Розробка матеріалів для склоформувального устаткування з урахуванням дії силікатних розплавів

Підтверджено, що стан карбідної фази також впливає на характер руйнування сталі. Доведено, що на службові властивості сталі впливають і поверхневі оксидні шари, стан яких залежить від вмісту вольфраму, молібдену і ванадію. Між вмістом вказаних елементів та коефіцієнтом адгезії, шорсткістю та пружно-пластичними властивостями поверхневих шарів встановлено кореляційні залежності. Доказано, що із збільшенням вмісту вольфраму, молібдену і ванадію до 5% коефіцієнт адгезії скломаси до металу збільшується на 117%, 183% і 157%, шорсткість поверхні - на 293%, 207% і 220%, а пошкодження оксидних шарів - на 135%, 15% і 55% відповідно

Одержані результати висвітлюють механізм руйнування швидкорізальних сталей у розплавленій скломасі. Встановлено, що при контакті сталі з в'язким силікатним розплавом характер їх взаємодії обумовлено протіканням хімічних реакцій та утворенням у зоні контакту нещільних оксидних шарів. На підставі одержаних результатів зроблено висновок про те, що вміст вольфраму, який максимально збільшує коефіцієнт адгезії та шорсткість і знижує пружно-пластичні властивості оксидних шарів повинен бути максимально зниженим. З урахуванням впливу цього елементу на механічні властивості та швидкість руйнування, вміст вольфраму не більший за 1 % можна враховувати як доцільний.

Ванадій і молібден сприяють здрібненню та рівномірному розподілу карбідів. При вмісті 0,35% W із збільшенням до 3% V швидкість ерозійного руйнування зменшувалась на 23%. Це пояснюється тим, що, незважаючи на утворення нестійких оксидів V2O5, ванадій сприяв подрібненню карбідної фази, вплив якої був суттєвішим, ніж стан оксидних шарів. Встановлено, що 3% Mo, 3% V, та 0,35% W забезпечують швидкорізальній сталі максимальний опір руйнуванню у розплавленій скломасі. На підставі одержаних результатів розроблено сталь 90Х5ВМ3Ф3Л (пат. 66496А), яка має більш високі службові характеристики ніж сталь 90Х5В2М2Ф2Л (табл. 4).

Таблиця 4 Результаты порівняльних досліджень литих швидкорізальних сталей

Підвищення службових характеристик самофлюсуючих сплавів на нікелевій основі. Самофлюсуючі сплави використовують для відновлення та зміцнення деталей склоформувального інструменту. Вивчено вплив на властивості сплавів на нікелевій основі, зростаючих до 5% концентрацій бору та кремнію, які забезпечують самофлюсування.

Показано, що із збільшенням вмісту бору до 1,0% термостійкість підвищується на 29%. Це пояснюється присутністю у структурі боридної евтектики, яка зміцнює твердий розчин та підвищенням теплопровідності майже на 7%. Подальше підвищення вмісту бору на теплопровідність суттєво не впливає, а в результаті окрихчувальної дії знижує термостійкість. При збільшенні приблизно до 0,5%В підвищувався на 10% опір сплаву термохімічній ерозії, і у подальшому практично не змінювався.

Із підвищенням концентрації бору монотонно погіршувався стан поверхні металу після контакту із скломасою і при 4,56%В шорсткість підвищувалась на 87%. Присутність до 1,0%В суттєвого впливу на коефіцієнт адгезії не мала. З одного боку це обумовлено роз'єднанням ділянок боридної евтектики, а з другого - підвищенням теплопровідності сплаву. При вмісті понад 1,0…1,3%В коефіцієнт адгезії різко зростав, що можна пояснити скелетоподібним станом евтектики. При 4,56%В коефіцієнт адгезії збільшувався на 62%.

Встановлено, що в умовах підвищеної термохімічної ерозії вміст бору у сплаві не повинен перевершувати 0,5%. При термоциклічних та механічних навантаженнях вміст бору доцільно підвищувати до 1,0% та 1,5% відповідно. З підвищенням вмісту бору дещо збільшувалося пошкодження оксидних шарів.

Присутність боридної евтектики позитивно впливала на змочування чавуну нікелевим сплавом, яке при 4,56%В підвищилось на 57%, що має важливе значення при відновленні та зміцненні деталей інструменту особливо зі складним рельєфом робочої поверхні.

Присутність у нікелевому сплаві 0,89%В справляла позитивний вплив на коефіцієнт термічного розширення, який при цьому вмісті бору зменшився на 10% і при подальшому збільшенні кількості бору не змінювався. Присадки бору підвищували міцність зчеплення нікелевого сплаву з чавуном, величина якої при 4,56%В зросла на 34% внаслідок зниження температури наплавлення. Швидкість термохімічної ерозії при підвищенні до 1,86%В знизилась на 10% і у подальшому практично не змінювалась. Підвищення шорсткості поверхні нікелевого сплаву після контакту із скломасою при цій концентрації бору не перевищувало 31%, а при 4,56%В підвищення шорсткості досягало 87%.

За результатами металографічного аналізу, легування нікелевого сплаву кремнієм призводило до аналогічної зміни стану евтектики, як і при легуванні бором. У зв'язку з цим характер зміни властивостей нікелевого сплаву при підвищенні кількості кремнію був аналогічним змінам, що відбувалися при легуванні бором. У той же час з підвищенням вмісту кремнію зміни міцності зчеплення та коефіцієнта термічного розширення відзначено не було.

Присадки кремнію сприяли зниженню швидкості термохімічного руйнування металу, яка при 4,83%Si знижувалась на 20% та покращенню стану поверхні металу після контакту із скломасою. Це пов'язане не тільки з підвищенням теплопровідності, але і з захисними властивостями оксидної кремнієвої плівки. Додача до 4,83%Si сприяла підвищенню коефіцієнта адгезії на 62%, і майже не впливала на пошкодження оксидних шарів. Присадки кремнію, як і присадки бору, сприяли змочуванню чавуну нікелевим сплавом при наплавленні, при цьому підвищення твердості було не таким значним, як при підвищених концентраціях бору. Тому, з урахуванням технологічних вимог при виготовленні робочих поверхонь інструменту, збільшення у нікелевому сплаві вмісту кремнію до 4…5% більш доцільне, ніж підвищення до цих концентрацій бору. Відзначено, що при різко змінних температурах вміст кремнію у нікелевому сплаві треба обмежити 1,8%. Показано, що така концентрація кремнію забезпечує максимально допустимі показники швидкості термохімічної ерозії та пошкодження оксидних шарів, достатньо низький коефіцієнт адгезії та підвищену термостійкість біметалевого з'єднання (чавун - нікелевий сплав).

Комплексні дослідження впливу зростаючих до 60% присадок міді на властивості нікелевого сплаву з вмістом 0,93%В та 1,76%Si дозволили встановити, що збільшення концентрації міді до 12...15% сприяє ,підвищенню теплопровідності і підвищенню термостійкості на 7%. При подальшому збільшенні вмісту міді підвищення теплопровідності було незначним, що пов'язане з нерівномірним розподілом міді. Максимальне значення міцності зчеплення відмічено при 15…22%Cu, яке на 13% перевершувало цей показник сплаву без міді. Це можна пояснити покращенням змочування чавуну нікелевим сплавом при наплавленні, яке має місце при таких концентраціях міді. Подальше підвищення вмісту міді сприяє зниженню змочування внаслідок підвищення окислювання та збільшення поверхневого натягу мідно-нікелевих сплавів. Встановлено, що з підвищенням вмісту міді у сплаві майже до 60% швидкість термохімічної ерозії сплавів у скломасі зростає на 50%, що пояснюється добрим розчиненням оксидів міді у скломасі.

При таких концентраціях міді ще більше (на 265%) збільшується шорсткість поверхні сплаву після контакту із скломасою внаслідок підвищення на 37% коефіцієнта адгезії скломаси до нікелевого сплаву і пошкодження оксидного шару. Підвищенню шорсткості сприяє нерівномірний розподіл міді у нікелевому сплаві, підвищена концентрація якої відмічена у районі міжосьових ділянок дендритів. На підставі одержаних результатів встановлено, що вміст міді не повинен перевищувати 12..15%. Тільки при відновленні та зміцненні деталей інструменту, які відчувають механічні навантаження, для збільшення міцності зчеплення вміст міді доцільно підвищувати до 20%.

Досліджено вплив стану евтектики на показники властивостей мідно-нікелевого сплаву внаслідок модифікування зростаючими до 0,4% присадками кальцію та церію. Рафінуюча дія кальцію справила позитивний вплив на швидкість термохімічної ерозії, шорсткість поверхні справив впливу на міцність зчеплення та коефіцієнт термічного розширення. При вмісті церію 0,1...0,2%, встановлено зниження на 27% швидкості термохімічної ерозії нікелевого сплаву. Вплив церію на пошкодження оксидних шарів був незначним. Як і кальцій, церій сприяв підвищенню термостійкості.

На шорсткість та коефіцієнт адгезії церій впливав неоднозначно. При його присадках до 0,1% зміни шорсткості відзначено не було, а при подальшому підвищенні концентрації цього компоненту шорсткість зростала на 47%. При присадках церію до 0,2% коефіцієнт адгезії знижувався на 22%, а у подальшому практично не змінювався. Такий неоднозначний вплив церію на шорсткість поверхні мідно-нікелевого сплаву та коефіцієнт адгезії пов'язаний з присутністю на поверхні металу оксидів Ce2O3 і СеО, один з яких підвищує шорсткість шару та коефіцієнт адгезії, а другий - забезпечує на поверхні металу щільний оксидний шар і позитивно впливає на вказані показники надійності та довговічності.

З урахуванням одержаних результатів розроблено склади сплавів на нікелевій основі для відновлення та зміцнення деталей склоформувального інструменту залежно від умов експлуатації інструменту та механізмів їх руйнування (пат. 56682А, 56683А, 56687А, 56688А, 56690А, 66497А).

Випробування та реалізація результатів досліджень у скляній промисловості. Опрацьовано технології виробництва, відновлення та зміцнення деталей склоформувального інструменту із розроблених сплавів із заданими механічними та службовими властивостями, які впроваджено у виробництво на підприємствах скляної промисловості України та країн СНД.

У результаті досягнуто таких техніко-економічних показників (у середньому):

- підвищено довговічність деталей склоформуювального інструменту на 320%;

- знижено простої склоформувальних машин внаслідок скорочення часу на переналадку інструменту на 65,9%;

- знижено використання дефіцитних легувальних елементів до 100%;

- знижено металоємкість інструменту на 15%;

- знижено витрати на виготовлення інструменту на 47,4%;

- підвищено якість скловиробів внаслідок зниження адгезії та шорсткості на 15%;

- збільшено випуск продукції внаслідок зниження браку на 4,6%.

Висновки

Узагальнення отриманих в дисертації результатів дозволило запропонувати нове наукове вирішення практичної проблеми створення конструкційних матеріалів з підвищеним терміном експлуатації для відповідальних деталей та вузлів технологічного устаткування в умовах дії силікатних розплавів.

Найважливіші наукові та практичні результати зводяться до наступного:

Розроблено науково-обгрунтований підхід комплексного вивчення закономірностей і механізмів руйнування конструкційних матеріалів, які працюють в умовах впливу хімічно активних силікатних розплавів, термоциклічних та механічних навантажень, що будується на фізичних і механічних характеристиках матеріалів та на стандартних і спеціально розроблених методах їх визначення, а також сформульовано основні вимоги до конструкційних матеріалів, які враховують особливості умов експлуатації, а саме: змочування матеріалів силікатним розплавом, величина адгезії розплаву до матеріалів, зміна шорсткості та пошкодження поверхневих оксидних шарів, швидкість термохімічної ерозії матеріалів у силікатному розплаві, а також міцність, в'язкість руйнування та термостійкість.

На основі результатів моделювання процесу переміщення в'язкого силікатного розплаву по поверхні інструменту доказано, що процес термохімічного руйнування конструкційних матеріалів у силікатних розплавах містить ерозійне зношування поверхневих шарів матеріалів.

На графітизованих сплавах із зростаючою від 0,48 до 4,02% кількістю вуглецю вивчено вплив форми та кількості графітової фази на теплофізичні, фізико-механічні та службові властивості. Показано, що з підвищенням кількості графітової фази до 18,3 об'ємн.%, участь графіту у руйнуванні підвищується з 9 до 90%, що негативно впливає на механічні характеристики, в'язкість руйнування та службові властивості сплавів.

Методом скінчених елементів вирішена задача, яка дозволяє визначати розміри мікрозон пластичної деформації у мікрооб'ємах металу біля включень графіту, а також залежність коефіцієнта (пайова частка) мікродеформованого металу від кількості та параметру форми графітових включень г. Встановлено, що з підвищенням кількості графітової фази та параметру форми включень г коефіцієнт мікродеформованого металу зростає, що прискорює процеси руйнування матеріалів у силікатних розплавах.

Досліджено вплив хімічного складу на структуру, механічні та службові властивості чавунів для склоформувального інструменту. Показано, що сумісне легування чавуну хромом (0,4...0,6%) та алюмінієм (0,4...0,6%) дозволяє досягнути мінімальних значень швидкості термохімічної ерозії, змочування, коефіцієнта адгезії, та зниження пошкоджуваності поверхневих оксидних шарів чавуну. Доведено, що додання 0,15...0,3% міді підвищує теплопровідність чавуну та термостійкість, в'язкість руйнування та знижує шорсткість поверхні чавуну без суттєвих змін інших характеристик. Встановлено оптимальний рівень кількості перліту та шорсткості поверхні чавуну для забезпечення надійної та довговічної роботи інструменту.

Визначено вплив вуглецю, вольфраму, молібдену і ванадію, структури металевої основи та стану карбідної фази швидкорізальних сталей на змочування і коефіцієнт адгезії, шорсткість і пошкоджуваність поверхневих оксидних шарів в умовах дії в'зких силікатних середовищ.

Встановлено, що необхідний рівень фізико-механічних властивостей, який забезпечує підвищений опір сталі руйнуванню при періодичних контактах з в'язкими хімічно активними силікатними розплавами, досягається при вмісті 0,9% С, 0,35 %W, 3%Mo, 3%V.

На підставі результатів аналіза впливу бору, кремнію, міді, а також модифікаторів кальцію і церію та стану вторинних фаз на службові властивості сплавів на нікелевій основі, визначені оптимальні сполучення вказаних елементів, які забезпечують підвищений опір руйнуванню сплавів у силікатних розплавах внаслідок низьких показників коефіцієнта адгезії, пошкоджуваності та шорсткості поверхневих оксидних шарів.

На підставі проведених досліджень розроблено нові методики випробувань, а також конструкційні матеріали і технології їх виробництва, які захищені 9 авторськими свідоцтвами та 12 патентами України на винаходи.

Розроблені матеріали та ресурсозберігаючі технології виробництва, відновлення та зміцнення деталей інструменту впроваджено на 12 підприємствах України та на 6 підприємствах країн СНД, що дозволило значно підвищити цілий ряд техніко-економічних показників виробництва виробів із скломаси.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Волчок И.П., Колотилкин О.Б., Шейко С.П. Конструкционные материалы для стеклоформующего инструмента. -Запорожье: Изд-ий центр “Павел”, 1997.- 298с.

Структура та опір руйнуванню залізовуглецевих сплавів / О.П. Осташ, І.П. Волчок, О.Б. Колотілкін, І.М. Андрейко, М.М. Стадник, В.П. Силованюк, Г.І. Слинько -Львів: Національна академія наук України. Фізико-механічний інститут ім.Г.В. Карпенка, 2001.-272 с.

Колотилкин О.Б., Волчок И.П. Производство, эксплуатация и ремонт прогрессивного стеклоформующего оборудования / Пром-сть строит. материалов. Сер. 15. Ремонт и эксплуатация оборудования. Вып. 1. -М.: ВНИИЭСМ, 1989. -48 с.

Колотилкин О.Б. Установка для испытания смачиваемости конструкционных материалов расплавленной стекломассой / Пром-сть строит. материалов. Сер. 9. Стекольная промышленность. Вып. 6. -М.: ВНИИЭСМ, 1989. -С. 15-18.

Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Разрушение чугуна при термоциклических нагрузках и в расплаве стекломассы // Физико-химическая механика материалов. -1989. -№ 6. -С. 100-102.

Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Чугуны для стеклоформующего инструмента // Литейное производство. -1989. -№ 8. -С. 14-15.

Колотилкин О.Б. Совершенствование технологии изготовления отливок стеклоформ из чугуна // Технология и организация производства. -1989. -№ 3. -С. 36-37.

Колотилкин О.Б., Волчок И.П. Ремонт стеклоформующего инструмента / Пром-сть строит. материалов. Сер. 15. Ремонт и эксплуатация оборудования. Вып. 4. -М.: ВНИИЭСМ, 1989. - С. 6-11.

Уваров С.А., Колотилкин О.Б. Установка и методика для определения износостойкости сталей при термоциклировании в расплавах стекла // Заводская лаборатория. - 1990. -№ 10, т. 56. - С. 65-67.

Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Анализ разрушения литой стали и чугуна с позиций синергетики // Российская академия наук. Металлы. -1992. -№ 2. -С 57-63.

Колотилкин О.Б. Перспективные направления разработки конструкционных материалов для стеклоформующего инструмента / Труды Украинского института стекла: Ежегодный сборник. - Харьков: ф-ка им. М.В.Фрунзе, 1996. -С. 195-209.

Колотилкин О.Б. Влияние легирования на работоспособность чугуна для стеклоформующего инструмента // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -1997. -№ 1-2. - С. 52-53.

Колотилкин О.Б. Новые критерии надежности конструкционных материалов контактирующих с расплавленной стекломассой // Придніпровський науковий вісник. -1997. -№ 11 (22). - С. 36-42.

Колотилкин О.Б. Влияние меди на служебные характеристики чугуна для стеклоформующего инструмента // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -1998. - № 2. - С. 37-38.

Колотилкин О. Прогнозування працездатності конструкційних матеріалів для склоформувального інструмента //Машинознавство.-2000.-№1.С.18-20.

Колотилкин О. Взаємоз'вязок між концентрацією напружень біля включень графіту і властивостями Fe-C сплавів // Машинознавство.-2000.-№10.-С.9-14.

Колотилкин О.Б. Разрушение чугуна при контакте с вязкой агрессивной средой при повышенных температурах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.-2001.-№1.-С.48-52.

Колотилкин О.Б. Методология оценки характеристик контакта конструкционных материалов с вязкой агрессивной средой // Проблеми трибології.-2001.-№3/4.-С.33-37.

Колотилкин О.Б. Влияния вязкого силикатного расплава на термоерозионное изнашивание быстрорежущих сталей // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту.-2001.-№4.-С.72-76.

Колотилкин О. Механізм руйнування конструкційних матеріалів під впливом в'язких агресивних середовищ // Машинознавство.-2001.-№8.-С.48-50.

Колотилкин О.Б. Влияние количества графитной фазы на характер разрушения и свойства железоуглеродистых сплавов // Металознавство та термічна обробка металів.-2002. - № 1 -С. 22-27.

Підвищення термостійкості чавунів / І. Волчок, О. Колотілкін, С. Рязанов, О. Черняк // Машинознавство.-2002.-№2.-С. 37-39.

Шевченко В., Колотілкін О., Бєліков С. Розробка захисних та зміцнюючих покриттів та оцінка їх працездатності у в'язких агресивних середовищах // Машинознавство.- 2004.- №1.-С. 39-43.

Колотілкін О., Нагорний Ю. Вплив графітної фази на механізм руйнування Fe-C сплавів // Машинознавство.- 2004.-№2.-С. 49-51.

Колотилкин О. Разрушение конструкционных материалов / Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х т. / Спецвипуск журналу “Фізико-хімічна механіка матеріалів”. - №4.-Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004.- Т. 1.-С. 200-205.

Колотилкин О.Б. Методологические аспекты создания конструкционных материалов для инструмента по переработке силикатных расплавов / Перспективные задачи инженерной науки: Сб. научн. трудов. Вып. 3. - Днепропетровск: Gaudeamus, 2003. - С. 82-88.

Колотилкин О.Б., Шевченко В.Г. Повышение эффективности работы стеклоформующего оборудования / Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”, Вип 1.- Харків: Вид-во “Модель Вселенной”. 2004.- С. 87-92.

Установка для иссделования термостойкости образцов: А.с. 1262345 СССР, МКИ G01N 3/60 / О.Б. Колотилкин, Л.Л. Белоус, И.П. Волчок (СССР).-№3908987/25-28, Заявлено 06.05.85; Опубл. 07.10.86, Бюл. №37.-4 с.

Устройство для испытания материалов царапанием: А.с. 1290143 СССР, МКИ GO1N 3/46 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 3736713 / 25-28; Заявлено 04.05.84; Опубл. 15.02.87, Бюл. № 6. -2 с. ил.

Способ испытания материалов на прилипание к ним вязких расплавов: А.с. 1709201 СССР, МКИ GO1N 19/04 /О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4760941 / 28; Заявлено 21.01.89; Опубл. 30.01.92, Бюл. № 34 -3с. ил.

Образец для определения вязкости разрушения: А.с. 1796960 СССР, МКИ GO1N 1/28 / О.Б. Колотилкин, А.А. Егоров, И.П. Волчок (СССР). -№ 4907717 / 28; Заявлено 04.09.91; Опубл. 23.02.93, Бюл. № 7. -3 с. ил.

Чугун с вермикулярным графитом: А.с. 1569349 СССР, МКИ С22С 37/06 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4422662 / 31-02; Заявлено 05.04.88; Опубл. 07.06.90, Бюл. № 21. -3 с.

Сталь: А.с. 1574674 СССР, МКИ С22С 38/18, В22С 38/34 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок, С.А. Уваров (СССР). -№ 4471327 / 31-02; Заявлено 05.08.88; Опубл. 30.06.90, Бюл. № 24. -2 с.

Установка для исследования износа материалов при термоциклировании в условиях контакта с высокотемпературной средой: А.с. 1670526 СССР, МКИ G01N 3/56 / С.А. Уваров, О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4763990/28; Заявлено 04.12.89; Опубл. 15.08.91, Бюл. № 30.-4 с.ил.

Чугун для стеклоформующего инструмента: А.с. 1713968 СССР, МКИ С22С 37/10 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок А.А. Егоров, Ю.А. Качалов (СССР). -№ 4769698/ 02; Заявлено 11.12.89 Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7. - 4 c.

Графитизированная сталь: А.с. 1793001 СССР, МКИ С22С 38/34 / И.П. Волчок, О.Б. Колотилкин, С.А. Уваров (СССР). -№ 4910094 / 02; Заявлено 11.02.91; Опубл. 07.02.93, Бюл. № 5. -3 с.

Спосіб одержання чавуну: Пат. 34476 С2 Україна, МКВ С21С 1/10 / О.Б.Колотілкін, І.П.Волчок, А.О. Єгоров (Україна).-№95063721; Заявлено 08.08.95; Опубл.15.03.01, Бюл. № 2.-3 с.

Пристрій для визначення теплопровідності біметалевих з'єднань: Пат. 53970 А Україна, МКВ G01N 3/60 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002042837; Заявлено 09.04.02; Опубл. 17.02.03, Бюл. №2. - 2 с. іл.

Пристрій для визначення термостійкості: Пат. 53976 А Україна, МКВ G01N 3/60 / О.Б. Черняк, О.Б. Колотілкін, І.П. Волчок (Україна). -№2002042960; Заявлено 12.04.02; Опубл. 17.02.03, Бюл. №2. - 2 с. іл.

Сплав для наплавлення: Пат. 56682 А Україна, МКВ В23К 35/30 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002086761; Заявлено 15.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

Мідно-нікелевий сплав для наплавлення: Пат. 56683 А Україна, МКВ В 23К 35/30 / О.Б. Колотілкін С.Б. Бєліков, В.Г. Шевченко (Україна).-№2002086770; Заявлено 15.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

Склад для наплавки на основі нікелю: Пат. 56687 А Україна, МКВ В23К 35/30 / О.Б. Колотілкін (Україна). - №2002086793; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

Сплав на нікелевій основі: Пат. 56688 А Україна, МКВ С 22С 19/03 / О.Б. Колотілкін, А.С. Сіренко (Україна). -№2002086794; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

Графітизована сталь: Пат. 56689 А Україна, МКВ С 22С 38/34 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002086795; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

Легована сталь: Пат. 56691 А Україна, МКВ С22С 38/06 / О.Б. Колотілкін (Україна). - 2002086797; Заявлено 16.08.02, Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 3 с.

Склад для наплавки: Пат. 56690 А Україна, МКВ В 23 К 35/36 / О.Б. Колотілкін (Україна).- № 2002086796; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

Сталь: Пат. 66496А Україна, МКВ С22С 38/00 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2003065619; Заявлено 18.06.03; Опубл. 17.05.04, Бюл. №5.- 4 с.

Сплав на основі нікелю: Пат. 66497А Україна, МКВ С22С 19/03 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№ 2003065620; Заявлено 18.06.03; Опубл. 17.05.04, Бюл. №5.-3 с.

Колотилкин О.Б. Взаимодействие конструкционных материалов с вязкой агрессивной средой / Материалы Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”.-К.: Изд-во НПЦ “Алкон”, 2001.-С. 121-123.

Колотилкин О.Б. Экономнолегированные быстрорежущие стали для инструмента по переработке вязких силикатных расплавов / Материалы 9-го Международного семинара “Новое в разработке, производстве и применении инструментальных материалов”.-К.: Изд-во ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины, 2002.-С. 31-32.

Колотилкин О.Б. Восстановление и упрочнение деталей наплавочными материалами на никелевой основе / Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции “Новые технологии, методы обработки и урочнения деталей энергетических установок”.-Запорожье, Алушта: Изд-во ЗНТУ, 2002.-С.59-61.

Kolotilkin O. Theoretical and Experimental Basis Developing Structiral Materials for Glassmoulding Tools/ Proceedings of Second International Conference “Materials and Coatinqs for Extreme Performances: Investiqations, Applications, Ecoloqically Safe Technoloqies for Their Production and Utilization”.- Katsiveli: Видавничий дом “Академперіодика” НАН України, 2002.-С. 59-60.

Kolotilkin O. Complex Approach to Assessment of Failure Mechanisms of Structural Materials Contacting with Viscous Agressive Medium / Proceedings of International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. Vol. II. -Кiev: Изд-во ИПМ им. Францевича НАН Украины, 2002. -С. 691-692.

Schеvchenko V., Kolotilkin O., Belikov S. Protektive and Strengthening Coatings Composition Development and Their Workability Evaluation in Viscous Ageressive Environments / Abstracts IV International Scintific Conference “Aims for Future of Engineering Science. - Igalo, Montenegro: Gaudeamus, 2003.- P. 20.

Колотилкин О.Б. Влияние металлургических и структурных факторов на механизм разрушения быстрорежущих сталей в вязком силикатном расплаве / Сб. научн. трудов Х Международной научно-технической конференции “Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. - Запорожье: Изд-во ЗНТУ, 2003.-С. 146-149.

Беликов С., Колотилкин О., Шевченко В. Повышение долговечности основных узлов стеклоформующих машин / Proceedings the Fifth International Scientific Forum “Aims for Future of Engineering Science.- Paris, France: Paris Tourist Office “David Lefranc”, 2004. -P.114-119.

Анотація

Колотілкін О.Б. Розробка матеріалів для склоформувального устаткування з урахуванням дії силікатних розплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01-матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню механізмів руйнування конструкційних матеріалів для склоформувального інструменту. Для комплексної оцінки працездатності матеріалів розроблена нова методологія, яка містить як стандартні, так і спеціально розроблені методи досліджень. З використанням розробленої моделі переміщення в'язкого розплаву встановлено, що руйнування інструменту обумовлено термохімічною ерозією, яка містить і ерозійне зношування поверхневих шарів металу. Встановлено закономірності впливу хімічного складу та структурних факторів на показники механічних та службових властивостей сплавів. Показано зв'язок між концентрацією напружень на кінцях графітових включень, утворенням мікрозон пластичної деформації та властивостями чавунів і графітизованих сталей. Встановлено перспективні напрямки підвищення опору руйнуванню легованих сталей та сплавів на нікелевій основі за умов в'язких агресивних середовищ та механічних навантажень. Встановлено межові концентрації основних і легувальних елементів та розроблено економнолеговані склади чавунів, графітизованих та легованих сталей для виготовлення склоформувального інструменту з підвищеним терміном експлуатації а також нікелеві та мідно-нікелеві сплави для відновлення і зміцнення інструменту.

Ключові слова: інструмент, скломаса, властивості, чавун, включення, напруження, деформація, нікелевий сплав, сталь.

Аннотация

Колотилкин О.Б. Разработка материалов для стеклоформующего оборудования с учетом влияния силикатных расплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01-материаловедение. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2005.

Диссертация посвящена изучению механизмов разрушения конструкционных материалов для стеклоформующего инструмента. Для комплексной оценки работоспособности материалов разработана новая методология, включающая использование стандартных и специально разработанных методов исследований.

С использованием разработанной модели перемещения вязкого расплава установлено, что разрушение инструмента обусловлено термохимической эрозией, которая включает и эрозионное изнашивание поверхностных слоев металла.

Изучено влияние графитной фазы в железоуглеродистых сплавах на теплофизические, физико-механические и служебные свойства сплавов. Показано, что с увеличением количества графитной фазы с 2,1 до 18,3 объемн. % теплопроводность повышается на 78%. В то же время доля поверхности разрушения по графиту возрастает с 90,5% до 905%, то есть разрушение сплавов происходит преимущественно по включениям графита, что объясняет снижение механических характеристик и вязкости разрушения. Установлено, что с увеличением количества графитной фазы смачиваемость чугуна стекломассой, коэффициент адгезии, шероховатость и скорость термохимической эрозии повышаются на 65%, 722%, 412% и 292% соответственно.

В рамках линейной механики разрушения, на основании решения аналитической задачи, подтверждена связь между концентрацией напряжений возле включений графита и характером разрушения железоуглеродистых сплавов при растяжении. Экспериментально доказано, что при нагружении чугуна возле острых включений графита образуются микрозоны пластической деформации. С использованием численно-аналитического метода конечных элементов решена аналитическая задача в рамках теории пластичности, позволяющая определять размеры микрозон пластической деформации, которые, как установлено, зависят от размеров и формы включений, нагрузки и упруго-пластических характеристик включения и металлической основы. Установлена зависимость между коэффициентом микродеформированного металла и параметром формы включений графита. Показано, что с увеличением параметра формы включений доля микродеформированного металла возрастает по экспоненциальной зависимости.

Расширено представление о механизмах разрушения легированных и нелегированных чугунов при периодическом контакте с расплавленной стекломассой. Показано, что графит играет основную роль при разрушении и формировании свойств чугунов, независимо от степени их легирования. На основании анализа регрессионных зависимостей предложенных показателей свойств материалов от химического состава чугунов установлены оптимальные сочетания концентраций углерода, кремния и марганца, обеспечивающие необходимый уровень механических и служебных характеристик для конкретных условий эксплуатации деталей инструмента. Доказано, что совместное легирование чугуна хромом (0,4…0,6%), алюминием (0,4…0,6%) и медью (0,15…0,3%), обеспечивает повышение теплопроводности и сопротивление разрушению чугуна в вязкой химически активной силикатной среде. На основании полученных результатов оптимизированы составы чугунов для деталей стеклоформующего инструмента, работающих в условиях повышенной термохимической эрозии, термоциклических и механических нагрузок.

Раскрыт механизм повреждаемости легированных сталей, работающих в условиях сухого и полусухого трения и периодически контактирующих с расплавленной стекломассой. Доказана целесообразность использования литых графитизированных кремнистых сталей для работы в таких условиях. Разработаны рациональные режимы термической обработки, обеспечивающие повышение сопротивления сталей разрушению. Установлены зависимости, описывающие влияние химического состава литой быстрорежущей стали на предложенные показатели надежности и долговечности. Показано, что содержание углерода в пределах 0,85...0,95% обеспечивает оптимальное сочетание механических, служебных и технологических свойств стали. Доказано, что концентрации вольфрама (0,35%), молибдена (3%) и ванадия (3%) максимально снижают скорость термохимической эрозии вследствие выравнивания карбидной неоднородности, измельчения карбидной фазы и снижения электродного потенциала между карбидной фазой и металлической основой. На основании полученных результатов разработана сталь 90Х5ВМ3Ф3Л с повышенным сопротивлением разрушению в силикатных расплавах.

Установлены зависимости влияния основного легирующего элемента-меди, самофлюсующих элементов бора и кремния, а также модификаторов кальция и церия на закономерности структурообразования и формирование механических, служебных и технологических свойств наплавленного металла на основе никеля. Показано, что, в сравнении с бором, использование кремния как основного самофлюсующего элемента при формировании составов сплавов на никелевой основе для восстановления деталей стеклоформующего инструмента более предпочтительно. Доказано, что снижение коэффициента адгезии и шероховатости медно-никелевых сплавов обеспечивается при концентрациях меди не превышающих 15%. Расширен диапазон концентраций модифицирующих присадок кальция и церия в медно-никелевых сплавах с бором и кремнием, которые снижают коэффициент адгезии, шероховатость, скорость термохимической эрозии и положительно влияют на термостойкость. На основании полученных результатов разработаны составы никелевых и медно-никелевых сплавов для восстановления и упрочнения деталей стеклоформующего инструмента.

Ключевые слова: инструмент, стекломасса, свойства, чугун, включение, напряжения, деформация, никелевый сплав, сталь.

Summary

Kolotilkin O.B. Development of materials for glassmoulding equimpment considering the effect of silicate smelt. - Manuscript.

Dissertation for scientific degree of the Doctor of technical sciences in speciality 05.02.01. Material Science. - Karpenko Physico-Mechanical Institute NAS of Ukraine, Lviv, 2005.

Dissertation is devoted to the research of the failure mechanisms in structural materials for glassmoulding tool. For integrated evaluation of workability of materials new methodology was developed that incorporates standard as well as newly developed research methods. With the use of developed model of transferring viscous melt it was found that tool failure is preconditioned with thermochemical erosion suffering of erosive wear out in metal surface layers. The influence of chemical composition and structural factors on reliability and durability were determined. Perspective trends in improvement of failure resistance of alloyed steels and alloys on nickel base working in viscous aggressive medium and mechanical loads were found. Composition of saving alloyed cast irons, limiting concentration of graphitized alloyed steels for manufacturing glassmoulding tool with increased service life as well as nickel and copper-based alloys for restoration and strengthening the tools were developed.

Key words: tool, glassmass, properties, cast iron, inclusion, stress, deformation, nickel alloy, steel.

Размещено на Allbest.ru