Введение к работе
Актуальность работы. Машиностроение - важнейшая отрасль промышленности. Его продукция - машины различного назначения поставляется всем отраслям народного хозяйства. Технический прогресс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкций машин, но и непрерывным совершенствованием технологии их производства. Всегда актуально качественно, надежно, дешево и в заданные сроки с минимальными затратами изготовить машину, применив современное оборудование, технологию и инструмент.
Одним из широко применяемых материалов в любом машиностроении является чугун вследствие его высокой эксплуатационной надежности и долговечности.
От других материалов системы железо - углерод серый чугун отличается резкой гетерофазностьго строения, определяющей его свойства и поведение в деталях различных конструкций, неоднородность коэффициентов линейного и объемного расширения феррита, цементита и графита в процессе производства чугунных отливок оставляет в них значительные внутренние напряжения. Графитовые включения, действуя на концентраторы напряжения, изменяют модуль упругости. Все это предопределяет анизотропию напряженного состояния, свойств и характеризует повышенную склонность чугуна к ползучести, релаксации напряжений и, в конечном счете, к способности сохранять или нарушать начальную форму и размеры отливок. Даже при строгом постоянстве благоприятных внешних условий материал отливок в какой-то мере изменяет свои свойства, поскольку он, как микроскопическая система, практически всегда находится в состоянии неполного термодинамического равновесия.
Внешнее воздействие нарушает квазиравновесное состояние чугуна, в нем возникают различные по своей физической природе релаксационные процессы, переводящие его в новое квазиравновесное состояние, более соответствующее измененным внешним условиям.
Склонность чугуна к размерной нестабильности затрудняет изготовление прецизионных устройств в машиностроении, станкостроении, автотракторостроении, приборостроении. В то же время уровень развития техники представляет постоянно возрастающие требования к точности машин, приборов и других механических систем.
Вопросы напряженного состояния и стабильности форм отливок, всегда волновавшие литейщиков, металловедов и термистов, особенно активно стали изучаться в последние 20 лет. В этот период появилось значительное количество исследовательских работ, касающихся различных аспектов проблемы внутренних напряжений: изучение физических явлений, создание
более точных расчетных методик, совершенствования техники измерения напряжений и т.д.
Наиболее существенные результаты достигнуты в работах теоретического направления, однако почти все они по существу сводятся к изучению явлений и процессов в отливках с помощью законов теоретической механики и сопротивления материалов.
Одним из направлений при решении проблемы размерной стабилизации является изучение закономерностей возникновения и распределения остаточных напряжений в отливках и воздействие на них в процессе кристаллизации. Другим - изыскание средств эффективного воздействия на литые детали с целью снижения остаточных напряжений и упрочнения металлической матрицы путем выбора рациональных режимов старения.
До настоящего времени подавляющее большинство исследователей размерную нестабильность не связывали с релаксационной стойкостью материала, а считали ее функцией от остаточных напряжений первого рода. Однако оказалось, что величина имеющихся в чугунных отливках остаточных напряжений однозначно не определяет их коробления, что подтверждается, например, практикой естественного старения, при котором остаточные напряжения в отливках снимаются незначительно (7-10 %) в то же время естественное старение до сих пор считается одним из самых надежных методов стабилизации.
Признание определяющей роли остаточных напряжений в короблении объясняет причину того, что субструктура, релаксационная стойкость и релаксационные явления в чугуне до сих пор находятся в начальной стадии изучения. До настоящего времени в промышленности релаксационная стойкость чугуна никак не контролируется, суждение о пригодности чугуна для прецизионных отливок выносится по результатам испытаний на разрыв, изгиб и твердость, т.е. по сопротивлению материала большим пластическим деформациям. В то же время релаксационная стойкость выражается сопротивлением не большим, а малым пластическим деформациям.
Отсутствие корреляции между сопротивлением малым и большим
пластическим деформациям не позволяет решить задачу размерной стабилиза
ции. Общепринятые испытания чугуна не дают представлений о
релаксационной стойкости к размерной нестабильности прецизионных
чугунных отливок.
Следовательно, при решении проблемы размерной стабилизации отливок объектом исследования должно быть не только действие силовых, конструктивных и технологических факторов на напряженность отливок, но и физические свойства их материала, в данном случае чугуна.
Поэтому разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна за счет воздействия внешними факторами на металлическую матрицу является актуальной проблемой.
Цель работы. Разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна путем термовибрационного воздействия на металлическую матрицу, обеспечивающего формирование оптимально стойкой структуры, и практических методов старения серого чугуна.
Для достижения этой цели, используя новый с позиции субструктурного упрочнения подход, в данной работе решались следующие задачи:
-
установление типа субструктуры металлической матрицы чугуна, обеспечивающей наивысшую релаксационную стойкость и размерную стабильность отливок;
-
установление закономерностей влияния технологических факторов (температуры, времени, вибрации) на формирование субструктуры серого чугуна;
-
изучение механизмов релаксации остаточных напряжений в чугуне;
-
установление корреляции между сопротивлением малым и большим пластическим деформациям, структурой и свойствами серого чугуна;
-
разработка методики прогнозирования релаксационной стойкости базовых деталей станков' путем определения сопротивления малым пластическим деформациям металлической матрицы чугуна;
-
разработка и внедрение в производство оптимальных технологических процессов структурной и размерной стабилизации чугуна.
Положения, выносимые на защиту:
1. В связи с отсутствием стандартных методов и аппаратуры для оценки
релаксационной стойкости чугуна предложена методика определения этой
характеристики по сопротивлению малым пластическим деформациям и
кинетике прямого и обратного упругого последействия.
С привлечением высокочувствительных методов исследования
(внутреннее трение, калориметрия, электросопротивление, термоЭДС, рентгеноскопия, электронная и световая микроскопия и т.д.) и расчетами было установлено, что высокая стабильность дислокационной структуры, сформированной в результате термоциклического старения, обусловлена разрядкой "пиковых" напряжений, закреплением дислокаций атомами примесей, образованием полигональной структуры, измельчением блоков и вторичными выделениями.
2. Механизм релаксации остаточных напряжений в сером чугуне при
температурах ниже 573 К.
3. Закономерности формирования полигональной структуры при
старении серого чугуна.
4. Технологические методы структурной и размерной стабилизации.
5. Закономерности влияния химического состава и технологических
факторов на релаксационную стойкость чугунов.
Научная новизна. Из рассмотрения термодинамических условий равновесия сформулированы предпосылки для выбора оптимальных технологических процессов размерной стабилизации чугунных отливок. Эти процессы должны обеспечивать в отливках уменьшение величины остаточных напряжений, их выравнивание путем уничтожения пиков напряжений, понижение потенциальной энергии системы, повышение релаксационной стойкости и энергоемкости металлической матрицы чугуна.
Для оценки релаксационной стойкости чугуна создана методика определения этой характеристики по сопротивлению малым пластическим деформациям и кинетике прямого и обратного последействия.
Показано, что длительное естественное старение сплавов чугуна
способствует созданию полигональной субструктуры, аналогичной
наблюдаемой при термоциклическом старении при 493-553 К и при комбинированном старении (кратковременная вибрация и один термоцикл при 573 К). Установлена корреляция между сопротивлением малым пластическим деформациям и сопротивлением отрыву.
Установлены закономерности старения чугуна при температурах ниже 573 К, заключающиеся в том, что определяющим в свойствах при естественном и искусственном старении являются изменения, происходящие в металлической матрице чугуна, особенно в феррите, содержание которого превышает 90 % металлической матрицы. Разработаны новые технологические процессы размерной стабилизации чугунных литых деталей путем термоциклического старения при температурах 493-553 К и комбинированной обработки.
Практическая ценность. Предложенные в настоящем исследовании технологические процессы размерной стабилизации внедрены на Одесском заводе радиально-сверлильных станков, на Московском заводе "Станколиния", на Новочеркасском станкостроительном заводе, на Житомирском заводе станков-автоматов, Воронежском заводе ОАО Воронежпресс, где в соответствии с прилагаемыми актами внедрения получен весьма существенный годовой экономический эффект.
С 1981 г. работа ведется по минвузовскому сотрудничеству совместно с кафедрой литейного производства Высшей Технической школы г. Брно (Чехия). Работа признана важнейшей, рекомендована для широкого внедрения и внесена в Госплан РСФСР.
Проведено внедрение на заводе ЛИАЗ г. Либерец Чехия с годовым экономическим эффектом 3,300.000 крон. (1983 г.)
Получены положительные результаты на заводе ZPS г. Готвальдов ЧССР.
Метод комбинированного старения аттестован ВНИЦСМВ в виде Государственного стандарта под № ГСССД МЭ 106-97.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на
следующих международных и всесоюзных научно-технических
конференциях: научно-техническая конференция профессорско-
преподавательского состава Казанского авиационного института (г. Казань,
1967 г.); научно-техн. конф. НТО Машпром (г. Воронеж, 1971 г.); "Новое в
металловедении, термической и химико-термической обработке металлов и
сплавов" (г. Воронеж, 1978 г.); "Коробление изделий при термической
обработке и способы его уменьшения" (Москва, ГОСНИИТИ, 1979 г.);
Международная конференция по литейному производству "Фондекс-80" (г.
Брно, ЧССР, 1980 г.); Юбилейная конференция профессорско-
преподавательского состава политехнического института (г. Кечкемет, Венгрия, 1980 г.); Всесоюзное совещание по механизмам внутреннего трения в твердых телах (г. Кутаиси, 1982 г.); Третья Международная конференция "Внутренние напряжения и поверхностное упрочнение" (г. Цвикау, ГДР, 1982 г.); "Новое в металловедении, термической и химико-термической обработке конструкционных материалов" (г. Воронеж, 1982 г.); Десятая Международная конференция по неразрушающим методам контроля (г. Москва, 1982 г.); Десятая Всесоюзная конференция по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Куйбышев, 1983 г.); Двенадцатая Международная конференция "Проблемы качества и эффективности литейного производства" (г. Враца, Болгария, 1984 г.); Зональная научно-техническая конференция "Совершенствование технологических процессов и повышение качества отливок из чугуна и цветных сплавов" (г. Андропов, 1984 г.); Международная конференция по литейному производству (г. Железная Руда, Чехия, 1983 г.); Международная конференция центрального комитета научно-технического общества литейщиков Чехии (г. Брно, Чехия, 1984 г.); Пятая Международная конференция "Рационализация в машиностроении" (г. Цвикау, ГДР, 1985 г.); Ежегодная научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского Государственного Технического Университета (г. Воронеж, 1971-1997 гг.); Республиканская научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1988 г., 1989 г., 1991 г., 1992 г.); Международная научно-техническая конференция "Теория и практика машиностроительного оборудования" (г. Воронеж, 1996 г., 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 печатных работ, получен аттестат на Государственный стандарт.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с материалами исследования, выводов, списка литературы и приложений.
Машинописный объем диссертации 225 страниц, 10 таблиц, 65 рисунков. Список литературы включает 150 наименований.
