АВТОРЕФЕРАТ -...

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

МАШИННО-ТЕХНОЛОГИЧЕН ФАКУЛТЕТ

Катедра „Материалознание и технология на материалите”

Валентин Пламенов Мишев

ИЗОТЕРМИЧНО ЗАКАЛЕНИ СФЕРОГРАФИТНИ

ЧУГУНИ С НАНОРАЗМЕРНИ ЧАСТИЦИ

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация

за присъждане на образователната и научна степен

„ДОКТОР”

в област на висше образование 5. Технически науки

професионално направление 5.1. Машинно инженерство

научна специалност „Материалознание и технология на

машиностроителните материали”

Научен ръководител: доц. д-р инж. Жулиета Атанасова

Калейчева

София, 2015

2

Дисертационният труд съдържа 172 страници, структуриран в 5 глави, основни

резултати и изводи, приноси. Включва 122 фигури и 40 таблици и 18 формули.

Библиографията обхваща 109 литературни източника. Представени са 6

публикации по темата на дисертационния труд.

Докторантът работи като асистент към „Материалознание и технология на

материалите” към Машинно-Технологичен Факултет при Технически Университет

– София. Бил е докторант в същата катедра.

Дисертационният труд е обсъден и предложен за защита на заседание на

Разширен Катедрен Съвет на катедра „Материалознание и технология на

материалите” към Машинно-Технологичен Факултет при Технически Университет

– София, проведено на 23.01.2015 г.

Изследванията от дисертационния труд са извършени в лабораториите на

катедри: „Материалознание и технология на материалите“ и Центъра по

Трибология при Технически университет-София, лаборатория към Технически

университет-Габрово, лаборатории към Института за Космически Изследвания и

Технологии и Институт по Металознание, Съоражения и технологии към БАН.

Номерата на фигурите, таблиците и формулите в автореферата съответстват на

тези в дисертацията.

Автор: маг. инж Валентин Пламенов Мишев

Заглавие: ИЗОТЕРМИЧНО ЗАКАЛЕНИ СФЕРОГРАФИТНИ ЧУГУНИ

С НАНОРАЗМЕРНИ ЧАСТИЦИ

3

І. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Засилените темпове на развитие на съвременното общество, както и

нарастващите изисквания към изделията, машините и съораженията в

различните отрасли на машиностроенето налагат разработването на материали

с висок комплекс от механични и експлоатационни свойства. За

удовлетворяване на нуждите на обществото в областта на

материалознанието, учените насочват своите усилия към създаването на

нови или усъвършенстването на вече съществуващи материали и

технологии.

Сферографитните чугуни имат своите предимства в сравнение с други

материали, като лети или ковани стомани, защото имат добри леярски свойства,

по-ниски разходи за обработка, способност да гасят вибрации, както и 10% по-

ниска плътност. Тези характеристики, заедно с широк набор от механични

свойства, които могат да бъдат постигнати чрез различни методи на термична

обработка, правят сферофрафитните чугуни конкурентни за много приложения, в

които кованите стомани са били доминиращи в миналото.

Това се обуславя от сферичната форма на графитните включвания, които в

по-малка степен отслабват матрицата в сравнение с другите форми на графита в

сивия чугун.

Изотермично закалените сферографитни чугуни (ADI) намират широко

приложение в машиностроенето. Оптималната комбинация от високовъглероден

аустенит и бейнитен ферит гарантират отлични механични свойства на този вид

чугуни. Съотношенията на фазите се променя при различния химичен състав и

термична обработка, което дава възможност да се произвеждат редица

изотермично закалени сферографитни чугуни. За целта се обръща все повече

внимание на процесите на легиране, микролегирани и добавяне на

наноразмерни частици, както и на различните технологии за получаване на

композитни покрития с наноразмерни частици.

Наноразмерните частици набират все по-голяма популярност при

изследванията в областта на наноматериалите. Това е предизвикано най-вече от

изключителните им физико-механични свойства, обусловени от малкия им размер.

При сравнение с материалите с микроразмери, наноматериалите проявяват

различни и дори нови уникални свoйства [1,2].

Обект на изследване на докторската работа са именно тези наночастици

внеснени в сферографитен чугун и в никелово покритие върху сферографитен

чугун.

Очакваните резултати при наличието на наноразмерни частици са в

следните насоки:

повишена якост и износоустойчивост, повишен ресурс;

корозионна устойчивост;

финна окончателна обработка на полираните повърхности;

подобрено смазване [3-5].

4

Цел и задачи на дисертационния труд

Въз основа на резултатите от направените проучвания върху постиженията

в областта на научните изследвания върху свойствата на стомани и чугуни с

наноразмерни добавки, и липсата на влиянието на тези добавки върху

сферографитни и бейнитни чугуни се формулира и целта на дисертационния

труд, а именно: „ Да се изследва структурообразуването, механичните и

трибологичните свойства на лети и изотермично закалени сферографитни

чугуни с наноразмерни частици“.

За постигане на целта бяха поставени за изпълнение следните основни

задачи:

1. Отливане на сферографитни чугуни с наноразмерни частици (титанов

нитрид TiN, титанов карбонитрид TiCN и кубичен боров нитрид cBN) на

основата на два състава нелегиран чугун.

2. Разработване на технологични режими за изотермично закаляване на

сферографитни чугуни с и без наноразмерни частици с цел получаване на

структура долен и горен бейнит.

3. Изследване на влиянието на наночастиците върху количеството и

морфологията на графита и върху структурата на металната основа на лети

сферографитни чугуни.

4. Изследване на влиянието на наночастиците във сферографитните чугуни

върху кинетиката на бейнитното превръщане и структурообразуването в

бейнитната област.

5. Установяване на влиянието на наночастиците върху механични свойства

(твърдост, якост на опън, граница на провлачане, относително удължение,

относително свиване, ударна жилавост) на лети и изотермично закалени


6. Разработване на методики за изпитване на износване и установяване на

влиянието на наночастиците върху трибологичните свойства на лети и

изотермично закалени сферографитни чугуни.

7. Разработване и експериментиране на технологичен режим за отлагане на

композитно никелово покритие с уякчаващи наночастици от титанов нитрид

TiN върху сферографитни чугуни с лята и бейнитна структура. Изследване

на микроструктурата, микротвърдостта и износоустойчивостта на

получените композитни никелови покрития.

Методи на изследване

За реализиране целта на докторската дисертация са използвани различни

методи за изследване на структурата и свойствата на лети и изотермично

закалени сферографитни чугуни с наноразмерни добавки. Изследвани са

микроструктурата, микротвърдостта и износоустойчивостта на композитно

никелово покритие с наночастици от титанов нитрид TiN върху сферографитни

чугуни с лята и бейнитна структура. Използваните методи за анализ позволяват

получаването на пълна и точна информация за влиянието на наноразмерните

5

частици върху структурата и свойствата на ляти и изотермично закалени


Обем и структура на дисертационния труд

Дисертационният труд съдържа 5 глави с общо 122 фигури и 40 таблици в

тях, приноси, списък на използваните 109 литературни източника и приложение с

общ обем на работата 172 страници. Последователността на дисертацията се

състои от увод, литературен анализ, характеризиращ сегашното състояние на

разглеждания проблем; цели и задачи, определени на основание на неразрешени

до този момент въпроси; използвани материали и методики, проведени

експериментални изследвания; обсъждане на експерименталните резултати и

задълбочен анализ на поставените задачи, основни изводи; научни, научно-

приложни и приложни приноси ; библиография и приложение.

Научна новост

1. Разработени са шест нови състава сферографитен чугун с добавки от

наноразмерни частици титанов нитрид TiN, титанов карбонитрид TiCN +

титанов нитрид TiN и кубичен боров нитрид cBN.

2. Установено е влиянието на наночастици от TiN, TiCN + TiN и cBN върху

морфологията на графита - размера, закръглеността и количеството на

графитната фаза и върху структурата на металната основа в лети

нелегирани сферографитни чугуни.

3. Доказано е, че повишената износоустойчивост на изотермично закалените

сферографитни чугуни с наноразмерни добавки от TiN, TiCN + TiN и cBN е

свързана и с microTRIP- ефект, установен при изпитване на абразивно

износване.

Практическа приложимост

Изучено е влиянието на наноразмерните частици от TiN, TiCN + TiN и cBN

върху механичните и трибологични свойства на лети и изотермично закалени

сферографитни чугуни:

1. Установено е повишаване на ударната жилавост с 14÷37% и на

абразивната износоустойчивост с 55÷88 % за летите сферографитни чугуни

с наночастици в сравнение с чугуните без такива.

2. Установено е повишаване на ударната жилавост до 24÷27% за структурата

горен бейнит и до 17÷18% за структурата долен бейнит и на абразивната

износоустойчивост до 23÷27% за структурата горен бейнит и до 62÷73% за

структурата долен бейнит за изотермично закалените сферографитни

чугуни с наночастици в сравнение с чугуните без такива.

Апробация на изследванията

Основните резултати от дисертационната работа са отразени в 6

публикации, съответно в сборници с доклади на международни научни

6

конференции, списания и конгреси с международно участие: ХХVІІ межд. научна

конференция МТФ2012 и АМТЕХ2012 (София) (1бр.), Journal of Chemistry and

Chemical Engineering (1бр.), 5th world TRIBOLOGY congress Torino (1бр.), European

Conference on Heat Treatment and 21st IFHTSE Congress (Munich) (1бр.),

NANOSCIENCE & NANOTECHNOLOGY’13,14 БАН (София) (2бр.). Част от

дисертационния труд беше представен (презентация) в Internal Scientific Seminar

of the Department of Materials Science and Engineering at Ghent University Belgium.

II. ОСНОВНО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

УВОД

В увода е обоснована актуалността на проблема, подчертани са

предимствата на сферографитните чугуни и бейнитните чугуни, както и все по-

широкото използване на наноразмерните частици за подобряване на свойствата

на различни групи материали.

ГЛАВА 1. Литературен обзор

Направен е анализ на представените в специализираната литература

изследвания относно механизма, кинетиката, морфологията и особеностите на

бейнитното превръщане в желязо-въглеродните сплави. Разгледани са различни

морфологии на бейнита (освен горен и долен) и структурата нанобейнит.

Разгледано е влиянието на наноразмерните частици върху стомани и чугуни с

пластинчат графит. Проучени са типичните състави и режими за получаване на

бейнитни чугуни, тяхната микроструктура и свойства.

ГЛАВА 2. Материал и методики на изследване

Във втора глава са описани използваните материали, термични обработики

и методи за изпитване и анализ.

2.1 Получаване на отливки от високояк чугун с нанодобавки

Отлети за 2 базови състава сферографитен нелегиран чугун, към който са прибавени 3 вида наночастици, като по този начин са получени общо 8 състава чугун. Отливките са отляти в завод „ОСЪМ” АД гр. Ловеч, който е първият в България, сертифициран с ISO 9001. От индукционните пещи чугунът се разлива в транспортна кофа с маса 1 тон, в която се извършва модифицирането [VL63(M)] му с цел сфероидизация на графита. При запълването на леярските форми беше използвана ръчна разливна кофа с максимална маса на течния метал 25 кг, като в момента на отливанането от транспорната кофа се извърши модификация [VP 216] в струята с цел перлитизация на металната основа и се добавиха наноразмерни частици и фероманганът.

Преди да бъдат добавени в стопилката, наноразмерните частици са разделени на дози и покрити с никел по метод за отлагане на безтоково никелово покритие ЕФТТОМ – НИКЕЛ [6]. Никеловото покритие върху наноразмерните частици позволява тяхното омокряне в стопилката и по-равномерното им разпределение в обема на отливката.

7

Химичният състав на сферографитните чугуни е следния: Състав 1 Fe-3,55C-2,547Si-0,268Mn-0,023S-0,028P-0,037Cu-0,014Cr- 0,008Ni-0,06Ti - 0,062Mg wt%. Състав 2 Fe-3,54C-2,43Si-0,62Mn-0,036S-0,029P-0,041Cu-0,017Cr- 0,008Ni-0,007Ti-0,052Mg wt%.

Таблица 2.1 Състав и означение на лят сферографитен чугун

№ на образеца

Състав Нано добавки

Озна-чение


Състав Нано добавки

Озна-чение

1 базов 1

- 10 5

базов 2 -

20

2 базов 1

70%TiCN+30%TiN

11 6 базов 2

70%TiCN+30%TiN

21

3 базов 1

TiN

12 7 базов 2

TiN

22

4 базов 1

cBN

13 8 базов 2

cBN

23

2.2 Сферографитни чугуни за нанаяне на композитни никелови

покрития с наноразмерни частици

За получаване на наноструктурни композитни покрития е приложена

технология за отлагане на безтоково никелово покритие ЕФТТОМ-НИКЕЛ,

разработен в ТУ-София [6]. Като уякчаващ материал е използван наноразмерен

прах от титанов нитрид TiN (50 ηm).

Композитните покрития са нанесени върху образци от високояк чугун със

състав:

1. Fe-3,76C-2,12Si-0,35Mn-0,019S-0,032P wt% (състав 1).

2. Fe-3,63C-2,59Si-0,30Mn-0,010S-0,034P-0,53Cu wt% (състав 2).

Използвани са два вида образци от високояк чугун:

в лято състояние, със структура ферит, перлит и графит;

след изотермично закаляване (ADI), със структура долен бейнит и

графит.

2.3 Режим на термична обработка

2.3.1 За сферографитен чугун с наноразмерни частици Изследвани са и образци от сферографитен чугун след изотермично

закаляване, включващо нагряване при температура 900оС за 1час и изотермично задържане в солни вани при температури 280оС и 380оС за времена от 15мин. до 6 часа. (фиг. 2.2). Структурата на чугуна след изотермичното закаляване при 280

оС е долен бейнит (ДБ) или при 380оС горен бейнит (ГБ). Термичната обработка е извършена във фирма "Балканско ехо" ЕООД с. Кравеник.

8

фиг. 2.2 Схема на режимите за изотермично закаляване на образци от

сферографитен чугун

2.3.2 За сферографитен чугун с композитно никелово покритие Никеловите покрития са нанесено върху образци от високояк

сферографитен чугун след изотермично закаляване в областта на долния бейнит. Изотермичното закаляване на високоякия чугун (ADI) включва (фиг.2.3):

1. Нагряване при 900°C и задържане 1 h;

2. Изотермично закаляване в солна вана при 290°C и задържане 2 h;

3. Охлаждане на въздух до стайна температура.

Изследвани бяха два вида покрития (табл.2.4): безтоково никелово покритие (Ni);

композитно покритие от никел и наноразмерен титанов нитрид (Ni + TiN).

След нанасяне на покритията част от образците бяха подложени на термична

обработка отгряване при температура 290°С в течение на 6h, за подобряване на адхезията на покритието и повишаване на неговата микротвърдост (табл.2.4).

В дисертационната работа са използвани следните методи за изследване: Оптичен металографски анализ; Количествен металографски анализ („Olympus MicroImage); Рентгеноструктурен анализ (Philips PW 1050, количествените анализи са

изпълнени по метода BRASS - Bremen Rietveld Analysis and Structure Suite [7]);

Сканиращ електронен микроскоп (SEM); Изпитване на механични свойства

Изпитване на твърдост (Бринел, Викерс и Кнуп);

Изпитване на опън;

Изпитване на ударна жилавост;

Трибологични свойства o Абразивно износване „палец-диск” o Абразивно износване „диск-диск”

9

Таблица 2.4


Означение Материал на

образеца

Покритие

Състав Състав

Термична обработка

1 Л10

Лят високояк чугун

без покритие

1

2 Л11 Ni

3 Л12 Ni+TiN

4 Л11О Ni 290°C, 6h отгряване 5 Л12О Ni+TiN

6 И10

Изотермично закален високояк

чугун


7 И11 Ni

8 И12 Ni+TiN

9 И11О Ni 290°C, 6h отгряване 10 И12О Ni+TiN

11 Л20

Лят високояк чугун


2

12 Л21 Ni

13 Л22 Ni+TiN

14 Л21О Ni 290°C, 6h отгряване 15 Л22О Ni+TiN

16 И20

Изотермично закален високояк

чугун


17 И21 Ni

18 И22 Ni+TiN

19 И21О Ni 290°C, 6h отгряване 20 И22О Ni+TiN

Глава 3. Влияние на наноразмерни частици от TiCN+TiN, TiN и cBN върху микроструктурата, механичните и трибологични-те свойства на лети сферографитни чугуни

3.1 Микроструктура и механични свойства на лети сферографитни

чугуни с наноразмерни частици

На фиг.3.1 ÷ фиг. 3.2 е представена микроструктурата на изследваните лети сферографитни чугуни с наноразмерни добавки от състав 1, а на фиг. 3.9 е представена микроструктурата на образците от състав 1 при увеличение Х100 преди и след разяждане на микрошлифовете.

Структурата на изследваните чугуни след леене се състои от ферит, перлит и графит (фиг. 3.1÷фиг. 3.10).

Количественият металографски анализ е извършен с помощта на софтуер „Olympus MicroImage” като са получени данни за максимален [Dmax], минимален [Dmin] и среден диаметър [Dmid] на графитните зърна, закръглеността и обемните части на графита, перлита и ферита (табл.3.1). Анализите са направени за четири произволни полета от шлифа, като дадените стойностти са усреднени.

10

фиг.3.1 Микроструктура на лят сферографитен чугун без нанодобавки -

образец №10 (състав 1)

фиг.3.2 Микроструктура на лят сферографитен чугун с нанодобавки от

TiCN+TiN - образец №11 (състав 1)

Образец 10

Образец 11 фиг.3.9 Микроструктура на лят сферографитен чугун - образци № 10 и11

(състав 1): а) непроявен; б) проявен

11

Таблица 3.1 Данни от количествения металографски анализ

№ на образец

Dmid [µm]

Закръгленост Обемна част на графитa

[%]

Обемна част на перлита

[%]

Обемна част на ферита

[%]

10 11,00 1,59 8,44 32,12 59,44

11 10,52 1,28 16,36 25,36 58,28

12 10,64 1,49 11,36 34,28 54,36

13 10,34 1,23 16,34 35,74 47,92

20 7,68 1,43 7,44 55,19 37,37

21 9,32 1,97 8,45 55,83 35,72

22 9,45 1,54 9,58 53,08 37,34

23 7,84 1,51 8,14 46,96 44,90

Наноразмерните добавки в летите сферографитни чугуни не променят

формата на графита. Те увеличават количеството на графитната фаза с 35÷94 %

(състав 1) и с 9÷29 % (състав 2) в сравнение с това в чугуните без наночастици

(фиг.3.11). Количеството на графит в чугуните от състав 2 е по-малко от това в

състав 1, което е свързано с различното количество на манган в тях и неговото

влияние върху процеса на графитизация. Наноразмерните добавки намаляват

средния диаметър на графитните сфери Dmid от 11.00 до 10.34 µm в чугуните от

състав 1. За чугуните от състав 2 се наблюдава увеличаване на Dmid от 7.68 до

9.45 µm. (табл.3.1, фиг.3.12).

Наноразмерните добавки променят количеството на перлита и ферита в

структурата на чугуните (табл.3.1). Изменя се количественото съотношение

между структурни елементи с различна твърдост (най-висока е твърдостта на

перлита, а най-ниска на графита), което влияе върху общата твърдост на

модифицираните с наноразмерни частици чугуни (табл.3.2).

фиг.3.5 Спектограма на локален химичен анализ на графитна фаза (SREM) в сферографитен чугун с наноразмерни частици от TiCN+TiN (образец №11).

12

фиг. 3.6 Електронно микроскопски снимки на отражение (SREM) от лома на ударно разрушен образец сферографитен чугун с наноразмерни частици от

TiCN+TiN (образец №11)

Анализът на електронномикроскопските снимки на отражение (SREM) от лома на на ударно разрушен образец сферографитен чугун с наноразмерни частици от TiCN+TiN (фиг.3.6) и извършения локален химичен анализ на графитната фаза (фиг.3.5), показват присъствието на наночастиците в графита. Тези изследвания , както и проведеният количествен металогравски анализ , доказват , че наночастиците влияят „модифициращо” върху големината и формата на графитната фаза.

фиг.3.11 Съдържание на графит е двата състава чугун

13

фиг.3.12 Изменение на средния диаметър (Dmid) на графита

в двата състава чугун

Концентрацията на манган във сферографитените чугуни е в границите

0,2÷0,8%. Концентрацията на манган в образците 10,11,12 и 13 (състав 1) е около

0,3 % , а в образците 20,21,22, и 23 (състав 2) – около 0,7 % (табл. 2.2).Първата

концентрация е близка до долната граница , а втората – до пределно допустимата

горна граница на мангана в сферографитните чугуни.

Наноразмерните добавки променят количеството на перлита и ферита в

структурата на чугуните (табл.3.1). Изменя се количественото съотношение

между структурни елементи с различна твърдост (най-висока е твърдостта на

перлита, а най-ниска на графита), което влияе върху общата твърдост на

модифицираните с наноразмерни частици чугуни (табл.3.2).

Концентрацията на манган във сферографитените чугуни е в границите

0,2÷0,8%. Концентрацията на манган в образците 10,11,12 и 13 (състав 1) е около

0,3 % , а в образците 20,21,22, и 23 (състав 2) – около 0,7 % (табл. 2.2).Първата

концентрация е близка до долната граница , а втората – до пределно допустимата

горна граница на мангана в сферографитните чугуни. И двата изследвани

състава са нелегиран сферографитен чугун (за легиран се счита чугун със

съдържание на манган по-голямо от 1,5%).

Таблица 3.2 Механични свойства

№ на образец

микротвърдост

HB KC,

[MJ/m2] RP0,2

[MPa]

Rm

[MPa]

A [%]

Z [%] ферит перлит

10 189 329,2 185 0,81 426,61 582,70 15,76 17,51

11 178 311 180 0,93 372,66 511,04 15,12 16,28

12 171 274 165 1,11 395,47 529,24 18,96 17,55

13 180,8 339,8 170 1,0 411,01 559,85 10,23 13,76

20 206,8 357 203 0,66 465,64 617,29 14,48 11,87

21 191,6 338,2 201 0,8 444,70 604,59 14,16 13,5

22 178 287 195 0,9 444,24 573,91 11,28 15,07

23 188,6 344,4 190 0,75 418,37 561,06 12,93 15,51

14

Манганът се разтваря във ферита и повишава неговата твърдост и якост.

Измерената микротвърдост на ферита за образците от състав 1 е в границите

171÷189 HV0,1, а за състав 2 – в границите 178÷207 HV0,1 (табл. 3.2).

С повишаване на процентното съдържание на манган се увеличава

количеството на перлит в структурата на чугуна от 25-36 % (състав 1) до 47-56 %

(състав 2)(табл.3.1). Във ферито-перлитните чугуни, с увеличаване на

количеството на перлита, твърдостта се повишава. Образците от състав 1 имат

твърдост 165÷185 НВ, а тези от състав 2 - 190÷203 НВ (табл. 3.2; фиг.3.13).

фиг.3.13 Изменение на твърдостта HB в двата състава чугун

Ударната жилавост КС на образците, съдържащи нанодобавки е с 15÷37%

за състав 1 и с 14÷36% за състав 2 по-висока от тази на образците без

нанодобавки(табл. 3.2; фиг.3.14).

фиг.3.14 Изменение на ударната жилавост КС в двата състава чугун

Якостта на опън Rm за образците от състав 1 се изменя в границите

511÷582 МРа, а границата на провлачане Rp0,2 - в границите 373÷426 МРа. За

образците от състав 2 Rm се изменя от 561 до 617 МРа (табл. 3.2 и фиг. 3.15), а

Rp0,2 – от 418 до 466 МРа. По-високите якостни свойства на образците от състав 2

15

са в корелация с по-високата твърдост и се обясняват с повишеното количество

перлит в структурата на образците с по-голямо процентно съдържание на манган

в сравнение с образците от състав 1.

фиг.3.15 Изменение на якостта на опън Rm в двата състава чугун

Относителното удължение А се изменя от 10 до 19 % за образците от

състав 1 и от 11 до 15 % за образците от състав 2 (табл. 3.2 и фиг. 3.17).

Относителното свиване е в границите 14÷18 % за образците от състав 1 и в

границите 12÷16 % за образците от състав 2 .

3.2 Трибологични свойства на лeти сферографитни чугуни с

наноразмерни частици

Проведено е изследване на абразивно износване по методика и с

устройство за ускорени изпитания по кинематичната схема „палец - диск” при

триене по закрепен абразив. С описаните методика и устройство за изпитване на

износване (Вж гл.2, т.2.9.1) са получени експериментални резултати за масовото

износване m, скоростта на износването dm/dt , абсолютната интензивност на

износване i и абсолютната износоустойчивост I на образците и тяхното изменение

във времето на контактно взаимодействие.

Изследваните в настоящата работа лети чугуни с и без наноразмерни

частици имат равновесна ферито-перлитна структура на основата и включвания

от графитни сфери. Резултатите от количествения металографски анализ

показват, че наноразмерните добавки без да променят формата на графита ,

увеличават неговото количество и намаляват средния диаметър на графитните

сфери (състав 1), което води до намаляване на средното разстояние между

графитните зърна. Интензивността на износване на чугуните с нанодобавки

намалява, а износоустойчивостта им се увеличава – с 55, 69 и 88 % за образците

№ 11, 12, 13 (състав 1) и с 61, 75 и 81 % за образците № 21, 22, 23 (състав 2) в

сравнение с износоустойчивостта на образците № 10 (състав 1) и № 20 (състав

2) без наночастици (фиг.3.24). По-високата износоустойчивост за образците от

състав 2 е свързана и с по-голямото количество перлит в структурата на

металната им основа, което е резултат от повишеното съдържание на манган

16

(около 0,7%) в състава им. Повишаването на износоустойчивостта в изследваните

образци, вероятно, е свързано и с въздействието на наномодификаторите върху

първичната кристализация и върху уякчаването на повърхностните слоеве при

триене.

фиг.3.24 Изменение на износоустойчивост I в двата състава

чугун

Глава 4. Изотермично закалени сферографитни чугуни с наноразмерни частици

В глава 4 е изследвано влиянието на наноразмерните частици върху микроструктурата, механичните и трибологични свойства на изотермично закалени сферографитни чугуни.

4.1 Микроструктура и механични свойства на изотермично закалени

сферографитни чугуни с наноразмерни добавки

Изследвани са образци от сферографитен чугун след изотермично

закаляване, включващо нагряване при температура 900°C, 1 h и изотермично

задържане при температури 280°C, 2 h и 380°C, 2 h (фиг. 2.1). След нагряване при

900°C, 1 h и изотермично задържане при температура 280оС, 2 h преохладеният

аустенит се превръща в структура долен бейнит (ДБ) (фиг. 4.1÷4.4), а при

изотермично задържане при температура 380°C, 2 h – в структура горен бейнит

(ГБ) (фиг. 4.5÷4.13). Бейнитът е ориентирана структура, състояща се от игли α–

фаза (бейнитен ферит), карбиди и непревърнат аустенит. α-фазата се образува

по мартензитен механизъм от аустенитните области с ниско въглеродно

съдържание и представлява преситен с въглерод α–твърд разтвор. При

охлаждане от температурата на изотермата до стайна температура, част от

непревърнатият аустенит претърпява мартензитно превръщане, а друга част от

него остава в структурата като остатъчен аустенит Аост.. След окончателно

завършване на изотермичното закаляване се получава сложна структура,

състояща се от бейнитен ферит (α–фаза), карбиди, остатъчен аустенит и

мартензит. От вида на структурните съставляващи и от тяхното количествено

съотношение зависят окончателните механични свойства на чугуните.

17

Анализът на микроструктурата долен бейнит за образците без и с

наномодификатори от състав 1 и 2 показва, че за време на изотермично

задържане 2h, аустенит-бейнитното превръщане протича в по-голяма степен в

чугуните от състав 1 (фиг.4.1a,b÷4.4a,b). В структурата на образците от състав 2,

за време на изотермично превръщане 2 h , освен долен бейнит, присъства повече

остатъчен аустенит Аост. (γ) (фиг.4.1c,d÷4.4c,d), което се обяснява с влиянието на

по-голямото количество манган върху кинетиката на бейнитното превръщане.

Проведеният количествен рентгеноструктурен анализ показва, че наноразмерните

добавки повишават степента на бейнитното превръщане в температурния

интервал на долния бейнит и намаляват количеството на остатъчния аустенит в

структурата от 30,6 до 21% (табл. 4.21).

фиг. 4.1 Микроструктура на изотермично закалени сферографитни чугуни без

нанодобавки със структура долен бейнит b) обр. Д10-2 ; d) обр. Д20-2

фиг. 4.2 Микроструктура на изотермично закалени сферографитни чугуни

с нанодобавка TiN + TiCN със структура долен бейнит a) обр. Д11-2 ; c) обр. Д21-2

Структурата горен бейнит е по-грубо дисперсна (фиг.4.6÷4.13) и за всички

изследвани образци количеството на остатъчния аустенит Аост. е по-голямо от

18

това в образците със структура долен бейнит (40,4 ÷ 27,1 % за структурата горен

бейнит и 30,6 ÷ 21 % за структурата долен бейнит, табл.4.22). Това потвърждава

известният факт, че превръщането на преохладения аустенит в температурния

интервал на горния бейнит не протича докрай и завършва със запазване на

значително количество остатъчен аустенит в структурата. В образците със

структура горен бейнит, съдържащи наноразмерни добавки, количеството на

остатъчния аустенит е 31,8÷27,1% и е по-малко от това в образците без

нанодобавки – 40,4% (табл.4.22). Наноразмерните добавки, както и в случая с

долния бейнит, повишават степента на бейнитното превръщане и намаляват

количеството на остатъчния аустенит в образците със структура горен бейнит.

(фиг.4.6÷4.13; табл. 4.22).


състав 1 със структура горен бейнит ( a) – обр. Г10-2; b) – обр. Г11-2; c) – обр. Г12-2; d)-обр.Г13-2

19


с нанодобавка TiN + TiCN със структура горен бейнит a), b) – обр. Г11-2 ; c), d) – обр. Г21-2

Механичните свойства на изотермично закалените сферографитни чугуни

са представени в табл. 4.1 (състав 1), табл.4.2 (състав 2) и на фиг. 4.14 ÷ 4.19.

Якостта на опън Rm и границата на провлачане RP0,2 за образците без и с

наномодификатори са близки по стойност (табл. 4.1, табл.4.2). Наблюдава се

известно повишаване на якостта на опън Rm за структурите долен бейнит с

наноразмерни добавки (с 4 % за състав 1 и с 7 % за състав 2), което корелира с

по-високата им твърдост в сравнение с образците без наномодификатори.

Пластичните характеристики на всички изследвани образци – относително

удължение A и относително свиване Z, са по-високи за структурата горен бейнит в

сравнение със структурата долен бейнит (табл.4.1, табл.4.2). Това се обяснява с

по-ниската якост на горния бейнит и с по-голямото количество остатъчен

аустенит в структурата след превръщане на аустенита в горния температурен

интервал на бейнитната област. Най-високи пластични характеристики има

20

структурата горен бейнит за образците от състав 1 e без нанодобавки и за

образците от състав 2 с наномодификатор cBN.

Таблица 4.1 Механични свойства на ADi при 120мин – състав 1

Oбразец Нано

добавки Rm,

MPa RP0,2

MPa A, %

Z, %

KC, MJ/m2

HV10

Г10-2 - 1157 892 11,7 14 1,137 314

Г11-2 TiCN + TiN 1149 885 11,1 13

1,442 322

Г12-2 TiN 1136 892 11,1 13,9

1,220 312

Г13-2 cBN 1127 822 10,4 12,1 1,387 317

Д10-2 - 1332 917 3,5 6 0,771 388

Д11-2 TiCN + TiN 1355 938 3,2 6 0,901 409

Д12-2 TiN 1322 930 3,3 5,9 0,828 403

Д13-2 cBN 1387 940 3,5 5,8 0,884 395

фиг. 4.16 Ударна жилавост КС a) и твърдост HV10 b)

на бейнитни чугуни – състав 1

21

Таблица 4.2 Механични свойства на ADi при 120мин – състав 2

Oбразец Нано

добавки Rm,

MPa RP0,2

MPa A, %

Z, %

KC, MJ/m2

HV10

Г20-2 - 1113 841 10,8 12,3 1,132 312

Г21-2 TiCN + TiN 1147 819 9,3 11,1 1,397 313

Г22-2 TiN 1104 787 9,9 12 1,244 308

Г23-2 cBN 1131 866 11,2 13,6 1,405 314

Д20-2 - 1467 1186 2,3 4 0,831 392

Д21-2 TiCN + TiN 1458 1099 2,9 4 0,977 408

Д22-2 TiN 1438 1049 2,7 4 0,921 401

Д23-2 cBN 1563 1192 3,4 5 0,861 419

фиг. 4.19 Ударна жилавост КС a) и твърдост HV10 b)

на бейнитни чугуни – състав 2

Ударната жилавост КС на образците със структура горен бейнит е по-

висока от тази, на образците със структура долен бейнит. Това е свързано с по-

голямото количество остатъчен аустенит в структурата след разпадане на

22

аустенита в горния температурен интервал на бейнитната област. В образците

със структура горен бейнит, съдържащи нанодобавки, количеството на

остатъчният аустенит е по-малко от това в образците несъдържащи

наномодификатори. Независимо от това ударната жилавост КС на тези образци е

с 27% за състав 1 и с 24 % за състав 2 по-висока от тази на образците без

нанодобавки. Наноразмерните добавки, вероятно, влияят върху първичната

кристализация като намаляват размера на аустенитното зърно. Те задържат

нарастването на аустенита при нагряване и след изотермично закаляване се

получава бейнитна структура с по-висока дисперсност. Макар и по-слабо, но се

наблюдава и известно повишаване на ударната жилавост КС за образците със

структура долен бейнит с нанодобавки, в сравнение с КС за образците без

наномодификатори (с 17% за състав 1 и с 18% за състав 2).

Твърдостта HV10 на образците със структура долен бейнит (388÷409 HV10

за състав 1 и 392÷419 HV10 за състав 2) е по-висока от тази на образците със

структура горен бейнит (312÷322 HV10 за състав 1 и 308÷314 HV10 за състав 2).

Образците със структура долен бейнит, съдържащи наноразмерни добавки, имат

по-висока твърдост от тези без наномодификатори (табл. 4.1, табл. 4.2, фиг.

4.16 b) и фиг. 4.19 b).

4.2 Трибологични свойства на изотермично закалени

сферографитни чугуни с наноразмерни добавки

4.2.1 Методика на абразивно износване „палец-диск”

Изследвано е износването на 16 бр. образци от два състава изотермично

закален сферографитен чугун (ADI) със структура горен бейнит и долен бейнит,

получени при температури 380оС и 280оС за време на изотермично задържане 2

часа.

4.2.2 Екпериментални резултати

С описаните методика и устройство са получени експериментални

резултати, представени в таблици 4.4 ÷ 4.19 за масовото износване m, скоростта

на износването dm/dt, абсолютната интензивност на износване i и абсолютната

износоустойчивост I на образците и тяхното изменение във времето на контактно

взаимодействие. На фиг. 4.20a) са изобразени графично зависимостта на

масовото износване m от броя цикли N (пътя на триене) и зависимостта на

скоростта на масовото износване dm/dt от времето на триене t (фиг.4.20b)). На

фиг. 4.21a) са представени таболограми на интензивността на износване i и

износоустойчивостта I (фиг.4.21b)) на образци от изотермично закален

сферографитен чугун без и с нанодобавки за един и същи път на триене L =

612,5 [m].

Установено е повишаване на износоустойчивостта за всички образци,

съдържащи наноразмерни добавки. За чугуните със структура горен бейнит

износоустойчивостта се повишава с 1÷23 % за образците от състав 1 (фиг. 4.21) и

с 6÷27 % за образците от състав 2 (фиг. 4.25) в сравнение с образците без

нанодобавки. За чугуните със структура долен бейнит увеличението на

23

износоустойчивостта е с 27÷73 % за състав 1 (фиг. 4.23) и с 14÷62 % за състав

2(фиг. 4.27).

фиг.4.21(23) Износоустойчивост I на образци Г10-2, Г11-2, Г12-2, Г13-2,

Г20-2, Г21-2, Г22-2 и Г23-2

фиг.4.25 (27) Износоустойчивост I на образци Д10-2, Д11-2, Д12-2, Д13-2,

Г20-2, Г21-2, Г22-2 и Г23-2

4.2.3 Образуване на деформационен мартензит при

абразивно износване на изотермично закалени сферографитни чугуни с наноразмерни добавки

Износоустойчивостта е многофакторен параметър и нейното прогнозиране

по стандартно измервани свойства (твърдост и др.) често е погрешно, тъй като

тези характеристики не винаги са надеждни критерии за износоустойчивостта на

стоманите и чугуните. Трибологичните свойства на металните материали в

значителна степен зависят от структурното състояние, формиращо се на

контактната повърхност в процеса на триене. В условията на интензивна

пластична деформация на метала в зоната на фрикционния контакт в

метастабилните структури /остатъчен аустенит, мартензит, бейнит/ протичат

структурни превръщания, които оказват силно влияние на ефективната якост на

повърхността и, съответно, на трибологичните свойства на материалите.

Към метастабилните структури се отнася и остатъчният аустенит, който при

фрикционно въздействие претърпява деформационно мартензитно γ→α

превръщане (TRIP-ефект). При триене остатъчният аустенит частично се

превръща в деформационен мартензит, който съдържа същото количество

24

въглерод, както и високовъглеродният аустенит и се явява неотвърнат мартензит

с висока твърдост и способност за интензивно уякчаване при износване.

Таблица 4.20 Количество на фазите в чугуните ADI преди и след трибологичния тест

Образец Количество на фазите, %

Преди трибологичния тест След трибологичния тест

α γ Cementite α γ Cementite

Г10-2 59,6 40,4 - 68,2 31,3 0,5

Г11-2 72,9 27,1 - 87,3 11,6 1,1

Г12-2 68,2 31,8 - 67,6 31,2 1,2

Г13-2 69,8 30,2 - 72,8 25,3 1,9

Д10-2 69,4 30,6 - 71,5 25,0 3,5

Д11-2 75,1 24,9 - 80,4 12,2 7,3

Д12-2 75,6 24,4 - 76,6 22,1 1,3

Д13-2 79,0 21,0 - 81,7 11,8 6,5

a)

b) фиг. 4.29 Дифрактограма на образец Г11-2 преди a) и след b) трибологичния

тест

25

Проведен е количествен рентгеноструктурен анализ за 16 бр. образци от

състав 1. Половината от образците са изследвани непосредствено след

изотермичното закаляване, а останалата половина – след провеждане на

трибологичния тест. Дифрактограмите на изследваните образци са представени

на фиг. 4.28÷4.35. Определено е количеството на следните фази: γ–фаза

(остатъчен аустенит), α–фаза (бейнитен ферит, мартензит) и цементит

(табл.4.20), както и параметрите на кристалните решетки на тези фази

(табл.4.21).

Установено е, че след трибологичния тест количеството на γ–фазата във

всички образци намалява в различна степен (фиг. 4.31 и 4.35 ). Този TRIP -

ефект се изразява в протичането на деформационно мартензитно γ→α

превръщане с частична трансформация на остатъчния аустенит в

деформационен мартензит. Този мартензит е с висока твърдост и води до

интензивно уякчаване в контактната повърхност при триене. Най-силно TRIP -

ефектът е изразен в образците съдържащи наноразмерна добавка от TiN + TiCN.

За тези образци количеството на остатъчният аустенит (γ) намалява от 27,1 до

11,6 % (фиг. 4.29 ) за структурата горен бейнит и от 24,9 до 12,2% (фиг. 4.33) за

структурата долен бейнит. Тази частична трансформация на остатъчния аустенит

в деформационен мартензит корелира с повишаване на износоустойчивостта в

същите образци.

фиг. 4.36 Количество остатъчен аустенит γ в чугуни със структура горен бейнит (образци Г10-2, Г11-2, Г12-2, Г13-2) преди и след трибологичния тест

(ТТ)

фиг. 4.37 Количество остатъчен аустенит γ в чугуни със структура горен

бейнит (образци Д10-2, Д11-2, Д12-2, Д13-2) преди и след трибологичния тест (ТТ)

26

Глава 5. Сферографитни чугуни с композитно никелово покритие с наноразмерни частици от TiN

Изследвани са микроструктурата, твърдостта и трибологичните свойствата

на композитни никелови покрития с и без наноразмерни частици (TiN), нанесени

върху сферографитни чугуни /два състава/ в лято състояние и след

изотермично закаляване (290°С, 6 h), без и с допълнителна термична обработка

(нагряване при 290°С, 6 h) (табл. 2. 4).

Изследвани са два вида покрития: безтоково никелово покритие Ni и

композитно никелово покритие с наноразмерен титанов нитрид Ni + TiN

(табл.5.1).

Приложена е технология за отлагане на двуслойно покритие (Ni/Ni+TiN), която

включва:

Слой от никелово покритие (Ni), получено чрез предварително никелиране в

разтвор за безтоково никелиране по метода ЕФТТОМ–НИКЕЛ, който играе

ролята на демпфер между образеца и композитното покритие Ni+TiN.

Демпферният слой повишава възможността полученото покритие да поема

контактния удар при експлоатация и подобрява адхезията между образеца

и покритието.

Композиционен слой никел – уякчаващи частици от наноразмерен титанов

нитрид (Ni+TiN). Този втори слой е същинското покритие, образувано чрез

никелиране в разтвор за безтоково никелиране по метода ЕФТТОМ–НИКЕЛ

с добавка на уякчаващи частици - наноразмерен прах от титанов нитрид

(50 ηm).

След нанасяне на покритията част от образците са подложени на термична

обработка при температура 290 оС в течение на 6 часа [табл.2.4], за подобряване

на адхезията на покритието и повишаване на микротвърдостта (табл.5.1).

5.1 Микроструктура и микротвърдост на никелови наноструктурни композитни покрития

Структурата на чугуна след леене се състои от ферит, перлит и графит

(фиг. 5.1а) и c)). Разликата в лятата микроструктура между състав 1 и състав 2 е в

количественото съотношение между ферита и перлита. Състав 1 е нелегиран

чугун, а състав 2 е легиран с около 0,5% мед. Легирането с мед увеличава

количеството на перлита в структурата на чугуна.

Микроструктурата на чугуна след термична обработка - нагряване при

900°С, 1h и следващо изотермично закаляване при 290°С, 2h, се състои от долен

бейнит и графит (фиг. 5.1b) и d)). Изборът на температурата на изотермично

закаляване е съобразен с термичната обработка след нанасяне на покритието -

290°С, 6 h. Изотермичното закаляване е проведено при същата температура -

290°С, 6 h. Нагряването при температура 290°С след нанасяне на покритието

изключва промени в структурата на чугуна.

На фиг. 5.2 ÷ 5.9 са представени микроструктурите на покритията от Ni и

Ni + TiN за изследваните образци, съответно без термична обработка (a и b) и

след термична обработка (c и d).

27

фиг.5.2 Микроструктура на образeц Л11 (b – без ТО) и Л11ТО ( d –след ТО)

от лят сферографитен чугун (състав 1) с покритие Ni

фиг.5.3 Микроструктура на образeц Л12 (b – без ТО) и Л12ТО ( d –след ТО)

от лят сферографитен чугун (състав 1) с покритие Ni+TiN

фиг.5.5 Микроструктура на образeц И12 (a,b – без ТО) и И12ТО ( c,d –след ТО) от изотермично закален сферографитен чугун (състав 1) с покритие Ni+TiN

28

фиг.5.9 Микроструктура на образeц И22 (a,b – без ТО) и И22ТО ( c,d –след ТО) от изотермично закален сферографитен чугун (състав 2) с покритие Ni+TiN

Таблица 5.1 Микротвърдост на покритията


Означение Състав Покритие

HK0,02 HV1

δ [μm]

Състав Термична

обработка 1 Л10

1

без покритие - 261 -

2 Л11 Ni _

538 - 7

3 Л12 Ni+TiN 494 - 8

4 Л11TО Ni 290°C, 6h отгряване

950 - 9

5 Л12TО Ni+TiN 1020 - 9

6 И10 без покритие - 498 -

7 И11 Ni _

538 - 11

8 И12 Ni+TiN 494 - 11

9 И11TО Ni 290°C, 6h отгряване

1020 - 9

10 И12TО Ni+TiN 1020 - 10

11 Л20

2

без покритие - 261 -

12 Л21 Ni _

466 - 10

13 Л22 Ni+TiN 604 - 8

14 Л21TО Ni 290°C, 6h отгряване

950 - 9

15 Л22TО Ni+TiN 929

- 8

16 И20 без покритие - 498 -

17 И21 Ni _

588 - 9

18 И22 Ni+TiN 538 - 7

19 И21TО Ni 290°C, 6h отгряване

1112 - 7

20 И22TО Ni+TiN 950 - 7

Покритието се проявява като бяла ивица, следваща релефа на

повърхността на образеца и запълваща всички неравности и дефекти.

Използваният реактив (Вж гл.2) и увеличение (до Х1000) не проявяват и не

диференцират структурата и фазовият състав на слоя.

29

Дебелината на изследваните покрития, определена чрез металографски

анализ, е в границите 7 ÷ 11 μm (табл.5.1).

В таблица 5.1 и на фиг. 5.10 и фиг. 5.11 са представени резултатите от

изпитване на микротвърдостта HK 0,02 на различните покрития и твърдостта на

подложката на образците. Провеждането на термична обработка след нанасяне

на покритията – отгряване при температура 290°С в продължение на 6 h,

повишава микротвърдостта на покритията около 2 пъти. Най–висока

микротвърдост на покритията при лятите чугуни имат съдържащите наноразмерен

TiN за състав 1 (Л12ТО) и никеловото покритие при състав 2 (Л21ТО) (фиг. 5.19).

При изотермично закалените чугуни покритията с Ni и Ni+TiN от състав 1 (И12ТО и

И11ТО) и Ni покритие при състав 2 (И21ТО) (фиг. 5.20) .

5.2 Изследване на износоустойчивостта на никелови наноструктурни композитни покрития

Проведено е изследване на износването на никеловите покрития по

класическата схема „диск-диск” на TABER ABRASER, който е модифициран в

съответствие с разработената от авторите методика.

Таблица 5.3 Резултати от ТТ

№ на

образеца означение

δ [μm]

m [mg]

dm/dt [mg/min]

интензивност на износване

износо- устойчивост

1 Л10 - 18,8 1,25 5,75.107 0,17.107

2 Л11 7 13,7 0,91 4,2.107 0,24.107

3 Л12 8 1,2 0,08 0,36.107 2,70.107

4 Л11TО 9 11,8 0,79 3,61.107 0,28.107

5 Л12TО 9 6,7 0,45 2,05.107 0,49.107

6 И10 - 7,4 0,49 2,26.107 0,44.107

7 И11 11 10,9 0,73 3,33.107 0,3.107

8 И12 11 13,7 0,91 4,2.107 0,24.107

9 И11TО 9 6,5 0,43 1.99.107 0,5.107

10 И12TО 10 5,8 0,39 1,77.107 0,56.107

11 Л20 - 12,2 0,81 3,43.107 0,27.107

12 Л21 10 10,7 0,71 3,27.107 0,3.107

13 Л22 8 10,4 0,69 3,18.107 0,31.107

14 Л21TО 9 10,4 0,69 3,18.107 0,31.107

15 Л22TО 8 6,9 0,46 2,11.107 0,47.107

16 И20 - 7,2 0,48 2,2.107 0,45.107

17 И21 9 8,9 0,59 2,72.107 0,37.107

18 И22 7 6,7 0,45 2,05.107 0,49.107

19 И21TО 7 10,5 0,7 3,2.107 0,31.107

20 И22TО 7 5,2 0,34 1,6.107 0,63.107

30

В таблица 5.3 са представени стойностите на интензивността на износване

i, износоустойчивостта I, масовото износванe m и скорост на масовото

износванe dm/dt. Интензивността на износване i и износоустойчивостта I са

пресметнати при път на триене Li = 161,1 m.

фиг.5.12 Износоустойчивост I на никелови композитни покрития Ni и Ni + TiN ,

нанесени върху образци от лят сферографитен чугун и върху образци от изотермично закален сферографитен чугун ADI – състав 1

фиг.5.13 Износоустойчивост I на никелови композитни покрития Ni и Ni + TiN ,

нанесени върху образци от лят сферографитен чугун и върху образци от изотермично закален сферографитен чугун ADI – състав 2

От анализа на получените резултати за износоустойчивостта I, представени

на фиг. 5.12 и 5.13 може да се констатира следното:

Най-висока износоустойчивост има образец с покритие Ni + TiN, нанесено

върху чугун в лято състояние със структура ферит, перлит и графит, без

окончателна термична обработка при 290°С, 6h (Л12). Износоустойчивостта

на този образец (I = 2,70.107) е многократно по-висока от

износоустойчивостта на образеца без покритие (Л10).

Не беше установена корелация между микротвърдостта и

износоустойчивостта на покритията за част от образците. Предполага се,

31

че това е свързано с влиянието на графитната фаза в чугуна върху

формирането на адхезионната връзка между покритието и подложката.

Авторите на работата [9] констатират, че здравината на безтоковото

никелово покритие рязко намалява с увеличаване на съдържанието на

графит в чугуна и почти не се влияе от неговата форма. Те установяват, че

в началните етапи на отлагане на покритието върху графита не се

установява никелов слой. Предполага се, че непокритите графитни зони

действат като дефекти, намаляват адхезионната якост и влошават

износоустойчивостта на чугуна. В работа [10] е установено, че при нисък

коефициент на триене износоустойчивостта на никел-фосфорното сплавно

покритие е по-висока от тази на матрицата от лят чугун.

Износоустойчивостта е комплексен параметър на контактното

взаимодействие в трибосистемите с много сложна природа. Той е силно

чувствителен към редица фактори – структура и свойства на

повърхностните слоеве и покрития, структура и свойства на контратялото,

присъствие на смазочни слоеве, продукти на износването, агресивни среди,

динамични параметри-скорост на плъзгане, честоти, вибрации и други.

Дори при фиксирани параметри на взаимодействието факторът „време” е

определящ в различна степен за износването, съответно за

износоустойчивостта, на различните покрития. Стационарното износване

настъпва след различен период на приработване (път на триене) за

различните покрития. Бъдещите комплексни изследвания на автора върху

тези композитни покрития ще бъдат насочени към изследване на

зависимостта на адхезионната якост от параметрите на технологията и

разкриване на нови технологични възможности за нейното увеличаване.

Електронно-микроскопският анализ на повърхността на образците преди и

след трибологичния тест (фиг.5.14÷5.16 ) показва следното:

На повърхността на образците преди износването се наблюдават

елементи на релеф, създаден от механичната обработка на образците,

като покритията от Ni и Ni + TiN копират този релеф на образците.

Повърхността на образците, след изпитване на износване, се променя.

Наблюдаваме развит релеф с бразди от износване върху повърхността на

образеца без покритие. Сравнението на релефа на образците с Ni покритие

показва, че върху покритието без термична обработка има по-дълбоки

бразди от тези върху покритието с термична обработка. След

трибологичния тест се наблюдават единични бразди от износване върху

повърхността на образеца с покрития Ni + TiN с термична обработка

(фиг.5.16 d,f). Същото покритие без термична обработка има по-изразен

релеф на повърхността след проведеното изпитване на износване(фиг.5.16

c, e).

32

фиг. 5.16 Микростроеж на повърхността на образец Л22(без ТО- c, e) и Л22ТО (след ТО-d, f) от лят сферографитен чугун (състав 2) с

покритие Ni+TiN след изпитване на износване

33

НАУЧНИ ПРИНОСИ

А. Новости за науката

А.1. Формулиране на нова научна област (нов проблем )

А.2. Формулиране на нова теория (нова хипотеза )

А.3. Доказване на съществени нови страни във вече съществуващи

научни проблеми и теории

А.4. Получаване на нови ( или усъвършенствани, подобрени ) научни

решения :

А.4.1. Нови материали:

Новостта в получените по долу състави се състои в добавянето на

наноразмерни частици в сферографитни чугуни.

A.4.1.1. Разработени са нови състави (шест) лят сферографитен чугун с

добавки от наноразмерни частици титанов нитрид TiN, титанов карбонитрид

TiCN + титанов нитрид TiN и кубичен боров нитрид cBN.

A.4.1.2. Получени са нови състави (дванадесет) изотермично закален

сферографитен чугун със структура долен и горен бейнит, съдържащи

наноразмерни частици титанов нитрид TiN, титанов карбонитрид TiCN +

титанов нитрид TiN и кубичен боров нитрид cBN.

А.4.2. Нови зависимости:

Новостта в получените по долу зависимости се състои в добавянето на

наноразмерни частици в лети и изотермично закалени сферографитни

чугуни.

A.4.2.1 Установено е експериментално влиянието на наноразмерните

частици от TiN, TiCN+TiN и cBN върху структурата на летите


A.4.2.1.1. Наноразмерните частици намаляват диаметъра на

графитните сфери (състав 1 – най-значимо при добавка от cBN ) и

увеличават количеството на графита в чугуните (състав 1 и състав 2

– най-много при добавка от TiCN+TiN).

A.4.2.1.2. Наноразмерните частици променят количеството на

перлита и ферита в структурата на летите чугуни.

A.4.2.2. Установено е влиянието на наноразмерните частици от TiN,

TiCN+TiN и cBN върху структурообразуването в бейнитната област при

изотермично закаляване на сферографитните чугуни.

34

A.4.2.2.1. Наноразмерните частици ускоряват бейнитното

превръщане на аустенита при изотермично заклаяване: при

температура 380оС, 2h (горен бейнит) количеството на остатъчния

аустенит намалява от 40,4 до 27,1 % (най-силно изразено при

добавка от TiCN+TiN); при температура 280оС, 2h (долен бейнит)

количеството на остатъчния аустенит намалява от 30,6 до 21% (най-

силно изразено при добавка от cBN) (състав 1).


TiCN+TiN и cBN върху физико-механичните свойства на летите

сферографитни чугуни:

A.4.2.3.1. Доказано е повишаване на ударната жилавост с 14÷37% за

летите сферографитни чугуни с наночастици в сравнение с чугуните

без такива (най-силно изразено при добавка от TiN).

A.4.2.3.2. Доказано е повишаване на абразивната износоустойчивост

с 55÷88 % за летите сферографитни чугуни с наночастици в

сравнение с чугуните без такива (най-силно изразено при добавка от

TiN за състав 2).


TiCN+TiN и cBN върху физико-механичните свойства на изотермично

закалените сферографитни чугуни:

A.4.2.4.1. Доказано е повишаване на ударната жилавост до 7÷27% за

структурата горен бейнит и до 4÷18% за структурата долен бейнит за

изотермично закалените сферографитни чугуни с наночастици в

сравнение с чугуните без такива (най-силно изразено при добавка от

TiCN+TiN).

A.4.2.4.2. Доказано е повишаване на абразивната износоустойчивост

до 1÷27% за структурата горен бейнит и до 14÷73% за структурата

долен бейнит за изотермично закалените сферографитни чугуни с

наночастици в сравнение с чугуните без такива (най-силно изразено

при добавка от TiCN+TiN).

Новостта в получените по долу зависимости се състои в добавянето на

наноразмерни частици TiN в безтоково никелово покрите, отложено

върху лети и изотермично закалени сферографитни чугуни.

А.4.2.5. Установено е влиянието на окончателната термична обработка при

290°С, 6 h върху физико-механичните свойства на композитни никелови

покрития Ni/Ni+TiN :

A.4.2.5.1. Доказано е повишаване до два пъти на микротвърдостта на

никелови Ni и композитни никелови покрития с наночастици от TiN

(Ni/Ni+TiN).

35

А.4.2.5.2 Доказано е повишаване на абразивната износоустойчивост

на композитните никелови покрития Ni/Ni+TiN в сравнение с чисто

никелови покрития Ni за повечето от изследваните образци. Липсата

на корелация между микротвърдостта и износоустойчивостта на

покритията за част от образците, вероятно, е свързана с влиянието

на графитната фаза в чугуна върху формирането на адхезионната

връзка между покритието и подложката.

А.5. Получаване и доказване на нови данни и факти

A.5.1. Доказано е, че повишената износоустойчивост на изотермично

закалените сферографитни чугуни с наноразмерни добавки от TiN, TiCN +

TiN и cBN е свързана и с microTRIP- ефект, установен при изпитване на

абразивно износване.

Б. Обогатяване на съществуващите знания

Б.1. Потвърждаване с други средства на известни вече факти и данни

Б.2. Друго обогатяване на съществуващите знания

Б.2.1. Получени са нови данни за влиянието на мангана върху структурата и

физико-механичните свойства на лети и изотермично закалени

сферографитни чугуни с наноразмерни частици от TiN, TiCN + TiN и cBN.

В. Приноси за приложение

В.1. В научната практика

В научната практика могат да се използват изброените в тч. А приноси и

експери-ментални зависимости, именно:

В.1.1. Положителното влияние на наноразмерните добавки от TiN, TiCN +

TiN и cBN върху физико-механичните свойства на лети сферографитни

чугуни – повишаване на ударната жилавост и абразивната

износоустойчивост.

В.1.2. Положителното влияние на наноразмерните добавки от TiN, TiCN +

TiN и cBN върху физико-механичните свойства на изотермично закалени

сферографитни чугуни със структура горен и долен бейнит – повишаване на

ударната жилавост и абразивната износоустойчивост.

В.1.3. Положителното влияние на добавки от наночастици TiN в безтокови

никелови покрития върху износоустойчивостта и микротвърдостта на

покритията, отложени върху лети и изотермично закалени сферографитни

чугуни.

36

В.2. В инженерната практика

B.2.1. Получените база данни за влиянието на наноразмерни частици от

титанов нитрид TiN, титанов карбонитрид TiCN + титанов нитрид TiN и

кубичен боров нитрид cBN върху физико-механичните свойства на

изотермично закалените сферографитни чугуни, позволяват да бъдат

компетентно предписвани режими за термично обработване с цел

получаване на висок комплекс от свойства в бейнитните чугуни с

наночастици.

B.2.2. Разработен е технологичен режим за отлагане на двуслойно

безтоково композитно никелово покритие Ni + (Ni+TiN) с наноразмерни

частици от TiN, на базата на технологията ЕФТТОМ–НИКЕЛ, върху лети и

изотермично закалени сферографитни чугуни със структура долен бейнит,

обезпечаващо висока повърхностна твърдост и повишена абразивна

износоустойчивост на чугуните.

В.3. В педагогическата практика

В.3.1. Получената база данни за структурата и физико-механичните

свойства на лети и изотермично закалени сферографитни чугуни с

наноразмерни добавки от TiN, TiCN + TiN и cBN може да бъде използвана

за разработване на лабораторни упражнения по дисциплините

„Материалознание I част” и „Термична обработка на металите”.

37

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

1. Мишев В. Особености на бейнитното превръщане в сферографитни чугуни

с наноразмерни добавки. Сб. док. ХХVІІ межд. научна конференция

МТФ2012,АМТЕХ2012, София, (2012), с. 209-214.

2. J. Kaleicheva, M. Kandeva, V. Mishev, Z. Karaguiozova. Wear Behavior of

Ductile Cast Irons with Nanoparticle Additives. J. Chem. Chem. Eng.,Vol. 7, No

11, (2013), p. 1044–1049.

3. Kaleicheva J., V. Mishev, G. Avdeev, Z. Karaguiozova, M. Kandeva. Tribological

behavior of spheroidal graphite cast irons with nanoadditives, 5th world

TRIBOLOGY congress, WTC 2013, 8 - 13 September, 2013, Torino, Italy, Paper

1269, on CD.

4. V. Mishev, J. Kaleicheva, G. Avdeev, Z. Karaguiozova, B. Dineva. Austempered

Ductile Irons with Nanoparticle Additives. NANOSCIENCE &

NANOTECHNOLOGY’13, eds. E. Balabanova, E. Mileva, BAS, Sofia,

Bulgaria,(2014), p. 129-132.

5. J. Kaleicheva, V. Mishev, G. Avdeev, Z. Karaguiozova, B. Dineva. Influence of

nanoadditives on the structure and properties of austempered ductile

irons.European Conference on Heat Treatment and 21st IFHTSE Congress, 12-

15 May 2014, Munich, Germany, p. 537-543.

6. J. Kaleicheva, Z. Karaguiozova, V. Mishev, M. Kandeva. Electroless Deposition

of Composite Coatings Containing TiN Nanoparticles Using EFFTOM - Nickel

Technology. NANOSCIENCE & NANOTECHNOLOGY’14, eds. E. Balabanova,

E. Mileva, BAS,Sofia, Bulgaria,(2014), p. 98-101.

38

Литературни източници

[1] Vollath D., D.V. Szabó.“Coated Nanoparticles: A New Way to Improved

Nanocomposites”. // Journal of Nanoparicle Research, 1999, vol.1, issue 2, pages

235-242, ISSN: 1388-0764

[2] Gleiter H., “Nanostructured Materials ”.// Advanced Materials, 1992, vol. 4, Issue 7-

8, pages 474–481, ISSN: 1521-4095

[3] Hanada K. , N.Nakayama, M. Mayuzumi, T. Sano. "Fabrication of Ti/Cluster

Diamond/TiC In-Situ Composites".// Journal of Materials Processing Technology,

2003, vol.139, issues 1-3, pages 362-371, ISSN: 0924-0136

[4] Hanada K., M. Mayuzumi, N. Nakayama, T. Sano. "Processing and Characterization

of Cluster Diamond Dispersed Al-Si-Cu-Mg Composite".// Journal of Materials

Processing Technology, 2001, vol. 119,issues 1-3, pages 216-223, ISSN: 0924-

0136

[5] Sano T., Y. Murakoshi, H. Takagi, T. Homma, H. Takeishi, M. Mayuzumi.

„Characterization of Diamond-Dispersed Cu-Matrix Composite”.// Materials

Transactions , 1196, vol.37,pages 1132-1141, ISSN: 1347-5320

[6] Гаврилов Г., Ц. Николов. „Химическо никелиране и дисперсни покрития“,

София,Техника, 1985,стр.74

[7] Birkenstock, J., R. Fischer, T. Messner. “BRASS 2.0 : The Bremen Rietveld

Analysis and Structure Suite,ver.2.0”,// International union of crystallography,2007,

newsletter 35,pages 25-27, ISSN 1591-9552

[8] Анчев В., Б.Тошков,Л.Василева,Ж.Калейчева.“Ръководство за лабораторни

упражнения по Материалознание“,София,Кинг,2001,стр.53-128,ISBN 954-9518-

12-4

[9] Z. Karaguiozova, J. Kaleicheva, M. Kandeva. “Wear Resistant Coatings Obtained by

EFFTOM-Nickel Technology“//TRIBOLOGICAL JOURNAL BULTRIB, 2012, Vol. II,

p. 80-90, ISSN : 1313-9878

[10] Wu Yucheng Den Zonggang “Investigation of the Wear Resistance of Electroless

Nickel-Phosphorus Alloy Plating on the Cast Iron“// Materials for Mechanical

Engineering, 1991, vol.6.

39

TECHNICAL UNIVERSITY OF SOFIA FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY

Department „Material science and Technology”

Valentin Plamenov Mishev

Austempered ductile irons with nanosized addiitives

ABSTRACT of Ph.D. THESIS

The subject of the current PhD Thesis is to investigate the microstructure,

mechanical and tribological properties of spheroidal cast iron and austempered ductile

iron (ADI) samples containing nanosized additives of titanium nitride + titanium

carbonitride (TiN + TiCN); titanium nitride (TiN) and cubic boron nitride (cBN)

respectively.

The base material is spheroidal graphite cast iron with:

Base 1 Fe-3,55C-2,547Si-0,268Mn-0,023S-0,028P-0,037Cu-0,014Cr- 0,008Ni-0,06Ti - 0,062Mg wt%. Base 2 Fe-3,54C-2,43Si-0,62Mn-0,036S-0,029P-0,041Cu-0,017Cr- 0,008Ni-0,007Ti-0,052Mg wt%.

In the two base unalloyed spheroidal cast iron, were added 3 type nanosized

additives of titanium nitride + titanium carbonitride (TiN + TiCN); titanium nitride (TiN)

and cubic boron nitride (cBN). The nanosized particles are coated by electroless nickel

coating EFTTOM-NICKEL prior to the edition to the melt. The nickel coating improves

the particles wetting into the melt and their uniformity distribution into the casting

volume.

The 8 samples of unalloyed ductile iron are put under austhempering at the

following conditions: heating at 900 оС, 1 h and isothermal retention at 280оС and

380оС for 15,30,30,120,240,260min with the aim to achieve lower and upper bainitic

structure.

The work carried out includes experimental testing of the structure (by

metallographic, quantitative metallographic analysis, X-Ray and SEM analysis) and

properties (hardness, wear resistance, impact toughness strength examination, tensile

test ) of the spheroidal cast iron and ADI.

АВТОРЕФЕРАТ -...

Documents