чавунах з вермикулярним графітом процеси термохімічної ерозії, у порівнянні з чавунами з пластинчастим графітом, діються значно повільніше, що і обумовило у таких чавунах вміст марганцю рівний 0,54%. На підставі одержаних результатів встановлено оптимальні концентрації вуглецю, кремнію та марганцю у чавунах з урахуванням розроблених вимог до конструкційних матеріалів, які обумовлені особливостями механізмів пошкодження робочих поверхонь інструменту.

З метою підвищення працездатності чавунів в умовах підвищеної термохімічної ерозії, розглянуто вплив сумісного легування зростаючими до 1% присадками хрому та алюмінію на фізико-механічні та службові властивості чавуну з вермикулярним графітом (табл. 2).

Встановлено, що оптимальне сполучення механічних та службових властивостей чавуну досягається при вмісті 0,4...0,6% Cr та 0,4...0,6% Al. При таких концентраціях підвищуються міцність на 64%, в'язкість руйнування на 165% та термостійкість на 217%, що пов'язане, у першу чергу, із зниженням участі графіту у руйнуванні та зменшенням товщини пластинок перліту.

Таблиця 2 Вплив сумісного легування хромом та алюмінієм на показники властивостей чавуну

Така будова перліту та присутність на поверхні чавуну захисних оксидних плівок, які містять оксиди хрому та алюмінію, забезпечили мінімальні шорсткість, змочування, коефіцієнт адгезії, швидкість термохімічної ерозії та підвищений опір руйнуванню поверхневих оксидних шарів.

Суттєвий вплив на працездатність склоформувального інструменту має теплопровідність. З метою визначення цього показника, а також службових та механічних властивостей чавуну з вермикулярним графітом, легованого хромом і алюмінієм, досліджено вплив зростаючих до 1,0% присадок міді. Встановлено, що з підвищенням вмісту міді до 0,98% теплопровідність зростала на 24%. Зниження швидкості ерозійного руйнування на 41% відбувалося внаслідок присутності мідистої фази на поверхні розподілу металевої основи та графіту, яка перешкоджала дифузії кисню та скломаси вглиб металу та знижувала окислення графіту та його руйнування. При малих (до 0,3%) додачах мідь сприяла зниженню змочування. У подальшому, внаслідок розчинення оксидів міді у скломасі, змочування чавуну скломасою підвищувалось і зростали шорсткість та коефіцієнт адгезії. З підвищенням вмісту міді відзначено зниження на 30% в'язкості руйнування при кімнатній температурі та на 55% при 700С. Зменшення цих показників обумовлено збільшенням кількості графіту пластинчастої форми у результаті нейтралізації міддю дії модифікатора і підвищенням участі графіту у руйнуванні. За результатами досліджень встановлено раціональну концентрацію міді у межах 0,15...0,3%.

У розділі зроблено також аналіз сумісного впливу структурних та технологічних факторів на такі показники як кут змочування, кінцева шорсткість після контакту із скломасою та швидкість термохімічної ерозії. За допомогою методів математичного планування експериментів одержано кореляційні залежності. Встановлено, що феритна структура та температура порядку 625…635С забезпечують мінімальну шорсткість поверхні. Показано, що збільшення кількості перліту та підвищення температури сприяють підвищенню шорсткості. Встановлено, що із збільшенням вмісту перліту знижується і змочування чавуну силікатним розплавом внаслідок підвищення шорсткості, яка перешкоджає розтіканню розплаву. Визначені оптимальні значення початкової шорсткості (Raпочат.=0,064 мкм), кількості перліту у чавуні (до 45%) та видано рекомендації що до раціональної температури (630С) у зоні контакту чавуну із скломасою. Розроблено також економнолеговані склади графітизованих чавунів, які містять в залежності від умов експлуатації 2,3…3,7% С, 1,8…3,8% Si, 0,4…0,6% Mn, до 0,6% Cr, до 0,6% Al та до 0,3%Сu (а.с. 1569349, 1713968).

Підвищення працездатності легованих сталей в умовах агресивних середовищ та механічних навантажень. Аналіз умов експлуатації та механізмів руйнування деталей склоформувального інструменту показав, що ряд деталей, які безпосередньо контактують із в'язким силікатним розплавом або перебувають при експлуатації у зоні його впливу, працюють в умовах сухого або напівсухого тертя. Крім впливу агресивного середовища в результаті взаємного контакту такі деталі зазнають механічних навантажень, що призводить до викрихчування та зношування гострих крайок робочих поверхонь інструменту. Тому, поряд з підвищеним опором впливу силікатного середовища, конструкційний матеріал за таких умов повинен мати підвищений опір і до корозійно-механічного зношування. Одним із ефективних шляхів вирішення вказаної проблеми є використання матеріалів, що мають у структурі крім твердих складових, які забезпечують опір зношуванню, деяку кількість включень графіту, які підвищують антифрикційні властивості. Встановлено, що перспективними у цьому напрямку є ресорно-пружинні сталі зі збільшеним вмістом кремнію, які мають підвищений опір до відпуску та окислення при підвищених температурах. Вже на першому етапі результати порівняльних досліджень сталей 60С2 та 70С3А дозволили встановити позитивний вплив зростаючих концентрацій вуглецю і кремнію (0,66…0,74%С і 2,4…2,8% Si у сталі 70С3А проти 0,57…0,65% С і 1,5…2,0% Si у сталі 60С2) та термоциклювання на опір кремнієвих сталей зношуванню в умовах сухого тертя. Це можна пояснити задовільною твердістю і рівномірним розподілом включень графіту після відпалу, які забезпечують кремнієвим сталям антифрикційні властивості та підвищений опір впливу в'язкого силікатного середовища, які необхідні для конструктивної міцності матеріалу за таких умов експлуатації.

Результати досліджень, які відображено у табл. 3, дозволяють зробити висновок про те, що сприятливий стан графітової фази, отриманий в результаті попереднього (перед гартуванням) термоциклювання, забезпечує підвищення опору сталей руйнуванню не тільки при механічному зношуванні при кімнатній температурі, але і в умовах в`язких агресивних силікатних розплавів та підвищених температур.

Таблиця 3 Вплив термічної та термоциклічної обробки на зношування литої сталі 70С3АЛ

Комплекс досліджень литих кремнієвих сталей у цьому напрямку відкрив перспективу використання графітизованих кремнієвих сталей для широкої номенклатури деталей інструменту і підтвердив доцільність розширення досліджень у цьому напрямку.

У розділі наведено також результати досліджень механізму руйнування у розплавленій скломасі та оптимізації вмісту вуглецю та основних легувальних елементів (вольфрам, молібден, ванадій) у литій швидкорізальній сталі.

Показано, що зі збільшенням від 0,66 до 1,08% вмісту вуглецю твердість зростає і досягає максимального значення (62HRC) при 0,9% С, а потім зменшується. Це пов'язане з тим, що при вмісті вуглецю понад 0,9% підвищується кількість залишкового аустеніту (до 30%), який знижує твердість та пружно-пластичні властивості сталі, що сприяє підвищенню зношування. Підвищення вмісту вуглецю понад 0,9% призводить також до збільшення кількості та розмірів карбідів, розпад яких при підвищених температурах і взаємодія з розплавленою скломасою підвищують шорсткість та прискорюють процеси термохімічного руйнування сталі. При 1,08% С швидкість термохімічної ерозії сталі у скломасі підвищується на 31%, у порівнянні зі сталлю, яка містить 0,65% С, а шорсткість поверхні - на 447%. Зменшення вмісту вуглецю до 0,8% знижує шорсткість, але при цьому зменшується твердість та підвищується зношування. Крім того зниження вмісту вуглецю менш за 0,8% не бажано внаслідок погіршення шліфування. На підставі одержаних результатів встановлено оптимальний вміст вуглецю (0,85...0,95%) у литій швидкорізальній сталі, який забезпечує необхідне сполучення службових та механічних властивостей.