Підвищення фізико-механічних властивостей графітизованих сталей

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

 

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

Акімов Іван Васильович

 

УДК: 669. 14. 017: 539. 43

 

ПІДВИЩЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФІТИЗОВАНИХ СТАЛЕЙ

 

05. 02. 01 – Матеріалознавство

 

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

 

Запоріжжя – 2004

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Волчок Іван Петрович Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри “Технологія металів”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бриков Микола Миколайович Запорізький національний технічний університет, професор кафедри “Обладнання і технологія зварювального виробництва” м. Запоріжжя кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Малишев Георгій Петрович Запорізька державна інженерна академія, доцент кафедри “Металургійне обладнання” м. Запоріжжя.

Провідна установа: Хмельницький державний університет, м. Хмельницький.

Захист відбудеться “8” червня 2004 року о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17. 052. 01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

 

 

Актуальність теми. Основна тенденція розвитку машинобудування – зниження матеріалоємності машин і механізмів при одночасному підвищенні їх надійності та довговічності досягається, головним чином, в результаті вибору конструкційного матеріалу, що найповніше відповідає умовам експлуатації виробів.

Графітизовані чавуни (сірі, ковкі та високоміцні) знаходять широке застосування для деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень, в умовах зносу при сухому терті й в умовах агресивних середовищ при підвищених температурах (станини верстатів, корпуси редукторів, колінчасті вали двигунів внутрішнього згоряння, валки прокатних станів, виливниці для розливання чорних і кольорових металів, кокілі, деталі пічної арматури та ін.). Переваги чавунів полягають у наявності багатьох цінних властивостей: низької собівартості, високої технологічності та здатності до демпфування, теплопровідність, рідкотекучість та ін. Це пояснюється значним вмістом вуглецю і кремнію в їхньому складі, а також значної кількості (7... 12% об’ємн.) графітної фази у структурі. У порівнянні з металевою матрицею графіт має вищу теплопровідність і меншу змочуваність рідкими розплавами, що сприяє підвищенню теплопровідності чавунів, зменшенню термічних напружень і зниженню швидкості хімічної взаємодії на поверхні поділу чавун – розплав.

У той же час, унаслідок значного вмісту графітної фази в структурі, чавуни, у першу чергу сірі, мають порівняно низькі механічні властивості. В умовах зростання параметрів робочих процесів машин і механізмів потрібні матеріали, які сполучали б цінні властивості чавуну з більш високими показниками міцності, пластичності й тріщиностійкості. До таких матеріалів відносяться графітизовані сталі, які становлять за хімічним складом залізовуглецеві сплави з підвищеним вмістом кремнію. Особливість графітизованих сталей полягає у наявності графітових включень в структурі, які надають цим матеріалам специфічні властивості чавунів. Але на відміну від чавунів вміст графіту в цих матеріалах у 2... 3 рази менший, що обумовлює вищі показники механічних і службових властивостей. Аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок про те, що заміна графітизованими сталями чавунів, вуглецевих та легованих сталей дасть можливість підвищити надійність і довговічність деталей, які працюють в умовах статичних, динамічних і циклічних навантажень, високих температур і агресивних середовищ, а також в умовах зношування. У той же час механічні й службові властивості цього матеріалу, насамперед такі, що визначають надійність і довговічність деталей (в'язкість руйнування, циклічна тріщиностійкість, втомна міцність, термостійкість), вивчені недостатньо, що обмежує його застосування у машинобудуванні. В Україні виробництво графітизованих сталей фактично не налагоджено, немає технічних вимог і державних стандартів, що регламентували б їхні склади і вимоги до якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати дисертації виконувалися згідно з планами науково-дослідної роботи ЗНТУ за темою “Вдосконалення технології виробництва сплавів на основі алюмінію та міді”, держаний реєстраційний № 0104U004068, обліковий державний № 0204U005097. Отримані результати дали підставу для проведення подальших досліджень у 2004-2006 роках у рамках ДНТП України №6 «Нові речовини і матеріали», підрозділ 6. 1 «Нові конструкційні матеріали», по темі «Розробка та впровадження низьколегованих графітизованих сталей з підвищеними міцністю, тріщиностійкістю і термотривкістю».

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у розробленні складів низьколегованих графітизованих сталей з високими показниками фізико-механічних та службових властивостей: тимчасового опору при розтязі, пластичності, статичній в'язкості руйнування, критеріїв циклічної в'язкості руйнування, довговічності при малоцикловій втомі, теплопровідності і термостійкості.

Для досягнення поставленої мети в роботі було поставлено та вирішено наступні задачі:

1. Отримано регресійні залежності, що описують вплив кремнію, міді й алюмінію на структуру і властивості графітизованих сталей.

2. На основі отриманих регресійних залежностей проведена графічна оптимізація хімічного складу графітизованих сталей за вказаними елементами; визначено склад, який забезпечує одержання оптимального сполучення показників механічних властивостей.

3. Досліджено механізми тріщиноутворення й руйнування при статичному та циклічному навантаженнях; отримані кількісні оцінки ролі графітових включень різної форми у процесах руйнування графітизованих сталей.

4. Досліджено вплив міді та комплексного легування марганцем, хромом, нікелем й молібденом на властивості сталей; розроблені склади легованих графітизованих сталей з високим рівнем