Введение к работе
Актуальность проблемы. Во многих узлах современных машин и еханизмов имеются пары трения, работающие в тяжёлых условиях. Высокие гачения удельных нагрузок, скоростей скольжения, нередко действующие эвместно с динамическим нагружением и, как правило, при недостаточной мазке, создают весьма неблагоприятные условия работы таких узлов трения, .ктуальной задачей является увеличение срока службы таких узлов за счёт беспечения более высоких механических и триботехнических свойств мате-иалов пар трения. Применяемые в настоящее время материалы не отвечают в одной мере таким условиям работы. Они обладают либо высокими анти-ірикщюнньїми свойствами, но низкими механическими (например, анти-ірикционньїе сплавы цветных металлов, баббиты, полимерные материалы), ибо, наоборот, высокими механическими свойствами, но недостаточными нтифрикционными (например, стали с поверхностным упрочнением, некото-ые чугуны). Наиболее близкий к условиям работы тяжелонагруженных узлов рения комплекс механических и триботехнических свойств наблюдается у руппы антифрикционных чугунов. Основные марки антифрикционных чугу-юв установлены ГОСТ 1585-85. В последние годы разработаны новые чугу-ы, отличающиеся повышенными триботехническими и механическими свой-твами. Представляется целесообразным оценить возможность и условия их [спользования и провести необходимые корректировки их состава и структурі с целью использования в особо нагруженных узлах трения.
Цель работы. Повышение триботехнических и механических свойств іугуна за счёт обеспечения в нём композиционной структуры комбинирован-(ого типа с помощью комплексного легирования.
Автор защищает:
построенные и уточнённые фрагменты диаграмм состояния Fe-C-Cu и Fe-C-Сгэкв. и результаты их анализа;
методику расчётной оценки рационального химического состава антифрикционного медистого чугуна;
комплексную методику расчёта рациональных составов и структуры половинчатых антифрикционных чугунов;
установленные корреляционные соотношения между характеристиками химического состава, структуры и свойств антифрикционных чугунов;
результаты сопоставительного анализа триботехнических характеристик антифрикционных сплавов и условия проявления эффекта Кра-гельского на этих сплавах;
разработанные составы чугунов и эффективность их использования.
Общая методика исследований. Выплавку чугуна проводили в индукционной тигельной печи ИСТ-0.06. Использовалась основная хромомагнезитовая футеровка, а некоторые плавки проводили в графитовых тиглях. Шихта составлялась из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия), электродного боя, отходов электротехнической меди и алюминия.
Модифицирование чугуна проводили комплексной лигатурой Fe-Si-Mg-Са-РЗМ в разливочном ковше емкостью 50 кг методом сандвич-процесса, при-гружая модифицирующую смесь отходами меди. Измерение температуры жидкого чугуна производилось платино-платинородиевой (111і) термопарой погружения. Температура модифицируемого металла составляла 1450-1480 С, температура заливки чугуна в формы 1360-1380 С.
Заливку чугуна проводили в сухие песчано-глинистые формы, в оболочковые формы и в кокиль. Из перлитного антифрикционного чугуна с пластинчатым и шаровидным графитом отливали стандартные цилиндрические (диаметром 30 мм) или клиновые пробы, из которых вырезали образцы для проведения испытаний. Из половинчатых чугунов отливали стандартные разрывные образцы диаметром 10 мм и пластины сечением 15х 15 и 20x20 мм. Из чугунов обеих групп отливали заготовки деталей, используемых для производственных испытаний. Такие заготовки получали точными методами литья. Механическая обработка образцов производилась в основном твердосплавными резцами, изделия из половинчатых чугунов обрабатывались инструментом из синтетических сверхтвёрдых материалов или шлифованием.
Для исследования межфазного распределения элементов проводился карбидный анализ. Карбидные порошки выделялись путем электрохимического растворения матричных фаз. Выделенные порошки подвергались химическому и рентгенострукгурному анализам. Рентгеноструктурньш анализ карбидных порошков проводился на дифрактометре УРС-50ИМ. Распределение элементов исследовалось также с помощью рентгеноспектрального анализа на установках «Камека» и «Стереоскан - 180».
Общую микроструктуру чугунов исследовали с помощью оптических микроскопов МИМ-8М и «Неофот-2» при увеличении от 100 до 1200 раз, структуру металлической матрицы определяли на установке «Стереоскан-180» при увеличении свыше 1000 раз.
Механические испытания проводились с целью определения предела прочности при растяжении и твердости материала.
Триботехнические испытания чугунов и других сплавов проводили в условиях сухого трения металл по металлу на модернизированной машине МИ-1М, установке СМЦ-2 и разработанном в Брянском государственном техническом университете катковом стенде. В процессе испытаний определяли износ, коэффициенты трения в различных условиях, коэффициенты сцепления деталей дифференциального колеса, шероховатость поверхностей до и после изнашивания.
В работе использовалась статистическая обработка экспериментальных данных методами регрессионного анализа с применением ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретиче
ских, экспериментальных и практических результатов в области разработки и
использования сплавов с заранее заданными свойствами:
разработаны методика оценки значений параметра РУдпя трущихся деталей подвески большегрузных автомобилей и методика расчёта предельных значений этого параметра (PI7)* для различных антифрикционных материалов;
выявлена возможность улучшения триботехнических свойств чугунов за счёт оптимизации их фазового состава и структуры; установлены особенности влияния графитной, медистой и карбидных фаз в структуре чугунов на их гриботехнические свойства; подтверждено проявление в антифрикционных гугунах эффекта Крагельского, что в наибольшей степени характерно для разработанных чугунов;
уточнены некоторые фрагменты диаграмм состояния Fe-C-Cu и Fe-C-Сгэкв., разработаны схемы их использования при оценке комплексного легирования сплавов;
разработаны методики расчетной оценки рациональных составов и структуры антифрикционньгх медистых перлитных и половинчатых аустенит-ньгх чугунов;
установлено, что в половинчатых чугунах с большим количеством кар-эидов при графитизирующем отжиге проявляется эффект метастабильной графитизации, который ранее был известен по его проявленню в белых чуіу-нах; этот эффект приводит к понижению фактической твердости отожженных чугунов по сравнению с равновесным состоянием;
выявлено наличие корреляционных связей между свойствами чугунов и факторами химического и фазового составов; зависимости для половинчатых тугунов хорошо иллюстрируют наличие эффекта композиционного упрочнения;
установлены рациональные соотношения между содержаниями в антифрикционных чугунах легирующих элементов и углерода, обеспечивающие получение высоких механических и триботехнических свойств чугунов.
Практическая значимость и реализация результатов:
- для практического использования применительно к деталям особо на
груженных узлов трения рекомендованы две группы антифрикционных чугу-
гЮв:
-
перлитные медистые чугуны с пластинчатым или шаровидным графитом оптимизированного состава;
-
разработанные половинчатые чугуны с шаровидным графитом, карбидами М7Сз и аустенитной матрицей;
- производственные и стендовые испытания показали, что перлитные ме-
тистые чугуны во многих случаях могут быть использованы в качестве заме-
їителя бронзы; процесс изготовления втулок из чугуна АЧС-М взамен бронзо-
зых втулок внедрён на Брянском ОАО «Термотрон»; чугун АЧВ-М рекомен
довано использовать для изготовления ступицы дифференциального колеса,
эаботающей в паре с ободом из бандажной стали, подвергнутым лазерному
упрочнению;
по результатам производственных испытаний установлено, что втулки кронштейна подвески автомобиля БАЗ-6402, изготовленные из бронзы, термо-упрочнённой стали или чугунов АЧС-М и АЧВ-М, не обеспечивают достаточную работоспособность узла; положительный результат получен при использовании половинчатого аустенитного чугуна;
экономический эффект от использования антифрикционных чугунов взамен бронзы даже без учета увеличения работоспособности узлов трения составляет 92 тысячи рублей в год.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на областной научно-технической конференции «Материаловедческие проблемы в машиностроении» (Брянск, 1997), 3-ей международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (Брянск, 1998), научно-технической конференции «Управление строением отливок и слитков» (Н.Новгород, 1998), международной научно-технической конференции «Дороги-2000» (Брянск, 2000), международной научно-технической конференции «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» (Брянск, 2000), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянской государственной инженерно-технологической академии (Брянск, 1999,2000).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 работ и получен патент РФ на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 119 наименований и приложения; она содержит 193 страницы текста, 56 рисунков и 23 таблицы.
