Парфентьєва Інна Олександрівна. Морфологія та особливості природи епсилон-фази в процесі формування гетерогенної структури зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом

Короткий опис

Парфентьєва Інна Олександрівна. Морфологія та особливості природи епсилон-фази в процесі формування гетерогенної структури зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом: дисертація канд. техн. наук: 05.02.01 / Луцький держ. технічний ун- т. - Луцьк, 2003

Парфентьєва І.О. Морфологія та особливості природи e-фази в процесі формування гетерогенної структури зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2003.
У роботі вивчаються закономірності формування гетерогенної структури групи зносостійких ЛКМ на основі чавунів з компактним графітом, легованих великими добавками міді (Cu 415 % мас.).
Основну увагу зосереджено на дослідженні морфології та структури включень високомідистої e-фази ЛКМ, з встановленням та диференціацією всіх можливих типів її виділення.
Встановлено, що причиною появи дрібних крапель e-фази у високомідистих чавунах є експериментально та аналітично доведений факт існування емульсії з крапель рідкої міді в розплавах чавунів. Емульсія сприяє також появі особливого морфологічного типу високомідистої фази розроблених ЛКМ сфероїдів у вигляді суміші Г+e, яка утворює оболонку навколо первинних кристалітів графіту. Встановлено механізм формування сфероїдів Г+e. Показано, що сфероїди Г+e, з позицій трибоматеріалознавства, є найбільш раціональною формою виділення високомідистої e-фази ЛКМ.
З використанням результатів досліджень та положень нерівноважної термодинаміки і синергетики розроблено наукові основи синтезу ЛКМ з високим комплексом функціональних властивостей.

В дисертаційній роботі представлені результати аналізу закінченого фрагменту комплексних досліджень серії плавок ЛКМ, синтезованих на базі чавунів з кулястим графітом, легованих великими концентраціями міді (Cu 415 % мас.), які дозволили розкрити декілька закономірностей процесу формування мікро- та макрогетерогенної структури в зносостійких антифрикційних виливках.
Експериментально підтверджено можливість використання деяких положень, які ґрунтуються на інтеграції нерівноважної термодинаміки та синергетики, і насамперед відносяться до цілеспрямованого регулювання флуктуаційною ситуацією в розплавах, пов’язаного з утворенням емульсійного стану і формуванням особливого типу високомідистої фази при використанні біфуркаційної кривої Ландау в процесі кристалізації виливків. Розвиток явищ, пов’язаних з самоорганізацією структури, завдячує формуванню особливої флуктуаційної ситуації за умов легування, модифікування та термочасової обробки розплавів. Концентраційні та енергетичні флуктуації полегшують процеси дисипації, якісна картина яких фіксується внаслідок біфуркацій.
В дослідженнях вперше встановлено, що концентраційні та енергетичні біфуркації в синтезованих сплавах формують сприятливі умови для проходження особливої евтектичної кристалізації чавунів, яка пов’язана з ростом двох евтектик: стабільної та метастабільної. Ріст стабільної евтектики стимулює утворення оболонки з рідкої міді навколо евтектичного зерна за рахунок емульсії та розвитку перитектичної реакції. Результатом останньої є формування принципово нової складової чавунів на основі високомідистої e-фази сфероїдів Г+e.
Утворення вільноструктурних включень високомідистої e-фази та сфероїдів Г+e сприяє рафінуванню розплаву чавунів за рахунок поглинання значної кількості шкідливих домішок і, в першу чергу, сірки. Крім того, їх присутність змінює відомі уявлення про відбілюючий вплив міді при високих її концентраціях. Встановлено, що при збільшенні кількості сфероїдів Г+e ефект відбілювання структури виливків зменшується.
Проведені дослідження дозволяють встановити, що з позицій триботехніки отримані ЛКМ відповідають інтерпретованому принципу Шарпі-Бочвара щодо структури зносостійких матеріалів. Так, присутні сфероїдні включення Г+e, при своїх розмірах 100150 мкм, характеризуються компактною формою та регулярністю розподілення в структурі високомідистих чавунів, яка не змінюється при проведенні різних видів термічної обробки.
Встановлено, що за фізико-хімічною природою сфероїди Г+e можна віднести до одного з видів трибофаз: e-бронзи з мікровиділеннями графіту, сульфідів та ін. Причому, отримані ЛКМ за кількісним співвідношенням існуючих трибофаз в структурі (e-фаза +(Г+e) + Г) можуть відповідати одному з законів симетрії: в даному випадку субсиметрії (1:3). При цьому, самі сфероїди за структурними ознаками характеризуються високим ступенем гетерогенності та за кількістю графіту і e-фази наближаються до співвідношення 50:50, тобто відповідають антисиметрії 1:1. Це наділяє дану складову ЛКМ специфічними властивостями та здатністю до ефективної дисипації зовнішньої енергії з розвитком процесів самоорганізації структури та проходженням біфуркаційних перетворень.
В основу наукових принципів створення та керування структурою і властивостями ЛКМ слід покласти принципи легування, модифікування, термочасової обробки розплавів, термообробки виливків та принцип структуроутворення при механічному навантаженні. З цих позицій в роботі показана можливість суттєвого підвищення ступеня гетерогенності ЛКМ на базі чавунів при їх легуванні з надлишком міді як елементом, що обмежено розчиняється в сплавах заліза. При цьому важливого значення набуває необхідність диспергування розплаву краплями міді з утворенням емульсії, що практично досягається шляхом регулювання вмісту в чавуні елементів емульгаторів: С, та Si. Тобто, важливим аспектом в ливарній технології отримання ЛКМ є вуглецевий еквівалент, від значення якого залежать біфуркаційні явища і відповідно напрямок розгалуження термодинамічного стану системи. Регулювання даного параметра виконувалось в роботі шляхом модифікування розплаву чавунів. Наступним важелем у формуванні структури є термочасова обробка, яка полягає в захолоджуванні розплаву присадками міді. Це дозволяє свідомо регулювати тепловими, енергетичними та концентраційними потоками, від чого залежить частота та густина флуктуацій і, відповідно, регулярність розподілення сфероїдів Г+e у виливках. Подальшому підсиленню гетерофазних явищ сприяє термообробка, при цьому найбільшого ефекту з позицій підвищення кількості трибофаз слід вважати повний графітизуючий відпал. Як встановлено, для ЛКМ з феритною структурою металічної матриці, ефективним механізмом зміни властивостей слід вважати пластичну деформацію.
Аналіз і узагальнення отриманих даних дозволяє наблизитись до оптимального складу зносостійких і антифрикційних високомідистих чавунів: C 2,83,0 %; Si 2,62,8 %; Mn 0,10,3 %; Cu 8,0...10,0 %; Mg 0,03...0,035 %; S, P 0,02 %. Ливарна технологія отримання виливків відрізняється простотою і доступністю при виготовленні деталей для роботи у вузлах тертя механізмів машин різного призначення. За вказаним складом на ВАТ „Електротермометрія” були виготовлені втулки валу шестерні масляного насосу НШ-50. Під час стендових випробувань встановлено, що втулки з високомідистого чавуну характеризуються більшою зносостійкістю та довговічністю, що підтверджено актом випробувань (див. додатки). Таким чином, економічна ефективність використання даного сплаву досягається заміною деяких зносостійких матеріалів, зокрема бронз, порівняно більшої вартості.