Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшим направлением технического прогресса в машиностроении и одной из приоритетных задач современного металловедения является внедрение в производство материалов с повышенными свойствами, обеспечивающими конструкционную прочность деталей узлов и механизмов на протяжении всего заданного ресурса их эксплуатации.
В настоящее время удельное потребление в машиностроении серого чугуна остается преобладающим, он по-прежнему является основным конструкционным материалом в производстве корпусных изделий сложной геометрии, изготовление которых экономически целесообразно, а зачастую единственно возможно только из чугуна.
Вместе с тем традиционные решения по совершенствованию технологии выплавки, внепечной обработки и легированию чугуна во многом уже исчерпали свои возможности дальнейшего обеспечения возрастающих требований к прочностным свойствам этого материала. В то же время использование дополнительных резервов улучшения качественных характеристик чугунных отливок сдерживается недостаточной изученностью закономерностей структурообразования в условиях смены механизмов кристаллизации и развития сложных микроликваци-онных процессов, сопровождающих затвердевание чугуна.
Ответственность первичной структуры за основные качественные характеристики серого чугуна была отмечена в работах отечественных и зарубежных исследователей. Но рекомендации регламентирующие её параметры (в связи с полученными в данной работе результатами о степени и характере совместного участия составляющих первичной структуры в сопротивлении чугуна разрушению) нуждаются в дополнении.
Актуальность темы диссертационной работы исходит из того, что решить проблему повышения прочности и сохранения качества чугунных отливок возможно за счет подхода к чугуну как к аналогу композиционного материала с дискретными волокнами. Роль упрочняющих волокон в чугуне, в первом приближении, выполняют первичные дендриты армирующие малопрочную эвтектическую матрицу. Предпосылки такого подхода бьши заложены в работах зарубежных и отечественных ученых: Н. Г. Гиршовича, Г. А. Косникова, И. А. Иоффе, В. Пат-терсона и Г. Н. Троицкого; развиты в исследованиях В. А. Ильинского, Л. В. Ко-стылевой, А. А. Жукова и нашли признание в трудах Б. Н. Арзамасова и Р. Эллиота. В связи с этим изучение структуры чугуна в соответствии с основными требованиями композиционного упрочнения и поиск на этой основе новых технических решений по повышению прочности и сохранению качества чугунных отливок для современного машиностроения является актуальной задачей, которая имеет как научное, так и прикладное значение.
Материалы диссертации получены при выполнении исследований по НИР Федерального агентства по образованию 2004 - 2008 гг. и в рамках проекта Минобр-науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009 - 2010 г.».
Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключалась в повышении прочности серого чугуна за счет усиления армирующей способности каркаса первичных дендритов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
Разработать новую методику для проведения анализа взаимодействия магистральной трещины с элементами первичной структуры в чугуне.
Изучить взаимосвязь между прочностью отливок из серого чугуна и параметрами его первичной структуры: объёмной долей, строением и расположением относительно прилагаемой нагрузки первичных дендритов, дисперсностью ячеек эвтектики.
Изучить механизм формирования на ветвях дендритов первичного аустени-та серого чугуна внешней оболочки с повышенным содержанием кремния препятствующей их обезуглероживанию и разупрочнению.
Разработать на основе исследования закономерностей структурообразова-ния рекомендации по повышению прочности чугуна в отливках и провести опытно-промышленное испытание их эффективности.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей совершенствования дендритной структуры чугуна.
Установлены характерные виды взаимодействия магистральной трещины с первичными дендритами - отрыв, срез и отслоение эвтектической матрицы от дендритных ветвей. При этом показано, что доля дендритных ветвей, непосредственно участвующих в работе разрушения чугуна путём их отрыва и среза, сравнительно невелика, но значительно (более чем в 1,5 раза) увеличивается в более прочных композициях. Ячейки эвтектической матрицы при взаимодействии с трещиной в равной мере разрушаются отрывом и срезом.
Показано, что хотя объёмная доля дендритов в промышленных чугунах может изменяться в диапазоне от 15 до 65 об. %, прочность чугуна растет с увеличением количества дендритов только до ~ 45 об. %. В чугунах с большей объёмной долей дендритов при кристаллизации развивается их преимущественная ориентация в направлении теплоотвода и магистральная трещина распространяется вдоль дендритных ветвей путём отслоения эвтектической матрицы.
Установлен диапазон объёмной доли дендритов (25 -^ 45 об. %), в пределах которого они наиболее эффективно упрочняют чугун. Показано, что повышение прочности чугуна вне этого интервала может быть достигнуто за счет увеличения дисперсности ячеек эвтектической матрицы.
Показано, что армирующая способность дендритного каркаса в композициях чугуна может быть повышена путём формирования под действием поверхностно-активных элементов на ветвях дендритов внешней оболочки с повышенным содержанием кремния, которая препятствует их обезуглероживанию и разупрочнению.
Практическая значимость. Разработана комплексная добавка поверхностно-активных элементов, которая обеспечивает стабилизацию дисперсной перлитной структуры в осевых зонах дендритов и высокую армирующую способность дендритного каркаса чугуна.
Введение комплексной добавки позволяет повысить прочность чугунных отливок не менее чем на две марки: с СЧ 20 до СЧ 30 или с СЧ 25 до СЧ 35.
Эффективность основных результатов диссертационной работы подтверждена опытно-промышленными испытаниями в условиях ОАО «Волгограднефтемаш».
На защиту выносятся:
Разработанная в работе уникальная методика оценки сопротивляемости элементов первичной структуры чугуна распространению магистральной трещины позволила обосновать значимые параметры первичной структуры серого чугуна (объёмная доля, строение и расположение относительно прилагаемой нагрузки первичных дендритов, дисперсность ячеек эвтектики), ответственные за его композиционное упрочнение.
Впервые установлено, что по строению макрорельефа излома в сером чугуне возможно определять направление распространения магистральной трещины и положение очага разрушения.
Выявленные в настоящей работе и неизвестные ранее особенности протекания в чугунах процесса кристаллизации - преждевременное блокирование поверхностно - активными элементами дендритного роста кристаллов первичного аустенита и наслоение на них в виде внешней оболочки избыточного аустенита.
Впервые выявленный и изученный в работе механизм «принудительной закачки» углерода в центр дендритных ветвей чугуна, обеспечивающий формирование в них структуры сорбитообразного перлита.
Новое направление совершенствования дендритной структуры серого чугуна основанное на взаимосвязи между его составом и закономерностями структу-рообразования, и разработанные на этой основе рекомендации по повышению прочности чугуна.
Достоверность результатов исследования достигалась использованием высокоточного оборудования. В работе применяли микрорентгеноспектральный анализатор «Super Prob - 733»; приборный комплекс с программным обеспечением для дифференциально-термического анализа (ДТА) «Кристаллодиграф»; фотоэлектрический электроэмиссионный квантометр ARL - 3460; оптические микроскопы «Neophot - 21» и «Olympus ВХ - 61»; электронный растровый микроскоп РЭМ - 250; рентгеновский микроскоп МИР - 2; модернизированный профилограф «БВ - 6279», микротвердомер ПМТ - 3, универсальные компьютерные программы, адаптированные для проведения количественной металлографии. В работе были использованы методы геометрической термодинамики. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики на персональном компьютере с использованием соответствующего программного обеспечения.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследования докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2005 г.); региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2004, 2005, 2006 гг.); ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2005 - 2011 гг.) и научных семинарах кафедр «Машины и технологии литейного производства» и «Технология материалов» ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5, входящие в перечень рецензируемых научных журналов. По результатам работы сделана заявка на получение патента.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 17 таблиц и 13 формул. Список ис-
пользованной литературы включает 172 наименования, в приложении представлен акт опытно-промышленного испытания эффективности рекомендаций работы.
Похожие диссертации на Совершенствование дендритной структуры серого чугуна с целью повышения его прочности
