Анотація до роботи:

Парфентьєва І.О. Морфологія та особливості природи e-фази в процесі формування гетерогенної структури зносостійких високомідистих чавунів з кулястим графітом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2003.

У роботі вивчаються закономірності формування гетерогенної структури групи зносостійких ЛКМ на основі чавунів з компактним графітом, легованих великими добавками міді (Cu – 4…15 % мас.).

Основну увагу зосереджено на дослідженні морфології та структури включень високомідистої e-фази ЛКМ, з встановленням та диференціацією всіх можливих типів її виділення.

Встановлено, що причиною появи дрібних крапель e-фази у високомідистих чавунах є експериментально та аналітично доведений факт існування емульсії з крапель рідкої міді в розплавах чавунів. Емульсія сприяє також появі особливого морфологічного типу високомідистої фази розроблених ЛКМ – сфероїдів у вигляді суміші Г+e, яка утворює оболонку навколо первинних кристалітів графіту. Встановлено механізм формування сфероїдів Г+e. Показано, що сфероїди Г+e, з позицій трибоматеріалознавства, є найбільш раціональною формою виділення високомідистої e-фази ЛКМ.

З використанням результатів досліджень та положень нерівноважної термодинаміки і синергетики розроблено наукові основи синтезу ЛКМ з високим комплексом функціональних властивостей.

1. В дисертаційній роботі представлені результати аналізу закінченого фрагменту комплексних досліджень серії плавок ЛКМ, синтезованих на базі чавунів з кулястим графітом, легованих великими концентраціями міді (Cu – 4…15 % мас.), які дозволили розкрити декілька закономірностей процесу формування мікро- та макрогетерогенної структури в зносостійких антифрикційних виливках.

2. Експериментально підтверджено можливість використання деяких положень, які ґрунтуються на інтеграції нерівноважної термодинаміки та синергетики, і насамперед відносяться до цілеспрямованого регулювання флуктуаційною ситуацією в розплавах, пов’язаного з утворенням емульсійного стану і формуванням особливого типу високомідистої фази при використанні біфуркаційної кривої Ландау в процесі кристалізації виливків. Розвиток явищ, пов’язаних з самоорганізацією структури, завдячує формуванню особливої флуктуаційної ситуації за умов легування, модифікування та термочасової обробки розплавів. Концентраційні та енергетичні флуктуації полегшують процеси дисипації, якісна картина яких фіксується внаслідок біфуркацій.

3. В дослідженнях вперше встановлено, що концентраційні та енергетичні біфуркації в синтезованих сплавах формують сприятливі умови для проходження особливої евтектичної кристалізації чавунів, яка пов’язана з ростом двох евтектик: стабільної та метастабільної. Ріст стабільної евтектики стимулює утворення оболонки з рідкої міді навколо евтектичного зерна за рахунок емульсії та розвитку перитектичної реакції. Результатом останньої є формування принципово нової складової чавунів на основі високомідистої e-фази – сфероїдів Г+e.

4. Утворення вільноструктурних включень високомідистої e-фази та сфероїдів Г+e сприяє рафінуванню розплаву чавунів за рахунок поглинання значної кількості шкідливих домішок і, в першу чергу, сірки. Крім того, їх присутність змінює відомі уявлення про відбілюючий вплив міді при високих її концентраціях. Встановлено, що при збільшенні кількості сфероїдів Г+e ефект відбілювання структури виливків зменшується.

5. Проведені дослідження дозволяють встановити, що з позицій триботехніки отримані ЛКМ відповідають інтерпретованому принципу Шарпі-Бочвара щодо структури зносостійких матеріалів. Так, присутні сфероїдні включення Г+e, при своїх розмірах 100…150 мкм, характеризуються компактною формою та регулярністю розподілення в структурі високомідистих чавунів, яка не змінюється при проведенні різних видів термічної обробки.

6. Встановлено, що за фізико-хімічною природою сфероїди Г+e можна віднести до одного з видів трибофаз: e-бронзи з мікровиділеннями графіту, сульфідів та ін. Причому, отримані ЛКМ за кількісним співвідношенням існуючих трибофаз в структурі (e-фаза +(Г+e) + Г) можуть відповідати одному з законів симетрії: в даному випадку субсиметрії (1:3). При цьому, самі сфероїди за структурними ознаками характеризуються високим ступенем гетерогенності та за кількістю графіту і e-фази наближаються до співвідношення 50:50, тобто відповідають антисиметрії 1:1. Це наділяє дану складову ЛКМ специфічними властивостями та здатністю до ефективної дисипації зовнішньої енергії з розвитком процесів самоорганізації структури та проходженням біфуркаційних перетворень.

7. В основу наукових принципів створення та керування структурою і властивостями ЛКМ слід покласти принципи легування, модифікування, термочасової обробки розплавів, термообробки виливків та принцип структуроутворення при механічному навантаженні. З цих позицій в роботі показана можливість суттєвого підвищення ступеня гетерогенності ЛКМ на базі чавунів при їх легуванні з надлишком міді як елементом, що обмежено розчиняється в сплавах заліза. При цьому важливого значення набуває необхідність диспергування розплаву краплями міді з утворенням емульсії, що практично досягається шляхом регулювання вмісту в чавуні елементів емульгаторів: С, та Si. Тобто, важливим аспектом в ливарній технології отримання ЛКМ є вуглецевий еквівалент, від значення якого залежать біфуркаційні явища і відповідно напрямок розгалуження термодинамічного стану системи. Регулювання даного параметра виконувалось в роботі шляхом модифікування розплаву чавунів. Наступним важелем у формуванні структури є термочасова обробка, яка полягає в захолоджуванні розплаву присадками міді. Це дозволяє свідомо регулювати тепловими, енергетичними та концентраційними потоками, від чого залежить частота та густина флуктуацій і, відповідно, регулярність розподілення сфероїдів Г+e у виливках. Подальшому підсиленню гетерофазних явищ сприяє термообробка, при цьому найбільшого ефекту з позицій підвищення кількості трибофаз слід вважати повний графітизуючий відпал. Як встановлено, для ЛКМ з феритною структурою металічної матриці, ефективним механізмом зміни властивостей слід вважати пластичну деформацію.

8. Аналіз і узагальнення отриманих даних дозволяє наблизитись до оптимального складу зносостійких і антифрикційних високомідистих чавунів: C – 2,8…3,0 %; Si – 2,6…2,8 %; Mn – 0,1…0,3 %; Cu – 8,0...10,0 %; Mg – 0,03...0,035 %; S, P 0,02 %. Ливарна технологія отримання виливків відрізняється простотою і доступністю при виготовленні деталей для роботи у вузлах тертя механізмів машин різного призначення. За вказаним складом на ВАТ „Електротермометрія” були виготовлені втулки валу шестерні масляного насосу НШ-50. Під час стендових випробувань встановлено, що втулки з високомідистого чавуну характеризуються більшою зносостійкістю та довговічністю, що підтверджено актом випробувань (див. додатки). Таким чином, економічна ефективність використання даного сплаву досягається заміною деяких зносостійких матеріалів, зокрема бронз, порівняно більшої вартості.

Публікації автора:

1. Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева И.А. Некоторые особенности структуры высокомедистых чугунов с шаровидным графитом. / Сб. “Научные труды” международной научно-технической конференции “ЭВТЕКТИКА-V” (11-14 июня 2000 г., г.Днепропетровск). – Днепропетровск: ДМетАУ. – 2000. – С.219-220.

   Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьєва І.О., Дмитріюк М.В. Зносостійкі литі композитні матеріали з широкою гамою функціональних властивостей / Сб. научных трудов международной научно-технической конференции “Композиционные материалы в промышленности” (21-25 мая 2001г., г.Ялта). – С.15.

   Бобро Ю.Г., Парфентьева И.А., Гусачук Д.А. Структура и морфология e-фазы высокомедистых чугунов // Процессы литья. - № 4. -2001. - С.21-23.

   Парфентьєва І.О., Бобро Ю.Г., Розподіл сірки в структурі високомідистих литих композитних матеріалів//Зб. Наукові нотатки.- Луцьк: ЛДТУ.- 2001.- в.9.- С.212-216.

   Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева І.О. Особливості формування зносостійкої структури у виливках з ЛКМ //Машинознавство. - № 5. - 2002.- С.29-31.

   Парфентьєва І.О. Особливості природи вільно-структурних включень високомідистої e-фази в сірих чавунах//Зб. Наукові нотатки.- Луцьк: ЛДТУ.- 2002.- в.10.- С.162-166.

   Бобро Ю.Г., Гусачук Д.А., Парфентьева И.А. Литые композитные материалы, синтезированные на основе серых чугунов с компактным графитом/ Сб. научных трудов международной научно-технической конференции “Композиционные материалы в промышленности”(1-5 июня 2002 г., г.Ялта).

   Бобро Ю.Г., Парфентьева И.А. Формирование литой структуры высокомедитых ЛКМ в процессе эвтектического превращения // Процессы литья. -№ 2. -2003.- С.49-52.