РАЗДЕЛ 2
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования и разработку конструкционных материалов для деталей
газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания вели в
соответствии с приведенной ниже комплексной методической схемой (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Комплексная методическая схема разработки чугунов для деталей
двигателей.
2.1. Материал исследований
В качестве объектов исследований применялись графитизированные и отбеленные
фосфористые чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом лабораторных и
промышленных плавок. При изучении влияния легирующих элементов и
модифицирования на свойства чугуна применяли метод фракционной разливки и
ковшевое модифицирование.
Химический состав чугунов колебался в пределах %: углерод 2,7…4,0; кремний
1,6…3,0; марганец 0,2…1,0; фосфор 0,02…0,97; хром 0,08…0,15; никель 0,1…1,0;
медь 0,1…1,0; магний 0,03…0,07; сера 0,002…0,15. Плавку чугунов вели в
индукционных тигельных электропечах ИСТ-0,25/0,32И1 с использованием
стандартных шихтовых материалов [138…147], модификаторов [149…153], лигатуры
[154] и карбюризатора [155].
Температуру перегрева расплава замеряли термопарой ТПП-11 ГОСТ6616-61 [156] и
записывали на автоматический электронный потенциометр марки ЭПД-120 ГОСТ
7164-78 [157].
Заготовки образцов получали в стержневых формах. Упрочнение поверхностного слоя
опытных чугунов производили путем его плазменного оплавления на образцах,
вырезанных из ступенчатых и клиновых проб. Разные размеры отливок в сочетании с
модифицированием и легированием, а также их оплавление и повышенная скорость
кристаллизации металла в поверхностных слоях образцов обеспечивали возможность
исследования влияния масштабного фактора на структуру и свойства фосфористых
чугунов различного химического состава с разной формой графита.
Исследования микроструктуры, обрабатываемости и износостойкости чугуна для
деталей двигателей внутреннего сгорания производили на натурных образцах –
отливках этих деталей, оценивали износостойкость в двигателях при стендовых и
моторных испытаниях [158].
Пробы для определения химического состава чугуна отбирали по ГОСТ 7565-75
[159]. Заготовки образцов для определения механических свойств чугуна
отливали в соответствии с [160...162].
2.2. Термическая обработка чугунов опытных составов
С целью определения влияния фосфидной эвтектики на структуру и свойства чугунов
с пластинчатым и шаровидным графитом и исключения влияния цементита и перлита
исследовали опытные чугуны (см. табл. 3.1) с ферритной матрицей. Ферритную
матрицу в чугунах получали после двухступенчатого высокотемпературного
графитизирующего отжига при температуре 900°С (5 часов) и 650°С (3 часа) с
последующим охлаждением с печью.
Для исследования влияния фосфидной эвтектики на износостойкость и механические
свойства фосфористых чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом проводили
нормализацию литых заготовок при 870°С (1 час), из которых затем изготавливали
образцы для испытаний.
Сорбитную матрицу опытных чугунов получали путем выдержки литых заготовок при
температуре 550 С в течение 2 часов с последующим охлаждением на спокойном
воздухе.
2.3. Контроль химического состава и структуры
Состав чугунов контролировали химическим [163...166] и спектральным [167]
методами с использованием стандартных эталонов [168].
Экспресс-анализ химического состава чугунов опытных и промышленных плавок
выполняли в соответствии с методикой [169] на спектрометре рентгеновском
многоканальном (СРМ-25). Учитывая высокую производительность СРМ-25 – время
одного цикла (ввод пробы, измерение, вывод пробы) – 40 с (не более) и низкую
аппаратную погрешность Ао?0,2%, анализ выплавляемых экономнолегированных
чугунов возможно вести по ходу плавки с точностью определения содержания в
сплаве химических элементов до сотых долей процента [170].
Методика и СРМ-25, позволяющие исключить брак по химическому составу
выплавляемых чугунов, внедрены в производство на Мелитопольском моторном заводе
(приложение А).
Плотность опытных сплавов определяли методом гидростатического взвешивания
образцов диаметром 20 мм, высотой 20 мм [171, 172].
Металлографический анализ включал оценку микроструктуры чугуна и его
структурных составляющих в соответствии с ГОСТ 3443-87 на нетравленных (х100)
шлифах на металлографических микроскопах МИ1М и ММР-4. Для выявления общей
структуры чугуна использовали травление 4% раствором HNO3 в спирте. Для
выявления фосфидной эвтектики проводили тепловое травление реактивом Мураками.
Количественную металлографию выполняли точечным методом в соответствии с [173].
Микротвердость структурных составляющих чугуна замеряли на микротвердомере
ПМТ-3 нагрузками 20 г (для цементита и фосфидной эвтектики) и 50 г (для
металлической основы) в соответствии с ГОСТ 9450-76 [174].
Фрактографический анализ опытных фосфористых чугунов выполняли на растровом
электронном микроскопе фирмы IEOL «YSM Т ЗОО» при ускоряющем потенциале 25-30
кВ и диаметре электронного зонда 100 нм. Для проведения фрактографического
анализа образцы размером 10х10х25 мм разрушали непосредственно перед помещением
их в камеру микроскопа. Для микроструктурного анализа полированные шлифы
травили в течении 20-40 с в 4% растворе HNO3 в спирте.
Исследование распределения кремния и фосфора в структуре чугуна проводили на
микроанализаторе «Comebax» с ускоряющим напряжением U=20 кВ, током зонда в
режиме микроанализатора I=30 кА, током зонда в режиме сканирующего электронного
микроскопа 600 кА, угле выхода 40є.
Данные количественного анализа получали с компьютера РДР