litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 7 8


На правах рукописи


РИ ЭРНСТ ХОСЕНОВИЧ


ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ

С УЧЕТОМ СТРОЕНИЯ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ


Специальность 05.16.04 – Литейное производство


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Комсомольск-на-Амуре – 2008

Работа выполнена на кафедре «Литейное производство и технология металлов» ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск), в институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск), в Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН и институте химии ДВО РАН (г. Владивосток).


Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук,

профессор Александров Н. Н. (г. Москва);


заслуженный работник высшего образования,

доктор технических наук,

профессор Косников Г. А. (г. Санкт-Петербург);


доктор технических наук,

профессор Петров В. В. (г. Комсомольск-на-Амуре).


Ведущая организация – Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН

(г. Комсомольск-на-Амуре).


Защита состоится «13» ноября 2008 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета

Д 212.092.02 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ) по адресу: 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Комсомольском-на-Амуре государственного технического университета».


Автореферат разослан «___»________ 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

к. т. н., доцент Э. А. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Современное машиностроение требует применения материалов, обладающих не только повышенной прочностью, но и рядом специальных свойств, обеспечивающих длительную и надежную работу отливок в самых разнообразных условиях эксплуатации. Такими материалами являются легированные чугуны. При этом один и тот же легирующий элемент придает чугуну одновременно несколько специальных свойств. Последние определяются, прежде всего, химическим составом.

Повышающиеся требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам чугунов требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства. От этого зависит увеличение срока службы современного оборудования, машин и механизмов. В этой связи важной является проблема повышения износостойкости, коррозионностойкости, жаростойкости, герметичности и др., которая актуальна для многих отраслей промышленности (горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, строительной и др.). Потери от выхода из строя по причинам изнашивания, коррозий и окисления деталей машин, оборудования, транспортных средств ежегодно составляют в России более десятков миллиардов рублей.

Несмотря на обилие литературных данных по оптимизации комплексно-легированных серых чугунов специального назначения достаточно и систематически не изучено влияние легирующих элементов на строение и структурно-чувствительные свойства расплавов, процессы кристаллизации и структурообразования, литейные и эксплуатационные характеристики. В связи с этим в настоящей работе исследовано влияние легирующих элементов (Cu, Ni, Cr, Mo, V, Ti, Sn) на структурно-чувствительные свойства расплавов (плотность, вязкость, электросопротивление), процессы кристаллизации и структурообразования, литейные и эксплуатационные характеристики, а также оптимизированы химические составы для получения гидроплотных (герметичных) и износостойких отливок из комплексно-легированных серых чугунов.

Для деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания при сравнительно небольших ударных нагрузках, целесообразно использование комплексно- легированных белых чугунов со специальными эвтектиками. Такие чугуны нуждаются в проведении упрочняющей термообработки. Однако в процессе формирования мартенситно-карбидной структуры при получении отливок сложной конфигурации в них возникают большие внутренние напряжения, приводящие к образованию микротрещин. В связи с этим систематически исследовано одиночное и комплексное влияние карбидообразующих (Cr, Mo, W, Mn, V) и графитизирующих (Cu, Sn, Al, Ni) элементов на строение жидкой фазы, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические (электро- и теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (износостойкость, жаростойкость, коррозионностойкость) характеристики белых чугунов с различным углеродным эквивалентом в литом и термообработанном состояниях.


Для повышения эксплуатационных свойств отливок, определяемых структурой и физико-механическими характеристиками сплавов, применяют различные методы воздействия на расплавы – термовременную и термоскоростную обработку. В современной металлургии известно много технологий использования различных видов излучений для воздействия на расплавы с целью изменения физико-механических свойств данных сплавов. С этих позиций представляется возможным управление процессами кристаллизации и структурообразования в отливках с помощью воздействия на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Все эти вопросы подробно рассмотрены в работе.

Таким образом, существенного снижения потерь металла можно достичь созданием новых комплексно-легированных серых и белых чугунов специального назначения, совершенствованием технологии их производства и разработкой новой технологии их выплавки для повышения физико-механических, литейных и эксплуатационных характеристик путем воздействия на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами большой мощности.

Для получения комплексно-легированных чугунов применяются дорогостоящие и дефицитные легирующие элементы W, Mo, Cu, Sn, Cr и др., которые недоступны для обычных конструкционных чугунов. В связи с этим в работе также приведены результаты разработки принципиально новых технологий синтеза легирующих элементов (W, Mo, Sn, Cu и др.) на базе минеральных концентратов ДВ региона.

Актуальность темы диссертации подтверждена выполнением научно-исследовательских работ в рамках 3 грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), 4 грантов Министерства общего и профессионального образования РФ, 2 грантов Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края и 5 Единых заказов-нарядов (ЕЗН) Министерства общего и профессионального образования РФ и Министерства образования и науки РФ. Самые значимые из них:

  • Грант Министерства общего и профессионального образования РФ № 6.98 ГР99 (1998- 2000 гг.) «Исследование некоторых структурно-чувствительных параметров комплексно-легированных жидких чугунов и установление корреляционной связи между их свойствами в жидком и твердом состояниях»;


  • Грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 05-08-01357 (2005-2006 гг.) «Исследование влияния облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на фазовые превращения, теплофизические и физико-механические свойства алюминиевых и медных сплавов»;

  • Грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), региональная программа. № 06-08-96011-р_восток_а (2006-2007 гг.) «Исследование и разработка комплексно-легированных чугунов функционального назначения с использованием легирующих элементов (W, Zr, Cr, Ni, V, Sn, Cu и др.), синтезированных из дальневосточных минеральных концентратов»;

  • Грант Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края. Государственный контракт № 15-344 (2007 г.) «Разработка новой технологии плавки металлических сплавов (медных, алюминиевых, магниевых, чугунов) путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств».

Цель работы заключалась в систематическом исследовании влияния легирующих элементов на структурно-чувствительные свойства сплавов в жидком и твердом состояниях, разработке на этой основе комплексно-легированных серых и белых чугунов специального назначения, а также в разработке технологий синтеза легирующих элементов на основе минеральных концентратов ДВ региона и новой технологии их плавки путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами для повышения эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
  1. Исследование влияния легирующих элементов (Cr, Ni, Al, Ti, Mo, Sn) на структурно-чувствительные свойства расплавов (вязкость ν, плотность d, электросопротивление ρ), процессы кристаллизации и структурообразования, механические (в, НВ, Н50), литейные (жидкотекучесть, линейная и объемная усадка) и эксплуатационные (герметичность и износостойкость) характеристики серых чугунов.


  2. Установление корреляционной связи между свойствами легированных серых чугунов в жидком и твердом состояниях и возможностей управления структурой и специальными свойствами с учетом особенностей их жидкого состояния.

  3. Оптимизация составов комплексно-легированных серых чугунов для получения герметичных отливок судовых машин и механизмов и износостойких отливок тепловозов, эксплуатируемых на ДВЖД.

  4. Исследование влияния легирующих элементов (Cr, W, Mo, V, Mn) на строение расплавов, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические (электро- и теплопроводность, плотность, HRC, Н50) и эксплуатационные (жаро- и коррозионностойкость, износостойкость) свойства белых чугунов с различным углеродным эквивалентом.

  5. Исследование и разработка оптимальных температурно-временных режимов термообработки для достижения максимальных твердости и износостойкости низкоуглеродистых белых легированных чугунов.

  6. Исследование комплексного влияния карбидообразующих (W, Mo, V, Mn) и графитизирующих (Cu, Al, Sn) элементов на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства низкоуглеродистого хромистого белого чугуна в литом и термообработанном состояниях.

  7. Оптимизация химических составов комплексно-легированных низкоуглеродистых хромистых чугунов специального назначения в литом и термообработанном (воздушная закалка) состояниях.

  8. Элементно-фазовый и рентгеноструктурный анализ комплексно-легированных низко- и среднеуглеродистых хромистых белых чугунов.

  9. Разработка технологий синтеза ряда легирующих элементов (W, Mo, Cr, Cu, Sn и др.) в виде чистых металлов и сплавов на основе минеральных концентратов ДВ региона.
  10. Исследование влияния продолжительности облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на строение расплава, процессы кристаллизации, структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов (белых, серых, высокопрочных и комплексно-легированных).


11. Совершенствование и разработка новой технологии плавки комплексно-легированных чугунов путем воздействия на их расплавы НЭМИ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Установлены закономерности изменения физических свойств жидких серых чугунов в зависимости от содержания легирующих элементов и даны теоретические обоснования установленным зависимостям с позиции электронной модели строения расплавов. Изотермы d, ,  жидких чугунов, легированных Al, Cu, Sn, имеют экстремальный характер изменения, а значения этих свойств расплавов, легированных карбидообразующими элементами Cr, Mo, V, Ti, монотонно возрастают вплоть до 1,5 мас.%.

  2. Выявлена корреляционная связь между свойствами расплавов, литейными и механико-эксплуатационными характеристиками легированных серых чугунов и оценена полнота корреляции между указанными параметрами: наибольшим значениям d, ,  расплавов, как правило, соответствуют максимумы значений в, изг, НВ, Н50, герметичности G, жидкотекучести  и минимумы скорости износа  и линейной усадки .

  3. Методами гамма-проникающих излучений и термического анализа подтверждено наличие критических температур перехода статистически разупорядоченной структуры ближнего порядка t0 к статистически упорядоченной t1 при охлаждении жидких не- и легированных низкоуглеродистых белых чугуновстжгцк).
  4. Получены новые результаты по влиянию карбидообразующих легирующих элементов - хрома и вольфрама (0-15,0 мас.%), марганца и молибдена (0-5,0 мас.%), ванадия (0-7,0 мас.%) на кристаллизационные параметры (tл, tк, tнэ, tкэ, tА1, л, э, А1), степень уплотнения Jл-э, Jэ, JА1, коэффициенты термического сжатия в жидком (1), жидко-твердом (2) и твердом (3) состояниях, физико-механические (плотность, электро- и теплопроводность, твердость HRC, микротвердость структурных составляющих Н50) и эксплуатационные (износостойкость, жаро- и коррозионностойкость) свойства низкоуглеродистого белого чугуна (мас.%: 2,05-2,15 С; 1,0-1,1 Si; 0,4-0,5 Mn; <0,1 S; <0,12 P) в литом состоянии и дано научное обоснование установленным зависимостям.


  5. Обоснован выбор оптимальных режимов термообработки легированных низкоуглеродистых белых чугунов, заключающихся в закалке с последующим низкотемпературным отпуском для достижения максимальных твердости и износостойкости.

  6. Установлено комплексное влияние карбидообразующих и графитизирующих легирующих элементов на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства хромистого (6,0-7,5 мас.% Cr) низкоуглеродистого чугуна в литом и термообработанном состояниях (воздушная закалка и низкотемпературный отпуск) и дано научное обоснование установленным зависимостям.

  7. Получена дополнительная информация по влиянию легирующих элементов хрома (0-22 мас.%), вольфрама (0-25 мас.%), марганца (0-25 мас.%) и кремния (1-3 мас.%) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства среднеуглеродистого белого чугуна (мас.%: 3,0-3,2 С; 1,5-1,8 Si; 0,4-0,5 Mn; 0,1 Р; 0,06 S) в литом состоянии.

  8. Результаты элементно-фазового и рентгеноструктурного анализа позволили объяснить характер изменения физико-механических и эксплуатационных свойств легированных низко- и среднеуглеродистых белых чугунов.

  9. Разработана и научно обоснована новая технология синтеза ряда легирующих элементов (W, Mo, Cr, Cu, Sn и др.) в виде металлических сплавов на основе минеральных концентратов ДВ региона.

  10. Впервые установлены новые закономерности изменения строения расплавов, кристаллизационных параметров, структурообразования, физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов и других металлических сплавов от продолжительности облучения их жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами. На этой основе разработана новая технология плавки чугунов и других металлических сплавов путем воздействия на жидкую фазу НЭМИ для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств.



следующая страница >>