Анотація до роботи:

Колотілкін О.Б. Розробка матеріалів для склоформувального устаткування з урахуванням дії силікатних розплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01-матеріалознавство. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню механізмів руйнування конструкційних матеріалів для склоформувального інструменту. Для комплексної оцінки працездатності матеріалів розроблена нова методологія, яка містить як стандартні, так і спеціально розроблені методи досліджень. З використанням розробленої моделі переміщення в’язкого розплаву встановлено, що руйнування інструменту обумовлено термохімічною ерозією, яка містить і ерозійне зношування поверхневих шарів металу. Встановлено закономірності впливу хімічного складу та структурних факторів на показники механічних та службових властивостей сплавів. Показано зв’язок між концентрацією напружень на кінцях графітових включень, утворенням мікрозон пластичної деформації та властивостями чавунів і графітизованих сталей. Встановлено перспективні напрямки підвищення опору руйнуванню легованих сталей та сплавів на нікелевій основі за умов в’язких агресивних середовищ та механічних навантажень. Встановлено межові концентрації основних і легувальних елементів та розроблено економнолеговані склади чавунів, графітизованих та легованих сталей для виготовлення склоформувального інструменту з підвищеним терміном експлуатації а також нікелеві та мідно-нікелеві сплави для відновлення і зміцнення інструменту.

Узагальнення отриманих в дисертації результатів дозволило запропонувати нове наукове вирішення практичної проблеми створення конструкційних матеріалів з підвищеним терміном експлуатації для відповідальних деталей та вузлів технологічного устаткування в умовах дії силікатних розплавів.

Найважливіші наукові та практичні результати зводяться до наступного:

1. Розроблено науково-обгрунтований підхід комплексного вивчення закономірностей і механізмів руйнування конструкційних матеріалів, які працюють в умовах впливу хімічно активних силікатних розплавів, термоциклічних та механічних навантажень, що будується на фізичних і механічних характеристиках матеріалів та на стандартних і спеціально розроблених методах їх визначення, а також сформульовано основні вимоги до конструкційних матеріалів, які враховують особливості умов експлуатації, а саме: змочування матеріалів силікатним розплавом, величина адгезії розплаву до матеріалів, зміна шорсткості та пошкодження поверхневих оксидних шарів, швидкість термохімічної ерозії матеріалів у силікатному розплаві, а також міцність, в’язкість руйнування та термостійкість.

2. На основі результатів моделювання процесу переміщення в’язкого силікатного розплаву по поверхні інструменту доказано, що процес термохімічного руйнування конструкційних матеріалів у силікатних розплавах містить ерозійне зношування поверхневих шарів матеріалів.

3. На графітизованих сплавах із зростаючою від 0,48 до 4,02% кількістю вуглецю вивчено вплив форми та кількості графітової фази на теплофізичні, фізико-механічні та службові властивості. Показано, що з підвищенням кількості графітової фази до 18,3 об’ємн.%, участь графіту у руйнуванні підвищується з 9 до 90%, що негативно впливає на механічні характеристики, в’язкість руйнування та службові властивості сплавів.

4. Методом скінчених елементів вирішена задача, яка дозволяє визначати розміри мікрозон пластичної деформації у мікрооб’ємах металу біля включень графіту, а також залежність коефіцієнта (пайова частка) мікродеформованого металу від кількості та параметру форми графітових включень l_г. Встановлено, що з підвищенням кількості графітової фази та параметру форми включень l_г коефіцієнт мікродеформованого металу зростає, що прискорює процеси руйнування матеріалів у силікатних розплавах.

5. Досліджено вплив хімічного складу на структуру, механічні та службові властивості чавунів для склоформувального інструменту. Показано, що сумісне легування чавуну хромом (0,4...0,6%) та алюмінієм (0,4...0,6%) дозволяє досягнути мінімальних значень швидкості термохімічної ерозії, змочування, коефіцієнта адгезії, та зниження пошкоджуваності поверхневих оксидних шарів чавуну. Доведено, що додання 0,15...0,3% міді підвищує теплопровідність чавуну та термостійкість, в’язкість руйнування та знижує шорсткість поверхні чавуну без суттєвих змін інших характеристик. Встановлено оптимальний рівень кількості перліту та шорсткості поверхні чавуну для забезпечення надійної та довговічної роботи інструменту.

6. Визначено вплив вуглецю, вольфраму, молібдену і ванадію, структури металевої основи та стану карбідної фази швидкорізальних сталей на змочування і коефіцієнт адгезії, шорсткість і пошкоджуваність поверхневих оксидних шарів в умовах дії в’зких силікатних середовищ.

Встановлено, що необхідний рівень фізико-механічних властивостей, який забезпечує підвищений опір сталі руйнуванню при періодичних контактах з в’язкими хімічно активними силікатними розплавами, досягається при вмісті 0,9% С, 0,35 %W, 3%Mo, 3%V.

7. На підставі результатів аналіза впливу бору, кремнію, міді, а також модифікаторів кальцію і церію та стану вторинних фаз на службові властивості сплавів на нікелевій основі, визначені оптимальні сполучення вказаних елементів, які забезпечують підвищений опір руйнуванню сплавів у силікатних розплавах внаслідок низьких показників коефіцієнта адгезії, пошкоджуваності та шорсткості поверхневих оксидних шарів.

8. На підставі проведених досліджень розроблено нові методики випробувань, а також конструкційні матеріали і технології їх виробництва, які захищені 9 авторськими свідоцтвами та 12 патентами України на винаходи.

9. Розроблені матеріали та ресурсозберігаючі технології виробництва, відновлення та зміцнення деталей інструменту впроваджено на 12 підприємствах України та на 6 підприємствах країн СНД, що дозволило значно підвищити цілий ряд техніко-економічних показників виробництва виробів із скломаси.

Публікації автора:

1. Волчок И.П., Колотилкин О.Б., Шейко С.П. Конструкционные материалы для стеклоформующего инструмента. –Запорожье: Изд-ий центр «Павел», 1997.- 298с.

2. Структура та опір руйнуванню залізовуглецевих сплавів / О.П. Осташ, І.П. Волчок, О.Б. Колотілкін, І.М. Андрейко, М.М. Стадник, В.П. Силованюк, Г.І. Слинько -Львів: Національна академія наук України. Фізико-механічний інститут ім.Г.В. Карпенка, 2001.-272 с.

3. Колотилкин О.Б., Волчок И.П. Производство, эксплуатация и ремонт прогрессивного стеклоформующего оборудования / Пром-сть строит. материалов. Сер. 15. Ремонт и эксплуатация оборудования. Вып. 1. –М.: ВНИИЭСМ, 1989. –48 с.

4. Колотилкин О.Б. Установка для испытания смачиваемости конструкционных материалов расплавленной стекломассой / Пром-сть строит. материалов. Сер. 9. Стекольная промышленность. Вып. 6. –М.: ВНИИЭСМ, 1989. –С. 15-18.

5. Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Разрушение чугуна при термоциклических нагрузках и в расплаве стекломассы // Физико-химическая механика материалов. –1989. -№ 6. –С. 100-102.

6. Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Чугуны для стеклоформующего инструмента // Литейное производство. –1989. -№ 8. –С. 14-15.

7. Колотилкин О.Б. Совершенствование технологии изготовления отливок стеклоформ из чугуна // Технология и организация производства. -1989. -№ 3. -С. 36-37.

8. Колотилкин О.Б., Волчок И.П. Ремонт стеклоформующего инструмента / Пром-сть строит. материалов. Сер. 15. Ремонт и эксплуатация оборудования. Вып. 4. –М.: ВНИИЭСМ, 1989. – С. 6-11.

9. Уваров С.А., Колотилкин О.Б. Установка и методика для определения износостойкости сталей при термоциклировании в расплавах стекла // Заводская лаборатория. – 1990. -№ 10, т. 56. – С. 65-67.

10. Волчок И.П., Колотилкин О.Б. Анализ разрушения литой стали и чугуна с позиций синергетики // Российская академия наук. Металлы. –1992. -№ 2. –С 57-63.

11. Колотилкин О.Б. Перспективные направления разработки конструкционных материалов для стеклоформующего инструмента / Труды Украинского института стекла: Ежегодный сборник. – Харьков: ф-ка им. М.В.Фрунзе, 1996. –С. 195-209.

12. Колотилкин О.Б. Влияние легирования на работоспособность чугуна для стеклоформующего инструмента // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -1997. -№ 1-2. - С. 52-53.

13. Колотилкин О.Б. Новые критерии надежности конструкционных материалов контактирующих с расплавленной стекломассой // Придніпровський науковий вісник. –1997. -№ 11 (22). – С. 36-42.

14. Колотилкин О.Б. Влияние меди на служебные характеристики чугуна для стеклоформующего инструмента // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -1998. - № 2. - С. 37-38.

15. Колотилкин О. Прогнозування працездатності конструкційних матеріалів для склоформувального інструмента //Машинознавство.-2000.-№1.С.18-20.

16. Колотилкин О. Взаємоз’вязок між концентрацією напружень біля включень графіту і властивостями Fe-C сплавів // Машинознавство.-2000.-№10.-С.9-14.

17. Колотилкин О.Б. Разрушение чугуна при контакте с вязкой агрессивной средой при повышенных температурах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.-2001.-№1.-С.48-52.

18. Колотилкин О.Б. Методология оценки характеристик контакта конструкционных материалов с вязкой агрессивной средой // Проблеми трибології.-2001.-№3/4.-С.33-37.

19. Колотилкин О.Б. Влияния вязкого силикатного расплава на термоерозионное изнашивание быстрорежущих сталей // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту.-2001.-№4.-С.72-76.

20. Колотилкин О. Механізм руйнування конструкційних матеріалів під впливом в’язких агресивних середовищ // Машинознавство.-2001.-№8.-С.48-50.

21. Колотилкин О.Б. Влияние количества графитной фазы на характер разрушения и свойства
    

железоуглеродистых сплавов // Металознавство та термічна обробка металів.-2002. - № 1 -С. 22-27.

22. Підвищення термостійкості чавунів / І. Волчок, О. Колотілкін, С. Рязанов, О. Черняк // Машинознавство.-2002.-№2.-С. 37-39.

23. Шевченко В., Колотілкін О., Бєліков С. Розробка захисних та зміцнюючих покриттів та оцінка їх працездатності у в’язких агресивних середовищах // Машинознавство.- 2004.- №1.-С. 39-43.

24. Колотілкін О., Нагорний Ю. Вплив графітної фази на механізм руйнування Fe-C сплавів // Машинознавство.- 2004.-№2.-С. 49-51.

25. Колотилкин О. Разрушение конструкционных материалов / Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х т. / Спецвипуск журналу «Фізико-хімічна механіка матеріалів». - №4.-Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004.- Т. 1.-С. 200-205.

26. Колотилкин О.Б. Методологические аспекты создания конструкционных материалов для инструмента по переработке силикатных расплавов / Перспективные задачи инженерной науки: Сб. научн. трудов. Вып. 3. – Днепропетровск: Gaudeamus, 2003. – С. 82-88.

27. Колотилкин О.Б., Шевченко В.Г. Повышение эффективности работы стеклоформующего оборудования / Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”, Вип 1.- Харків: Вид-во «Модель Вселенной». 2004.- С. 87-92.

28. Установка для иссделования термостойкости образцов: А.с. 1262345 СССР, МКИ G01N 3/60 / О.Б. Колотилкин, Л.Л. Белоус, И.П. Волчок (СССР).-№3908987/25-28, Заявлено 06.05.85; Опубл. 07.10.86, Бюл. №37.-4 с.

29. Устройство для испытания материалов царапанием: А.с. 1290143 СССР, МКИ GO1N 3/46 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 3736713 / 25-28; Заявлено 04.05.84; Опубл. 15.02.87, Бюл. № 6. –2 с. ил.

30. Способ испытания материалов на прилипание к ним вязких расплавов: А.с. 1709201 СССР, МКИ GO1N 19/04 /О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4760941 / 28; Заявлено 21.01.89; Опубл. 30.01.92, Бюл. № 34 –3с. ил.

31. Образец для определения вязкости разрушения: А.с. 1796960 СССР, МКИ GO1N 1/28 / О.Б. Колотилкин, А.А. Егоров, И.П. Волчок (СССР). -№ 4907717 / 28; Заявлено 04.09.91; Опубл. 23.02.93, Бюл. № 7. –3 с. ил.

32. Чугун с вермикулярным графитом: А.с. 1569349 СССР, МКИ С22С 37/06 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4422662 / 31-02; Заявлено 05.04.88; Опубл. 07.06.90, Бюл. № 21. –3 с.

33. Сталь: А.с. 1574674 СССР, МКИ С22С 38/18, В22С 38/34 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок, С.А. Уваров (СССР). -№ 4471327 / 31-02; Заявлено 05.08.88; Опубл. 30.06.90, Бюл. № 24. –2 с.

34. Установка для исследования износа материалов при термоциклировании в условиях контакта с высокотемпературной средой: А.с. 1670526 СССР, МКИ G01N 3/56 / С.А. Уваров, О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок (СССР). -№ 4763990/28; Заявлено 04.12.89; Опубл. 15.08.91, Бюл. № 30.-4 с.ил.

35. Чугун для стеклоформующего инструмента: А.с. 1713968 СССР, МКИ С22С 37/10 / О.Б. Колотилкин, И.П. Волчок А.А. Егоров, Ю.А. Качалов (СССР). -№ 4769698/ 02; Заявлено 11.12.89 Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7. – 4 c.

36. Графитизированная сталь: А.с. 1793001 СССР, МКИ С22С 38/34 / И.П. Волчок, О.Б. Колотилкин, С.А. Уваров (СССР). -№ 4910094 / 02; Заявлено 11.02.91; Опубл. 07.02.93, Бюл. № 5. –3 с.

37. Спосіб одержання чавуну: Пат. 34476 С2 Україна, МКВ С21С 1/10 / О.Б.Колотілкін, І.П.Волчок, А.О. Єгоров (Україна).-№95063721; Заявлено 08.08.95; Опубл.15.03.01, Бюл. № 2.-3 с.

38. Пристрій для визначення теплопровідності біметалевих з’єднань: Пат. 53970 А Україна, МКВ G01N 3/60 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002042837; Заявлено 09.04.02; Опубл. 17.02.03, Бюл. №2. – 2 с. іл.

39. Пристрій для визначення термостійкості: Пат. 53976 А Україна, МКВ G01N 3/60 / О.Б. Черняк, О.Б. Колотілкін, І.П. Волчок (Україна). -№2002042960; Заявлено 12.04.02; Опубл. 17.02.03, Бюл. №2. - 2 с. іл.

40. Сплав для наплавлення: Пат. 56682 А Україна, МКВ В23К 35/30 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002086761; Заявлено 15.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

41. Мідно-нікелевий сплав для наплавлення: Пат. 56683 А Україна, МКВ В 23К 35/30 / О.Б. Колотілкін С.Б. Бєліков, В.Г. Шевченко (Україна).-№2002086770; Заявлено 15.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

42. Склад для наплавки на основі нікелю: Пат. 56687 А Україна, МКВ В23К 35/30 / О.Б. Колотілкін (Україна). - №2002086793; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

43. Сплав на нікелевій основі: Пат. 56688 А Україна, МКВ С 22С 19/03 / О.Б. Колотілкін, А.С. Сіренко (Україна). -№2002086794; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

44. Графітизована сталь: Пат. 56689 А Україна, МКВ С 22С 38/34 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2002086795; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. - 2 с.

45. Легована сталь: Пат. 56691 А Україна, МКВ С22С 38/06 / О.Б. Колотілкін (Україна). – 2002086797; Заявлено 16.08.02, Опубл. 15.05.03, Бюл. №5. – 3 с.

46. Склад для наплавки: Пат. 56690 А Україна, МКВ В 23 К 35/36 / О.Б. Колотілкін (Україна).- № 2002086796; Заявлено 16.08.02; Опубл. 15.05.03, Бюл. №5.- 2 с.

47. Сталь: Пат. 66496А Україна, МКВ С22С 38/00 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№2003065619; Заявлено 18.06.03; Опубл. 17.05.04, Бюл. №5.- 4 с.

48. Сплав на основі нікелю: Пат. 66497А Україна, МКВ С22С 19/03 / О.Б. Колотілкін (Україна).-№ 2003065620; Заявлено 18.06.03; Опубл. 17.05.04, Бюл. №5.-3 с.

49. Колотилкин О.Б. Взаимодействие конструкционных материалов с вязкой агрессивной средой / Материалы Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”.-К.: Изд-во НПЦ “Алкон”, 2001.-С. 121-123.

50. Колотилкин О.Б. Экономнолегированные быстрорежущие стали для инструмента по переработке вязких силикатных расплавов / Материалы 9-го Международного семинара “Новое в разработке, производстве и применении инструментальных материалов”.-К.: Изд-во ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины, 2002.-С. 31-32.

51. Колотилкин О.Б. Восстановление и упрочнение деталей наплавочными материалами на никелевой основе / Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции “Новые технологии, методы обработки и урочнения деталей энергетических установок”.-Запорожье, Алушта: Изд-во ЗНТУ, 2002.-С.59-61.

52. Kolotilkin O. Theoretical and Experimental Basis Developing Structiral Materials for Glassmoulding Tools/ Proceedings of Second International Conference “Materials and Coatinqs for Extreme Performances: Investiqations, Applications, Ecoloqically Safe Technoloqies for Their Production and Utilization».- Katsiveli: Видавничий дом “Академперіодика” НАН України, 2002.-С. 59-60.

53. Kolotilkin O. Complex Approach to Assessment of Failure Mechanisms of Structural Materials Contacting with Viscous Agressive Medium / Proceedings of International Conference «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. Vol. II. -Кiev: Изд-во ИПМ им. Францевича НАН Украины, 2002. –С. 691-692.

54. Schеvchenko V., Kolotilkin O., Belikov S. Protektive and Strengthening Coatings Composition Development and Their Workability Evaluation in Viscous Ageressive Environments / Abstracts IV International Scintific Conference «Aims for Future of Engineering Science. – Igalo, Montenegro: Gaudeamus, 2003.- P. 20.

55. Колотилкин О.Б. Влияние металлургических и структурных факторов на механизм разрушения быстрорежущих сталей в вязком силикатном расплаве / Сб. научн. трудов Х Международной научно-технической конференции “Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. – Запорожье: Изд-во ЗНТУ, 2003.-С. 146-149.

56. Беликов С., Колотилкин О., Шевченко В. Повышение долговечности основных узлов стеклоформующих машин / Proceedings the Fifth International Scientific Forum “Aims for Future of Engineering Science.- Paris, France: Paris Tourist Office “David Lefranc”, 2004. –P.114-119.

У роботах, опублікованих у співавторстві Колотілкіну О.Б. належить:

узагальнив механізми руйнування конструкційних матеріалів для склоформувального інструменту із різними фізико-механічними та фізико-хімічними властивостями [1, 3];

розробив методики визначення запропонованих показників властивостей матеріалів та конструктивні схеми установок та пристроїв для досліджень [1, 9, 28-31, 34, 39];

висунув гіпотезу про вплив стану поверхневих оксидних шарів на механізми руйнування матеріалів при періодичному контакті з в’язким силікатним розплавом та експериментально її доказав [2, 5];

висунув ідею та апропонував методику визначенння механізмів руйнування матеріалів, які не тільки безпосередньо контактують, але й знаходяться у зоні дії хімічно активного середовища [5, 9, 34];

науково обгрунтував та експериментально доказав участь графітових включень у руйнуванні залізовуглецевих сплавів під впливом в’язких силікатних розплавів та термоциклічних і механічних навантажень [2, 5, 6, 10, 22, 24, 37];

запропонував схеми проведення експериментів та прийняв безпосередню участь у випробуваннях сплавів, що досліджуються та у обговоренні і узагальненні одержаних результатів [8, 23, 27, 32, 33, 35-37, 41, 43, 54, 56].