Получение градиентных центробежно-литых стальных заготовок путем введения в кристаллизующийся расплав дисперсных частиц карбидов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Аникеев, Андрей Николаевич

• Аникеев, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аникеев, Андрей Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель работы и решаемые задачи

1.1 Градиентные метало-керамические материалы

1.2 Методы получения и свойства метало-керамических материалов

1.2.1 Твердые сплавы

1.2.2 Карбидостали

1.2.3 Дисперсионное упрочнение

1.2.4 Дисперсное упрочнение

1.3 Выводы по главе 1

1.4 Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. Моделирование процессов распределения дисперсных частиц по объему кристаллизующегося металла

2.1 Постановка задачи

2.2 Моделирование распределения дисперсных частиц

2.3 Результаты моделирования распределения дисперсных частиц

2.4 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. Исследование процессов взаимодействия дисперсных

частиц с металлическим расплавом

3.1 Постановка задачи

3.2 Термодинамический анализ тройной системы Ре-С—УУ

3.3 Результаты термодинамического моделирования

3.4 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. Методика проведения эксперимента и исследование металла

4.1 План исследования

4.2 Инструментарий для исследования материала

4.3 Методика проведения эксперимента

4.4 Результаты эксперимента и обсуждение полученных результатов

4.4.1. Исследование результатов взаимодействия карбидов и металлического расплава

4.4.2 Исследование макроструктуры полученного металла

4.4.3 Исследование микроструктуры полученного металла

4.4.4 Исследование изменения химического состава

4.4.5 Исследование предела прочности

4.4.6 Исследование ударной вязкости

4.4.7 Исследование твердости

4.4.8 Исследование износостойкости

4.5 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. Подтверждение эффективности применения дисперсно-

упрочненных металлов

Заключение

Библиографический список

Приложение А - Расчет среднего содержания элементов в каждом

сечении заготовок

Приложение Б - Чертежи звездочек приводного и натяжного вала

элеватора

Приложение В - Акт внедрения научно-исследовательской работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение градиентных центробежно-литых стальных заготовок путем введения в кристаллизующийся расплав дисперсных частиц карбидов»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие добычи минерально-сырьевых ресурсов, металлургии, тяжелого машиностроения, вызвало необходимость использования сталей, обладающих такими механическими свойствами, при которых они способны работать в условиях повышенного абразивного износа при высоких нагрузках. Причем повышенные механические свойства требуются только от поверхностных слоев стали, поскольку именно они подвергаются различным физическим воздействиям. В настоящее время увеличение значений механических свойств металлов достигается либо за счет их легирования в значительных количествах, либо за счет применения различного рода обработок поверхностных слоев (наплавки, напайки, лазерной и плазменной обработки и т.д.). Одним из главных недостатков легирующих элементов является их достаточно высокая стоимость, а различного рода обработки поверхностных слоев требуют достаточно сложного оборудования.

Альтернативой использованию дорогостоящих легирующих элементов и технологическим обработкам могут служить дисперсно- и дисперсионно-упрочненные стали - то есть стали, содержащие твердые тугоплавкие мелкодисперсные частицы карбидов, оксидов, нитридов, а также твердые сплавы. Такие стали обладают повышенными значениями износостойкости, предела прочности, модуля упругости и жаростойкости, пониженной склонностью к трещинообразованию, по сравнению со сталями того же химического состава, не имеющими дисперсных частиц.

Методов получения твердых сплавов и градиентных металлических материалов достаточно много, но наиболее интересно изучение методов, основанных на введении дисперсных частиц в жидкий или жидко-твердый расплав - дисперсное упрочнение, образующихся в структуре металла, так называемое дисперсионное упрочнение, спекание твёрдых сплавов. Данные виды получения градиентных металлов известно достаточно давно, однако производятся они в достаточно ограниченных количествах, и нашли

сравнительно ограниченное применение в различных областях промышленности. Причиной этого является ряд нерешённых проблем, возникающих как при создании, так и при эксплуатации деталей из таких материалов: не полностью изучены механизмы взаимодействия твёрдых тугоплавких мелкодисперсных частиц с металлической матрицей; возможность прогнозирования распределения частиц в упрочняемом материале, в процессе их введения или образования весьма ограниченна; вследствие невозможности прогнозирования распределения частиц, достаточно сложно определить, какие химические, физические и механические свойства приобретёт упрочняемый материал.

Получение дисперсно-упрочненных сталей основано на введении твердых дисперсных частиц в расплав на стадии разливки. Однако, в связи с тем, что вводимые частицы и упрочняемая сталь имеют различную удельную плотность, распределение вводимых частиц по объему получаемой стали неравномерно, непрогнозируемо и неуправляемо. В связи с этим, широкого применения дисперсно-упрочненные стали в промышленности не получили. Этим определяется актуальность темы данного диссертационного исследования.

Таким образом, целью работы явилась разработка нового, надежного, достаточно простого способа получения градиентной дисперсно-упрочненной стали, обеспечивающего возможность управления распределением вводимыми частицами по сечению формируемой заготовки, для обеспечения металла градиентными механическими свойствами.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать простой, надежный способ введения в жидкий расплав дисперсных частиц, обеспечивающий их прогнозируемое распределение в объеме кристаллизующегося металла.

2. Разработать способ, позволяющий прогнозировать распределение дисперсных тугоплавких частиц в объеме получаемого металла при конкретных технологических параметрах, таких как скорость вращения и

материал изложницы, начальная температура разливки, определенные физические свойства вводимых дисперсных частиц (дисперсность, плотность и т.д.) и расплава.

3. Изучить процессы взаимодействия вводимых дисперсных частиц и металлического расплава в интервале температур 1800-2200°К.

4. Исследовать распределение дисперсных частиц в объеме закристаллизовавшихся центробежно-литых стальных заготовок.

5. Провести комплексную оценку влияния дисперсных тугоплавких частиц на физико-механические свойства полученных заготовок.

Естественным решением вопроса распределения частиц по объему формируемой заготовки служит использование разницы плотностей упрочняемого металла и вводимых дисперсных частиц. Разность плотностей приводит к неравномерному распределению вводимых частиц по объему получаемого металла: частицы, с плотностью большей, чем у упрочняемого металла, будут перемещаться в направлении гравитационных сил, а частицы, с плотностью меньшей, чем у упрочняемого металла будут перемещаться в направлении поверхности расплава. Таким образом, для того, чтобы распределением частиц по объему упрочняемого металла можно было управлять, необходимо приложить к дисперсным частицам какие-либо силы. В качестве такой силы была выбрана центробежная сила, влияющая на кристаллизующийся расплав и вводимые частицы при разливке металла на машине центробежного литья. Если плотность тугоплавкой дисперсной частицы погруженной в расплав отличается от плотности расплава, то сила, действующая на частицу, не уравновешивается их собственной центробежной силой и силой тяжести. Поэтому возникают условия для перемещения частиц в ту или другую сторону, т.е. на внутреннюю или внешнюю поверхность формируемой заготовки. Когда частица соприкоснется с фронтом кристаллизации, то она оказывается прижатой расплавом к фронту кристаллизации и уже не всплывает, а захватывается растущими дендритами.

Данная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации, при финансовой поддержке: ФЦП «Физико-химический анализ процессов введения в металлический расплав частиц синтетических карбидов, их распределения и растворения», 2009-2010 гг., (проект №2.1.2/687), ФЦП «Разработка и создание новых высоко-функциональных металло-керамичемических материалов, с задаваемыми свойствами, полученных методами спецметаллургии, предназначенных для нужд авиационной и атомной промышленности», 2010-2011 гг., (проект № 14.740.11.0534), ФЦП «Исследование влияния микро- и нанодисперсных частиц синтетических карбидов на свойства металломатричных композиционных материалов», 2009-2013 гг. (проект №П1416), Российского фонда фундаментальных исследований «Фундаментальные основы конструирования высокофункциональных слоистых композиционных материалов с задаваемым комплексом механических и физических свойств за счет введения мелкодисперсных фаз с различной удельной плотностью» 20122014 гг. (проект № 12-08-00896), а также работа поддержана научными грантами студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области 2011 и 2012 гг. губернатора Челябинской области и научного гранта студентов.

Объект исследования. Объектом исследования являются центробежно-литые стальные заготовки, имеющие в своей структуре дисперсные частицы карбидов, введенных при разливке стали.

Предмет исследования. Предметом исследования является процесс введения в металлический расплав дисперсных частиц, их распределения в формируемой заготовке, а также влияние на структуру и механические свойства.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Для решения поставленных задач использовались эмпирические и теоретические методы исследования, базирующиеся на фундаментальных положениях теории кристаллизации стали, теории введения дисперсных частиц в расплавы, законов гидростатики. В процессе описания распределения частиц были использованы численные методы решения уравнений, в частности, метод конечных элементов, методы математического и компьютерного моделирования. Для теоретического изучения процессов взаимодействия вводимых дисперсных частиц и жидкого металла была использована теория регулярных растворов.

Научные положения, выносимые на защиту.

- результаты моделирования распределения дисперсных частиц по объему кристаллизующейся заготовки при разливке на машине центробежного литья, для конкретных технологических параметров, таких как скорость вращения изложницы, начальная температура разливки и количество вводимых частиц;

- установленные автором термодинамические параметры, позволяющие моделировать фазовые равновесия, реализующиеся в системе Ре-С-\У в диапазоне температур 1800-2200°К;

- экспериментальное исследование распределения дисперсных частиц в объеме закристаллизовавшихся центробежно-литых стальных заготовок и его сравнение с результатами моделирования;

- результаты комплексного исследования влияния введенных дисперсных частиц на механические свойства полученных заготовок.

Научная новизна работы.

Впервые осуществлен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, посвященный разработке способа получения градиентной дисперсно-упрочненной стали, моделированию распределения вводимых частиц, процессов взаимодействия с жидким металлическим расплавом, а

также влияние вводимых частиц на физико-механические свойства получаемых центробежно-литых заготовок;

- предложена методика прогнозирования распределения дисперсных частиц по объему кристаллизующейся заготовки в зависимости от плотности и дисперсности вводимых частиц, скорости вращения и размеров изложницы, температуры расплава и т.д.;

- определены значения модельных термодинамических параметров, позволяющие моделировать фазовые равновесия, реализующиеся в системе Ре-С-\¥ в диапазоне температур 1800-2200°К;

- показано, что увеличение количества вводимых частиц (свыше 2,4% от массы заготовки), не приводит к увеличению концентрации частиц в поверхностных слоях, а приводит к увеличению протяженности карбидного слоя от внешней стороны к внутренней;

- установлено, что увеличение концентрации дисперсных частиц в поверхностных слоях центробежно-литой заготовки до 5,1 шт./мкм позволяет увеличить предел прочности на 36-38%, ударную вязкость на 2325% и износостойкость на 29-31 %.

Практическая ценность.

Предложен новый «способ градиентного упрочнения центробежно-литых стальных заготовок путем введения в кристаллизующийся расплав, в условиях вращения ванны, дисперсных упрочняющих частиц. Разработанный способ позволяет получать металл с градиентными механическими свойствами вдоль радиуса, что создает возможности его применения в различных областях техники.

Область применения результатов.

Предложенный способ получения градиентных металлов универсален в плане его применения на предприятиях, специализирующихся на выпуске металлопродукции, деталей машин и механизмов, что обусловлено его сравнительно легким внедрением в существующее производство. Многообразие дисперсных частиц, их физико-химических и механических

свойств, а также возможность варьировать скоростью вращения горизонтальной изложницы, создают предпосылки для получения новых дисперсно-упрочненных материалов, с такими свойствами, которые необходимы в каждом конкретном случае.

Реализация результатов работы.

Результаты работы приняты для использования:

-в учебном процессе филиалом Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте на кафедре «Общая металлургия» при чтении лекций и подготовке студентов по дисциплине «Разливка и формирование структуры слитка», «Моделирование процессов и объектов в металлургии»;

- в промышленном процессе производства отливок ЗАО «ЗЛЗ -Металласт» (г. Златоуст).

Внедрение подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы.

В полном объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Общая металлургия» филиала Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте и на расширенном заседании кафедр «Физическая химия» и «Металлургия и литейное производство» Южно-Уральского государственного университета.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе:

- на XXIX всероссийской конференции «Наука и технологии» (г. Миасс, 2009 г.);

- на международных конференциях «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2009 и 2011 гг.);

- на XIV международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2010 г.);

- на международной конференции «Нанотехнологии функциональных материалов» (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010 и 2012 гг.);

- на международной конференции «XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (г. Волгоград, 2011 г.);

- на VI международной конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Караганда, КГИУ, 2011 г.);

- на международной научно-технической конференциии «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России» (г. Москва, ВИАМ, 2012 г.);

Публикации.

Содержание работы отражено в 19 печатных публикациях по теме исследования. Их них: 6 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, три из которых переведены и изданы за рубежом, 9 статей сборниках и трудах международных конференций; в том числе в процессе работы было получено 4 патента на изобретение по теме исследования: №№ 2376105, 2381087, 2443505, 2457920.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 160 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 18 таблиц, 3 приложения, список используемой литературы из 130 наименований.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Аникеев, Андрей Николаевич

4.5 Выводы по главе 4

1. Экспериментально подтверждены результаты термодинамического моделирования: дисперсные частицы взаимодействуют с раствором на основе железа. Взаимодействие идет по химической связи, через растворение карбидов, что облегчает взаимодействие вводимых карбидов и расплава, поэтому целесообразно увеличивать скорость разливки, чтобы ограничить время взаимодействия вводимых карбидов и жидкого расплава.

2. Исследование макроструктур полученных заготовок показало, что введение дисперсных частиц карбидов не влияет на возникновение каких-либо дефектов кристаллической структуры: во всех образцах отсутствуют раковины, рыхлости, расслоения и трещины.

3. С увеличением количества вводимых дисперсных частиц происходит диспергирование структуры заготовок: в заготовках без дисперсных частиц карбидов размер дендритных ячеек колеблется от 156 мкм (во внутренних поверхностных слоях) до 48 мкм (во внешних поверхностных слоях), в то время как в заготовках с максимальным содержанием дисперсных частиц размер дендритных ячеек колеблется от 25,5 мкм (во внутренних поверхностных слоях) до 15,5 мкм (во внешних поверхностных слоях).

4. Концентрация введенных дисперсных частиц неодинакова в различных слоях различных заготовок: наибольшая концентрация дисперсных частиц наблюдается в заготовке №8 (5,1 шт./мкм на внешней

129

2 2 стороне, 3,5 шт./мкм в середине и 2,8 шт./мкм на внутренней стороне) и №7

2 2 2 (5,1 шт./мкм на внешней стороне, 2,6 шт./мкм в середине и 0,5 шт./мкм на внутренней стороне). Остальные заготовки содержат карбиды вольфрама

2 2 только на внешней стороне: №6 - 2,8 шт./мкм , №4 - 2,5 шт./мкм , №3 - 0,6

О О шт./мкм , №2 - 0,4 шт./мкм . Изображения исходных частиц, микроструктуры и спектры частиц в полученных заготовках показаны на рис. 6 (а, б).

5. При исследовании микроструктуры заготовок не было обнаружено введенных в металл карбидов кремния. Вероятно, карбиды кремния при взаимодействии с металлическим расплавом трансформировались в оксиды кремния, которые были обнаружены как во внешних, так и во внутренних слоях в виде скоплений и цепочек.

6. Исследование изменения химического состава по сечению заготовок показало, что введение дисперсных тугоплавких частиц вызывает ликвацию в полученном материале: наблюдается повышенное содержание углерода, вольфрама и кремния во внешних поверхностных слоях заготовок, содержащих дисперсные частицы.

7. Установлено, что увеличение концентрации дисперсных частиц \УС в поверхностных слоях центробежно-литой заготовки до 5,1 шт./мкм позволяет увеличить предел прочности на 36-38%, ударную вязкость на 2326% и износостойкость на 29-34 %.

ГЛАВА 5. Подтверждение эффективности применения дисперсноупрочненных металлов

Сложно оценить степень важности в современном мире таких отраслей, как металлургия, машиностроение, космическое и авиастроение. Развитие всех этих отраслей требуют все больше материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, способными работать в условиях повышенного износа, при высоких температурах и нагрузках. Традиционным путем повышения физико-химических и механических свойств является легирование металла, создание покрытия или слоя какого-либо элемента с заданными свойствами, обработка давлением, термическая обработка. Большинство методов создания металлических материалов с повышенными свойствами достаточно дороги: либо для их производства требуется значительное количество дорогостоящих легирующих элементов, либо для их создания требуется дорогостоящее узкоспециализированное оборудование. К тому же зачастую, следствием выхода из строя той или иной детали, являются значительные убытки предприятия, складывающиеся из брака, простоя оборудования на замену детали и т.д. Таким образом, в настоящее время существует потребность в материалах, обладающими высокими физико-химическими и механическими свойствами, и при этом достаточно экономичными в производстве. Такими материалами могут сталь дисперсно-упрочненные материалы.

В термокалибровочном цехе ОАО «Златоустовский металлургический завод» используется станок фирмы «Кизерлинг» (ФРГ) (рис. 61). Станок предназначен для правки, обточки и окончательной правки прутков одновременно с полированием, что происходит с помощью правильно-полировальных роликов. Правильно-полировальные ролики устанавливаемые в обрабатывающую головку станка (рис. 62), подвергаются значительным подвергаются значительному износу, вследствие значительных трибологических нагрузок.

Рисунок 61 - Станок фирмы «Кизерлинг» (ФРГ)

Рисунок 62 - Обрабатывающая головка станка фирмы «Кизерлинг» (ФРГ)

Из полученного градиентного дисперсно-упрочненного карбидами вольфрама металла были изготовлены правильно-полировальные ролики (рис. 63) и установлены в обрабатывающую головку станка.

Рисунок 63 - Правильно-полировальные ролики станка фирмы «Кизерлинг»

ФРГ)

Исследование показало, что стойкость роликов, полученных согласно разработанному способу в 1,5 раза выше, чем у стандартных.

Металл, полученный согласно предлагаемому способу, также прошел апробацию на ООО «Златоустовский литейный завод Метапласт» - ведущее предприятие на Урале по производству жаростойких и износостойких точных отливок из высоколегированных марок стали и сплавов с помощью уникального способа литья.

Завод оснащен современным технологическим оборудованием, приборами для входного контроля исходных материалов, операционного контроля изготовления литейных форм, термической обработки и приёмки готовой продукции.

В числе прочего, на данном предприятии работает оборудование, детали которого подвергаются значительным нагрузкам. К таким деталям относятся звездочки натяжного и приводного вала элеватора Ц0-200. ЦО

200 относится цепным тихоходным элеваторам с сомкнутыми ковшами, предназначенный для перемещения насыпных грузов (пылевидных, зернистых / кусковых грузов цемента, химикатов, песка и т.п.), на предприятиях химической, металлургической и машиностроительной промышленности (в литейных цехах), в производстве строительных материалов и огнеупоров, в зернохранилищах, пищевых комбинатах и т.п. Элеватор используют только для подъема грузов от начального до конечного пункта без промежуточной загрузки и разгрузки. На ООО «ЗЛЗ - Металласт» данный элеватор применяется для передачи горячего формовочного песка из-под выбивной решетки в пескоохладитель.

Согласно прилагаемым чертежам (Приложение Б), из градиентного дисперсно-упрочненного металла были изготовлены звездочки натяжного и приводного вала элеватора. Звездочки были установлены в элеватор и использовались в течении 120 рабочих смен, что в 1,6 раза превышает срок службы ранее используемых звездочек на приводном валу элеватора и в 1,8 раза превышает срок службы ранее используемых звездочек на натяжном валу элеватора. Остановка агрегата и замена шестерней была произведена по причине износа зубьев звездочки, установленной на приводном валу элеватора.

Замена стандартных шестерней на изготовленные из дисперсно-упрочненного материала позволила увеличить время работы указанных деталей в 1,6-1,8 раза. При этом уменьшение простоев элеватора, вызванных необходимостью замены звездочек составило 16 часов в квартал. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения шестерней из градиентного материала составил 176 тыс.рублей. Внедрение в производство подтверждено актом внедрения (Приложение В).

Заключение

Развитие таких отраслей, как аэрокосмическая техника, авиация, ядерная энергетика, оборонная и добывающая промышленность, машиностроение, электроника и электротехника - ни одно из этих производств сегодня не может обойтись без использования металлических материалов с повышенными механическими свойствами, способными работать в условиях высоких нагрузок. Дисперсное упрочнение - это тот инструмент, который, по мнению автора, способен успешно решать поставленные задачи по обеспечению металлов уникальными свойствами. В то же время, обеспечивать весь объем получаемого изделия представляется экономически нецелесообразно, поскольку в подавляющем большинстве случаев, повышенные механические свойства требуются только от поверхностных слоев детали, так как именно они подвергаются наибольшим нагрузкам.

В процессе выполнения данной работы был выполнен литературный обзор, в котором показано, что среди существующих методов получения дисперсно-упрочненных материалов можно выделить следующие: введение дисперсных частиц в слиток на стадии разливки сверху; введение дисперсных частиц в металл при непрерывной разливке; введение дисперсных частиц в металл при вытягивании заготовки в направлении обратном гравитационному полю; введение дисперсных частиц при центробежном электрошлаковом литье. Вышеперечисленные методы позволяют получить дисперсно-упрочненные материалы, однако управление распределением дисперсными частицами по объему кристаллизующегося металла практически невозможно, поэтому сложно прогнозировать, какие свойства будет иметь металл.

Таким образом, задачей диссертационного исследования являлась разработка нового, сравнительно простого способа получения дисперсно-упрочненного металла, обеспечивающего возможность введения дисперсных частиц в расплав, прогнозируемое распределение введенных частиц в объеме металла, а также возможность управлять процессом распределения дисперсными частицами.

В рамках выполнения работы был предложен способ введения дисперсных частиц карбидов в кристаллизующийся расплав при разливке металла на машине центробежного литья [103]. Введение частиц в расплав в поле действия центробежных сил обеспечивает возможность влиять на распределение частиц, путем подбора определенной плотности частиц (отличной от плотности металла), а также варьируя такими параметрами, как скорость вращения, материал и размеры изложницы, начальная температура расплава, скорость разливки метал и т.д. Многообразие дисперсных частиц, их физико-химических и механических свойств, а также возможность изменять различные технологические параметры, создают предпосылки для получения новых дисперсно-упрочненных материалов. Свойства получаемого материала будут определяться типом дисперсных частиц, их концентрацией, дисперсностью, фракционным составом. То есть предлагаемый способ создает предпосылки для создания совершенно новых градиентных металлов, свойства которых, в перспективе, можно будет задавать еще на стадии проектирования деталей.

Для прогнозирования распределения частиц в объеме кристаллизующегося расплава, был синтезирован комплекс систем уравнений, граничных и начальных условий, учитывающий такие параметры, как размеры, плотности и количества вводимых частиц, начальные температуры воздуха и расплава, размеры получаемой заготовки и др. С помощью синтезированного комплекса, в программном пакете ANS YS FLUENT 12.0 проведены моделирования процессов распределения частиц с изменением количества и комбинаций вводимых частиц. Моделирование показало, что при совместном введении частиц, имеющих различные плотности, наблюдается преимущественное накопление частиц во внешнем поверхностном слое (для частиц с плотностью большей плотности расплава), либо во внутреннем поверхностном слое (для частиц с плотностью меньшей плотности расплава). Однако, при увеличении количества вводимых частиц вольфрама (2,4% от массы заготовки и более), распределение частиц происходит ограниченно: во внешних поверхностных слоях располагается до 62% введенных частиц, 31% в середине заготовки, остальные - во внутренних поверхностных слоях.

Так как вводимые в расплав твердые тугоплавкие частицы в большей или меньшей степени будут взаимодействовать с расплавом, в процессе выполнения работы были определены реакции, протекающие между вводимыми частицами и расплавом, а также степень взаимодействия тугоплавкой керамической фазы с металлическим расплавом. На основании полученных данных были построены изотермическое сечение диаграммы тройной системы Бе-С-\\^ при 1900°К и поверхность растворимости компонентов в металле этой системы, в диапазоне температур 1800°-2200°К. Определены значения термодинамических параметров, позволяющие моделировать фазовые равновесия, реализующиеся в системе Ре-С-\¥, которые могут быть использованы при создании моделей более сложных систем, имеющих практическое значение.

Для проверки результатов произведенных расчетов, на уникальном оборудовании проведены эксперименты по изучению взаимодействия дисперсных частиц карбидов и металлического расплава. Исследование подтвердило результаты термодинамического моделирования: дисперсные частицы взаимодействуют с раствором на основе железа, что облегчает взаимодействие вводимых карбидов и расплава, поэтому целесообразно увеличивать скорость разливки, чтобы ограничить время взаимодействия вводимых карбидов и жидкого расплава.

С целью проверки результатов моделирования распределения частиц согласно разработанному способу, была проведена серия плавок по получению градиентного дисперсно-упрочненного металла. Полученные литые заготовки были исследованы на степень распределения частиц по сечению, изменение макро- и микро-структуры, химического состава, а также механических свойств в различных сечениях.

Исследование макроструктур полученных заготовок показало, что введение дисперсных частиц карбидов не влияет на возникновение каких-либо дефектов кристаллической структуры: во всех образцах отсутствуют раковины, рыхлости, расслоения и трещины.

Исследование микро-структур показало, что с увеличением количества вводимых дисперсных частиц происходит диспергирование структуры заготовок: в заготовках без дисперсных частиц карбидов размер дендритных ячеек колеблется от 156 мкм (во внутренних поверхностных слоях) до 48 мкм (во внешних поверхностных слоях), в то время как в заготовках с максимальным содержанием дисперсных частиц размер дендритных ячеек колеблется от 25,5 мкм (во внутренних поверхностных слоях) до 15,5 мкм (во внешних поверхностных слоях).

При оценке распределения введенных частиц было выявлено, что концентрация введенных дисперсных частиц неодинакова в различных слоях различных заготовок: наибольшая концентрация дисперсных частиц

2 ' 2 наблюдается в заготовке №8 (5,1 шт./мкм на внешней стороне, 3,5 шт./мкм

2 2 в середине и 2,8 шт./мкм на внутренней стороне) и №7 (5,1 шт./мкм на

2 2 внешней стороне, 2,6 шт./мкм в середине и 0,5 шт./мкм на внутренней стороне). Остальные заготовки содержат карбиды вольфрама только на внешней стороне: №6 - 2,8 шт./мкм2, №4 - 2,5 шт./мкм2, №3 - 0,6 шт./мкм2,

2 - 0,4 шт./мкм2. Изображения исходных частиц, микроструктуры и спектры частиц в полученных заготовках показаны на рис. 6 (а, б). При исследовании микроструктуры заготовок не было обнаружено введенных в металл карбидов кремния. Вероятно, карбиды кремния при взаимодействии с металлическим расплавом трансформировались в оксиды кремния, которые были обнаружены как во внешних, так и во внутренних слоях в виде скоплений и цепочек.

Исследование изменения химического состава по сечению заготовок показало, что введение дисперсных тугоплавких частиц вызывает ликвацию в полученном материале: наблюдается повышенное содержание углерода, вольфрама и кремния во внешних поверхностных слоях заготовок, содержащих дисперсные частицы.

В результате оценки механических свойств полученных заготовок было выяснено, что увеличение концентрации дисперсных частиц WC в поверхностных слоях центробежно-литой заготовки до 5,1 шт./мкм позволяет увеличить предел прочности на 36-38%, ударную вязкость на 2326%, износостойкость на 29-34 %, твердость на 30-33%.

Металл, полученный согласно предлагаемому способу, прошел и промышленную апробацию: из него были выточены правильно-полировальные ролики, а также звездочки приводного и натяжного вала элеватора. Испытания показали, что стойкость металла, полученного согласно предлагаемому методу в 1,5-18 раза выше, чем у стандартного, что дало суммарный годовой экономический эффект 176 тыс. руб., что подтверждено актами внедрения (Приложение В).

Таким образом, по всей проделанной работе можно сделать следующие выводы:

1. Предложена методика прогнозирования распределения дисперсных частиц в объеме получаемого металла при конкретных технологических параметрах, таких как скорость вращения изложницы, начальная температура разливки.

2. Получены модельные термодинамические параметры, позволяющие моделировать фазовые равновесия, реализующиеся в системе Ре-С-\¥ в диапазоне температур 1800-2200°К.

3. Определено, что концентрация введенных дисперсных частиц неодинакова в различных сечениях различных заготовок, что является причиной ликвации в полученном металле: наблюдается повышенное содержание углерода, вольфрама и кремния во внешних поверхностных слоях заготовок, содержащих дисперсные частицы.

4. Экспериментально определено, что введение дисперсных частиц в количестве свыше 2,4% (от массы заготовки) не приводит к увеличению концентрации в поверхностных слоях, а приводит к увеличению протяженности карбидного слоя от внешней стороны к внутренней.

5. Получены зависимости механических свойств (предела прочности, ударной вязкости и износостойкости) от концентрации частиц: при увеличении концентрации частиц наблюдается увеличение механических свойств металла.

6. Разработан способ получения градиентной дисперсно-упрочненной стали, обеспечивающий возможность управления распределением вводимыми частицами по сечению формируемой заготовки и позволяющий обеспечить металл механическими свойствами, которые изменяются вдоль радиуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аникеев, Андрей Николаевич, 2013 год

Библиографический список

1. Na, К.S. Optimization of volume fractions for functionally graded panels considering stress and critical temperature / K.S. Na, J.H. Kim, Composite structures, 2009 - vol. 89(4), pp. 509-516

2. Лазарев, А.Л. Исследование свойств функционально-градиентных материалов и конструкций на их основе: дис. канд. техн. наук / А.Л. Лазарев. -Саранск, 2000.- 164 с.

3. Раковский В. С., Саклинский В. В., Металлокерамика в машиностроении. - М., 1956;

4. Перевислов, С. Н. Технология и свойства твердых сплавов на основе WC, модифицированных сложными карбонитридами переходных металлов IV группы и вольфрама: учебное пособие / С. Н. Перевислов. - Санкт-Петербург: Код специальности ВАК: 05.17.11. - 150 с.

5. Путинцева, M. Н. Исследование процесса электроэрозионного диспергирования вольфрамо-кобальтовых твёрдых сплавов: дисс. кандидата технических наук / M. Н. Путинцева. - 2003.- 158 с.

6. Гуревич, Ю.Г. Металлурги изобретают / Ю.Г. Гуревич. - Москва: Металлургия, 1990. - 46 с.

7. Конструкционные материалы / под ред., Б. Н. Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990., Скороход В.В. Порошковые материалы на основе тугоплавких металлов и соединений. - К.: Техника, 1982. - 167 с.

8. Храмцов, В.Д. О плотности укладки частиц в смесях порошков разной дисперсности / В.Д. Храмцов // Известия ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2008. - № 1. - С. 9-16.

9. Либенсон, Г.А. Процессы порошковой металлургии. В 2-х т. Т.2. Формование и спекание / Г.А. Либенсон. - М.: МИСиС, 2002. - 200 с.

10. Маслюк, В.А. Упрочнение быстроизнашивающихся поверхностей безвольфрамовыми твердыми сплавами и карбидсодержащими сталями / В.А. Маслюк, Г.А. Баглюк, С.Г. Напара-Волгина - М.: Упрочняющие технологии и покрытия, 2007. - № 1. - С. 42^17.

11. Севостьянова, И.Н. Структурно-фазовое состояние связки и поведение при трении композитов WC-(Fe-Mn-C) / И.Н. Севостьянова, Н.Л. Савченко, С.Н. Кульков. - М.: Металлургия, 2005. - № 2. - С. 377-384.

12. Акимов, В.В. Исследование триботехнических свойств твердосплавных композиционных материалов на основе TiC со связующей фазой TiNi /В.В. Акимов / Трение и износ, 2005. - № 2. - С. 197-199.

13. Смирнов, Н.И. Исследование износостойкости твердого сплава, модифицированного нано добавками / Н.И. Смирнов, М.В. Прожега, Н.Н. Смирнов / Трение и износ, 2007. - № 5. - С. 465-470.

14. Saito, Н. Effect of Со content and WC grain size on wear of WC cemented carbide / H. Saito. - 2006. - № 2. - P. 126-132.

15. Allen, C. The wear of ultrafine WC-Co hard metals / C. Allen. - 2001. -P. 604-610.

16. Shipway, P. Dependens of microscale abrasion mehanism of WC-Co hardmetals on abrasion type / P. Shipway. - 2005. - P. 44-51.

17. Опыт применения наноразмерных порошков в технологии твердых сплавов / Н.И. Борисенко, В.А. Молдавер, А.К. Лебедев, Н.В. Кобзаров // Материалы VI Всероссийской международной конференции, Томск. -М.:МИФИ. - 2002. - С. 339-340.

18. Григорович, В. К. Дисперсионное упрочнение тугоплавких - металлов / В. К. Григорович, Е.Н. Шефтель. - 1980. - 370 с.

19. Свистун, Л.И. Карбидостали конструкционного назначения: изготовления, свойства, применение. / Л.И. Свистун // Известия ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2009. - № 3. - С. 41-50.

20. Наименование документа: ГОСТ 17359-82. Тип документа:стандарт Статус документа:действующий Название рус.:Порошковая металлургия. Термины и определения Название англ.:Powder metallurgy. Terms and definitions Дата актуализации текста: 12.02.2012 Дата введения:01.07.1983 Дата актуализации описания:12.02.2012 Кол-во страниц в основном тексте

документа:20 шт. Взамен:ГОСТ 17359-71 Дата издания: 10.08.1982 Переиздание: Дата последнего изменения: 18.05.2011

21. Гуревич, Ю.Г. Карбидостали / Ю.Г. Гуревич, В.К. Нарва, Н.Р. Фраге. -М.: Металлургия, 1988. - 144 с.

22. Кюбарсепп, Я. Твердые сплавы со стальной связкой / Я. Кюбарсепп. - Таллинн: Валгус - ТТУ, 1991. - 164с.

23. Ferro-Titanit. -//http://www.ferro-titanit.com/wear-parts.html

24. Ferro-TiC Steel Bounded Carbides. - //http:// www.ferro-tic. com/en/home/- 8k.

25. Пломодьяло, P. JI. Получение износостойкой порошковой карбидостали на основе быстрорежущей стали и карбида титана методом горячей штамповки: автореферат кандидата / Р. Л. Пломодьяло. -Специальность ВАК: 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы, 2008. - 24 с.

24. Пат РФ 49476 Технологическая линия для производства шихты из дисперсных порошков для карбидосталей / Л.И. Свистун, Л.Г. Пломодьяло, Р.Л. Пломодьяло и др., 2005.

27.Свистун, Л.И. Износостойкие спеченные материалы «металл-карбид титана» / Л.И. Свистун. - Учеб. Пособие Краснодар: КубГТУ, 2007. - 92 с.

28. Свистун Л. И. Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей конструкционного назначения: АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Л. И.Свистун. - Ульяновск, 1990. - С. 12-14.

29. Зубкова, В.Т. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент: техника и технология его изготовления / В.Т. Зубкова. - Сб. науч.тр. Киев: ИСМ НАН Украины, 2004. - № 7. - С. 267-271.

30. Баглюк, Г.А. Научно-технические принципы получения изделий из порошковых материалов на основе гетерогенных железоуглеродистых сплавов с повышенной износостойкостью: Дис. докт.техн.наук / Г.А. Баглюк. - Киев: ИМП НАН Украины, 2004. - 482 с.

31. Солнцева, Ю.П. Металлы и сплавы: справочник / Ю.П.Солнцева. НПО "Профессионал", НПО «Мир и семья». - Санкт-Петербург, 2003.

32. Симе, Ч.Т. Суперсплавы II Жаропрочные материалы для аэрокосмическйх и промышленных энергоустановок Кн1/ Симе. 1995.-384 с.

33. High-Temperature Alloys. Metallurgical Problems of Gas Turbine Components. FLIGHT, October 30th, 1947. - 500 p.

34. Griffiths, W.T. Aircraft Production / W.T. Griffiths. - 1947. - v. 9. -№ 110. - P. 444-447.

35. Кукареко, В. А. Субмикроскопическая структура и ее роль в формировании физико-механических свойств дисперсионно-упрочненных материалов на никелевой и железной основах / В. А. Кукареко. - Минск, 2004.-471 с.

36. Лебедева, Н. В. Повышение стойкости инструмента для прессования труднодеформируемых цветных сплавов из сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации / Н. В. Лебедева. - Санкт-Петербург, 2005. - 166 с.

37. Политико, А. С. Влияние технологии на структуру и механические свойства алюминиевых сплавов с повышенным содержанием переходных металлов / А. С. Политико. - 2000. - 191 с.

38. Келли, А. Дисперсионное твердение / А. Келли, Р. Никлсон. - М.: Металлургия, 1965. - 300 с.

39. Буйнов, Н.Н. Распад металлических пересыщенных твердых растворов / H. Н. Буйнов, Р. Р. Захарова. - М.: Металлургия, 1964. - 143 с.

40. Солнцев, Ю.П. Материаловедение:Учебник для вузов. / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. - Изд.4-е, перераб. И доп. - СПб.: Химиздат, 2007. - 784 с.

41. Галль, Н. Р. Поверхностные процессы и соединения при взаимодействии атомов неметаллов с тугоплавкими металлами / Н. Р. Галль. -2001.-329 с.

42. Демяшев, Г. М. Закономерности формирования структуры тугоплавких металлов, карбидов и нитритов, химически осажденных из газовой фазы / Г. М. Демяшев - 1985. - 239 с.

43. Бурков, П. В. Структурообразование, фазовый состав и свойства твердосплавных материалов на основе карбида титана / П. В Бурков. - 2009. -369 с.

44. Некрасова, Т. В. Дисперсионноупрочняемые экономнолегированные низкоуглеродистые мартенситные стали повышенной технологичности в машиностроении / Т. В Некрасова. - 2001. - 167 с.

45. Хачин, С. В. Мартенситные превращения в интерметаллидах титана и функциональные свойства памяти формы и сверхэластичности / С. В. Хачин.-2008.- 120 с.

46. Гольдштейн, М.И. Дисперсионное упрочнение стали / М.И. Гольдштейн, В.М. Фарбер. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.

47. Морозова, Е. И. Исследование и разработка высокопрочных коррозионностойких экономнолегированных сталей со структурой высокоазотистого аустенита и мартенсита для изделий машиностроения и медицины / Е. И. Морозова. -1999. - 149 с.

48. Мартин, Дж. Микромеханизмы дисперсионного твердения сплавов / Мартин, Дж; пер. с англ. - М.: Металлургия, 1983. - 166 с.

49. Решетников, С. А. Введение дисперсных карбидов в жидкий металл при кристаллизации непрерывнолитого слитка и их распределение в металлической матрице / С. А. Решетников. - 1999. - 104 с.

50. Косицына, И. И. Закономерности формирования структуры и свойств высокопрочных аустенитных сталей разных систем легирования с карбидным упрочнением / И. И. Косицына. - 2004. - 259 с.

51. Новиков, В. И. Исследование и разработка высокопрочных коррозионностойких сталей с регулируемым мартенситным превращением для паяно-сварных узлов криогенной техники / В. И.Новиков. - 2003. - 118 с.

52. Сюзева, Е. Б. Отпуск конструкционных сталей со структурой низкоуглеродистого мартенсита / Е. Б. Сюзева. - 2000. - 155 с.

53. Григорович, В.К. Дисперсионное упрочнение тугоплавких металлов / В.К. Григорович, Е.Н. Шефтель. - 1988. - 296 с.

54. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. -С.1969-1978.

55. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: Учебник для вузов. / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. - Изд.4-е, перераб. И доп. - СПб.: Хим. издат. 2007. - 784 с.

56. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин. - 1990. - 528 с.

57. Решетников, С. А. Введение дисперсных карбидов в жидкий металл при кристаллизации непрерывнолитого слитка и их распределение в металлической матрице / С. А. Решетников. - 1999. - 104 с.

58. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров,

A.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков, и др. - Новосибирск: Сибирская издательская фирма РАН. - 1995. - 344 с.

59. Калинина, А. П. Структурообразование при охлаждении жидких металлов, содержащих ультрадисперсные частицы / А. П. Калинина. - 1999. -102 с.

60. Елагин, В.И. Конструкционные наноструктурные сплавы на алюминиевой основе / В.И. Елагин. - 2008. - № 2. - С. 6-20.

61. Кайгородова, Л. И. Влияние степени дисперсности кристаллической структуры на распад пересыщенного твердого раствора многокомпанентного алюминийлитиевого сплава / Л. И. Кайгородова, В.П. Пилюгин. - 2008. -№ 3. - С. 180-185.

62. Структура и свойства слоистых титано-алюминиевых композитов упрочненных частицами интерметаллидов / Л.М. Гуревич, Ю. П. Трыков,

B. Н. Арисова и др. - 2009. - № 3. - С. 5-11.

63. Перспективы создания литейных композиционных материалов типа Al, А1203, Si02 / В. В. Стацура, В. В. Леонов, Л. И. Мамина, и др. - 2003. -№2.-С. 11-12.

64. Семенов, Б. И. Освоение композитов путь к новому уровню качества материалов и отливок / Б. И. Семенов // Литейное производство. -2000. - № 8. - С. 6-9.

65. Шумихин, В. С. Композиционные сплавы на основе алюминия / В. С. Шумихин, А. К. Билецкий, А. А. Щерецкий // Литейное производство. 1992.-№9. -С. 13-14.

66. Черепанов, А.И. Получение литейного композиционного материала на основе алюминия, упрочненного дисперсными частицами / А.И. Черепанов. - 2004. - 162 с.

67. Lloyd, D. J. Particle Reinforced Aluminium and Magnesium Matrix Composites / D. J. Lloyd. - International Materials Reviews, 1994. - P. 1-23.

68. Калинина, А. П. Структурообразование при охлаждении жидких металлов, содержащих ультрадисперсные частицы / А. П. Калинина. - 1999. -102 с.

69. Неупокоева, И. В. Термодинамический анализ условий стабильности структуры двухфазной системы металлическая матрица-дисперсные частицы при воздействии высоких температур / И. В. Неупокоева. - 2004. - 125 с.

70. Шиганов, И.Н. Разработка научных основ технологии сварки плавлением дисперсно-упрочненных металлических композиционных материалов / И.Н. Шиганов. - 1999. - 386 с.

71. Повышение конструкционной прочности литой стали модифицированием дисперсными порошками / С.А. Гузенков, Д.Н. Федоров, Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк. - Сталь, 2010. - №3. - С. 101-103.

72. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали / В.А. Кудрин. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - 528 с.

73. Электрометаллургия стали и ферросплавов / Д.Я. Поволоцкий, В.Е.Рощин, М.А. Рысс и др. - М.: Металлургия, 1974. - 551 с.

74. Пат. 2311257 «Способ производства слитков и устройство для его осуществления» / С. А. Гузенков, Д. Н. Федоров. - № С1 В 22D7/00 B22D27/04; заявл. 2006128126/02, 02.08.2006; опубл. 27.11.2007.

75. Перспективные технологии модифицирования металла нанопорошковыми инокуляторами / Е.В. Протопопов, В.П. Комшуков, J1.A. Ганзер, Д.Б. Фойг. - ОАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия», 2011. - № 6. - С. 39-43.

76. Исследование влияния нанопорошковых модификаторов на качество сортовой заготовки / В.П. Комшуков, А.Н. Черепанов, Е.В. Протопопов, Д.Б. Фойг и др. - ОАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия», 2009. -№2.-С.312

77. Комшуков, В. П. Разработка и совершенствование тепловых режимов формирования слитка для повышения качества сортовой заготовки / В. П. Комшуков. - 2009. - 177 с.

78. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывнолитой заготовки / В.П. Комшуков, А.Н. Черепанов, Е.В. Протопопов и др. // Известия ВУХов. Черная металлургия, 2010. - № 8. - 57 с.

79. Тот, JI. Карбиды и нитриды переходных металлов / J1. Тот; пер. с англ. - М.: Мир, 1974. - 294 с.

80. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. - Д.: Химия, 1977. - 66 с.

81. Пат. 2080206 Способ непрерывного литья заготовок / И. В.Чуманов, Д.А. Пятыгин, Е. Е. Тельянова, А. Н. Аникеев. - № 2381087С1; заявл. 2007138799/02, 18.10.2007.

82. Повышение износостойкости стали путём ввода карбида титана при кристаллизации слитка / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, Д.А. Пятыгин, Е.Е.Тельянова. -Электрометаллургия, 2008. - № 2. - С. 32-35.

83. Чуманов, И.В. Физико-химический анализ процесса введения дисперсных частиц карбида титана в слиток / И.В. Чуманов, Е.А. Трофимов,

B.И. Чуманов // Современные проблемы электрометаллургии стали. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - С. 79-80.

84. Increasing the wear resistance of steel by the introduction of titanium carbide during solidification DOI: 10.1134/S0036029508070239 / I.V. Chumanov, V.I. Chumanov, D.A. Pyatygin E.E.Tel'yanova // Russian Metallurgy, 2008. - № 7. - P. 647-649.

85. Steel strengthening by a disperse refractory phase during continuous casting DOI: 10.1134/S0036029508080120 / V.I Chumanov, I.V.Chumanov, D.A. Pyatygin E.E. Tel'nova. // Russian Metallurgy, 2008. - № 8. - P. 706-708.

86. Медовар, Б.И. Центробежное электрошлаковое литье / Б.И. Медовар, B.JI. Шевцов, Г.С. Маринский. - Киев: Общество «Знание» УССР, 1983.-48 с.

87. Жеребцов, С.Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцев из стали 08Х18Н10Т / С.Н. Жеребцов, С.В. Фатьянов. - 2006. - № 2. - С. 47-48.

88. Еремин, Е. Н. Новая технология изготовления переходов для соединений труб различных диаметров / Е. Н. Еремин, С. Н. Жеребцов. -2005.-№8.-С. 47—48.

89. Еремин, Е. Н. Применение литых электрошлаковых заготовок взамен поковок при производстве фланцев / Е. Н. Еремин, С. Н. Жеребцов, В. Н. Грицевич. - 2003. - № 8. - С. 43^4.

90. Еремин, Е.Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования / Е.Н.Еремин,

C.Н. Жеребцов. - 2004. - № 3. - С. 15-17 с.

91. Самсонов, Г.В. Тугоплавкие соединения / Г.В. Самсонов, И.М. Виницкий. - М.: Металлургия, 1976. 560 с.

92. Третьяков, В.И. Металлокерамические твердые сплавы. Физико-химические основы производства, свойства и область применения. - М.: Металлургиздат, 1962. 592 с.

93. Уикс, К.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов / К.Е. Уикс, Ф.Е. Блок. - М.: Металлургия, 1965. 240 с.

94. Косолапова, Т.Я. Карбиды / Т.Я. Косолапова- М.: Металлургия, 1968. 300 с.

95. Стормс, Э. Тугоплавкие карбиды / Э. Стормс. - М.: Атомиздат, 1970. 304 с.

96. Войтович, Р.Ф. Тугоплавкие соединения. Термодинамические характеристики / Р.Ф. Войтович. - Киев: Наукова думка, 1971. 220 с.

97. Гольдшмидт, Х.Дж. Сплавы внедрения / Х.Дж. Гольдшмидт. -М.: Мир, 1971. Т. 1. 464 с, Т. 2. 424 с.

98. Самсонов, Г.В. Физическое материаловедение карбидов / Г.В. Самсонов, Т.Ш. Упадхая, B.C. Нешпер. - Киев: Наукова думка, 1974. 456 с.

99. Андриевский, P.A. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе / P.A. Андриевский, И.И. Спивак. - Челябинск: Металлургия, 1989. 368 с.

100. Ивановский, A.JI. Электронное строение тугоплавких карбидов и нитридов переходных металлов / A.JI. Ивановский, В.П. Жуков, В.А. Губанов. -М.; Наука, 1990. 224 с.

101. Гусев, А.И. Нестехиометрия, беспорядок и порядок в твердом теле / А.И. Гусев, A.A. Ремпель. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 580 с.

102. Воробьев, Ю.П. Карбиды в сталях / Ю.П. Воробьев // Известия Челябинского научного центра, 2004. - вып. 2 (23). - 27 с.

103. Патент РФ 2381087 МПК В 22 D 13/02 Способ формирования трубной заготовки №2008128677/02 / В.И. Чуманов, И.В. Чуманов, Д.А.

Пятыгин, P.P. Гарифулин, О.Ю. Вершинина, А.Н. Аникеев /заявл. 14.07.2008.; опубл. 10.02.2010.- 5 е.: ил.

104. Ansys Fluent 12.0 Theory Guide / Ansys Corporation. USA, - 2009. P.

816.

105. Югов, В.П. ANSYS. Решение задач теплообмена / В.П. Югов. Изд-во CADFEM. 2001. 108 с.

106. ANSYS 12. Сборник примеров и описаний работы / Ansys Corporation. USA, 2009. 125 с.

107. Чуманов, И.В. Математическое моделирование распределения упрочняющей фазы при получении центробежно-литых заготовок / И.В. Чуманов, А.Н. Аникеев, В.А. Иванов, В.И. Чуманов / Литейное производство. -2010.- №9. -С. 34-37.

108. Юдин, С.Б. Центробежное литье / С.Б. Юдин, С.Е. Розенфельд, М.М. Левин. - М.: Машгиз, 1972.-360 с.

109. Iron-titanium-cardon system. I. Equlibrium between titanium carbide (TiCx) of varuous stoichimetries and iron-carbon alloys / N. Frage, L. Levin, E. Manor, R. Shneck, J. Zabicky // Scripta Materialia, Vol. 35. - № 7. - 1996, pp. 791-797.

110. High temperature phase equilibria in the Al-rich corner of Al-Ti-C system / N. Frage, N. Frumin, L. Levin et al. // Metall. Mater, 1998.

- № 29.- P. 1341-1345.

111. Darken, L. S. Physical chemistry of metals / L. S. Darken, R. V. Gurry.

- McGraw-Hill, New York. - 1953. - 535 p.

112. Куликов, И.С. Термодинамика карбидов и нитридов: справочник / И. С. Куликов. - Челябинск : Металлургия, 1988. - 320 с.

113. Kaufman, L. Computer Calculation of Phase Diagrams / L. Kaufman, H. Bernstein // Academic Press, New York. - 1970. -185 p.

114. Lupis, C.H.P. Acta Metall / C.H.P. Lupis, J.F. Elliott, 1966. - vol. 14. -pp. 529-538.

115. Steel Composed of a book first-hand data, the Society for Promotion of Science, 19th Committee on steelmaking, New York. - 1988

116. Приборы для определения ударной вязкости / http://www.polgroup.ru/coper.html

117. Автоматический запрессовочный пресс Simplimet 1000: Инструкция по применению Издатель: BUEHLER Дата выпуска: 2009 с.79

118. The mystery of molten metal / N. Sobczak, J. Sobczak, R. Asthana, R. Purgert // Asthana Journal: China Foundry - 2010. - Vol. 7. p. 425-437.

119. Sobczak, N. High-temperature wettability measurements in ceramic-metal systems - some methodological issues / N. Sobczak, M. Singh, R. Asthana // Current Opinion in Solid State Materials Science. 2005. - №9. - p. 241-253.

120. Ленточнопильный станок Ergonomic 320.250 DGH: Инструкция no применению Издатель: BOMAR Дата выпуска: 2008 c.l 12

121. Шлифовально-полировальный станок EcoMet® 250 / 300 Полуавтоматическая насадка AutoMet® 250 / 300: Инструкция по применению Издатель: BUEHLER Дата выпуска: 2009 с. 79

122. Спектрометр эмиссионный «МСА»: Инструкция по применению: Номер инструкции по применению: ПС 4434-013-34303137-07 Дата выпуска: 2009 с.65

123. Автономное устройство очистки и осушки инертных газов Эпишур - А 11 СЛ: Инструкция по применению Издатель: ЗАО «Спектральная лаборатория». Дата выпуска: 2009 с. 13

124. Разрывная машина типа У ТС 110М-50: Инструкция по применению Издатель: Ивновское ОАО «ТОЧПРИБОР» Номер инструкции по применению: Гб 2.773.156 ПС Дата выпуска: 2003 с.121

125. Копер маятниковый типа И0 5003-0,3: Инструкция по применению Издатель: Ивновское ОАО «ТОЧПРИБОР» Номер инструкции по применению: ГБ 2.774.069 ПС Дата выпуска: 2002 с. 136

126. Марочник сталей и сплавов / под ред.заслуженного деятеля науки РФ, д-ра техн. Наук, проф. A.C. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. - 2-ое изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

127. Инвертированный микроскоп Axio Observer МАТ: Инструкция по применению Издатель: Carl Zeiss Microimaging GmbH Номер инструкции по применению: В 46-0122 d Дата выпуска: версия 4-21 .06.2007 с. 136

128. ГОСТ 5639. Издания. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 5 с.

129.Кировоградский завод твердых сплавов. Каталог изделий / Порошкообразные полуфабрикаты / Карбид вольфрама. Соответствие продукта нормативным документам / http://www.kzts.ru/catalog/51

130. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник / В.Г. Воскобойников. - М.: Металлургия, 1989. - 479 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет среднего содержания элементов в каждом сечении заготовок

Заготовка №1

№ п Место определение хим.состава Содержание элементов, %

С Мп ЧУ Бе

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 11,12,13) 0,188 0,304 0,225 0,068 98,92285

0,214 0,297 0,217 0,072 98,92304

0,251. 0,304 0,222 0,067 98,87319

Среднее: 0,217 0,301 0,221 0,069 98,906

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 14,15,16) 0,212 0,309 0,227 0,054 98,9023

0,238 0,303 0,223 0,063 98,89035

0,488 0,306 0,224 0,059 98,63893

Среднее: 0,312 0,306 0,224 0,058 98,810

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 17,18,19) 0,223 0,286 0,200 0,060 98,9106

0,297 0,292 0,209 0,059 ■ 98,8492

0,293 0,313 0,218 0,064 98,82447

Среднее: 0,271 0,297 0,209 0,061 98,861

Заготовка №2

№ п Место определение хим.состава Содержание элементов, %

С Мп 81 \У Бе

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 21, 22, 23) 0,238 0,141 0,379 0,350 98,5691

0,325 0,140 0,559 0,480 98,1854

0,222 0,146 0,352 0,280 98,6912

Среднее: 0,261 0,142 0,43 0,37 98,481

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 24, 25, 26) 0,203 0,139 0,299 0,261 98,7814

0,234 0,145 0,383 0,335 98,5713

0,197 0,141 0,283 0,246 98,8121

Среднее: 0,211 0,141 0,321 0,280 98,721

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 27, 28, 29) 0,211 0,140 0,297 0,258 98,7812

0,248 0,142 0,427 0,364 98,5061

0,213 0,147 . 0,391 0,308 98,629

Среднее: 0,224 0,143 0,371 0,310 98,63

№ п Место определение хим. состава Содержание элементов, %

С Мп 81 Бе

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 31, 32,33) 0,625 0,131 1,081 1,130 96,7488

0,493 0,128 1,032 0,976 97,0809

0,495 0,130 1,055 0,841 97,1870

Среднее: 0,537 0,129 1,056 0,982 97,005

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 34,35,36) 0,537 0,127 0,403 0,377 98,2650

0,322 0,133 0,675 0,637 97,9462

0,600 0,130 0,644 0,535 97,7682

Среднее: 0,486 0,130 0,574 0,516 97,993

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 37, 38, 39) 0,239 0,126 0,42 0,411 98,5161

0,371 0,134 0,703 0,641 97,8586

0,344 0,132 0,651 0,574 98,0097

Среднее: 0,318 . 0,130 0,591 0,542 98,128

Заготовка №4

№ п Место определение хим. состава Содержание элементов, %

С Мп 81 Бе

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 41, 42, 43) 0,644 0,109 1,235 0,904 96,8073

0,787 0,110 1,681 1,434 95,6828

0,684 0,107 1,200 1,030 96,6733

Среднее: 0,705 0,108 1,372 1,122 96,387

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 44, 45, 46) 0,413 0,108 0,816 0,580 97,7864

0,595 0,109 0,776 0,929 97,2996

0,301 0,106 0,632 0,451 98,2080

Среднее: 0,436 0,107 0,741 0,653 97,764

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 47, 48, 49) 0,356 0,105 0,790 0,584 97,8790

0,435 0,118 0,869 0,995 97,840

0,388 0,111 0,799 0,540 97,8409

Среднее: 0,369 0,111 0,794 0,706 97,853

№ п Место определение хим.состава Содержание элементов, %

С Мп 81 XV Бе

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 51, 52, 53) 0,375 0,120 0,224 0,515 98,2142

0,376 0,132 0,232 0,476 98,2041

0,359 0,127 0,230 0,496 98,2213

Среднее: 0,37 0,126 0,228 0,495 98,213

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 54,55,56) • 0,364 0,127 0,226 0,487 98,2355

0,357 0,128 0,230 0,469 98,2496

0,342 0,124 0,223 0,479 98,2624

Среднее: 0,354 0,126 0,226 0,478 98,249

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 57, 58, 59) 0,425 0,126 0,223 0,467 98,1899

0,357 0,129 0,226 0,473 98,2471

0,319 0,124 0,214 0,474 98,3093

Среднее: 0,367 0,126 0,221 0,471 98,248

Заготовка №6

№ Место определение Содержание элементов, %

п хим.состава С Мп 81 Бе

Внешняя 0,453 0,161 0,081 1,175 97,5875

1. поверхность заготовки (пробы 61, 62, 63) 0,486 0,165 0,087 0,931 97,7844

0,473 0,162 0,085 0,784 97,9594

Среднее: 0,470 0,162 0,084 0,963 97,777

Центр заготовки (1/2 0,484 0,158 0,082 0,580 98,1498

2. толщины) (пробы 0,460 0,160 0,086 0,730 98,0164

64, 65, 66) 0,472 0,159 0,082 0,575 98,1755

Среднее: 0,472 0,159 0,083 0,628 98,113

Внутренняя 0,492 0,155 0,081 0,559 98,1749

3. поверхность 0,469 0,161 0,083 0,601 98,1404

заготовки (пробы 67, 68, 69) 0,444 0,154 0,076 0,534 98,2689

Среднее: 0,468 0,156 0,080 0,564 98,194

№ п Место определение хим. состава Содержание элементов, %

С Мп \У Ре

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 71, 72, 73) 0,508 0,127 0,216 2,664 95,9147

0,584 0,126 0,222 2,216 96,2844

0,557 0,131 0,229 2,412 96,1113

Среднее: 0,549 0,128 0,222 2,430 96,103

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробы 74, 75, 76) 0,456 0,129 0,226 0,901 97,7322

0,502 0,134 0,226 1,411 97,1656

0,433 0,128 0,224 1,030 97,6402

Среднее: 0,463 0,130 0,225 1,114 97,512

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 77, 78, 79) 0,632 0,126 0,218 0,875 97,6016

0,476 0,132 0,247 1,142 97,4360

0,551 0,136 0,286 0,908 97,5038

Среднее: 0,553 0,131 0,250 0,975 97,513

Заготовка №8

№ п Место определение хим.состава Содержание элементов, %

С Мп 81 W Ре

1. Внешняя поверхность заготовки (пробы 81, 82, 83) 0,626 0,226 0,160 2,885 95,4335

0,625 0,227 0,160 2,848 95,4756

0,598 0,226 0,160 2,864 95,4863

Среднее: 0,616 0,226 0,160 2,865 95,465

2. Центр заготовки (1/2 толщины) (пробь1 84, 85, 86) 0,657 0,232 0,173 1,720 96,5449

0,558 0,232 0,162 2,208 96,1838

0,698 0,225 0,193 1,602 96,6080

Среднее: 0,637 0,229 0,176 1,843 96,445

3. Внутренняя поверхность заготовки (пробы 87, 88, 89) 0,476 0,226 0,158 1,311 97,1738

0,499 0,227 0,154 1,665 96,8154

0,512 0,230 0,163 1,086 97,3599

Среднее: 0,495 0,227 0,158 1,354 97,116

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Чертежи звездочек приводного и натяжного вала

элеватора

•

\

I

I

I

I 1

1

\/Ш7)

1 'Размеры для справок

2 Материал збездочки - Сталь45. ступицы - Сталь20

3 Зудья шить Ш 40 50

Число зудьеб

Масса

Масштаб

л*доын

Диаметр делительной округжти

Нканто

Капиройап

Формат АЗ

оо

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт внедрения научно-исследовательской работы

_____ щи»..,! >!..—'■' «ммшртэт ■ пин >

СОГЛАСОВАНО Зав. кафелпЪй «Общая металлургия» ша «Юж</о-Уральского государственно итета» в г. Златоусте,

УТВЕРЖДАЮ Исполнительный директор «ЗЛЗ-Метапласт»

к.тм„ проф. Чумаиов В.И.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

научно-исследовательской работы

"Получение градиентных центробежно-литых стальных заготовок путем введения в кристаллизующийся расплав дисперсных частиц карбидов", выполненной в _соответствии с планом НИР завода._

наименование работы

«_»_2012 г. Комиссия в составе представителен

предприятии: исполнительного директора завода Толмачёва Е.В._

должность, ф. и. о.

главного технолога Порсева М.А._

бригадира службы главного механика Самолюкова В.Б._

и представителен Южно-Уральского государственного университета

научного руководителя работ д.т. н.. проф. кафедры «ОМ» Чуманова И.В., исполнителей: к.т.н., проф. кафедры «ОМ» Чуманова В.И., зам. директора по учебной работе Решетников Б.А., аспиранта кафедры «ОМ» Аникеева А.Н._

кафедра, должность, ф. и. о.

составила настоящий акг в том, что на предприятии_________

_ООО «ЗЛЗ-Метапласт» г. Златоуст Челябинской области_

внедрены звездочки натяжного вала и звёздочки приводного вала элеватора

наименование процесса, материала, машины и т. д. 110-200. предназначенною для передачи горячего формовочного песка из-под выбивной решётки в пескоохладитель. Звездочки были изготовлены из экспериментального дисперсно-упрочненного металла марки ст.20.. разлитого на машине центробежного литья._

1. В процессе внедрения выполнены следующие работы:_

1. Из предоставленных градиентных дисперсно-упрочненных заготовок изготовлены звездочки натяжного вала и приводного вала элеватора ЦО-2РО, предназначенного для передачи горячего формовочного песка из-под выбивной решётки в пескоохладитель.

2. Были произведены производственные испытания, путем установки звездочек на натяжной и приводной валы элеватора Ц0-200 и использовались в течении 120 рабочих смен, что в 1.6 раза превышает срок службы ранее используемых звездочек на приводном валу элеватора н в 1.8 раза превышает срок службы ранее используемых звездочек на натяжном валу элеватора.__

3. Остановка агрегата и замена шестерней произведена по причине износа зубьев звездочек приводного вала элеватора._

4. Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований отражены в заводском отчёте по ПИР._

2. Технико-экономнческие показатели внедрения:

1. Градиентный дисперсно-упрочненный материал прошел производственную проверку и изготавливаемые из него звездочки натяжного вала и приводного вала элеватора Ц0-200 используются на заводе._

2. Замена получаемыми -звездочками из экспериментального материала ранее используемых звездочек позволила увеличить время работы указанных деталей в 1,6-1,8 раза. При этом в уменьшение простоев элеватора Ц0-200. вызванных необходимостью замены звездочек, составило 16 часов в квартал. Суммарный годовой экономический эффект внедрения шестерней из градиентного материала составил 176 тыс. рублей в год. _

вутелиЮУрГУ:

Шуманов В. И./

Чуманов И. В./

/Решетников Б. А./

/Аникеев А. Н./

да:

Толмачёв Е.В./ /Порсев М.А./ ' —Самолюков В.Б./