Теоретичні та технологічні основи керування структурою і властивостями чавунів різного функціонального призначення : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.01 - Матеріалознавство

Abstract

У дисертаційній роботі виконано науково обґрунтовані розробки у галузі матеріалознавства, які забезпечили вирішення актуальної науково-технічної проблеми обґрунтування нових технологій виробництва і відновлення деталей з чавуну, що використовуються у машинобудуванні та розробляються на основі особливостей структуроутворення. Розв’язання проблеми базувалося на дослідженнях та вивченні чинників, які знижують якісні показники деталей у виробництві і експлуатації. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені нові технологічні процеси, які дозволили корегувати структуроутворенням у втулках гільз циліндрів з високоміцного чавуну, що виробляються відцентровим методом відливання з використанням різнотовщинної металевої форми. Для забезпечення необхідного співвідношення фазового складу, відсутності формування карбідної фази, одержання однорідної структури розроблено спосіб контрольованої кристалізації деталей як по їх перетину, так і висоті виливка. Це стало можливим завдяки рівномірного підігріву різнотовщинної металевої форми перед заливанням металу з використанням струму промислової частоти. Розроблена технологія підігріву СПЧ передбачає використання циклічного режиму нагрів-охолодження. Для досягнення стабілізації процесу достатнім є три цикли обробки. Для підвищення якості корпусних деталей з сірих чавунів розроблено технологію їх відновлення в умовах виробництва, яка передбачала виявлення відхилень від діючої технології та на цій основі створено новий підхід до відновлення дефектів, що формуються як в процесі відновлення, так і при експлуатації. Нова технологія передбачає якісне відновлення заплавлення дефектів вуглецевим електродом з дозованим модифікуванням рідкого розчину нано- та дисперсною домішкою спеціальною вторинною детонаційною сировиною, яка одержана від утилізації боєприпасів і включає алмази, графіт мідь та залізо. Нові технологічні процеси супроводжувалися розробкою бракувальних норм, згідно неруйнівного контролю якості. Впровадження результатів нових розробок, захищених патентами на ВАТ «ХТЗ» в об’ємі 348 корпусів з підвищеними експлуатаційними властивостями складає 746,999 тис. грн. на рік.

В диссертационной работе выполнены научно обоснованные разработки в области материаловедения, которые обеспечили решение актуальной научно-технической проблемы обоснования новых технологий производства и восстановления деталей из чугунов, используемых в машиностроении и разрабатываемых на основе особенностей структурообразования. Разработки выполнены на основе детального изучения причин отказов по несоответствию структуры и механических свойств относительно действующей нормативно-технической документации, а также с учетом характера формирования дефектов и повреждаемости отливок при их производстве и эксплуатации. Для выявления отклонений в структуре и качестве отливок разработаны браковочные нормы, оцениваемые неразрушающим методом таких деталей. Контроль осуществляли магнитным методом при использовании анализатора КРМ- Ц-К2М с различными размерами магнитных преобразователей по Нс, а также при использовании комплексных методов (оптической и электронной микроскопии, термоэлектронной эмиссии, спектрального и локального анализа компонентов, микротвёрдости, механических характеристик и разработки новых методик оценки структурообразования). Для обеспечения необходимых свойств, структуры и качества втулок гильз цилиндров предложена новая технология их отливки центробежным методом путем контролируемой скорости кристаллизации в металлической разнотолщинной форме. Формирование однородной структуры по периметру и высоте формы достигнуто за счет предварительного ее нагрева перед заливкой ТПЧ по циклическому режиму нагрев-охлаждение. При такой технологии в различных зонах по толщине формы обеспечивается близкая температура внутренней ее поверхности до 330-390℃ и это достигается уже через три цикла обработки. Такая технология обоснована теоретически, а также подтверждена экспериментально и по сравнению с печным нагревом позволяет повысить КПД процесса с 60 до 80% и увеличить эксплуатационную стойкость оснастки на 15%. Известно, что изделия из серого чугуна эффективны в производстве, однако они не технологичны при сварке (формируются поры, трещины), что связано с большой разницей в температурах плавления такого материала и стального электрода. Для решения проблемы качественного восстановления корпусных деталей из серого чугуна на основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что снизить температуру жидкой ванны на ~ 300℃ возможно при дозированном ее модифицировании вторичным сырьем – детонационной шихтой, полученной и специально подготовленной при утилизации боеприпасов (содержит: нано- и дисперсные алмазы, графит, медь и железо). Использование такого материала в качестве модифицирующей присадки позволяет не только снизить температуру жидкой ванны, но и существенно изменить число взаимосвязей формируемых фаз (оценено новым подходом на основе метода оптико-математического описания изменений в различных зонах), уменьшить зону термического влияния. Новизна научных разработок защищена 6 патентами Украины. Экономический эффект от внедрения технологии в условиях ОАО «ХТЗ» составил 746,999 тыс. грн. в год при объеме внедрения 348 корпусов из серого чугуна.

In the dissertation work, scientifically substantiated developments in the field of materials science were carried out, which provided a solution to the current scientific and technical problem of justifying innovative technologies for the production and restoration of cast iron parts used in engineering and are developed on the basis of structural features. The solution to the problem was based on research and investigation of failures causes due to structural mismatch and mechanical properties of cur-rent technical documentation, as well as nature of defects and damage formation of castings during its production and exploitation. To identify deviations in structure and quality of castings rejection norms of such details estimated by the non-destructive method of such details were developed. The control was carried out by a magnetic method using the KRM-C-K2M analyzer with different size of magnetic transducers in Hc, as well as complex methods (optical and electron microscopy, thermionic emission, spectral and local analysis of components, microhardness, mechanical characteristics and development of new evaluation techniques structure formation). To provide necessary properties, structure and quality of cylinder liners, the innovative technology for its casting by centrifugal method by controlling of crystallization rate in a metallic multilayer form is proposed. Formation of a homogeneous structure along the perimeter and height of form was achieved by means of its pre-heating before filling of AC current in a cyclic heating-cooling mode. Using such technology in different zones along mold thickness a close internal surface temperature of 330-390℃ is provided and it can be achieved in as little as three processing cycles. This technology is justified the-oretically, and also confirmed experimentally and, in comparison with furnace heating, it allows to increase the efficiency of the process from 60 to 80% and to increase the serviceability of the tooling by 15%. It is known that gray cast iron products are effective in production, but they are not technologically efficient during welding (pores and cracks are formed), which is connected with large difference in melting temperatures of such material and steel electrode. To solve the problem of the qualitative restoration of gray cast iron hull details, it is shown on the basis of experimental and theoretical studies that reduction of water-bath temperature by ~ 300℃ is possible by means of its proportioned modification with secondary raw materials - a detonation charge obtained and prepared specially for ammunition disposal (it contains: nano- and micro-diamonds, graphite, copper and iron). Use of such material as a modifying additive allows not only to lower the temperature of water bath, but also to change the number of interactions of the phases formed significantly (estimated by a new approach based on method of opticomathematical description of changes in various zones), and to reduce the zone of thermal influence. Novelty of scientific development is protected by 6 patents of Ukraine. Implementation of the results of new developments protected by patents at Trading House "KhTZ" in the volume of 348 body frames with increased operational properties is 746.999 UAH per year.