катедра „ Материалознание и технология на материалите”

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

маг. инж. Боряна Василева Иванова

СТРУКТУРИ, СВОЙСТВА И КОНТАКТНИВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ВИСОКОЯК ЧУГУН,

МИКРОЛЕГИРАН С КАЛАЙ

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертационен труд

за присъждане на образователната и научна степен „Доктор”

в област на висше образование

5. Технически науки

професионално направление 5.1. Машинно инженерство

научна специалност „Технологии, машини и съоръжения за леярното

производство”

Научни ръководители:

1. доц. д-р инж. Петър Добрев Добрев

2. доц. д-р инж. Мара Крумова Кандева-Иванова

СОФИЯ, 2015

Дисертационният труд съдържа 223 страници, 144 фигури, 82 таблици, 8 снимки,

разпределени в 5 глави, списък на използваната литература от 114 заглавия (86 на

кирилица и 28 на латиница) и списък на научните публикации.

Дисертационният труд е обсъден и е насочен за защита към ТУ-София от

катедра „Материалознание и технология на материалите” при ТУ-София на заседание

на разширен катедрен съвет на 27.04.2015 г.

Докторантката работи като гл. асистент в катедра „Материалознание и

технология на материалите” при МТФ на ТУ-София.

Изследванията в дисертационният труд са извършени в ЗВЧ „Осъм” – гр. Ловеч,

в лаборатория по „Трибология” и катедра „Материалознание и технология на

материалите” на ТУ-София.

Защитата на дисертационният труд ще се състои на 10.09.2015 г. от ................ в

зала .............. на ТУ-София.

Материалите по защитата са на разположение в канцеларията на МТФ на ТУ-

София, каб. 3230.

Автор: маг. инж. Боряна Василева Иванова

Заглавие: „Структури, свойства и контактни взаимодействия на високояк чугун,

микролегиран с калай”

Тираж: 50 броя

Печатна база при ТУ-София.

2

Изказвам искрени благодарности към моите научни ръководители –

доц. д-р Мара Крумова Кандева-Иванова и доц. д-р Петър Добрев Добрев, за

неимоверната подкрепа, съдействието и съветите при разработване на

дисертацията.

Благодаря на колегите от ЗВЧ „Осъм” – гр. Ловеч за оказаната помощ при

получаване на някои експериментални резултати.

3

1. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИЯТА

Актуалност

Сферографитният (високояк) чугун e композитен конструкционен материал,,

притежаващ комплекс от свойства, които го отличават от традиционно използваните

Fe-C сплави - много висока якост, голяма пластичност, намалена чувствителност към

концентрация на напреженията, добра износоустойчивост, добре се обработва чрез

рязане и леярски свойства и за разлика от другите видове чугуни добре се заварява.

Като триботехнически материал сферографитният чугун има широк спектър на

приложение в машиностроенето, индустрията и транспорта. От него се изработват

детайли на редуктори, плъгащи лагери, направляващи, открити зъбни предавки и други,

работещи в различни експлоатационни режими - течно, гранично, смесено мазане,

абразивно, газо- и/или хидроабразивно износване, ерозия, ударно-абразивно износване

в присъствие на агресивни среди и др

В България голям производител на ляти детайли от високояк (сферографитен) чугун

е ЗВЧ „Осъм” АД – гр. Ловеч, където като легиращи елементи се използват мед, никел,

молибден. Добавяне на калай в малки количества води до същия ефект - структурата

се перлитизира, не се променя формата на графита и се постига по- висока якост на

чугуна, а при по-големи количества калаят действа антисфероидизиращо. Това налага

провеждане на допълнителни изследвания, за да се установи точното процентно

съдържание на калай, което да гарантира перлитна структура на металната матрица и

същевременно се запазва сфероидалната форма на графита Цената на калая е по-

висока от тази на медта, но използваното количество калай е десетки пъти по-малко от

това на медта, което е икономически по-изгодно.

Цел и задачи

Целта на настоящата дисертационната работа е комплексно изследване на

влиянието на калая върху микроструктурата, механичните свойства и трибологичните

характеристики на сферографитен чугун в различни експлоатационни режими.

За постигането на тази цел са формулирани следните основни задачи:

1. Получаване на пробни тела и подготовка на образци от сферографитен чугун без

калай и микролегиран с процентно съдържание на калай в диапазона 0 0,051%Sn� � .

2. Изследване влиянието на калая върху микроструктурата на сферографитен

чугун.3. Изследване влиянието на калая върху механичните свойства на сферографитен

чугун – якост на опън, граница на провлачване, модул на еластичност, относително

удължение.4. Изследване влиянието на калая върху фрикционните характеристики на

сферографитен чугун в условия на статично и динамично триене.5. Изледване влиянието на калая върху характеристиките на износване на

сферографитен чугун в условия на триене по повърхнина от твърдо закрепен абразив и

4

при контактно взаимодействие с абразивни частици, носени от въздушна (ерозийно

износване) и водна струя (хидро-абразивно износване).6. Изледване влиянието на калая върху характеристиките на износване на

сферографитен чугун в условия на гранично триене в различни смазочни среди без и с

металоплакираща добавка Валена.

Научна новост

Установено е, че микролегирането на сферографитен чугун с калай в диапазона

%032,002,0 <≤ Sn намалява статичното и динамично триене, а при %032,0=Sn

износоустойчивостта достига максимални стойности при абразивно, хидроабразивно и

гранично триене. Доказано е, че добавянето на 0,5% металоплакираща композиция

Валена в трансмисионно масло 80W90 повишава 6,7 пъти износоустойчивостта на

сферографитен чугун, микролегиран с 0,032% калай.

Практическа приложимост

Потвърдено е, че наличието на калай от 0,032% до 0,051% запазва сфероидалната

форма на графита и подобрява якостта на опън, границата на провлачване и

твърдостта. Доказано е, че при 0,032% калай намаляват статичния и динамичен

коефициент на триене и се повишава износоустойчивостта при абразивно,

хидроабразивно и гранично триене. Предложена е нова възможност за допълнително

повишаване на износоустойчивостта на сферографитен чугун, микролегиран с 0,032%

калай, при гранично триене чрез добавяне на 0,5% металоплакираща композиция

Валена в трансмисионно масло 80W90.

Апробация на резултатите

Основните резултати от дисертационния труд са докладвани, обсъждани и

публикувани в:- Journal of the Balkan Tribological Association;- 12th International International Conference on Tribology, Kraguevac, Serbia, 2011.

- 13th International International Conference on Tribology, Kraguevac, Serbia, 2013.

- Трета национална конференция с международно участие „Металознание,

хидро- и аеродинамика, национална сигурност 2013”, София, 2013.- сп. Инженерни науки, БАН, София, 2014;- II Австрийско-индийски международен симпозиум „MaTri14” - Materials science and

Tribology, Vienna, 2014- 8th International Conference on Tribology BALKANTRIB’14, 30thoct.-1stnov.2014,

Sinaia, Romania.

Публикации

Част от научните изследвания са отразени в 5 публикации в периода 2008-2015 г.

5

Обем и структура на дисертацията

Дисертационният труд съдържа 223 страници, 144 фигури, 82 таблици и 8 снимки,

оформени в 5 глави, 114 литературни източници (86 на кирилица и 28 на латиница).

Съдържание на дисертацията

Глава 1. Анализ на изследванията по проблема.

Направено е литературно проучване на въпроси, свързани със структурата,

механичните свойства и трибологичните характеристики на сферографитен чугун,

микролегиран с различни химични елементи, вкл. с калай. Внимание е отделено на

съвременна технология за получаване на сферографитен чугун и влиянието на

различни химични елементи, вкл. на калай, върху свойствата на чугуна. От анализа на

изследванията на различни автори са направени следните констатации и изводи:

1. Използваните триботехнически материали в машините, включително

сферографитни чугуни, не задоволяват изискванията на експлоатационната практика,

свързани с ресурса и потенциалните възможности на контактните съединения в

машините.

2. Преобладаващите изследвания и методи се отнасят до подобряване на

експлоатационните характеристики на сферографитния чугун чрез различни легиращи

химични елементи върху сфероидизацията, микроструктурата, механичните свойства и

износоустойчивостта. Използват се легиращи елементи с висока пазарна цена.

3. Микролегирането на сферографитен чугун с определена концентрация на калай

води до подобряване на механичните и трибологични характеристики на чугуна,

вследствие запазване на сфероидалната форма на графита и изменението на

микроструктурата по посока на повишаване на перлитната фаза в матрицата.

4. Липсва единно мнение по въпроса за влиянието на калая върху сфероидизацията

на чугуна. Някои автори го определят като десфероидизиращ елемент, други посочват

0,005% и 0,013% допустимо количество калай, съхраняващо сфероидалната форма на

графита, а трети определят горна граница 0,37% .

5. Трибологичните изследвания се свеждат основно до влиянието на различни

легиращи елементи върху микроструктурата, механичните свойства и

износоустойчивостта на чугуна при абразивно, хидро-абразивно и ударно-абразивно

износване. Резултатите имат епизодичен характер и се отнасят за конкретни случаи на

легиращи елементи и експлоатационни режими. Липсват сравнителни оценки както по

отношение на легиращите елементи, така и за режимите на експлоатация.

6. Липсват изследвания в литературата за влиянието на калая върху фрикционните

характеристики на сферографитен чугун в условия на статично триене.

6

7. Липсват литературни данни за влиянието на калая върху износването и

износоустойчивостта на сферографитен чугун при ударното му взаимодействие с

абразивни частици във въздушен поток (ерозийното износване). Ограничени са

изследванията за влиянието на калая върху износването на сферографитен чугун при

гранично триене в различни смазочни среди.

8. Основните слабости в изследванията са свързани с методиката и теоретичната

интерпретация на експерименталните резултати.

Основният извод от направения анализ се свежда до: липсва цялостно системно

изследване и теоретични модели за интерпретацията на влиянието на съдържанието

на калай върху микроструктурата, механичните свойства и трибологичните

характеристики на сферографитен чугун в различни експлоатационни режими.

Глава 2. Микроструктура и механични свойства на високояк чугун,

микролегиран с калай

Изследва се влиянието на калая върху структурата и някои механични свойства на

образци от лят сферографитен чугун без калай и микролегиран с 4 вида съдържание на

калай.

Решават следните задачи:

• получаване на отливки от високояк чугун, микролегиран с калай и изработване на

подходящи опитни образци за провеждане на изследванията;

• изследване на микроструктурата на образци без и с различно съдържание на

калай;

• изследване на механичните свойства – якост на опън, граница на провлачване,

относително удължение, модул на еластичност и твърдост;

• анализ на получените резултати и изводи.

2.1. Технология за получаване на отливки за пробни тела от сферографитен

чугун, микролегирани с калай.

Пробните тела са отляти в ЗВЧ «Осъм» АД-гр. Ловеч по метода «Капак-кофа».

Топенето на метала включва две основни операции – топене и шихтоване,

съпроводени с непрекъснат контрол по изпълнението им. В завода са получени отливки

от няколко вида високояк чугун – без калаи и с 0,018%, 0,02%, 0,032% и 0,051% калай.

Микролегирането с калай е направено с цел да се получат чугуни с марки GJS 400-15,

GJS 500-2, GJS 600-3, GJS 700-2.

7

2.2. Микроструктура и химичен състав на сферографитен чугун, микролегиран с

калай

От всички видове изследвани чугуни са изработени микрошлифове и е направен

металографски анализ на микроструктурата с оптичен микроскоп Neophot 32.

На фиг. 2.2 е представена микроструктурата на проявени образци от високояк чугун

без и с различно съдържание на калай. Химичният състав на изследваните образци е

направен в лабораториите на Контратест ООД и е представен в таблица 2.7.

a) – 0 % Sn b) – 0,018 % Sn

c) – 0,02 % Sn d) – 0,032 % Sn

e) – 0,051 % Sn

Фиг. 2.2 Микроструктура на проявени образци от високояк чугун без калай а) имикролегиран с различно съдържание на калай – б), b), c), d), e)

8

Таблица 2.7 : Номерация и химичен състав на образци от сферографитен чугун без и с различносъдържание на калай

№ Химиченелемент, %

Номер на образеца

0 1 2 3 4

1 C 3,87 3,87 3,87 3,87 3,87

2 Sn - 0,018 0,020 0,032 0,051

3 Si 1,55 1,55 1,55 1,55 1,55

4 Mn 0,34 0,34 0,34 0,34 0,34

5 P 0,029 0,068 0,063 0,075 0,077

6 S 0,012 0,051 0,059 0,047 0,060

7 Cr 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030

8 Mo 0,018 0,019 0,020 0,017 0,018

9 Ni 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024

10 Co 0,013 0,017 0,014 0,013 0,013

11 Cu 0,051 0,058 0,077 0,059 0,070

12 Ti 0,0013 0,0013 0,0018 0,0015 0,0013

13 W 0,126 0,126 0,135 0,123 0,126

14 Pb 0,039 0,039 0,043 0,040 0,039

15 As 0,036 0,036 0,037 0,038 0,040

16 Zr 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003

17 B 0,0083 0,0083 0,0074 0,0091 0,0088

2.3. Изследване на механичните свойства на сферографитен чугун, микролегиранс калай

В лабораториите на ЗВЧ „Осъм” АД са проведени механични изпитания в

съответствие с изискванията на Стандарт БДС 1086-78 на едноосов опън на всички

изследвани образци от сферографитен чугун без и с калай. В таблица 2.8 са

представени резултати за средните стойности на якост на опън, граница на

провлачване, относително удължение и модула на еластичност.

Таблица 2.8 Средните стойности на Rm, Rp0,2, ε, и Е

№ наобразеца

Съдържаниена калай

[%]

Якост наопън,

Rm [МРа]

Граница напровлачване

Rp0,2 [МРа]

Относителноудължение

ε, [%]

Модул наеластичност

E, [Ра]

0 - 500 360 16 0,33.1010

1 0,018 460 330 8,6 0,53.1010

2 0,020 492 330 7,8 0,63.1010

3 0,032 691 435 2,4 2,9.1010

4 0,051 569 369 0,5 11,4.1010

9

На фигури 2.9, 2.10 и 2.11 са представени графично зависимости на механичните

характеристики от процентното съдържание на калай във високояк чугун.

Фиг.2.9 Изменение на напрежението на опън σ -крива 1 и границата на провлачване σs -крива 2 от съдържанието на калай в сфероидален чугун

Фиг.2.10 Изменение на относителното удължение Фиг.2.11 Изменение на модула на еластичност Е

ε, % от съдържанието на калай от съдържанието на калай

Изпитването на твърдост е проведено по метода на Бринел и резултатите са

представени в таблица 2.9.

Таблица 2.9: Твърдост на сферографитен чугун без и със съдържание на калай

№ образец 0 1 2 3 4

Sn, % - 0,018 0,020 0,032 0,051

Твърдост, НВ 179 197 203 262 277

Зависимостта на твърдостта от съдържанието на калай има нелинеен характер. Тя е

представена графично на фиг.2.13.

10

Фиг.2.13 Изменение на твърдостта НВ от съдържанието на калай в сфероидален чугун

2.4. Основни резултати и изводи в глава 2

- При микролегиране на сферографитен чугун с калай в изслeдвания диапазон се

запазва сфероидалната форма на графита. С увеличаване съдържанието на калая

настъпва изменение на фазовия състав на металната основа на чугуна по посока на

нарастване на перлита;

- Зависимостта на напрежението на опън и границата на провлачване от

съдържанието на калай има нелинеен и нееднозначен характер с изразени области

както следва: в диапазона %018,0%0 ≤≤ Sn двете напрежения намаляват линейно и

достигат минимални стойности, в интервала %051,0%02,0 ≤≤ Sn напреженията нарастват

нелинейно с изразен максимум при %032,0=Sn .

- Относителната линейна деформация намалява с повишаване съдържанието на

калай в чугуна за целия диапазон. При %051,0=Sn тя достига минимална стойност,

която е 98% по-малка от тази на чугун без калай. Модулът на еластичност нараства

експоненциално с увеличаване съдържанието на калай;

- Твърдостта на чугуна нараства с увеличаване съдържанието на калай за целия

изследван диапазон, но зависимостта не е пропорционална. При %018,0%0 ≤≤ Sn тя

нараства линейно с много малка скорост – с 10% е по-висока от тази на чугун без

калай. При %02,0=Sn твърдостта нараства с рязък скок и при %051,0=Sn приема

максимална стойност НВ = 277, която е 55% по-висока от тази на чугун без калай.

Подобряването на механичните свойства на сферографитния чугун при

микролегирането му с калай се обяснява с нарастване на перлитната фаза в

матрицата. Нелинейният характер на зависимостта на механичните характеристики от

процентното съдържание на калая се свързва с сложните вътрешни взаимодействия и

процеси, които протичат в граничните зони на неговата микроструктура.

11

Глава 3. Контактни взаимодействия на сферографитен чугун, микролегиран скалай, при сухо триене

Изследва се влиянието на калая върху фрикционните характеристики на високоякчугун, в две състояния на контактно взаимодействие – предварително контактнопреместване (статично триене) и условия на движение при плъзгане (динамичнотриене). Решават следните задачи:

• Разработване на методики и лабораторни устройства за изследванепараметрите на статично и динамично сухо триене при различни стойности нанормалното натоварване и скоростта на плъзгане.

• Изследване на фрикционните характеристики в условия статично триене: сила натриене, коефициент на триене и скок на коефициента на триене при различнистойности на нормалното натоварване.

• Изследване на фрикционните характеристики в условия на динамично триене(триене при плъзгане): сила на триене и коефициент на триене при различни стойностина нормалното натоварване и скоростта на плъзгане.

3.1. Материали: подготовка на образци и характеристики

Изследват се образци от пет вида сферографитен чугун: един базов образец от чугун

без калай и четири вида чугуни с добавка на калай – 0,018%, 0,02%, 0,032% и 0,051%

към базовия чугун.

Подготвените образци имат призматична форма с еднакви размери 30 mm x 20 mm x

6 mm и грапавост на повърхностния слой.

3.2. Контактно взаимодействие в условия на статично триене

Изследването на фрикционните характеристики при статично триене се осъществява

с лабораторно устройство, чиято функционална схема, представена на фиг. 3.1.

Фиг. 3.1.: Схема на устройство за изследване Фиг. 3.4: Крива за изменение на силата на

на статично триене триене от преместването на образеца

Методиката включва измерване на максималната стойност Fo на тангенциалната

сила F по показанието на динамометъра 6, приложена близо до контакта между

12

изследвания образец 1 и противотялото 2 с натоварване Р (фиг.3.1). От условието за

равновесие на контактната система в гранично състояние преди преминаване от покой

в движение се определя силата на триене при покой (статична сила на триене).:

Тo = Fo (3.1)

Скокът на силата на триене в прехода от покой в движение (фиг. 3.4) представлява

разликата между статичната сила на триене Тo и силата на триене при движение Т:

oT T T∆ = − (3.2)

Статичният коефициент на триене oµ се определя от закона на Леонардо-Амонтон:

o oT Pµ= (3.3) т.е. oo

T

Pµ = (3.4)

Силата на триене при движение T , т.е. кинетичната (динамична) сила на триене, се

определя аналогично от закона на Леонардо-Амонтон, записан за случай на движение:

T Pµ= (3.5)

и за кинетичния коефициент на триене µ съответно:

T

Pµ = (3.6)

За скока на коефициента на триене от (3.2) се получава:

oµ µ µ∆ = − (3.7)

Фиг.3.5. Изменение на µо от натоварването Р Фиг.3.6. Изменение на µо от съдържанието на калай

Най-висок статичен коефициент на триене има образец от чугун без съдържание на

калай при натоварване 98 N. При три пъти увеличаване на натоварването статичният

коефициент на триене намалява от 0,16 до 0,123, т.е. с 22%. Присъствието на калай в

чугуна води до намаляване на максимума на коефициента на триене (фиг. 3.5).

С увеличаване на калая статичният коефициент намалява, преминава през минимум,

след което нараства до стойност по-малка от тази при чугун без калай. Минималната

стойност на коефициента на триене µо при всички стойности на нормално натоварване

Р се наблюдава при съдържание на калай в интервала от 0,018% до 0,02%.След тази

стойност нарастването на µо има линеен характер (фиг. 3.6).

13

Фиг. 3.7 Изменение на Δµ от натоварването Фиг.3.8 Изменение на Δµ от съдържанието на калай

Зависимостта на скока на коефициента на триене Δµ от натоварването и от

съдържанието на калай е силно нелинейна (фиг. 3.7 и фиг. 3.8). При изменение на Р

зависимостта преминава през два максимума (фиг.3.7). При калай 0,018% до 0,02% се

наблюдава рязък скок на Δµ (фиг. 3.8). В този интервал протичат особени структурни

процеси в контакта, които изискват по-детайлно изследване.

По метода на статистическото планиране на експеримента се изследва зависимостта

на статичната сила на триене от два независими фактора: съдържанието на калай (Х1)

и нормалното натоварване (Х2). Нивата на факторите в кодирани и реални единици са

представени в таблица 3.6.

Таблица 3.6: Основни нива на независимите фактори

ФАКТОРИ

Х1 - съдържание на калай x Х2 – нормално натоварване Р

Ниво Стойност, % Ниво Стойност, N

-1 0 -1 98

- 0,294 0,018 0 196

- 0,216 0,020 0,5 245

+ 0,255 0,032 + 1 294

+ 1 0,051

Полученият адекватен регресионен модел от трета степен има вида:

32

31

2221

2121 17,576,134,105,08,108,578,056,22 XXXXXXXXTo +−−++++= (3.12)

3. 3. Контактно взаимодействие в условия на плъзгане (кинетично триене)

Триенето при движение се изследва в условия на еднопосочна транслация с

лабораторно устройство, схематично представено на фиг. 3.14. Изпитваният образец 1

(тяло) се закрепва неподвижно в държач 2 и контактува с противотялото 3, което е

разположено върху плъзгаща се шейна 4 като се движи заедно с нея със скорост V.

Нормалното натоварване Р се задава с тежестите 5. Държачът 2 е разположен на 3 mm

над контактната повърхнина между образеца и противотялото 3 и е свързан чрез

14

нееластична нишка 6 с динамометър 7, по скалата на който се отчита силата на триене

в Нютони.

Фиг. 3.14 Схема на устройство за изследване на триене при плъзгане

Изпитваният образец 1 (тяло) се закрепва неподвижно в държач 2 и контактува с

противотялото 3, което е разположено върху плъзгаща се шейна 4 като се движи

заедно с нея със скорост V. Образецът 1 има призматична форма с размери 30 mm x 50

mm. Нормалното натоварване Р се задава с тежестите 5 и се приема, че е равномерно

разпределено в контактната площадка.

Фиг.3.17 Зависимост на коефициента на триене Фиг.3.18 Зависимост на коефициента на триене от съдържанието на калай при V=7,2 cm/min от съдържанието на калай при V=14,4cm/min

Държачът 2 е разположен на 3 mm над контактната повърхнина между образеца и

противотялото 3 и е свързан чрез нееластична нишка 6 с динамометър 7, по скалата на

който се отчита силата на триене в Нютони.

15

Методиката се състои в измерване на средната стойност на силата на триене при

път на триене S=0,8 m и пресмятане на коефициента на триене по формула (3.5).

3.3. Закон за статичния коефициент на триене от съдържанието на калай

Под закон за статичното триене от съдържанието на калай се разбира

математичен модел ( )xoµ на зависимостта на статичния коефициент oµ на триене от

процентното съдържание на калай х. Търсеният закон ( )xoµ се определя по

методиката на комуникативния потенциал на контактното взаимодействие ( )xη . Тя се

основава на експерименталната зависимост на ( )xoµ (фиг.3.21), по която се определя

зависимостта ( )xη по следния начин: във всяка точка от кривата (т. М) се построяват

тангентата Т, която сключва ъгъл α с оста х, и секущата F, която сключва ъгъл β с оста

х (фиг.3.22).

Фиг. 3.21 Зависимост на статичния коефициент Фиг.3.22.Изменение на статичния коефициент

от съдържание на калай коефициент при съдържание на калай 0≤x≤xo=032%

Комуникативният потенциал на контактното взаимодействие се представя като:

( )( )( )xtg

xtgx

β

αη =

(3.14)

Експерименталната крива се разделя на два участъка с граница – точката, в която

статичният коефициент на триене променя посоката си: %032,00 ≤≤ x и %051,0%032,0 ≤< x .

Изследва се ( )xoµ в участъка %032,00 =≤≤ oxx . Резултатите за ( )xη са представени

в таблица 3.8, а графичната зависимост ( )xη - на фиг.3.23.

Фиг.3.23 Зависимост на комуникативния потенциал

от съдържанието на калай

Зависимостта ( )xη от фиг. 3.23 е права линия, която се представя във вида:

( )ox

xx −=1η

(3.15)която представлява закона за изменение на комуникативния потенциал при

статично триене на сферографитен чугун, микролегиран с калай.

За определяне на ( )xoµ се тръгва от закона за контактното взаимодействие в

трибологията, който в диференциална форма има вида:

( )( )

( )x

dxx

x

xd

o

o ηµ

µ= (3.16)

След отчитане на (3.15), интегриране, преобразуване и антилогаритмуване на (3.16)

се получава търсеният закон при изменение на калая в интервала 032,00 ≤≤ x %:

( ) ( )oxxooo ecxx/

1−

−= µµ

(3.18)

3.4. Основни резултати и изводи в глава 31. Наличието на калай в сферографитен чугун води до намаляване на статичния

коефициент (сила) на триене. С увеличаване на калая статичното триене намалява

нелинейно и достига минимална стойност при %02,0%018,0 ÷=Sn , след което нараства, но

остава винаги по-малък от този при чугун без калай. Този характер на зависимостта се

наблюдава при всички стойности на натоварването. 2. Статичният коефициент на триене и скокът на коефициента на триене намаляват с

увеличаване на калая и натоварването. Скокът на коефициента на триене има най-

малка стойност при %032,0=Sn .3. Динамичният коефициент на триене намалява с увеличаване съдържанието на

калай в чугуна по нелинеен закон и зависи от нормалното натоварване и скоростта на

плъзгане.4. Динамичният коефициент на триене е по-малък при по-високи скорости на

плъзгане и по-голямо натоварване. При малки скорости динамичният коефициент е

най-нисък при съдържание на калай %02,0%018,0 −=Sn . При два пъти по-висока скорост

на плъзгане зависимостта му от съдържанието на калай има линеен характер без

наличие на минимум.

17

5. Получен е адекватен математически модел от 3 степен за зависимостта на

статичната сила на триене от два независими фактора: съдържанието на калай и

нормалното натоварване по метода на статистическото планиране на експеримента.

Установено е, че силата на триене има максимална стойност при чугун без калай и при

максимално натоварване.

7. Получен е закона на статичния коефициент на триене от съдържанието на калай в

чугуна в диапазона 0<Sn<0,032% по методиката на комуникативния потенциал в

трибологията.

Глава 4. Износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай, при

контактно взаимодействие с абразивни частици

Изследват се параметрите на износването на сферографитен чугун без и с различна

концентрация на калай в три случая на контактно взаимодействие с абразивни частици:

сухо триене при плъзгане по повърхнина с твърдо закрепени абразивни частици;

износване от въздушна струя, носеща абразивни частици (струйно-абразивна ерозия);

износване от водна струя, носеща абразивни частици (хидроабразивно износване).

4.1. Абразивно износване при триене по повърхнина със закрепени абразивни

частици

4.1.1. Методика за изследване. Характеристики на износването

Методиката за изследване се състои в измерване на масовото износване на

образците за определен път на триене при постоянно зададени условия – натоварване,

скорост на плъзгане, вид на абразива, след което се пресмятат характеристиките на

масовото и линейно износване – скорост на износване, интензивност на износване,

абсолютна и относителна износоустойчивост по формули, представени по-долу.

Характеристики на масовото износване: износване m, скорост на износване mγ ,

интезивност mi , абсалютна mI и относителна износоустойчивост ei,ε :

io mmm −= (4.1)t

mm =γ (4.2)

L

mim = (4.5)

m

L

iI

mm ==

1(4.6)

o

i

e

iei

I

I

I

I==,ε (4.7)

където iI е износоустойчивост на изпитвания образец, определена по формула (4.6), а

eI - износоустойчивостта на образец, приет за еталон, определена при същите

условия на износване, в случая е износоустойчивостта на чугун без калай (№0) .

18

Характеристики на линейното износване: износване h, скорост на износване hγ ,

интезивност hi , абсолютна hI и относителна износоустойчивост ei,ε :

Линейно износване на образеца след определен път на триене

Връзката между масовото m и линейно износване h се представя чрез обемното

износване V , плътността ρ и номиналната конткатна площ на допиране Аа.

aA

mh

.ρ= (4.13)

t

hh =γ

(4.14)

L

hih =

(4.15) h

L

iI

hh ==

1 (4.16)

4.1.2. Изследване на абразивното износване при движение по схема „Палец-диск”

Изследваният цилиндричен образец 1 (палец) е закрепен неподвижно в държач 2 на

натоварваща глава 8, така че челната му повърхнина контактува с абразивната

повърхнина 3 на хоризонтален диск 4. Дискът 4 се задвижва от електродвигател 6 и се

върти около вертикалната си централна ос с ъглова скорост ω (фиг.4.1).

Фиг.4.1.: Схема на триботестер за изследване на износването при триене по повърхнинасъс закрепен абразив по схемата «Палец-диск»

Нормалното натоварване Р е приложено в центъра на тежестта на контактната

площадка между образеца и абразивната повърхнина и се осигурява с лостова система

в натоварващата глава. Пътят на триене се задава чрез броя обороти с оборотомера 7.

19

Устройството позволява изменение на скоростта на плъзгане чрез изменение на

ъгловата скорост на диска от управляващ блок и/или чрез изменение на разстоянието

R между оста на въртене на диска 4 и оста на образеца 1.

Абразивната повърхнина 3 се моделира чрез импрегниран корунд (Е) с твърдост 9.0

по скалата на Моос, което гарантира изискването на стандарта за минимум 60% по-

висока от твърдостта на повърхностния слой на изпитваните материали.

Резултатите показват, че всички образци, съдържащи калай, имат по-висока

износоустойчивост от чугун, нелегиран с калай. Съществува пряка зависимост между

процентното съдържание на калай, твърдостта и износоустойчивостта на чугуна в

изследваните граници на съдържание на калай. Обяснението се свързва с увеличената

твърдост на чугуна, при което нараства неговото съпротивление срещу срязващото

действие на абразивните частици (фиг.4.2, 4.3, 4.4, 4.5).

Фиг.4.2 Зависимост на h от пътя на триене L Фиг.4.3 Зависимост на hγ от броя цикли на триене

Фиг.4.4 Зависимост на износоустойчивостта [m/µm] Фиг.4.5 Сравнителна износоустойчивост ei,ε

от % Sn при два броя цикли на триене за вида цикли на триене

Отклонение от тази зависимост се наблюдава при образец със съдържание на калай

0,02%. Същото отклонение се наблюдава в предишните изследвания на авторите.

Максимална износоустойчивост има чугун с 0,032% Sn. При по-високо съдържание

на калай – 0,051% износоустойчивостта намалява.

20

4.1.3. Изследване на абразивното износване при движение по схема „Палец-

цилиндър”

Изследваният образец 2 (палец) с форма на двустепенен цилиндър с абразивната

повърхнина 5 на противотялото 1, което представлява хоризонтален цилиндър (фиг.

4.7). Образецът е закрепен в държач към натоварваща глава 6 посредством еластична

връзка, която позволява самонагаждане на образеца спрямо повърхнината 5 и му дава

възможност да се върти около собствената си вертикална ос. Държачът 6 съдържа

хоризонтален зъбен пръстен, който чрез външната си повърхнина се зацепва с

неподвижната рейка 7, разположена успоредно на образователната на цилиндъра 1. По

този начин се осигурява релативна транслация на образеца по образувателната на

цилиндъра 1 и се гарантират условия за равномерно износване на цялата номинална

контактна площ на образеца.

Фиг.4.7: Функционална схема на устройство за изследване на абразивно износване придвижение по схема „Палец-цилиндър”

при различно натоварване Р при различно натоварване Р

21

от от % Sn при различно натоварване от натоварването за образци с различeн % Sn

Математичен модел на скоростта на износване

С описаната методика и устройство е проведено системно изследване на скоростта

на линейното износване. Получен е адекватен регресионен от два независими фактора:

съдържание на калай х (Х1 ) и номиналното контактно налягане ра ( Х2) –таблица 4.18.

2 21 2 1 2131,1 22,42 9,73 12,41 30,64y X X X X= − − − + (4.22)

Таблица 4.18: Факторите в кодирани и реални стойности

22

ФАКТОРИ

Х1 - съдържание на калай x Х2 – контактно налягане ра

Ниво Стойност, % Ниво Стойност, N/cm2

- 1 0 -1 25,68

- 0,294 0,018 -0,11 38,38

- 0,216 0,020 + 1 51,35

+ 0,255 0,032

+ 1 0,051

Максимална стойност 181.47 µm/min

при Sn = 0 % ра = 25,68 N/cm2

Минимална стойност 95.75 µm/min при Sn = 0,051 % , ра = 38,38 N/cm2

Фиг.4.23 Графичната интерпретация на модела (4.22)

4.2. Струйно-абразивна ерозия на сферографитен чугун, микролегиран с калай

Провежда се сравнително изследване на износването и износоустойчивостта на

серията образци от високояк чугун, микролегирани с калай, подложени на дискретното

ударно действие на абразивни частици, носени от въздушна струя.

Интензивността на ерозията ei е бездименсионно число и представлява отношение

на скоростта на масовото износване m� на повърхностния слой и масовия дебит на

абразивната фаза am� в струята:

ae

m

mi

�= (4.32)

Ерозийната износоустойчивост eI се определя като реципрочна стойност на

интензивността на износване ei ипоказва колко грама абразивна маса ma е

необходима за загуба за 1 грам маса m от повърхнината на образеца за определен

период от време на взаимодействие, т.е.

m

m

iI a

ee

�

�==

1(4.33)

Относителната ерозийна износоустойчивост eε се определя по формулата:

ee

ie

eI

I=ε (4.34)

23

Фиг.4.24 Функционална схема на устройство за изследване и изпитване на повърхностни слоеве вусловия на струйно-абразивно износване

Стационарният, свободно падащ абразивен поток, се формира с помощта на три

камери: захранваща камера (1), която се запълва с работния абразивен материал;

стабилизираща камера (2), запълнена със същия вид абразив и работна камера (3),

която е предназначена за ускоряване абразивните частици и смесване на въздушния и

абразивния поток. Въздушният поток се подготвя последователно от източник на

сгъстен въздух (4); пневмо-подготвяща група (ППГ), съдържаща филтър и утаител за

пречистване на въздуха от механични частици, влага и маслени пари; превключвател

(5) и регулатор на налягане (6) за захранване и стабилизиране на зададеното въздушно

налягане P в камера (7). Налягането P се отчита по скалата на манометъра (8),

включен към камера (7). Формирането на работната двуфазна струя, като краен

продукт от смесването, се осъществява на изхода на работната камера (3).

Таблица 4.21: Данни за параметрите на струйно-абразивната ерозия

№Съдър-

жание накалайSn, %

маса предиерозия,

[g]

маса следерозия,

[g]

масовоизносване

[g]

скорост наизносване

[g/min]

интензив-ност,

i

износоустойчивост,

I

0 0 30,7059 30,6923 0,0136 2,3.10-3 13,8.10-6 7,2.104

24

1 0,018 33,3629 33,3469 0,0160 2,7.10-3 16,2.10-6 6,2.104

2 0,020 39,6461 39,6316 0,0145 2,4.10-3 14,4.10-6 6,9.104

3 0,032 40,1847 40,1722 0,0125 2,08.10-3 12,5.10-6 8,0.104

4 0,051 37,0484 37,0381 0,0103 1,7.10-3 10,2.10-6 9,8.104

Фиг. 4.25 Зависимост на износването от Фиг. 4.26 Диаграма на ерозийната износоустойчивост

от процентното съдържание на калай на образци с различно % съдържание на S

Минимално ерозийно износване, се наблюдава при образец от чугун, съдържащ

максимално съдържание на калай - 0,051% (фиг.4.25). Максимално ерозийно

износване, т.е. минимална ерозийна износоустойчивост се наблюдава не при базовия

образец без съдържание на калай, който има минимална твърдост (НВ=197), както би

се очаквало, а при образец №2 със съдържание 0,018% калай (фиг.4.25, 4.26).

4.3. Хидроабразивно износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай

Образецът 1 е закрепен неподвижно в камера 2 и се обтича от двуфазна водна

струя, съдържаща абразивни частици, изтичащи от изходна дюза 3. Повърхнината на

образеца 1 се позиционира в държач перпендикулярно на оста на дюзата 3 на

разстояние от изходящата дюза 15=� mm (фиг.4.29).

25

Двуфазната струя постъпва в тръбопровода 6 от смукателя 5 на водната помпа 4.

Формирането на двуфазната смес „вода-абразивни частици” се осъществява в

смесителната камера 7, запълнена с вода до определено ниво. Абразивният материал

– кварцов пясък, корунд и т.н. от бункера 8 преминава през дозатора 9 и изтича

гравитационно в камера 7. Дебитът на абразива се регулира чрез подходящ диаметър

на изходящата дюза на дозатора 9, с предварително тариране. Дозаторът поддържа

постоянно ниво на абразивния материал, което гарантира постоянния му дебит

(скорост на изтичане).

Фиг.4.29 Функционална схема на устройство за изследване на хидроабразивно износване

Хомогенизирането на двуфазната смес „вода-абразив” се осъществява с помощта на

пневматичен струен барбуратор 10, разположен на дъното на камерата. Барбураторът

10 представлява тръба с малки отвори, през които изтичат вертикални въздушни струи

с висока скорост. Струите турбулизират водната среда като предотвратяват

седиментацията на абразивните частици. Барбураторът 10 се захранва с въздух от

компресора К с налягане, което се регулира от пневмо-подготвяща група, разположена

на изхода на компресора.

Масовото износване m на образеца се определя като разлика на неговата маса

преди и след определено време на ерозиране t , а скоростта на хидроабразивното

износване - по формулата:

t

mmw =�

(4.37)

Интензивността и износоустойчивостта при хидроабразивно износване се определят

по формулите:

a

ww

m

mi

�

�= (4.38)

w

a

ww

m

m

iI

�

�==

1 (4.39)

26

където wm� е скоростта на хидроабразивното износване, а am� - масовият дебит на

абразива.

Таблица 4.25 Данни за параметрите на хидроабразивно износване

№

обр.

маса преди

износване,g

маса след

износване,g

масово

износване,g

скорост на

износване,mg/min

интензивност

на износване

износоустой

чивост

0 23,9909 23,9859 0,005 1,25 1,25 610.

− 0,8 610.

1 26,8941 26,8895 0,0046 1,15 1,15 610.

− 0,9 610.

2 32,7429 32,7408 0,0021 0,53 0,53 610.

− 1,9 610.

3 32,0485 32,0465 0,002 0,5 0,5 610.

− 2,0 610.

4 30,6294 30,6269 0,0025 0,62 0,62 610.

− 1,6 610.

Фиг. 4.30 Зависимост на интензивността на хидро- Фиг. 4.31 Диаграма на износоустойчивостта абразивното износване от % Sn на образци с различно % съдържание на Sn

4.4. Основни резултати и изводи в Глава 4

1. При триене по повърхнина с твърдо закрепени абразивни частици по двете

кинематични схеми на плъзгане:

- микролегирането с калай води до намаляване на износването в сравнение с

износването на чугун без съдържание на калай. Максимална износоустойчивост има

чугун с 0,032% калай, а при съдържание 0,051% Sn износоустойчивостта намалява.

Зависимостта на характеристиките на износването от съдържанието на калай,

натоварването и пътя на триене имат нелинеен характер. С увеличаване на

натоварването износването намалява, достига минимална стойност, след което

започва да нараства. Характерът на тази зависимост и стойността на минимума

зависят от съдържанието на калай. При високо съдържание на калай (0,051%)

зависимостта е линейна.

27

- получен е адекватен регресионен модел от втора степен за зависимостта на

скоростта на линейното износване от съдържанието на калай и от номиналното

контактно налягане.

- при сравняването на експерименталните резултати по двете кинематични схеми на

плъзгане се установи, че съществува разлика в характера на изменението на

износването от процентното съдържание на калай, което потвърждава тезата, че

кинематиката и конструкцията на стендовете оказват влияние върху

експерименталните резултати.

2. При струйно-абразивна ерозия:

- при съдържание на калай от 0,018 до 0,020% ерозийната износоустойчивост

намалява с 14% в сравнение с тази на чугун без калай. При съдържание на калай по-

голямо от 0,032% ерозийната износоустойчивост нараства.

- най-висока ерозийна износоустойчивост има чугун, микролегиран с калай 0,051%,

която е 36% по-висока от тази на чугун без калай.

3. При хидроабразивно износване:

- наличието на калай винаги води до намаляване на хидроабразивното износване, за

разлика от струйно-абразивната ерозия. Най-висока износоустойчивост има чугун,

микролегиран с 0,032% калай, която е 150% по-висока от тази на чугун без калай. С

повишаване съдържанието на калай повече от 0,032% износоустойчивостта намалява.

- всички образци от сферографитен чугун с калай при хидроабразивно износване

имат с два порядъка по-висока износоустойчивост от износоустойчивостта при струйно-

абразивната ерозия. Този факт се обяснява със смазочното действие на водата в

контактната зона на взаимодействие между абразивните частици и повърхнината на

образците.

Глава 5. Износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай, при

гранично триене в различни смазочни среди

Целите на настоящата глава са две: първо - да се изследва влиянието на калая като

микролегиращ елемент в сферографитен чугун върху характеристиките на износването

в условия на гранично триене при смазване с различни конвенциални смазочни

материали; второ – влиянието на нова металоплакираща композиция Валена върху

износването на същите чугуни при същите режими на триене.

5.1. Смазочни материали, устройство и методика за изследване

Износването на образците от високояк чугун се осъществява при смазване в три

вида смазочен материал – грес Литол 24, трансмисионно масло 80W90 и моторно

масло 15W40 без и с металоплакираща композиция Валена (МСК Валена). МСК

28

Валена представлява металосъдържаща маслоразтворима композиция, регистрирана

като патент през 2005 в Русия с автори В. Бабел, Д. Гаркунов, С.Мамикин и П. Корник.

Тя е предназначена за подобряване на трибологичните свойства на смазочни

материали и по-конкретно – на антифрикционните, противоизносни и противозадирни

свойства, както и защита от водородно износване. Физико-химичните и трибологични

характеристики на МСК Валена не са достатъчно проучени, което поражда и

настоящото изследване.

Фиг. 5.1. Схема на устройство за изследване на износване при гранично триене в смазочна среда: 1-образец; 2-противотяло; 3-държач на образеца; 4-ремъчна предавка; 5-електродвигател; 6-корпус; 7-

вана; 8-лостова система за натоварване; 9-основа на корпуса; 10-бутон за включване наелектродвигателя.

Устройството за изследване на износването при гранично триене в смазочна среда е

разработено в лабораторията по трибология (фиг. 5.1). Изпитваният образец 1 е

монтиран неподвижно за държача 3 и се върти около вертикалната си ос с ъглова

скорост ω .

Задвижването на държача 3, съответно на образеца 1, се осъществява с

електродвигател 5 и ремъчна предавка 4. Изменението на ъгловата скорост става чрез

смяна на оборотите на въртене с помощта на ремъчната предавка 4. По този начин

може да се задава желаната скорост на плъзгане при триене. Устройството позволява

изменение на оборотите на въртене в диапазона от 500 до 4000 об/мин. Образецът 1

формира контакт с хоризонтално противотяло 2, потопено в смазочен материал във

ваната 7. Противотялото е захванато неподвижно в държач, разположен във ваната.

Нормалното натоварване Р в центъра на образеца се задава с лостова система 8.

Методиката за изследване се основава на измерване на масовото износване на

образеца след определено време на триене и изчисляване на характеристиките на

износване в съответствие с глава 4.

29

5.2. Износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай, при гранично

триене в пластична смазочна среда Литол 24

Влияние на калая и композиция Валена върху кинетиката на износването

Наличието на калай в сфероидалния чугун и МСК Валена влияят нееднозначно

върху кинетиката на износването.

Фиг.5.3.Зависимост на износването от времето Фиг.5.4.Зависимост на износването от времето в грес Литол 24 в грес Литол 24 с композиция Валена

Фиг.5.5.Зависимост на скоростта на износване Фиг.5.6.Зависимост на скоростта на износване от от пътя на триене в грес Литол 24 пътя на триене в грес Литол 24 с

композиция Валена

Влияние на калая и композиция Валена върху характеристиките на износване

Фиг.5.7 Масово износване от съдържанието Фиг.5.8 Масово износване от съдържанието

на калай в грес Литол 24 на калай в грес Литол 24 с Валена

30

Фиг.5.13 Износоустойчивост [m/µm] в грес Фиг.5.14 Износоустойчивост [m/µm] в грес Литол 24 без и с Валена в стационарен режим Литол 24 с Валена в преходен и стационарен режим

5.3. Износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай, при гранично триене в моторно масло

Влияние на калая и композиция Валена върху кинетиката на износването

Фиг.5.15 Зависимост на износването от Фиг.5.16 Зависимост на износването от времетоот времето в масло 15W40 в масло 15W40 с Валена

Фиг.5.17 Зависимост на скоростта на износване Фиг.5.18 Зависимост на скоростта на износване от пътя на триене в масло 15W40 от пътя на триене в масло 15W40 с Валена

Влияние на процентното съдържание на калай и на композиция Валена върху

характеристиките на износване

31

Фиг.5.19 Зависимост на износването от Фиг.5.20 Зависимост на износването от съдържанието съдържанието на калай в масло 15W40 на калай в масло 15W40 с Валена

Фиг.5.25 Износоустойчивост [m/µm] в масло Фиг.5.26 Износоустойчивост [m/µm] в масло 15W40 без и с композиция Валена 15W40 с Валена за време на триене

за време 60 min 30 min и 60 min

5.4. Износване на сферографитен чугун, микролегиран с калай, при триене в

трансмисионно масло 80W90

Влияние на процентното съдържание на калай и композиция Валена върхукинетиката на износването

32

Фиг.5.27. Зависимост на износването от времето Фиг.5.28. Зависимост на износването от времето в масло 80W90 без Валена в масло 80W90 с Валена

Фиг.5.29 Зависимост на скоростта на износване Фиг. 5.30 Зависимост на скоростта на износване от пътя на триене в масло 80W90 без Валена от пътя на триене в масло 80W90 с Валена

Влияние на процентното съдържание на калай и композиция Валена върху

характеристиките на износването.

Фиг.5.31 Зависимост на износването от съдържа- Фиг.5.32 Зависимост на износването от съдържа- нието на калай в масло 80W90 без Валена нието на калай в масло 80W90 с Валена

Фиг.5.37 Износоустойчивост [m/µm] в масло Фиг.5.38 Износоустойчивост [m/µm] в масло 80W90 без и с композиция Валена 80W90 с композиция Валена

в стационарен режим в преходен и стационарен режим

5.5. Сравнителни резултати

33

Фиг.5.39. Износоустойчивост на чугун с различeн Фиг.5.40 Износоустойчивост на чугун с различeн % Sn в три смазочни среди без Валена % Sn в три смазочни среди с Валена

5.6. Основни резултати и изводи в Глава 5

1. При гранично триене в грес Литол 24: Влиянието на процентното съдържание на

калай върху износването има силно нелинеен и нееднозначен характер. С увеличаване

на количеството на калая до 0,02% износването намалява, след което рязко нараства и

при Sn=0,032% достига максимална стойност, която е 140% по-висока от тази на чугун

без съдържание на калай. Най-висока износоустойчивост има чугун, микролегиран с

0,051% Sn. МСК Валена, добавена, има нееднозначно влияние върху износването на

чугун с калай. При съдържание на калай 0,018-0,032% тя влошава характеристиките на

износването и износоустойчивостта. При 0,051% Sn в преходен и стационарен режим

износоустойчивостта нараства 2,5 пъти в сравнение с тази на нелегиран чугун в грес

без Валена. Валена има положитетелен ефект върху кинетиката на износването, който

се изразява в устойчивост на процеса на износване - липса на етап на приработване и

постоянна скорост на износване във времето.

2.При гранично триене в моторно масло 15 W 40 : Без добавка Валена износването е

по-малко за всички изследвани чугуни от износването им при гранично триене в грес

Литол 24 без и с Валена. Минимално износване (максимална износоустойчивост) има

чугун с калай 0,051%, което е 2,5 пъти по-малко ( по-голяма) от това на чугун без

наличие на калай. Добавянето на Валена в моторно масло има силно положителен

ефект върху износоустойчивостта на 2 вида чугуни: чугун без калай и чугун,

микролегиран с 0,051% калай. При първия износоустойчивостта нараства 2,5 пъти и

достига стойност на тази при чугун с 0,051% Sn.

3. При гранично триене в трансмисионно масло 90 W 80 : В трансмисионно масло

всички изследвани образци показват износоустойчивост с два порядъка по-висока от

тази в другите смазочни среди. С увеличаване на калая износоустойчивостта нараства

нелинейно. В масло без Валена максимална износоустойчивост има чугун,

микролегиран с калай с 0,02% и 0,032% Sn, която е 5 пъти по-висока от тази на чугун

34

без калай. При чугун, микролегиран с най-високо съдържание на калай,

износоустойчивостта намалява, но остава 4 пъти по-висока от нелегиран чугун.

Наличието на Валена в трансмисионно масло има изключителен ефект върху

трибологичното поведение на чугуните. Износоустойчивостта нараства с увеличаване

съдържанието на калай, като максималната износоустойчивост е при 0,032% Sn – 6,7

пъти по-висока от тази на нелегиран чугун. Кинетиката на износване на чугуни без

калай и с калай съществено се различава от тази в другите две смазочни среди. В

режим на приработване износването има експоненциален характер, с различни

стойности за различните образци. Периодът на приработване е кратък и свързан с

рязко намаляване на износването. В стационарен режим на триене износването е

постоянна величина - приема еднакви стойности за всички изследвани образци от

нелегиран и микролегиран чугун.

В заключение може да се обобщи, че най-висока износоустойчивост показват чугуни,

с калай в следното процентно съдържание:при 0,02% 0,032%Sn� � в трансмисионно

масло без композиция Валена - износоустойчивостта е 5 пъти по-висока от тази на

чугун без съдържание на калай; при 0,032%Sn = в трансмисионно масло с композиция

Валена - износоустойчивостта е 6,7 пъти по-висока от тази на чугун без съдържание на

калай.

ПРИНОСИ

Научно-приложни приноси

1. Потвърдено е чрез металографски анализ и механични изпитания, че

сферографитен чугун, микролегиран с калай в диапазона от 0,018% до 0,051% запазва

сфероидалната форма на графита в микроструктурата си и подобрява механичните си

свойства поради увеличаване на перлитната фаза в матрицата.

2. Установено е експериментално влиянието на калая върху статичния, динамичния

коефициент на триене и скока на коефициента на триене при промяна на нормалното

натоварване и скоростта на плъзгане. С увеличване на калая до стойност 0,032%

статичното триене намалява, след което започва да нараства, но винаги остава по-

35

малък от този при чугун без калай. Динамичният коефициент на триене намалява

нелинейно с повишаване на скоростта на плъзгане и нормалното натоварване.

3. Получени са два математични модела за статичното триене: закон за статичния

коефициент на триене от съдържанието на калай в диапазона %032,00 ≤≤ Sn и

регресионно уравнение от 3 степен за зависимостта на статичната сила на триене от

два фактора - процентното съдържание на калай и нормалното натоварване.

4. Установено е експериментално влиянието на калая върху кинетиката,

характеристиките на износването и износоустойчивостта при сухо триене на чугуна по

повърхнина от твърдозакрепени абразивни частици. Микролегирането с калай

повишава износоустойчивостта на чугуна до съдържание на калай 0,032%, след което

износоустойчивостта намалява.

5. Получено е рересионно уравнение за зависимостта на скоростта на линейното

износване от два фактора-съдържанието на калай и номиналното контактно налягане

при сухо триене по повърхнина от твърдозакрепени абразивни частици.

6. Предложени са две оригинални методики и устройства за изследване на масовото

износване и износоустойчивостта при взаимодействие с въздушно-абразивна струя

(струйно-абразивна ерозия) и водно-абразивна струя (хидроабразивно износване). С

тези методики и устройства е установено, че при хидроабаризното износване всички

образци с калай имат с два порядъка по-висока износоустойчивост от

износоустойчивостта при взаимодействие с въздушно-абразивна струя. Най-висока

износоустойчивост има чугун с 0,051% калай, която е 150% по-голяма о тази на чугун

без калай при еднакви условия на изпитване.

7. Установено е, че характеристиките на износване и износоустойчивостта на

сферографитен чугун, микролегиран с калай, при гранично триене зависи от вида на

смазочната среда като най-висока износоустойчивост има чугун с калай 0,021% и

0,032%, която е 5 пъти по-голяма от износоустойчивостта на сферографитен чугун без

калай при еднакви условия на триене в трансмисионно масло 80W90.

Приложни приноси

1. Предложена е нова възможност за повишаване на износоустойчивостта на

сферографитен чугун, микролегиран с 0,032% калай, при гранично триене, която се

състои в добавяне на 0,5% металоплакираща композиция Валена в трансмисионно

масло 80W90 по определена технология, при което се постига износоустойчивост 6,7

пъти по-висока от тази на сферографитен чугун без калай при същите условия на

триене.

36

Списък на публикации по дисертационния труд

1. M. Kandeva, B. Ivanova, Abrasive Wear and Wear Resistance of High Strength

Cast Iron Containing Sn Microalloy, Journal of the Balkan Tribological Association, № 4,

Vol.19, pp 584-591, 2013.

2. Кандева М., Б. Иванова, Ерозия на сферографитен чугун, микролегиран с

калай, под действието на въздушна струя, носеща абразивни частици, сп.

Инженерни науки, кн. 3, 2014, с. 65-76

3. Б. Иванова, М. Кандева, Структура и свойства на сферографитен чугун

микролегиран с калай, сп. Инженерни науки, кн. 4, 2014, 64-72

4. M. Kandeva, B. Ivanova, D. Karastoyanov, E. Assenova, Static and Dynamic

Friction of Sphero-graphite Cast Iron with Sn Microalloy, II Австрийско-индийски

международен симпозиум MaTri14 (Materials science and Tribology), Vienna, 2014

5. Ivanova B., Влияние на нормалното натоварване върху абразивното

износване на високояк чугун, микролегиран с калай, Journal “Engineering Sciences” of

the Bulgarian Academy of Sciences (под печат), 2015

STRUCTURES, PROPERTIES AND CONTACT INTERACTIONS OF HIGH STRENGTH

CAST IRON MICROALLOYED WITH TIN

A complex study in various operational regimes is carried out on the influence of Sn upon the

microstructure, mechanical properties and tribological characteristics of sphero-graphite cast iron

microalloyed with Sn. Original procedures and devices are designed and elaborated, by means of

which results are obtained about the parameters of static and dynamic dry friction, and the wear by

surface with fixed abrasive. The conditions are of contact interaction with abrasive particles carried by

37

air stream (erosive wear) and by water stream (hydro-erosive wear) at boundary friction in motor and

transmission oil and in grease, without and with the metal-plating additive “Valena”.

It is found that for the microalloyed sphero-graphite cast iron with Sn in the interval

%051,002,0 <≤ Sn , the spherical form of the graphite is conserved and the mechanical

characteristics: hardness, tensile strength, relative elongation, elasticity modulus, are improved.

It is established that the static and dynamic friction coefficients decease for tin content

%032,002,0 <≤ Sn , and the wear resistance reaches maximum under abrasive, erosive and hydro-

erosive wear for %032,0=Sn .

It is proved that the addition of 0,5% of the metal-plating additive “Valena” in transmission oil

80W90 improves 6,7 times the wear resistance of sphero-graphite cast iron microalloyed with 0,032%

Sn.

Mathematical models are developed for the variation of the static friction force, static friction coefficient

and the abrasive wear rate with the percentage of Sn content and the contact pressure.

38