Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в машиностроении большое количество деталей изготавливается из свинцово-оловянистых бронз. Большая часть этих деталей работает исключительно на износ. Однако существует ряд деталей, которые, помимо хорошей износостойкости, должны обладать достаточно высокими прочностными характеристиками (уплотнения и поршневые кольца, мас-лоплотные кольца). Большое количество таких деталей присутствует в компрессорах высокого давления по производству полиэтилена. Поршневые кольца в таких компрессорах работают под давлением этилена, достигающего в компрессоре 1-го каскада 120 МПа, но выходят из строя, в основном, не из-за износа, а из-за разрушения. Замена поршневых колец приводит к дополнительным затратам на замену колец и значительным потерям за счет простоя оборудования и снижения выпуска готовой продукции. Низкая стойкость деталей, выполненных по заводской технологии на отечественных предприятиях, вынуждает предприятия закупать дорогостоящие импортные аналоги. Поэтому разработка импортозамещающих материалов и технологий, направленных на повышение стойкости данных деталей, является актуальной задачей.
В качестве материала для изготовления колец используют литые нестандартные высокооловянистые бронзы со свинцом и никелем, применяющиеся в судостроении и автомобилестроении, хорошо известные своими высокими антифрикционными и механическими свойствами.
Свинец в таких бронзах значительно повышает антифрикционные свойства, но, обладая низкими прочностными характеристиками, образует концентраторы напряжения в теле отливки. Форма, размеры и распределение в объеме отливки будут в значительной мере влиять на её механические свойства. Большой вклад в изучение этих вопросов внесли такие отечественный ученые, как Пикунов М.В., Курдюмов А.В., Чурсин В.М., Мальцев М.В. и другие. Однако, уже имеющиеся данные по исследованию структуры медных сплавов содержащих свинцовую фазу имеют много противоречивых мнений, связанных с её распределением. Отсюда, одним из направлений в повышении прочностных характеристик таких сплавов, при сохранении их триботехнических свойств, будет направленное формирование сферообразной морфологии свинцовых включений.
Из уже имеющихся работ видно, что одним из эффективных способов влияния на морфологию свинцовых включений в отливке будет изменение скорости охлаждения. Перспективным путём исследований в этом направлении является изменение скорости охлаждения отливки за счет использования защитно-разделительного покрытия литейной формы.
Цель работы. Выявить закономерности формирования включений свинца и определить условия, приводящие к их сфероидизации. Разработать технологию получения литых заготовок с высокими механическими свойствами. Задачи исследования.
Выявить основные факторы, влияющие на формообразование свинцовых включений при кристаллизации сплавов. Установить закономерности влияния
скорости охлаждения отливки и различных покрытий литейной формы на структуру и свойства свинцовистых бронз. Установить закономерности формирования включений легкоплавкой фазы в свинцовистых бронзах. Определить условия сфероидизации легкоплавкой фазы. Разработать технологию получения литых заготовок с высокими эксплуатационными свойствами и внедрить в производство.
Научная новизна:
определены закономерности формирования легкоплавкой фазы в структуре
отливок из свинцовистых бронз при различных скоростях охлаждения;
" установлено, что отливки из свинцовистых бронз (БрСЮ, БрС20, БрСЗО) со сфероидизированными включениями свинца, обладают максимальной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью;
с помощью компьютерного анализа установлены количественные закономерности распределения включений свинца и их морфология в структуре отливок из свинцовистых бронз в зависимости от скоростей охлаждения и состава применяемых обмазок;
установлено, что применение разработанных защитно-разделительных покрытий, содержащих ультрадисперсные порошки (УДП) оксидов металлов (патент №2297300), при литье свинцовистых и многокомпонентных свин-цово-оловянистых бронз приводит к снижению скорости охлаждения и шероховатости поверхности отливки;
разработаны программы количественного компьютерного анализа распределения включений свинца в структуре (авторское свидетельство на программных продукт№ 2004610217).
Практическая ценность работы. Определены условия целенаправленного формирования структуры свинцовистых бронз. Создан состав защитно-разделительных покрытий литейной формы (патент №2297300) для медных сплавов, позволяющий получать отливки без газовых дефектов на поверхности. Предложена технология получения литых заготовок поршневых колец из бронзы БрО8С10Ц2Н2 с высокими механическими и служебными свойствами. Разработаны программы проведения компьютерного количественного анализа включений легкоплавкой фазы в структуре свинцовистых бронз, подтвержденные авторским свидетельством на программный продукт № 2004610217.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением современных методов исследования структуры и свойств материалов, значительным объемом и воспроизводимостью экспериментальных данных, сходимостью результатов полученных различными методами исследований, промышленным внедрением поршневых колец, изготовленных из отливок, полученных по предлагаемой в работе технологии, апробацией полученных результатов на научных конференциях различного ранга.
Вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в сотрудничестве с коллегами кафедры «Материаловедение и технология металлов» ГОУ ВПО "Томский политехнический университет". Участие в ра-
боте отражено в совместных публикациях. Личный вклад автора включает проведение экспериментальных и теоретических исследований, обработку и представление их результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности влияния условий кристаллизации на структуру и механические свойства свинцовистых бронз.
-
Закономерности формообразования включений легкоплавкой фазы в свинцовистых бронзах.
-
Закономерности влияния защитно-разделительных покрытий с наполнителем из ультрадисперсных порошков (УДП) на структуру и свойства отливок из свинцовистых бронз.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология металлов» Томского политехнического университета в период с 2004 по 2008 гг., а также были доложены на следующих конференциях: X, XI Международных научно-практических конференциях «Современная техника и технологии» (Томск, 2004,2005), II Всероссийской школе-семинаре "Цифровая микроскопия. Новые технологии решения задач металлографии" (Екатеринбург, 2002), IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-наука 2003 (Москва, 2003), ИХ, EX Anniversary International scientific - practical conference «Modern technique and technologies» (Tomsk, 2003, 2004), First All-Russian Conference of Young Scientists «Physics and Chemistry of High-Energy Systems» (Tomsk, 2005), всероссийской научной конференции молодых ученых "НАУКА ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ" (Новосибирск, 2006), Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Уфа, 2008).
Некоторые доклады отмечены дипломами и рекомендациями к опубликованию в реферируемых центральных журналах.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 14 научных статьях и докладах конференций, получены один патент РФ на изобретение и одно авторское свидетельство на программный продукт.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 174 страницах, включая 67 рисунков и 15 таблиц, и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов по работе, списка цитируемой литературы из 115 наименований и 3 приложений.
