Підвищення експлуатаційних властивостей аустенітних марганцевих чавунів легуванням карбідоутворюючими елементами - Автореферат

Як свідчать статистичні дані, до 80 % відмов машин і механізмів зумовлено зношуванням поверхонь у вузлах тертя. Великі запаси залізомарганцевих руд в Україні дозволяють одержувати залізовуглецеві марганцеві сплави (деталі з яких володіють комплексом необхідних експлуатаційних властивостей) на базі вітчизняної мінеральної сировини. Мета дослідження - вивчити вплив карбідоутворюючих елементів на трибологічні властивості легованих аустенітних марганцевих чавунів та встановити закономірності їх руйнування в умовах комплексного впливу експлуатаційних факторів (зміни швидкості, навантаження та умов змащування), запропонувати на цій основі рекомендації з підвищення їх міцності та зносостійкості. Вивчити вплив легування карбідоутворюючими елементами на структурно-фазовий склад і механічні властивості аустенітного марганцевого чавуну. Обґрунтувати оптимальні параметри структурних складових, що забезпечують підвищену експлуатаційну стійкість деталей (в умовах тертя ковзання та зовнішнього циклічного навантаження), виготовлених з марганцевих чавунів.Розглянуто уявлення про зниження експлуатаційної стійкості та механізми руйнування деталей, виготовлених із Fe-C сплавів, що працюють під дією зовнішнього навантаження та корозійного середовища. Однозначні вимоги до мікроструктури таких сплавів (що працюють в умовах тертя ковзання та зовнішнього навантаження) відсутні. Концепція досліджень полягала у наступному: після визначення структурно-фазового складу, фізико-механічних властивостей та зносостійкості сплавів, найкращі за властивостями поліпшували, економно легуючи карбідоутворюючими елементами (мас. Рівняння регресії, що описує вплив ЛЕ на формування мікротвердості металевої матриці, має вигляд: Аналізуючи значення коефіцієнтів у рівнянні (1) встановили, що більше на зміцнення твердого розчину впливає Cr, за ним йдуть V і Ti, що підтверджують дані про розподіл ЛЕ в фазових складниках сплавів. Встановлено, що H? аустеніту (в сплавах з 11...12% Mn), що сформувався у вигляді дендритів, оточених карбідами, в 1,2-1,9 рази вища, ніж аустеніту поблизу великих графітних включень і аустеніту, що входить до складу аустенітно-графітної евтектики.Це дозволило виробити рекомендації для підвищення експлуатаційної стійкості деталей, виготовлених з цих сплавів. Встановлено, що основною причиною підвищення фізико-механічних властивостей марганцевих чавунів є структурні зміни, викликані карбідоутворюючими елементами. Це проявляється у зміні природи фазових і структурних складників та у зміні їх кількісного співвідношення в сплавах. Комплексне легування викликає ефект зміцнення твердого ГЦК-розчину і зниження пластичності сплавів та зменшує їх здатність до трибоактивування під час тертя. Встановлено, що висока вязкість марганцевого аустеніту в чавунах під час тертя дозволяє збільшити опір поширенню тріщин.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведені теоретичні та експериментальні результати, спрямовані на визначення впливу параметрів мікроструктури марганцевих чавунів (залежно від композиції легувальних елементів) на експлуатаційні властивості. Це дозволило виробити рекомендації для підвищення експлуатаційної стійкості деталей, виготовлених з цих сплавів.

1. Встановлено, що основною причиною підвищення фізико-механічних властивостей марганцевих чавунів є структурні зміни, викликані карбідоутворюючими елементами. Це проявляється у зміні природи фазових і структурних складників та у зміні їх кількісного співвідношення в сплавах. Комплексне легування викликає ефект зміцнення твердого ГЦК-розчину і зниження пластичності сплавів та зменшує їх здатність до трибоактивування під час тертя.

2. Вперше виявлено, що мікротвердість аустеніту, який входить до складу аустенітно-графітної евтектики, в 1,2-1,9 рази нижча, ніж аустеніту, що сформувався у вигляді дендритів внаслідок протікання первинної кристалізації (перерозподілу легувальних елементів - Mn та Ni). Зменшуючи ступінь евтектичності сплавів, можна підвищити їх зносостійкість. Виявлені особливості істотно впливають на механізм мікроруйнування сплавів в умовах додаткового зовнішнього навантаження.

3. Встановлено, що висока вязкість марганцевого аустеніту в чавунах під час тертя дозволяє збільшити опір поширенню тріщин. Значення параметрів тріщиностійкості високомарганцевих чавунів такі: К1С = 36 ... 55 МПА ; ?KTH = 4,9...6,3 МПА ; ?KFC = 35...44 МПА . Найвищою циклічною тріщиностійкістю володіють марганцеві чавуни, що мають найвищі НВ, ?зг, ?в , з площею графітних включень до 5 %. Оптимальна довжина графітних включень 100 мкм, а ширина 1 ... 15 мкм (? = 10…12) (Sk = 10…32 %). Підвищення вмісту графітної фази до 8…12 % та збільшення довжини графітних включень до 150...350 мкм, а також товщини до 15 мкм спричиняє зниження опору руйнуванню сплавів як за статичних, так і циклічних навантажень (? = 16…20).

4. Експериментально встановлено, що зі збільшенням швидкості ковзання з 0,628 до 2,1 м/с інтенсивність зношування внаслідок утворення вторинних структур, що мають оксидне походження, знижується. Оксиди (Cr,Fe)2O3 і Fe3O4 також знайдено і в продуктах зношування.

5. Виявлено, що продукти зношування в режимі граничного тертя подрібнюються до 3 мкм, а в умовах сухого тертя (залежно від режиму) їх розміри збільшуються до 1000 мкм. З підвищенням навантаження розмір продуктів зношування зростає і змінюється їх морфологія. Під навантаженням 1,0 МПА та при швидкостях ковзання 0,63...2,1 м/с домінує плоска форма продуктів зношування (відбувається „пелюстковий” механізм відокремлення матеріалу) (розміри 3…10 мкм), а руйнування визначається субструктурою. Під навантаженнями 5,0 МПА і вищих зявляються обємні продукти зношування (руйнування залежить від параметрів структури і є вязким та пластичним). Мікротріщини на продуктах зношування свідчать про їх руйнування між тілом і контртілом, що ініціюється пустотами, з яких попередньо викришився графіт.

6. Зафіксовано, що зі збільшенням вмісту графітових включень у марганцевих чавунах до 8...12 %, а також їх довжини (до 250 мкм) і ширини (10 мкм та більше) (? = 16…25) (Sk =10…36 %) пришвидшується руйнування в умовах сухого тертя. Висунуто гіпотезу, що під час схоплювання матеріалу та в патологічних умовах тертя (для сплавів, які містять 8…12 % ВГ) руйнування інтенсифікується за рахунок “слабких місць” у мікроструктурі сплавів, тобто границями графітних включень та в їх околі.

7. Додаткове легування Cr, V, Ti, Mo сприяє підвищенню опору корозії. Корозійна стійкість марганцевих чавунів за однакового базового хімічного складу визначається параметрами включень графіту, що містяться в пасивних плівках, які утворюються на поверхні та знижують інтенсивність протікання корозійних процесів. У 3%-му розчині NACL та 22%-му CUCL2 найвищою корозійною стійкістю володіють сплави, що мають найбільший вміст ВГ.

8. Апробація в промислових умовах деталей, виготовлених з комплексно легованих залізовуглецевих марганцевих сплавів, свідчить про їх підвищену експлуатаційну стійкість, порівняно з серійними деталями, виготовленими з сірого чавуну. Це підтверджується експлуатаційними випробуваннями експериментальних втулок у ВАТ „ХК Луганськтепловоз” на токарно-колісних верстатах марки 1836Б та іншому обладнанні.

1. Колесников В. А. Особенности износа графитизированных марганцевых чугунов в условиях сухого трения // Вісник СНУ ім. В. Даля - 2002. - №7. - С. 232-239.

2 Балицкий А. И., Колесников В. А., Кубицки Е. Роль легирования хромом, ванадием и титаном в повышении триботехнических свойств железомарганцевых сплавов // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2003. - № 1. - С. 94-100.

3. Balicki A., Kubicki J., Kolesnikow W. Podwyzszanie odpornosci na zuzycie scierne stopow Fe-Mn poprzez wprowadzenie wybranych dodatkow stopowych // Inzynieria materialowa. - 2003. - № 4. - S. 244-247.

4. Підвищення корозійно-механічної стійкості зварних зєднань високо марганцевих азотистих сталей / О. І. Балицький, І. Ф. Костюк, В. О. Колесніков, П. Кохманський // Вісник СНУ ім. В. Даля - 2003. - №11. - С. 41-46.

5. Балицький О. І., Колесніков В. О. Дослідження продуктів зношування аустенітних марганцевих чавунів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 1 - С. 65-69.

6. Corrosion resistance of Cr-Mn austenitic alloys and its welded joints / A. Balitskii, I. Kostyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, Ya. Onystchak, V. Ostaf // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004.-Спецвипуск № 4. - Т. 1. - C. 133-136.

7. Колесников В. А. Исследование интенсивности изнашивания марганцевих чугунов в зависимости от структурно-фазового состава и нагрузочно-скоростных параметров // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2004. - №6. - С. 41-52.

8. Балицький О. І., Колесніков В. О., Кубіцкі Є. Тріщиностійкість марганцевих чавунів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - № 1 - С. 63-68.

9. Лагута В. И., Хинчагов Г. В., Колесников В. А. Исследование формирования твердости и триботехнических свойств нирезиста // Проблеми електронної промисловості в перехідний період: Зб. наук. праць СНУ. - Луганськ. - 1998. - С. 129-132.

10. Лагута В. И., Хинчагов Г. В., Колесников В. А. Связь характеристик трения графитизированных аустенитных сплавов с их исходными внутренними параметрами // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Луганськ: Вид-во СНУ, - 2001. - С. 230-238.

11. Колесников В. А. Особенности формирования структурной микронеоднородности высокомарганцевых чугунов // Ресурсозбігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Ч. 2.- Матеріалознавство. - Луганськ: Вид-во СНУ. - 2003. - С. 78-84.

12. Балицкий А. И., Колесников В. А. Трещиностойкость марганцевых чугунов. Часть 1. Статическая трещиностойкость // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Луганськ: Вид-во СНУ. - 2004. -Ч. 2. - С. 100 - 107.

13. Балицкий А. И., Колесников В. А. Трещиностойкость марганцевых чугунов. Часть 2. Циклическая трещиностойкость // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Луганськ: Вид-во СНУ. - 2004. - Ч. 2. - С. 108-115.

14. Crack resistance of hign-nitrogen Cr-Mn austenitic steels welded joints / A. Balitskii, M. Diener, M. Harzenmoser, I. Kostyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, V. Ostaf // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В. В. Панасюка. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України. - 2004. - C. 647-652.

15. Hydrogen induced changes of physical and mechanical properties of materials for power generation and transport equipment / A. I. Balitskii, I. F. Kostyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, J. Kubicki, A. H. Medvid // Hydrogen Treatment of Materials (Proceedings of Fourth International Conference). - Donetsk, 2004. - P. 508-512.

16. Балицький О., Колесніков В., Кубіцкі Є. Залізовуглецеві сплави високого легування марганцем - перспективний матеріал для деталей залізничного транспорту, що працюють в умовах зношування // Промисловий та туристичний транспорт. - Львів: Каменяр. - 2003. - Вип. 2. - С. 57-63.

17. Балицкий А. И., Колесников В. А., Кубицки Е. Способность к упрочнению марганцевых чугунов как резерв повышения эксплуатационной стойкости для деталей железнодорожного транспорта // Промисловий та туристичний транспорт. - Львів: Каменяр. - 2004. - Вип. 3. - С. 36-46.

18. Лагута В. И., Колесников В. А., Хинчагов Г. В. Повышение износостойкости высокомарганцевых чугунов за счет дополнительного легирования // Зб. наук. праць СНУ. - Луганськ, 2001. - С. 107.

19. Лагута В. И., Колесников В. А., Хинчагов Г. В. Износофрикционные свойства высокомарганцевых графитизированных чугунов // Тез. докл. Междунар. конф. “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Луганск, 2001. - С. 41-42.

20. Высокомарганцевые аустенитные чугуны как материал для антифрикционных пар трения / В.И. Лагута, В. А. Колесников, Г. В. Хинчагов, А. П. Семенко // Зб. наук. праць СНУ - Луганськ. - 2002. - Ч. II. - С. 63.

21. Колесников В. А. Анализ разрушения поверхностных слоев аустенитных марганцевых чугунов в условиях трения скольжения // Зб. наук. праць СНУ - Луганськ. - 2002. - Ч. II. - С. 64.

22. Неоднорілність механічних та електрохімічних характеристик зварних зєднань хромомарганцевих сплавів / О. Балицький, І. Костюк, П. охманський, В. Остаф, В. Колесніков // Тези доп. Шостого міжнар. симп. українських інженерів-механіків у Львові. - Львів, 21-23 травня 2003. - С. 134-135.

23. Колесников В. А. Железоуглеродистые сплавы высокого легирования марганцем - перспективные материалы для промышленности региона // Зб. наук. праць СНУ. - Луганськ. - 2003. -Ч. II. - С. 156-157.