Затуловський Андрій Сергійович. Наукові і технологічні засади виробництва виливків, оптимізації структури і властивостей зносостійких металокомпозитів системи мідь-сталь

Краткое описание

Затуловський Андрій Сергійович. Наукові і технологічні засади виробництва виливків, оптимізації структури і властивостей зносостійких металокомпозитів системи мідь-сталь. : Дис... д-ра наук: 05.16.04 2008

Затуловський А.С. Наукові та технологічні засади виробництва відливків, оптимізації структури і властивостей зносостійких металлокомпозитів системи мідь сталь. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.04 Ливарне виробництво. Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України. Київ, 2007.
Дисертацію присвячено розробці теоретичних та технологічних засад виробництва, оптимізації складу, структури, експлуатаційних характеристик виливків з нових зносостійких литих композиційних матеріалів на основі мідних сплавів, армованих високомодульними сталевими гранулами; дослідно-промисловому випробуванню і впровадженню розробок у виробництві.
Вперше експериментально досліджено процеси контактної взаємодії фаз, які мають місце в макрогетерогенній системі „рідкий матричний мідний сплав тверді високомодульні сталеві гранули”. Отримано температурні залежності зміни величин контактних кутів змочування, коефіцієнтів розтікання і роботи адгезії; дифузійного перерозподілу легуючих елементів між фазами ЛКМ, швидкості просочення порових насадок. Методом математичного комп’ютерного моделювання і експерименту вивчено теплофізику і кінетику прогріву, твердіння і охолодження в системі „ливарна форма рідкий матричний сплав пориста насадка внутрішній стрижень” для технологічних умов виготовлення типового трибовиробу „втулка”.
Визначено раціональні морфологічні характеристики структурних складових зносостійкого литого композиту, які обумовлюють утворення в робочому шарі при навантаженні деталей ЛКМ тертям ковзання, оптимальних вторинних структур, утворення на трибоконтакті стійкої захисної плівки . Підтверджено перспективність застосування правила Шарпі при конструюванні зносостійких макрогетерогенних литих композицій. Встановлено зменшення втрат при зношуванні тертям ковзання при певному співвідношенні мікротвердостей матричних мідних сплавів і сталевих армуючих гранул. Розроблені і впроваджені нові зносостійкі матеріали і раціональні технологічні процеси виробництва композиційних литих виробів з ЛКМ „мідь сталь”.
Розроблений новий зносостійкий економно армований ЛКМ системи „мідь сталь” впроваджений на підприємствах України і В’єтнаму. Організовано централізоване виробництво композитних відливків широкої номенклатури типо-розмірів для вузлів тертя металургійного, підйомно-транспортного, переробного та інш. технологічного обладнання. Досвід показав, що застосування ЛКМ в високо навантажених вузлах тертя дозволяє підвищити довговічність їх в 1,55 разів, зменшити простої обладнання і ліквідувати аварійні ситуації через відмову трибодеталей, економити дефіцитні і дорогі кольорові метали та інше.

1. На основі літературних даних встановлено, що розробка нових антифрикційних литих композиційних матеріалів є актуальною з точки зору підвищення експлуатаційних характеристик трибовузлів, а також економії дефіцитних кольорових металів, які серійно використовуються в промисловості.
2. Встановлено, що при твердо-рідинному суміщенні компонентів макрогетерогенних ЛКМ системи „мідьсталь”, з точки зору мінімізації температур початку повного змочування підложок, створення умов кращого розтікання і максимальної роботи адгезії компонентів, матричні сплави складають такий ряд: БрКЗМц1; БрО10Ф1; мідь; БрА9Ж4. Армуючі підкладки, згідно погіршенню змочування і зменшення роботи адгезії: вуглецева сталь, сталь марки ШХ15; хромистий чавун. З точки зору оптимізації процесу контактної міжфазної взаємодії, в залежності від складу слід підвищувати температуру консолідації композитних відливків на 502000С в порівненні з температурою ліквідус матричного сплаву.
3. Встановлено, що в перебігу високотемпертурного гетерофазного процесу формування макрогетерогенного ЛКМ „мідьсталь” найбільш важливого значення набуває перерозподіл кремнію та розчинення заліза в матричному сплаві, що може привести до зневуглецювання поверхневих шарів гранул і зниженню їх твердості, або до утворення крихких інетерметалідних прошарків навколо гранул (композиція „БрКЗМц1сталеві гранули”). Показано, що цього явища можна позбутися за рахунок вибору складу композицій та температурно-часових параметрів технології твердо-рідиннофазного суміщення.
4. Показано, що при гравітаційному просоченні пористої насадки з армуючих сталевих гранул мідним розплавом швидкість руху рідкої фази зростає із збільшенням діаметру гранул, температури їх попереднього нагріву та перегріву матричного сплаву: активне просочення пор починається, коли сталеві гранули нагріваються до 0,91,0 Тлікв матричного сплаву. До цього моменту вірогідне утворення гарнісажу на поверхні гранул, що призводить до погіршення умов просочення. На практиці треба встановлювати перегрів до 1,11,3 Т лікв.
5. Вперше методом комп’ютерного моделювання вивчили теплофізику і кінетику прогріву, твердіння та охолодження для умов виготовлення методом твердо-рідинної консолідації типового трибовиливка „втулка” з макрогетерогенного ЛКМ „мідьсталь”. Одержані дані про положення і рух в часі ізотерм Тлікв, Тсол матричного сплаву по перерізу системи „форма виливок стрижень” залежно від теплофізичних характеристик складових та ливарної форми, інтервалу кристалізації матричних мідних сплавів, умов зовнішнього тепловідводу, температурно-часових факторів.
Встановлено, що у випадку неізотермічного просочення (температура попереднього нагріву гранул Тн.г.=200С) біля внутрішньої поверхні виливка утворюються об’єми утрудненого заповнення пор розплавом, розміри яких корелюються з величиною інтервалу кристалізації матричного сплаву: (збільшуються відповідно ряду: Cu; ЛС591; бронзи БрА9Ж4; БрКЗМц1; Бр06Ц6С), а розташування потенційно дефектних об’ємів зсувається до низу. Показано, що попередній нагрів гранул до температур, близьких Тлікв матричного сплаву (ізотермічне просочення), змінює на краще процес заповнення пор рідким сплавом, яке в цьому випадку відбувається весь час по всій площині контакту насадки та рідкого сплаву надливу, що сприяє мінімізації ливарних дефектів.
6. Встановлено, що із збільшенням інтервалу кристалізації матричного сплаву вірогідність утворення дефектів усадочного походження зростає в зв’язку з утрудненням підпитки матричним сплавом в процесі охолодження. Визначено, що швидкість охолодження відливку (із піччю або на повітрі) не призводить до суттєвих змін характеру твердіння композитного відливку.
7. Експериментальні дослідження процесу формування гетерофазних структур при твердінні композитного виливка системи „БрКЗМц1 сталеві гранули” свідчать про адекватність проведеного моделювання і дозволяють прогнозувати оптимальні температурно-часові параметри технології виготовлення виливків з макрогетерогенних ЛКМ „мідьсталь”. Проведені дослідження доказали переваги матричних мідних сплавів з „коротким” інтервалом кристалізації та технологічного методу ізотермічного просочення.
8. Вперше визначено особливості утворення градієнтних структур і руйнування контактного шару макрогетерогенного металокомпозиту в процесі тертя ковзання. Визначені характеристики армуючих гранул, які забезпечують оптимальне співвідношення індивідуальних властивостей структурних складових при необхідниій високій середньоінтегральній твердості поверхні тертя, а також розподілення напружень в робочому шарі і утворення стійкої захисної плівки при формуванні вторинних трибоструктур на фрикційному контакті. Встановлено, наприклад, що зменшення втрат при зношуванні ЛКМ „мідьсталь” спостерігається при співвідношенні мікротвердості армуючої і матричної структурних складових близько до 3.
9. В результаті комплексних лабораторних та дослідно-промислових, триботехнічних випробувань в екстремальних умовах експлуатації сухого тертя ковзання, доведені переваги розроблених нових зносостійких матеріалів перед антифрикційними бронзами, латунями, бабітами, деякими марками сталей, чавунів та порошкових композитів: які по антифрикційності, зносостійкості, задирам, ресурсу надійної роботи в 2,55 разів кращі за вказані серійні матеріали. Визначено режими надійної роботи розроблених ЛКМ „мідьсталь” в екстремальних умовах сухого тертя: Р25 МПа; V=20 м/с; PV= 100 МПа м/с; Tmaxдо 8500С.
10. Розроблено і впроваджено технологічні процеси і режими при виробництві композиційних литих виробів з ЛКМ: 1) вибір і підготовка шихтових інгредієнтів; 2) технологія суміщення композитних виливків; 3) режими охолодження заготівок; 4) технологія механічної обробки; 5) режими термічної обробки заготівок ЛКМ; 6) правила контролю якості, виправлення деяких ливарних дефектів; 7) технологія реціклинга.
11. Розроблено і впроваджено: технологічні інструкції на виробництво та технічні умови на вироби з ЛКМ. Спільно з ВАТ „Іллічіський рудоремонтний завод” (м. Стаханов), ТОВ „Бімет” (м. Алчевськ) організовано централізоване виробництво відливків з нового зносостійкого ЛКМ „мідьсталь” широкої номенклатури типорозмірів і призначення вузлів тертя металургійного, гірнічодобувного, підйомно-транспортного, енергетичного, переробного та інш. технологічного обладнання. Трибодеталі з ЛКМ з підвищеним ресурсом роботи пройшли дослідно-промислове випробування і впроваджені на ряді великих підприємств України, Росії, Молдови. Згідно з Міжнародною науково-технічною програмою УкраїнаВ’єтнам, в 20032006 р.р. організовано виробництво нових зносостійких матеріалів ЛКМ „мідьсталь” і впровадження на в’єтнамських підприємствах трибовиробів з металокомпозиту з підвищеними в 2,53 рази експлуатаційними характеристиками в екстремальних умовах сухого тертя ковзання та абразивного зношування.
12. Практичний досвід промислової експлуатації трибовиробів з ЛКМ „мідьсталь” показав, що найбільш відчутний технікоекономічний ефект отримують виробники за рахунок підвищення ресурсу безаварійної роботи підшипників ковзання в середньому в 23 рази а також за рахунок заміни в металокомпозиті 5060 % (за масою) кольорових сплавів на більш дешевий (до 5 раз) металевий дріб .