72045

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗНОСОСТІЙКИХ НИЗЬКОХРОМИСТИХ ЧАВУНІВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Важливе місце в переробці сировинних і будівельних матеріалів належить операціям дроблення, подрібнювання та розмелу, що споживають більше половини всіх енергетичних і матеріальних витрат переробних підприємств у гірничо-металургійній, сировинній, будівельній і енергетичній галузях промисловості України.

Украинкский

2014-11-17

377 KB

1 чел.

PAGE  35

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БОБИРЬ Сергій Володимирович

УДК 669.017:669.1526-196.083.133

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗНОСОСТІЙКИХ НИЗЬКОХРОМИСТИХ ЧАВУНІВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Запоріжжя – 2011


Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Державному вищому навчальному закладі «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», м. Дніпропетровськ

Науковий консультант:  заслужений діяч науки та техніки України,

доктор технічних наук, професор

БОЛЬШАКОВ Володимир Іванович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри матеріалознавства та обробки матеріалів, ректор

Офіційні опоненти:     доктор технічних наук, професор

КУЦОВА Валентина Зиновіївна, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри матеріалознавства

доктор технічних наук, професор ЄФРЕМЕНКО Василь Георгійович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри металознавства та термічної обробки металів

доктор технічних наук, професор

ВОЛЧОК Іван Петрович,

Запорізький національний технічний

університет, завідувач кафедри технології металів

Захист відбудеться «10» березня 2011 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої ради Д17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ЗНТУ за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64

Автореферат розіслано «04» лютого 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент     О.А. Мітяєв


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливе місце в переробці сировинних і будівельних матеріалів належить операціям дроблення, подрібнювання та розмелу, що споживають більше половини всіх енергетичних і матеріальних витрат переробних підприємств у гірничо-металургійній, сировинній, будівельній і енергетичній галузях промисловості України. При цьому багато деталей технологічного обладнання піддаються інтенсивному абразивному та ударно-абразивному зношуванню, що призводить до їх виходу з ладу.

Тому проблема підвищення якості матеріалів для зносостійких деталей технологічного обладнання при зниженні витрат на їх виробництво, є досить важливою й актуальною.

Для деталей, які працюють в умовах абразивного й ударно-абразивного зношування, широко застосовують половинчасті та білі чавуни. Ці чавуни для підвищення зносостійкості легують значною кількістю хрому, нікелю, молібдену, ванадію й інших дефіцитних і дорогих легуючих елементів, що визначає високу вартість таких сплавів.

Як показано в роботах Ю.М. Тарана, О.О. Жукова, Г.І. Сильмана, М.О. Філіппова, Л.С. Малинова, В.І. Тихоновича, О.П. Чейляха, В.З. Куцової та ін., застосування нових методів формування структури в економнолегованих сталях і чавунах дозволяє істотно підвищити експлуатаційні властивості деталей обладнання з цих сплавів.

Отже, розробка нових складів економнолегованих зносостійких чавунів та методів формування їхньої структури та властивостей є актуальним завданням сучасного металознавства і має теоретичний і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. 

Проблематика даної роботи відповідає державним науково-технічним програмам за пріоритетними напрямками «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в металургії» та «Нові речовини й матеріали», основному напряму наукової діяльності Інституту чорної металургії НАН України «Розвиток наукових основ формоутворення залізовуглецевих сплавів і керування їхньою структурою й властивостями».

Дослідження були складовою частиною науково-дослідних робіт з госпдоговірної й держбюджетної тематики відділу проблем структуроутворення та властивостей чорних металів Інституту чорної металургії НАН України СС.310.99 «Розробка та оптимізація складу й технологічних властивостей валкового чавуну для млинових валків», СС 302.01 «Дослідження впливу хімічного складу на структуру й властивості зносостійкого чавуну для малогабаритних тіл, що мелють», де автор був керівником робіт, СС.007.07 (державний реєстраційний № 01U07В0011701) «Дослідження закономірностей нерівноважних фазово-структурних перетворень та формування гетерофазного структурного стану в економнолегованих залізовуглецевих сплавах евтектоїдно-перитектоїдного типу з високим комплексом службових властивостей» (відповідальний виконавець).

Частина досліджень була виконана за договорами АТЗТ «Стоїк метал» №79 від 25.05.1998р. про співробітництво в галузі виробництва та реалізації чавунних валків і куль із ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків», №15 від 26.07.2000р. про спільну діяльність в області виробництва та реалізації чавунних валків і куль із ТОВ «Верстатолив», № 18 від 01.10.2002р. «Розробка й впровадження нового технологічного процесу виплавки чавуну й сталі в шахтній печі» з ТОВ «Верстатолив» № 38 від 05.05.2003р. «Розробка та постачання плит бронефутерувальних зі зносостійкого чавуну для кульового млина» з АТ «Дніпропетровський цементний завод», де автор був керівником робіт.

Мета та завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є вирішення важливої наукової проблеми підвищення зносостійкості економнолегованих чавунів для деталей технологічного обладнання на основі розвитку наукових основ формування їхньої структури та властивостей при легуванні невеликою кількістю хрому, термічній обробці та випробуваннях на зношування.

Для досягнення зазначеної мети було поставлено такі завдання.

  1.  Розвинути теоретичні основи формування структури низькохромистих чавунів у процесі кристалізації та охолодження.
  2.  Розробити аналітичну модель перетворення аустеніту в залізовуглецевих сплавах, що надає зміну дисперсності структурних складових (перліту, бейніту) залежно від температурно-часових параметрів охолодження сплаву.
  3.  Встановити особливості структуроутворення та зміни властивостей низьколегованих чавунів у процесі їх виливання та термічного оброблення, які дозволяють підвищити зносостійкість тіл, що мелють (млинових валків і розмельних куль).
  4.  Дослідити вплив невеликої кількості хрому та параметрів термічної обробки на структуру та властивості марганцевистого високоміцного чавуну для бронефутерувальних плит.
  5.  Розробити нові склади економнолегованих чавунів і режими їхньої термічної обробки, що забезпечують підвищення зносостійкості деталей  технологічного обладнання.
  6.  Виявити закономірності фазово-структурних перетворень та особливості формування структури нових марганцевистих чавунів залежно від їхнього складу та параметрів термічної обробки.
  7.  Вивчити особливості структурних змін і фазових перетворень у процесі ударно-абразивного зношування нових марганцевистих чавунів.
  8.  Вивчити особливості структуроутворення та властивостей готових деталей обладнання з низькохромистих чавунів, дати рекомендації щодо їх застосування в промисловості.


Об'єкт досліджень
. Процес формування структури та властивостей зносостійких чавунів для деталей технологічного обладнання.

Предмет досліджень. Закономірності фазово-структурних перетворень і особливості формування структури та властивостей зносостійких чавунів при легуванні невеликою кількістю хрому (0,25...3,0 %), термічній обробці та випробуваннях на зношування.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження роботи засновані на фундаментальних засадах фізичного металознавства, термодинаміки сплавів, термічної обробки металів.

Для досліджень було використано як синтетичні сплави, так і отримані в промислових умовах виливки та деталі.

При проведенні експериментальних досліджень використовували сучасні методи: мікроструктурний, рентгеноструктурний і локальний мікрорентгеноспектральний аналізи, електронну мікроскопію, дюрометричні та дилатометричні дослідження. Властивості сплавів досліджували в лабораторних умовах з використанням стандартних методів механічних випробувань і спеціальних методик визначення абразивного та ударно-абразивного зношування.

При виконанні роботи застосовували математичне моделювання, методи математичної статистики та регресійного аналізу результатів.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи полягає в такому.

1. Теоретично розроблено та застосовано до аналізу структури чавунів нову умову стабілізації евтектичної карбідної фази в низьколегованих чавунах: Пт + Пк ≤ 0, де Пт = 0,049 + ∑ВiСi – відомий термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази, Вi – коефіцієнт впливу i-того елемента на термодинамічну активність вуглецю в чавуні, який отримано в уточненому вигляді; Сi – концентрація i-того елемента, мас. %; Пк – кінетичний параметр стабілізації карбідної фази вперше знайдено у вигляді: Пк = 0,164 – 0,48 Lg V (V  2,9 С/с), де V – швидкість охолодження чавуну в процесі кристалізації.

2. Здійснено подальший теоретичний розвиток дифузійної моделі перетворення аустеніту в залізовуглецевому сплаві евтектоїдного складу: встановлено аналітичні залежності міжпластинкової відстані та швидкості росту перліту від величини переохолодження сплаву, знайдено температурні інтервали областей перлітного та бейнітного перетворень, вперше аналітично визначено відносну кількість та дисперсність фаз, що утворюються як функції величини переохолодження сплаву. Доведено, що отримані аналітичні залежності з достатнім ступенем точності (R=0,95) відповідають експериментальним даним для сплавів системи Fe C.

3. Одержали розвиток уявлення про закономірності формування структури низькохромистих чавунів для зносостійких тіл, що мелють, у процесі кристалізації та термічного оброблення, які враховують термодинамічний і кінетичний фактори стабілізації карбідної фази. Найкращі значення товщини вибіленого шару та твердості чавуну можуть бути отримані при значеннях параметра Пт = 0,19…0,21, а неприпустимо низькі значення твердості та товщини вибілу низьколегованого чавуну мають місце при Пт ≥ 0,24. Встановлено залежність між часом аустенітизації при гартуванні та твердістю таких чавунів по товщині вибіленого шару.

4. Вперше встановлено експериментальні залежності впливу невеликої кількості хрому й температури нормалізації на параметри структури та властивості високоміцного марганцевистого чавуну 350Г6С4ДЧ. Експериментально виявлено, що легування марганцевистого чавуну невеликою кількістю хрому (0,25…0,56%) мало впливає на першу стадію евтектичної кристалізації аустеніт + графіт (кулястий), однак значно більше – на морфологію карбідів на наступній стадії кристалізації. Встановлено, що хром сприяє утворенню твердих евтектичних карбідів і перешкоджає виділенню крихких фосфідних евтектик наприкінці евтектичної кристалізації чавуну, збільшуючи його твердість. Рекомендовано його вміст у складі високоміцного чавуну 0,25…0,50%, при цьому Пт = 0,28…0,32.

5. Вперше виявлено особливості структуроутворення при охолодженні марганцевистих сплавів 150Г7ТЛ і 220Г11Х2ТЛ, побудовано термокінетичну діаграму перетворення аустеніту в економнолегованому сплаві 150Г7ТЛ. Встановлено формування в процесі прискореного охолодження сплаву 150Г7ТЛ аустеніто-бейнітної структури з великою кількістю дисперсних карбідних включень, зносостійкої в умовах ударно-абразивного зношування. Доведено, що розроблений чавун 220Г11Х2ТЛ має високу термічну стабільність і зберігає свою структуру в широкому інтервалі температур (від 20 ºС до 1100 ºС).

6. Вперше вивчено кінетику та побудовано термокінетичну діаграму розпаду переохолодженого аустеніту в новому зносостійкому чавуні 200Г5Х2ТЛ. Встановлено, що при охолодженні в інтервалі температур 580…400 ºС у чавуні 200Г5Х2ТЛ відбувається низькотемпературне карбідне перетворення, яке призводить до подрібнення евтектичних карбідів і утворення дисперсних карбідів різного типу. Вперше встановлено залежності фазового складу, параметрів структури, твердості та ударно-абразивної зносостійкості марганцевистого чавуну 200Г5Х2ТЛ від температури гартування в інтервалі 800…1100 ºС, запропоновано схеми перетворень за участі карбідних фаз Ме3C, Ме7C3 та TiС, де TiС – стабільна при 1100 ºС фаза.

7. Встановлено, що в процесі ударно-абразивного зношування чавунів 200Г5Х2ТЛ і 220Г11Х2ТЛ на їх поверхні відбуваються деформаційні фазово-структурні перетворення γ-Fe з утворенням α-Fe та дисперсних карбідів різного типу – Ме3C, Ме7C3 і TiС. Отримані результати дозволяють рекомендувати нові склади зносостійких чавунів, термічно оброблених за раціональними режимами, для виготовлення широкої номенклатури литих виробів, що експлуатуються в різних умовах абразивного та ударно-абразивного зношування.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується їх узгодженням із загальними положеннями про закономірності та механізми формування структури, про зв'язки між складом, структурою та властивостями, природою та мікромеханізмами зношування залізовуглецевих сплавів; експериментальним підтвердженням і повторюваністю для різних (за хімічним складом, структурою й умовами експлуатації) класів зносостійких чавунів закономірностей впливу легування на параметри їхньої структури, технологічні й службові властивості; коректністю використання методологічних підходів при вирішенні поставлених завдань; застосуванням сучасних методів одержання та обробки інформації; практичним використанням зроблених висновків і рекомендацій.

Практична значимість отриманих результатів. На підставі вивчення закономірностей формування структури та властивостей низькохромистих чавунів розроблено технічні умови та освоєно виробництво млинових валків і куль, що мелють, із низьколегованого чавуну на ВАТ «ДЗПВ» і ТОВ «Верстатолив». Удосконалено методику оцінювання параметрів структури та властивостей низьколегованого чавуну для млинових валків. Розроблено та впроваджено для підвищення зносостійкості режими термічного зміцнення млинових валків і куль.

Розроблено рекомендації щодо підвищення експлуатаційних властивостей плит бронефутерувальних з високоміцного марганцевистого чавуну. Створено нові склади зносостійких чавунів для деталей технологічного обладнання та режими їх раціональної термічної обробки. Технічна новизна та практична цінність роботи підтверджена 4 патентами України. Патент «Спосіб термічної обробки виробів із залізовуглецевих сплавів» відзначено як кращий винахід 2009 р. в галузі металургії.

Розроблені склади чавунів і режими термічної обробки деталей технологічного обладнання впроваджено на ВАТ «ДЗПВ», ТОВ «Верстатолив» і ТОВ «Верстатобудівник» (м. Дніпропетровськ), АТ «завод «Автоштамп», (м. Олександрія), ВАТ «Новоград-Волинськсільмаш», ТОВ «Агрос ЛМХ», АТЗТ «Стоїк метал» (м. Дніпропетровськ) і ВАТ «Дніпропетровський цементний завод», та інших підприємствах з реальним річним економічним ефектом обсягом 200 000 грн. (за цінами 1998 р.). Очікуваний економічний ефект від впровадження чавуну 200Г5Х2ТЛ становить 2 340 820 грн.

Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно провів постановку експериментів, включаючи математичне планування, особисто обробив й узагальнив результати лабораторних і виробничих досліджень, виконаних як самим автором, так і за його безпосередньої участі.

Здобувач самостійно розробив нові теоретичні моделі умов стабілізації карбідної фази при охолодженні низьколегованих чавунів і перетворення аустеніту в залізовуглецевому сплаві евтектоїдного складу.

Здобувач брав безпосередню участь як керівник договірних робіт та відповідальний виконавець держбюджетних робіт, результати яких використано в цій дисертації. Він брав участь у розробці технічної й технологічної документації, впровадженні результатів дисертації у виробництво, проведенні відповідних маркетингових заходів та здійснював авторський супровід робіт.

У роботах, що було опубліковано в співавторстві, йому належать:

- постановка експерименту, дослідження  фазово-структурних перетворень у чавунах, обробка та аналіз результатів досліджень [2, 16, 18, 19, 25, 27, 28, 30, 31, 34, 35, 37, 41, 42, 45, 49];

- постановка та проведення експерименту, дослідження  особливостей структуроутворення та властивостей чавунів, обробка та аналіз результатів досліджень [4, 10-12, 14, 15, 22, 24, 26, 38, 39, 43, 44, 47, 51];

- побудова аналітичної моделі, проведення розрахунків, аналіз отриманих результатів [7, 8, 13, 33, 46, 48];

- обґрунтування меж легування чавунів за основними елементами, визначення зношування зразків [17, 23, 36];

- обґрунтування наукових положень щодо застосування марганцевистих чавунів як конструкційних матеріалів, узагальнення отриманих результатів [20, 21,32, 40, 50].

- обґрунтування температурно-часових параметрів способу [29].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: «Стародубовські читання» (Дніпропетровськ, 2001 – 2010 рр.), «Сучасне матеріалознавство: досягнення й перспективи» (Київ, 2005 р.), «Евтектика VII» (Дніпропетровськ, 2006 р.), «Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство» (Львів, 2007 р.), «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту» (Дніпропетровськ, 2007 р.), «Матеріали та покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва та утилізації виробів» (Ялта, Крим, 2008 р.), розширеному засіданні кафедри матеріалознавства і Міжрегіональному семінарі «Проблеми сучасного матеріалознавства» ДВНЗ «ПДАБА» від 02.06.2010 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 51 науковій праці (з них 8 – без співавторів), у тому числі 35 – у спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК, 4 патентах, 3 доповідях на науково-технічних конференціях, 9 додаткових роботах.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, висновків і 12 додатків, викладена на 333 сторінках, включно 101 рисунок, 66 таблиць, 18 сторінок додатків і список використаних джерел з 375 найменувань на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладено мету, завдання та методи досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, відображено особистий внесок здобувача, а також наведено дані щодо апробації та публікації основних результатів роботи.

У першому розділі на підставі огляду наукової літератури виконано аналіз вимог до матеріалів для деталей технологічного обладнання, впливу легуючих елементів і домішок на структуру зносостійких чавунів, впливу структури білих чавунів на їх зносостійкість, визначено основні принципи формування структури й властивостей чавунів, сформульовано мету й завдання досліджень.

У результаті аналізу великої кількості наукових джерел встановлено, що змінні деталі технологічного обладнання працюють в умовах абразивного, ударно-абразивного зношування та тертя металу об метал при дії значних динамічних і температурних навантажень.

Відомі для таких деталей, як найбільш зносостійкі, високохромисті чавуни (ЗЧХ12М, ЗЧХ12М5, Х34, ЗЧХ28Н2, ЗЧХ17Н3М3, ЗЧХ33Н3 та ін.) мають низьку пластичність й ударну стійкість і тому не застосовуються в умовах, пов'язаних зі значними ударними навантаженнями.

Ці сплави леговані значною кількістю хрому та дорогих легуючих елементів, що визначає доцільність розробки економнолегованих зносостійких сплавів з підвищеним рівнем властивостей на базі нових принципів формування їх структурного стану.

У другому розділі наведено дані про матеріали та методики досліджень. Об’єктом досліджень були синтетичні чавуни зі змінним вмістом хрому та марганцю, низьколеговані чавуни, високоміцний марганцевистий чавун 350Г6С4ДЧ та білі марганцевисті чавуни, леговані невеликою кількістю хрому.

В роботі використано сучасні методи досліджень: мікроструктурний, дилатометричний та рентгенівський фазовий аналізи, електронну мікроскопію, локальний мікрорентгеноспектральний аналіз, виміри твердості та мікротвердості, визначення механічних властивостей і математична обробка результатів експерименту.

Випробування зразків на ударно-абразивне зношування виконували у вібраційному млині та лабораторному кульовому млині діаметром 300 мм Інституту чорної металургії НАНУ.

У третьому розділі виконано аналіз фазових і структурних перетворень у системі Fe – C – Cr та теоретичне дослідження впливу легуючих елементів на стабілізацію карбідної фази в низьколегованих чавунах, розвинуто нові аналітичні моделі перетворення аустеніту в залізовуглецевому сплаві евтектоїдного складу, що є теоретичною базою для формування структури чавунів.

Для дослідження положення точки потрійної евтектичної рівноваги для діаграми стану сплавів системи Fe – C – Cr виплавлено синтетичні чавуни, близькі до евтектичного складу (С≈4,2 %), зі змінним вмістом хрому (0,2…2,3 %).

Встановлено, що чавуни зі вмістом хрому 0,38…2,3 % – білі й не мають графіту у своїй структурі. Чавун зі вмістом хрому 0,23 % є половинчастим; у його структурі присутні як евтектичний графіт, так і ледебурит. Отже, точка Е' діаграми стану сплавів системи Fe – C – Cr, що є границею між половинчастими та білими чавунами, на шкалі вмісту хрому має координату ~ 0,3 %. Положення точки потрійної евтектичної рівноваги Е на шкалі концентрації хрому, таким чином, найбільш відповідає даним, отриманим  Г. Сильманом 0,26 % ат.

Виявлено, що у твердому стані хром концентрується переважно в цементиті, збільшує його хімічну стабільність і мікротвердість, підвищуючи кількість карбідної фази в структурі чавуну. У результаті твердість чавуну зростає при збільшенні концентрації хрому (рис. 1).

Рис. 1. Залежність твердості синтетичного чавуну (HRC) від вмісту хрому.

У результаті теоретичного дослідження спільного впливу легуючих елементів на стабілізацію карбідної фази в низьколегованих чавунах при кристалізації отримано термодинамічну умову стабілізації карбідної фази:

Пт = 0,049 + ∑Вi Сi ≤ 0,    (1)

де Пт – термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази;

Вi коефіцієнт впливу i-того елемента на термодинамічну активність вуглецю в чавуні, який отримано в уточненому вигляді:

 Вi ,             (2)

де Сi концентрація i-того елемента, % мас.;

Кi= Ni(L)/Ni(γ) – коефіцієнт міжфазного розподілу легуючого елемента;

С – концентрація вуглецю в сплаві, виражена у масових відсотках.

Мінімальний розрахунковий вміст хрому в евтектичному чавуні (C=4,23%), при якому відсутня графітизація: Ccr = 0,049/Вcr = 0,21 %.

Термокінетичну умову стабілізації карбідної фази запропоновано у вигляді:

Пт + Пк ≤ 0,     (3)

де Пк – кінетична умова стабілізації карбідної фази, яку вперше знайдено у вигляді:

Пк = 0,164 – 0,48 Lg V (V ≥ 2,9 ºС/с);

Пк = 0 (V < 2,9 ºС/с),         (4)

де V – середня швидкість охолодження сплаву в інтервалі кристалізації.

Запропоновані умови використано для формування необхідної структури при кристалізації та оптимізації складу зносостійких чавунів.

Структура та властивості чавунів залежать як від параметрів кристалізації, так і від перетворень у твердій фазі. Тому теоретично розглянуто  твердофазні перетворення аустеніту, які багато в чому визначають структуру та властивості цих сплавів. Розвинуто дифузійну модель перлітного перетворення, що враховує дифузію вуглецю у двох напрямках; схема моделі наведена на рис. 2. З використанням цієї моделі рішення рівняння дифузії знайдено у вигляді:

С(X,Z') – Сs = B0exp(λ0Z') + B1exp (λ1Z') cos(πX/Δ),                   (5)

де Z' = Z – ΔΖ. Значення параметрів λ0 и λ1:

λ0 = –v/Dz; λ1 = –v/2Dz – √( (v/2Dz)² + π²/ΔZ²), ΔZ² = Dz Δ²/Dx,

Dx  й Dz – коефіцієнти дифузії вуглецю уздовж осей Х и Z відповідно;

v – швидкість руху границі розподілу фаз, Δ = S0/2.

Встановлено залежність міжпластинкової відстані перліту S0 від ступеня переохолодження сплаву у вигляді :

,  (6)

де α1 й α2 – концентраційні коефіцієнти для фериту та цементиту відповідно;

α – коефіцієнт теплопередачі;

Δ Т – величина переохолодження сплаву;

q – питома кількість теплоти, що витрачається на утворення перліту;

γ – густина залізовуглецевого сплаву.

Рис.2. Схема дифузійної моделі перлітного перетворення.

Отримано нову залежність швидкості росту перліту від ступеня переохолодження сплаву ΔТ: 

       dХ/dt=   (7)

де Q – енергія активації (для аустеніту),

Тэ = 996 ºК – рівноважна температура евтектоїдного перетворення,

R = 8,314 Дж/(мольК) – термодинамічна константа.

Встановлено нову теоретичну залежність So від ΔТ:

при ∆T > ∆T0 lgS0 = K1 – 0,5 lg ∆T – 0,4343Q/2RT;

при ∆T ≤ ∆T0 lgS0 = K2 – 0,4343Q/2RT,     (8)

      К1 = 8,08, ∆T0 = 30 °С.

Отримано достатній збіг експериментальних і розрахункових даних, що підтверджує адекватність наведених залежностей (коефіцієнт парної кореляції R = 0,95).

Узагальнюючи цю модель, запропоновано аналітичний опис перетворення аустеніту в залізовуглецевому сплаві евтектоїдного складу з урахуванням величини енергії, що йде на утворення міжфазових границь розподілу γ-фаза – цементит.

При введенні позначень:

      (9)

де S – дисперсність продуктів перетворення аустеніту;

С – теплоемність залізовуглецевого сплаву;

          Δm = σ/qγ,       (10)

де Δm – мінімальний розмір дифузійної міжфазової відстані;

 σ вільна енергія одиниці поверхні розподілу фаз;

рівняння для величини продуктів перетворення ∆= S/2 отримано у вигляді:

  ∆³ Δ0²∆ + Δ0²Δm  = 0.     (11)

У результаті графічного рішення цього рівняння знайдено відносну кількість фаз, їх дисперсність S (міжпластинкова відстань перліту, товщина пластин верхнього й нижнього бейніту) як функції температури перетворення (рис. 3, 4). Утворення нижнього бейніту, відповідно до теорії, іде в інтервалі температур 451,8…377,1 ºС і при 377,1 ºС його товщина пластин дорівнює 77 нм.

Рис. 3. Залежність дисперсності продуктів перетворення аустеніту від температури перетворення.

Рис. 4. Залежність кількості продуктів перетворення аустеніту від температури перетворення.

Отже, теоретично встановлено залежність дисперсності перлітних і бейнітних структур від параметрів охолодження сплаву, доведено, що отримані залежності збігаються з експериментальними даними.

У розділі 4 виконано дослідження особливостей формування структури низьколегованих чавунів для млинових валків та куль з метою підвищення їхньої зносостійкості. При цьому млинові валки повинні містити вибілений шар по всій поверхні глибиною не менше 10 мм при твердості за Шором 60…64 од. Обмеження за твердістю для млинових валків пов'язане з необхідністю їх обробки – нанесення нарізки.

Для вивчених складів низьколегованого чавуну (3,35…3,75 %С; 0,46…1,02 %Si; 0,17…0,61 %Mn; 0,0…1,07 %Cr; 0,30…1,93 %Ni) розраховано термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази Пт відповідно до положень, викладених у розділі 3.

Параметр Пт > 0, тому цей чавун є половинчастим – в рівноважних умовах у ньому обов'язково повинен бути наявним графіт. Вибіл такого чавуну може відбуватися тільки завдяки кінетичному факторові кристалізації.

Встановлено, що найкращі значення товщини вибіленого шару й твердості за Шором чавуну можуть бути отримані при значеннях параметра Пт: 0,19 ≤ Пт ≤ 0,21, а неприпустимо низькі значення твердості та розміру вибілу низьколегованого валкового чавуну мають місце при Пт ≥ 0,24.

У процесі дослідження структури виливків з низьколегованого чавуну виявлено, що поблизу краю виливка (5 мм) вони мають анізотропну структуру білого чавуну, витягнуту в напрямку тепловідводу (рис. 5). Основу вибіленого шару валкового чавуну становить анізотропний конгломерат двох евтектичних фаз – аустеніту та цементиту. Аустеніт при подальшому охолодженні перетворюється на перліт, що описується наведеною раніше моделлю. Із застосуванням рентгенівського фазового аналізу показано наявність невеликої кількості залишкової -фази в структурі валкового чавуну.

Рис. 5. Мікроструктура валкового чавуну: а – вибілений шар ×100,

б – компактні включення графіту у вибіленому шарі, ×500,

в – евтектика перехідного шару, ×250.

У вибіленому шарі валкового чавуну виявлено ще дві структурні складові: графіт у невеликих кількостях (до 5%) і ледебурит (до 26%). Дисперсні включення графіту є у вибіленому шарі чавуну з підвищеним вмістом нікелю. Чавун зі вмістом хрому 0,25…0,5 % має невеликі (до 0,5 мм) розміри аустеніто-графітних та ледебуритних колоній і прийнятні значення твердості та товщини вибіленого шару. Запропоновано схеми формування компактних графітних включень і ледебуритних колоній з урахуванням кінетичного фактору – швидкості охолодження при евтектичній кристалізації.

Шляхом регресійного аналізу 50 плавок валкового чавуну (300 тонн) установлено залежності між вмістом легуючих елементів, твердістю вибіленого шару чавуну за Шором (HSD) і розміром його вибілу (Н):

HSD = 69,2 – 16,0 %Si + 0,5 %P + 3,6 %Cr + 2,5 %Ni, од.;   (12)

H = 19,5 10,1 %Si + 6,9 %Mn 8,3 %P 28,8 %S +

      +4,5 %Cr – 4,7 %Ni, мм.        (13)

Щільність лінійного зв'язку між характеристиками чавуну і його складом оцінено за коефіцієнтом множинної кореляції, значення якого для HSD становить 0,84, а для H – 0,91, що підтверджує працездатність отриманих лінійних залежностей.

На підставі отриманих даних встановлено, що невелика кількість хрому має більш сприятливий вплив на структуру чавуну, ніж домішка нікелю. Доцільне зниження кількості нікелю в складі чавуну < 0,59 %, при концентрації хрому 0,25…0,75 %. Підвищення кількості нікелю понад 0,77 % знижує величину вибілу валкового чавуну та сприяє утворенню компактних графітних включень у структурі вибіленого шару.

З метою підвищення твердості та зносостійкості розроблено режим термічної обробки гладких валків діаметром 250 мм і вагою 140кг: нагрівання валків у печі до температури 850ºС, аустенітизація протягом певного часу (5…60 хв.), гартування у воді, відпускання при 250 ºС протягом 2…3 годин.

Встановлено залежність твердості чавуну на глибині 5 мм і 20 мм (рис. 6) та його мікроструктури (рис. 7) від часу аустенітизації.

Виявлено, що однорідна структура дендритних ділянок перетвореного аустеніту з дисперсними цементитними частинками формується зі збільшенням часу витримки при аустенітизації до 30…40 хвилин (рис. 7 в, г), при цьому твердість чавуну – максимальна й становить 66,0…67,3 HRC на глибині 5…20 мм.

Рис. 7. Мікроструктура валкового чавуну залежно від часу аустенітизації при температурі 850 ºС: а, б 20 хв.; в, г 30 хв.; а, в поверхня зразка;            б, г – 20 мм від поверхні, ×1000.

З метою забезпечення високої твердості й зносостійкості куль, що мелють із низьколегованого чавуну розроблено режим термічної обробки: витримка при 850 ºС протягом 30 хв., гартування у воді, самовідпускання при температурі 300…100 ºС. Виявлено, що всередині куль при цьому відбувається процес графітизації та сфероїдизації цементиту з підвищенням дисперсності цементитних частинок, який впливає на зносостійкість цих тіл.

Встановлено, що абразивна зносостійкість чавунних куль перевищує таку для сталевих куль у середньому на 66 %. Підвищення абразивної зносостійкості чавунних куль обумовлено наявністю в структурі низьколегованого чавуну значної кількості мартенситу з рівномірно розподіленими дисперсними включеннями типу (Fe, Cr)3C, отриманими в процесі термічної обробки за запропонованим режимом.

Кулі Ø 40 мм із низьколегованого чавуну зіставлено за зносостійкістю з тілами, що мелють, Ø 25 мм із легованої сталі Х12МФ та цильпебсами Ø 32 мм із низькохромистого (2,0…2,5% Сr) чавуну в лабораторному кульовому млині Ø300 мм (рис. 8).

Рис. 8. Залежність швидкості зношування тіл, що мелють, від часу випробувань.

Встановлено, що кулі термооброблені з низьколегованого чавуну мають найменше зношування серед досліджених тіл. У легованої сталі Х12МФ немає переваги за зносостійкістю перед низькохромистими чавунами.

Отже, тіла, що мелють, з низьколегованого чавуну цілком можуть задовольнити вимоги споживачів такої продукції до якості та зносостійкості при відносно невисокій вартості.

Розроблені теоретичні положення щодо формування структури чавунів на основі використання термодинамічного параметра стабілізації карбідної фази застосовано також до іншого типу половинчастих чавунів – високоміцного марганцевистого чавуну.

У п'ятому розділі наведено результати підвищення технологічних властивостей високоміцного марганцевистого чавуну шляхом його легування невеликою кількістю хрому та застосування раціонального режиму термічної обробки.

У процесі аналізу технологічних властивостей великогабаритних футерувальних плит (250…450 кг) кульових млинів для розмелу залізної руди, виготовлених із марганцевистого чавуну з кулястим графітом марки 350Г6С4ДЧ (3,3…3,7 %С; 5,0…6,0 %Mn; 3,0…4,0 %Si; 0,8…1,2 %Cu; 0,04…0,06 %Mg), виявлено, що значна їх кількість (~50 %) має знижену твердість (360 НВ) і високу крихкість. Це призводить до значних втрат за виходом придатної продукції.

З метою виявлення причин зниження технологічних властивостей чавуну виконано дослідження особливостей структуроутворення марганцевистого чавуну в процесі виливки та термічної обробки.

Для досліджуваного чавуну розраховано термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази Пт = 0,42 > 0, тому в цьому чавуні в рівноважних умовах обов'язково повинен бути наявним графіт.

Встановлено, що структура чавуну промислових виливків являє собою рівновісні або злегка витягнуті дендритні кристали аустеніту з рівномірно розподіленими включеннями кулястого графіту в осьовій частині дендритів (рис. 9 а). При повільному охолодженні весь дендритний аустеніт зазнає перетворення на пластинчасті структури з мікротвердістю 3630 МПа (± 15 %). Виявлено, що у ділянках між дендритами перебувають рівномірно розподілені тверді включення евтектичного типу, оточені оболонкою із пластичної фази, з мікротвердістю 3380 МПа (рис. 9 б).

Рис. 9. Мікроструктура промислових виливків з високоміцного марганцевистого чавуну до (а, б) і після (в, г) термічної обробки: а, в  ×50; б, г  ×800.

Евтектичні включення часто містять дисперсну карбідну фазу. Розподіл цих включень цілком відповідає принципу Шарпі, однак вони мають невисоку мікротвердість – 5860 МПа та високу крихкість. Наявність таких включень негативно позначається на тріщиностійкості марганцевистого чавуну.

Встановлено, що евтектичні включення являють собою потрійну аустеніто-карбідо-фосфідну евтектику. Кількість потрійної фосфідної евтектики в складі чавуну досягає 15 % з характером розподілу Фр 2 за ГОСТ 3443–57, що свідчить про значний вміст фосфору в складі чавуну, виплавленого у вагранці (рис. 10). Рекомендовано зменшення вмісту фосфору в складі чавуну до значень ≤ 0,15%.

Рис. 10. Морфологія евтектичних включень марганцевистого чавуну:
а
травлення ніталем; б, в травленням ніталем і реактивом Муракамі, ×800.

Виявлено, що в процесі термічної обробки за промисловим режимом високоміцний чавун має ферито-перлітну структуру з кулястим графітом і твердістю 240 НВ, яка не відповідає вимогам технічних умов (≥ 420 НВ).

Для підвищення якості марганцевистого чавуну, не модифікованого магнієм, досліджено вплив невеликої кількості хрому (0,25…0,56%) на параметри його структури та твердість.

Встановлено вплив хрому на розміри графітних пластин L і величину евтектичних включень D марганцевистого чавуну (рис. 11, 12).

Рис. 11. Вплив вмісту хрому на довжину графітних пластин і розмір евтектичних включень марганцевистого чавуну.

При вмісті хрому в складі чавуну 0,56% у структурі чавуну виявлено присутність тонкоголчастого мартенситу з мікротвердістю 4500 МПа в кількості близько 30,0%. Підвищення вмісту хрому до 0,56% сприяє зменшенню кількості графіту від 20,2% до 14,5% і розмірів графітних пластин – від 85,0 до 27,0 мкм.

Найбільші розміри евтектичних включень – до 400 мкм – також має чавун, не легований хромом (0,06% Сr). При збільшенні вмісту хрому в складі чавуну розмір евтектичних включень помітно зменшується, а мікротвердість – зростає (рис. 12).

Рис. 12. Вплив вмісту хрому на мікротвердість евтектичних включень і твердість марганцевистого чавуну.

Встановлено, що твердість чавуну істотно зростає при підвищенні концентрації хрому та корелює з мікротвердістю евтектичних включень (рис. 12). Хром сприяє утворенню твердих евтектичних карбідів і перешкоджає виділенню крихких фосфідних евтектик наприкінці евтектичної кристалізації чавуну. Рекомендовано вміст хрому у складі високоміцного чавуну 0,25…0,50 %, при цьому Пт = 0,28…0,32.

Виявлено, що в литому стані структура високоміцного чавуну, легованого хромом у кількості 0,25…0,50 %, являє собою рівновісні або злегка витягнуті дендритні кристали аустеніту з рівномірно розподіленими включеннями кулястого графіту (рис. 13 а, б). У марганцевистому чавуні на периферії дендритів частина аустеніту при охолодженні трансформується в безструктурний мартенсит. Усередині такого мартенситу знаходяться дисперсні карбідні включення, що виділяються з пересиченого γ-твердого розчину. Мікротвердість мартенситу з карбідними включеннями становить  7000…8000 МПа. При подальшому охолодженні в центральних ділянках дендритних колоній чавуну відбувається перетворення аустеніту за дифузійним механізмом з утворенням карбідної фази (рис.13 в, г).

Рис. 13. Мікроструктура марганцевистого чавун у литому стані: а  ×500;
б
травлення реактивом Муракамі, ×800; в, г  ×2000.

Виявлено, що багато карбідних колоній складаються із пластинчастих витягнутих карбідів і мають віялоподібну форму. Межа між віялоподібною колонією та дисперсними карбідами не є чіткою. Запропоновано схему зародження та росту таких колоній.

Застосовувана термічна обробка великогабаритних плит з марганцевистого чавуну не дозволяє одержати необхідний рівень їхньої твердості й зносостійкості, тому досліджено вплив температури нормалізації на параметри структури, фазовий склад і властивості високоміцного марганцевистого чавуну (рис.14, 15).

Рис. 14. Мікроструктура високоміцного чавуну після нормалізації з температур: а – 750 ºС; б – 800 ºС; в – 900 ºС; г – 950 ºС, ×500.

Встановлено, що максимальну твердість і зносостійкість має чавун з аустеніто-мартенситною матрицею та дисперсними евтектичними карбідами, отриманий у процесі нормалізації з 900ºС (рис. 15). Рекомендовано новий режим термічної обробки бронефутерувальних плит великих розмірів.

Доведено, що найкраще поєднання механічних властивостей має високоміцний марганцевий чавун з аустеніто-бейніто-карбідною структурою після нормалізації з температури 800 ºС. Чавун з такою структурою може бути використано для виготовлення зносостійких оброблюваних деталей машинобудування.

Рис. 15. Вплив температури нормалізації на тимчасовий опір σв (а), відносне подовження δ (б), твердість HRC (в) і зносостійкість Ку (г) високоміцного марганцевистого чавуну.

Однак високоміцний чавун є досить дорогим матеріалом, а наявність у його структурі графіту сприяє зниженню зносостійкості. Тому є продуктивною розробка нових економнолегованих зносостійких чавунів на основі перспективних принципів формування їхньої структури та властивостей.

У шостому розділі виконано аналіз сучасних тенденцій у розробці та використанні марганцевистого сплавів для деталей обладнання, досліджено закономірності структуроутворення в економнолегованих залізовуглецевих чавунах на базі систем Fe–C–Mn і Fe–C–Mn–Cr, формування їх структури та властивостей при термічній обробці.

В результаті аналізу наукової літератури визначено основні принципи формування їхньої структури, виявлено, що в легованих чавунах систем Fe–C–Cr і Fe–C–Mn можуть відбуватися карбідні перетворення евтектоїдно-перитектоїдного типу, які впливають на їх властивості.

Для досліджень виплавлено чавуни зі змінним вмістом вуглецю (1,5...3,2%), марганцю (0,1...11,0%) і хрому (0,5...4,0%), розраховано термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази.

Показано, що базовий чавун 300ХГ8 (Пт= –1,03) має структуру конгломерату фаз, характерну для білих чавунів. У процесі гартування більша частина аустеніту дендритних гілок перетворюється на комплекс мартенсит + дисперсні карбіди; інша частина аустеніту залишається стабільною до кімнатної температури. Абразивна зносостійкість такого чавуну є високою (4,2 од.), однак ударно-абразивна зносостійкість – зниженою (0,7 од.).

Істотне підвищення ударно-абразивної зносостійкості марганцевистих чавунів може бути отримано завдяки регулюванню кількості, дисперсності й морфології евтектичної карбідної фази. У марганцевистому сплаві з високою зносостійкістю карбідна фаза повинна розміщуватися в матриці у вигляді відокремлених дисперсних включень (принцип Шарпі).

Для реалізації такого структурного стану розроблено чавун 220Г11Х2ТЛ, як модельний композиційний сплав з основою, близькою до сталі Гадфільда та рівномірно розподіленими евтектичними карбідами (2,1…2,5%С, ≤1,0 %Si, 9,512,0 %Mn; 2,0…3,0 %Cr; 0,01…0,05 %Ti;    Пт = - 1,6). Цей чавун у литому стані з повільним охолодженням також має структуру білого доевтектичного чавуну (рис. 16 а), неприйнятну через низьку ударну стійкість.

Рис. 16. Мікроструктура чавуну 220Г11Х2ТЛ:  а у литому стані й після гартування з температури б – 900 ºС, в – 1100 ºС, ×500.

У процесі гартування чавуну 220Г11Х2ТЛ від 900 ºС до 1100 ºС отримано аустенітну матрицю з рівномірно розподіленими дисперсними карбідами (див. рис. 16 б, в). Виявлено, що аустеніт при цьому насичується легуючими елементами (вуглецем, марганцем і хромом) і стає стабільним у широкому інтервалі температур.

Доведено, що чавун 220Г11Х2ТЛ, загартований з температури 900ºС, має високий комплекс властивостей порівняно з базовим чавуном 300ХГ8 (табл. 1).

Однак чавун такого складу являє собою досить легований сплав. Крім цього, в умовах ударно-абразивного зношування аустеніто-мартенситна основа структури може мати перевагу перед аустеніто-карбідною. Тому застосування такого чавуну замість сталі 110Г13Л є виправданим тільки для деталей, що працюють в умовах спільного температурного та абразивного впливу.

Таблиця 1-

Властивості чавунів після термічної обробки

Тип

чавуну

Твердість

HRC

Межа

міцності

σв, МПа

Відносне

подовження δ, %

Ударна в'язкість КС, Дж/см2

Зносостій-кість

Ку, од.

300ХГ8

52,3

320,0

-

5,0

0,7

220Г11Х2ТЛ

30,0

560,0

15,0

33,0

1,08

В інших умовах ефективнішими є економнолеговані сплави зі зниженим змістом вуглецю й марганцю, представником яких є сплав 150Г7ТЛ (Пт= –0,93).

Показано, що структура економнолегованого марганцевистого сплаву 150Г7ТЛ у литому стані характеризується вираженою дендритною будовою. Кристалізація сплаву починається з виділення дендритів первинного аустеніту й завершується формуванням невеликої кількості евтектичних карбідів наприкінці кристалізації.

Встановлено, що гартування з 1100 ºС спричиняє формування аустеніто-мартенситної структури сплаву 150Г7ТЛ зі вмістом -фази 42,0 % (рис. 17).

Рис. 17. Мікроструктура марганцевистого сплаву після гартування з температури: а – 1100 ºС; б, в, г – 900 ºС.

Виявлено, що в результаті гартування з температури 900 ºС марганцевистий сплав 150Г7ТЛ набуває гетерофазної структури з рівномірним розподілом евтектичних і вторинних карбідів. Матрицею чавуну є стабілізована -фаза, армована рівномірно розподіленими колоніями бейнітної α-фази з мікротвердістю 6380 МПа та частинками вторинних карбідів.

Доведено, що в умовах ударно-абразивного зношування з ударним впливом невеликої інтенсивності сплав 150Г7ТЛ із гетерофазною структурою, має перевагу перед сталлю 110Г13Л з однофазною аустенітною структурою (рис. 18).

Вищу стійкість цього сплаву в умовах ударно-абразивного зношування можна пояснити підвищеною стійкістю бейнітних ділянок порівняно з карбідами за принципом Шарпі.

Рис 18. Зносостійкість марганцевистого сплаву 150Г7ТЛ порівняно зі сталлю 110Г13Л, загартованих із зазначених температур.

Виявлено, що чавуни зі зниженим вмістом вуглецю мають підвищену ударно-абразивну зносостійкість, тому досліджено лабораторні сплави систем Fe–C–Mn і Fe–C–Mn–Cr з 2,0% вуглецю й ~0,5% кремнію (табл. 2) як перспективні матеріали.

Таблиця 2-

Хімічний склад досліджуваних сплавів

п/п

Вміст елементів, %

Зношування, %

Параметр

Пт, од.

C

Si

Mn

Cr

1

2,19

0,67

0,262

0,126

2

2,06

0,56

2,15

0,306

– 0,209

3

2,01

0,51

3,89

0,256

– 0,464

4

2,04

0,49

7,05

0,279

– 0,937

5

2,10

0,56

4,54

2,38

0,225

– 1,690

6

2,02

0,57

4,25

3,88

0,242

– 2,362

Показано, що зміни, які відбуваються в первинній структурі цих сплавів при варіюванні концентрацій марганцю й хрому, корелюють зі значеннями термодинамічного параметра стабілізації карбідної фази й значно впливають на зносостійкість сплавів. Встановлено, що мінімальне зношування серед вивченої групи сплавів має економнолегований чавун 200Г5Х2 (5) з підвищеним вмістом мартенситу, для якого Пт = – 1,69.

На відміну від чавуну 200Г5Х2, розроблений чавун 200Г5Х2ТЛ додатково леговано титаном для одержання в його структурі значної кількості карбідів різного типу (1,8…2,1 %С, ≤1,0 %Si, 4,0…5,0 %Mn; 2,0…3,0 %Cr; 0,3…0,5 %Ti; Пт = – 1,69).

Виявлено, що у відлитому стані чавун 200Г5Х2ТЛ має гетерофазну структуру, що містить γ- та α-фази, евтектичний цементит Ме3C, легований карбід Ме7C3 і карбід титану TiС.

Встановлено, що в сплаві 150Г7ТЛ перетворення аустеніту при охолодженні відбувається за евтектоїдним механізмом, наведеним вище, а в чавуні 200Г5Х2ТЛ відбувається низькотемпературне фазове перетворення в інтервалі температур 570400ºС (рис. 19). Доведено, що в марганцевистому чавуні 200Г5Х2ТЛ фазово-структурні перетворення відбуваються з подрібненням евтектичних карбідів, які можна представити такими реакціями:

 γ-Fe → α-Fe + Ме3C′;                   (14)

 Ме3C→ γ-Fe + Ме7C3;       (15)

 Ме3C→ γ-Fe + Ме3C′ + TiС,     (16)

де Ме3C – евтектичний легований цементит;

Ме7C3 – легований карбід хрому;

Ме3C′ – вторинний і перлітний цементит.

Рис.19. Термокінетичні діаграми перетворення аустеніту в сплаві 150Г7ТЛ (а) і чавуні 200Г5Х2ТЛ (б).

Реалізацію низькотемпературних карбідних перетворень (15) і (16) підтверджують результати мікроструктурного, рентгенівського фазового, мікрорентгеноспектрального аналізів (рис. 20).

Виявлено, що дифузія вуглецю в цементиті відбувається на невелику відстань (0,05…0,5 мкм), порівняно зі шляхами дифузії в перліті. Перетворення евтектичних карбідів на дисперсні карбідні включення сприяє підвищенню зносостійкості такого чавуну.

Рис. 20. Мікроструктура чавуну 200Г5Х2ТЛ із дисперсними карбідними включеннями після охолодження зі швидкістю 0,85°С/с, ×8000.

З метою використання фазово-структурної метастабільності для формування структури та властивостей цього чавуну досліджено вплив температури гартування на параметри структури, фазовий склад, твердість і зносостійкість (табл. 3). Встановлено, що найбільша зміна цих параметрів відбувається в інтервалі температур від 900 ºС до 950 ºС.

Таблиця 3-

Вплив температури гартування на фазовий склад чавуну

п/п

Температура гартування, ºС

Фазовий склад

γ-фаза, %

α-фаза, %

карбіди, %

тип карбідних фаз

1

850

50

27

23

Ме 3C, Ме 7C3

2

900

39

40

21

Ме 3C, Ме 7C3, TiС

3

950

62

25

13

Ме 3C, TiС

4

1100

77

22

1

TiС, Ti(С,N)

Запропоновано підсумкові схеми фазово-структурних перетворень при високих температурах за участю карбідних фаз у вигляді:

 Ме7C3→  γ-Fe + TiС;                                 (17)

Ме3C →  γ-Fe + TiС,                                  (18)

де TiС – стабільна до 1100 ºС фаза.

Встановлено, що менше відносне абразивне зношування, порівняно зі сталлю Х12МФ, має чавун 200Г5Х2ТЛ, загартований з температури 850 ºС через наявність значної кількості дисперсних евтектичних і вторинних карбідів (23 %) і метастабільної γ-фази у кількості 50 %.

У сьомому розділі наведено результати дослідження фазово-структурних перетворень у розроблених марганцевистих чавунах при ударно-абразивному зношуванні в кульовому млині.

Встановлено, що в процесі ударно-абразивного зношування сплавів 150Г7ТЛ й 200Г5Х2ТЛ на їх поверхні відбувається деформаційне фазове перетворення аустеніту γ-Fe на мартенсит α-Fe, яке залежить від температури гартування (рис. 21).

      Рис.21. Вміст γ-фази в чавуні 200Г5Х2ТЛ до (1) і після (2) зношування.

У процесі якісного рентгенівського фазового аналізу зразків чавунів 220Г11Х2ТЛ і 200Г5Х2ТЛ, загартованих з різних температур, які випробували на ударно-абразивне зношування, виявлено, що в поверхневих шарах зразків основу становить мартенситна матриця та дисперсні карбіди: цементит Me3C, карбід титана ТiС, карбіди хрому і марганцю Ме7C3.

Отже, встановлено, що в процесі ударно-абразивного зношування чавунів 220Г11Х2ТЛ й 200Г5Х2ТЛ відбувається деформаційне фазове перетворення γ-Fe з утворенням α-Fe і дисперсних карбідів різного типу – Ме3C, Ме7C3 та TiС, що сприяє підвищенню зносостійкості цих чавунів.

Виділення дисперсних карбідів на поверхні чавунів при ударно-абразивному зношуванні підтверджено методом растрової електронної мікроскопії (рис. 22).

Рис. 22. Структура зношеної поверхні чавунів 200Г5Х2ТЛ (а) і 220Г10Х2ТЛ (б), ×500.

Доведено, що найкращий результат за ударно-абразивною зносостійкістю при випробуваннях у кульовому млині отримано при гартуванні чавуну 200Г5Х2ТЛ від 1000 ºС, що відповідає вихідній кількості γ-фази ~60 % та її повному перетворенню на мартенсит і дисперсні карбіди (рис. 23).

  Рис.23. Відносне ударно-абразивне зношування зразків чавуну 200Г5Х2ТЛ, загартованих від різних температур (відл. – литий зразок)

У восьмому розділі наведено дані щодо розробки технічних умов на зносостійкі деталі обладнання та подано рекомендації щодо підвищення якості продукції з низькохромистих чавунів.

Технічні вимоги до валків млинових викладено в розроблених за участі автора технічних умовах ТУ 14-216-87-97 ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків».

У результаті виконаних досліджень доведено, що невелика кількість хрому краще впливає на структуру валкового чавуну, ніж добавка нікелю. Розроблено нові технічні умови ТУ У–23944809–02–01 «Валки борошномельні із чавуну» з обмеженням концентрації нікелю у складі чавуну. У співдружності з ТОВ «Верстатолив» виготовлено велику кількість валків для різних машинобудівних підприємств. Склад чавуну для валків подано у таблиці 4.

Таблиця 4 -

Хімічний склад чавуну для валків

Тип валка,

позначення

Вміст елементів, %

С

Si

Мn

Сr

Ni

S

Р

Гладкий, ВМГ

2,8…3,7

0,5…1,2

0,5…1,2

0,5…1,2

≤ 0,5

≤0,16

≤ 0,5

З нарізкою рифлів, BMP

2,8…3,7

0,5…1,2

≤1,0

≤1,0

≤ 0,5

≤0,16

≤0,3

Для підвищення твердості й зносостійкості впроваджено технологію термічної обробки гладких млинових валків на ТОВ «Верстатобудівник». Твердість на робочій поверхні валка при цьому зросла від 53,0 до 66,0 HRC, зносостійкість збільшено вдвічі.

Надалі виникла потреба у виробництві куль чавунних Ø 40 мм високої якості для вуглерозмельних млинів ВАТ «Дніпроенерго». Необхідні роботи виконано на ТОВ «Верстатолив», розроблено технічні умови ТУ У – 23944809–01–01 «Кулі, що мелють, відлиті з чавуну». У результаті випробувань встановлено підвищення зносостійкості чавунних куль порівняно зі сталевими в 1,6 раз.

У 2001 році на ТОВ «Верстатолив» освоєно виробництво виливків футерувальної броні кульових млинів, бункерів, ринв із легованого мартенсито-аустенітного чавуну з кулястим графітом за технічними умовами ТУ У В27.5–30540015–001–2001.

Попередніми дослідженнями доведено, що склад чавуну та режим його термічного оброблення за ТУ У В27.5–30540015–001–2001 не дозволяють одержати аустеніто-мартенситну основу високоміцного чавуну з необхідною твердістю (420…477 НВ) і високою зносостійкістю.

Для підвищення якості виливків з високоміцного чавуну застосовано його легування невеликою кількістю хрому (0,25…0,50 %).

На відміну від режиму за ТУ У В27.5–30540015–001–2001, для підвищення твердості й зносостійкості великогабаритних виливків з високоміцного марганцевистого чавуну в умовах ТОВ «Верстатолив» використано новий режим термічної обробки й отримано потрібну структуру та властивості цих деталей.

Встановлено, що експериментальні марганцевисті чавуни мають високу ударно-абразивну зносостійкість порівняно з іншими сплавами (рис 24).

Рис. 24. Порівняльна ударно-абразивна зносостійкість сплавів різного типу.

Рекомендації щодо їх застосування в промисловості для виготовлення різних деталей технологічного обладнання подано на рис. 25.

Рис. 25. Схема застосування розроблених марганцевистих чавунів.

Базовий марганцевистий чавун 300XГ8 використано для виливання в кокіль на ТОВ «Дніпролив» дослідних розмелених валків технологічного обладнання замість дорогого чавуну «ніхард» з отриманням досить високого рівня абразивної зносостійкості (4,2 од.).

Легований чавун 220Г11Х2ТЛ, що має високу температурну стабільність структури, рекомендовано як зносостійкий матеріал для деталей завантажувальних пристроїв доменних печей замість сталі 110Г13Л.

Економнолегований марганцевистий чавун 200Г5Х2ТЛ впроваджено для виготовлення бронефутерувальних плит кульових млинів розмелу цементу на ВАТ «Дніпропетровський цементний завод» з підвищенням стійкості в 1,65 раз.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано науково обґрунтовані розробки в галузі металознавства, які забезпечують вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення зносостійкості економнолегованих чавунів для деталей технологічного обладнання шляхом розвитку наукових основ формування їх структури та властивостей при легуванні невеликою кількістю хрому, термічній обробці та випробуваннях на зношування.

1. У результаті аналізу великої кількості вітчизняних і закордонних джерел встановлено, що змінні деталі технологічного обладнання працюють в умовах інтенсивного абразивного, ударно-абразивного зношування та тертя металу об метал при дії значних динамічних і температурних навантажень. Використовувані для таких деталей як найбільш зносостійкі високохромисті чавуни (ЗЧХ12М, ЗЧХ12М5, Х34, ЗЧХ28Н2, ЗЧХ17Н3М3, ЗЧ200Х33Н3 та ін.) мають низьку пластичність й ударну стійкість і тому не застосовуються в умовах, пов'язаних зі значними ударними навантаженнями. Ці сплави леговані значною кількістю хрому та дорогих легуючих елементів, що визначає доцільність поліпшення наявних і розробки нових економнолегованих зносостійких чавунів з підвищеним рівнем властивостей на базі нових принципів формування їх структурного стану.

2. Виконано теоретичний аналіз фазових і структурних перетворень у системі Fe C Cr для області невеликого вмісту хрому. Експериментально уточнено положення точки Е' діаграми стану сплавів системи Fe – C – Cr, яка є границею між половинчастими й білими чавунами на шкалі концентрацій хрому ( ~0,3 % Cr), встановлено вплив невеликої кількості хрому на твердість синтетичного чавуну.

Знайдено термокінетичну умову стабілізації карбідної фази в низьколегованому чавуні у вигляді: Пт + Пк ≤ 0, де Пт = 0,049 + ∑Вi Сi – відомий термодинамічний параметр стабілізації карбідної фази; Вi – уточнений коефіцієнт впливу i-того елемента на термодинамічну активність вуглецю в чавуні, Сi – концентрація i-того елемента, мас. %.

Кінетичний параметр Пк вперше знайдено у вигляді: Пк = 0,164 – 0,48 Lg V (V  2,9 (З/с).

3. Розвинуто дифузійну модель утворення перліту в залізовуглецевих сплавах, встановлено нелінійні залежності міжпластинкової відстані та швидкості росту перліту від величини переохолодження сплаву. Вперше отримано точне рішення дифузійного рівняння про утворення перліту з урахуванням різних коефіцієнтів дифузії у двох напрямках (уздовж осей Х и Z).

Побудовано теоретичну модель перетворення аустеніту в залізовуглецевому сплаві евтектоїдного складу, що представлена рівнянням 3-го ступеня відносно міжпластинкової відстані, знайдено температурні інтервали областей перлітного та бейнітного перетворень, вперше аналітично визначено відносну кількість та дисперсність фаз, що утворюються як функції величини переохолодження сплаву.

Отримано достатній збіг експериментальних і розрахункових даних, що підтверджує адекватність наведених залежностей (коефіцієнт парної кореляції R = 0,95).

4. Розвинуто положення про закономірності формування структури низькохромистих чавунів для тіл, що мелють, у процесі кристалізації та термічної обробки, які враховують термодинамічний і кінетичний фактори стабілізації карбідної фази. Встановлено залежності між концентрацією легуючих елементів і параметрами структури, часом аустенітизації та твердістю таких чавунів. Доведено підвищення зносостійкості тіл, що мелють, з низьколегованих чавунів шляхом термічного зміцнення на 60…100 %.

5. Побудовано регресійні моделі впливу легуючих елементів на товщину вибілу та твердість валкового чавуну, які дозволяють розрахувати необхідні концентрації легуючих елементів для одержання оптимальних значень цих параметрів для валків, оброблюваних різанням (HSD=60…62 од., H  8 мм). Встановлено, що необхідна структура вибіленого шару валкового чавуну може бути отримана шляхом легування хромом на рівні 0,25…0,75 %, при зниженні вмісту нікелю ≤ 0,5 %, при цьому Пт = 0,19…0,21.

6. Встановлено, що формування зносостійкої мартенсито-карбідної структури валкового чавуну може бути отримано шляхом термічної обробки валків за запропонованим режимом: нагрівання валків у печі до температури 850 ºС, витримка протягом 30…40 хвилин, гартування у воді, самовідпускання при 300…100 ºС протягом 2…3 годин. Твердість на робочій поверхні валка при цьому зростає від 53,0 до 66,0 HRC, а зносостійкість збільшується вдвічі.

7. Розкрито особливості формування структури куль Ø40 мм із низьколегованого чавуну в процесі термічної обробки: утворення дисперсної мартенсито-карбідної основи на поверхні та подрібнення карбідних пластин усередині кулі. Встановлено, що абразивна зносостійкість термооброблених чавунних куль перевищує стійкість сталевих куль на 66 %, а ударно-абразивна зносостійкість не нижча, ніж у тіл, що мелють, з легованого сплаву Х12МФ.

8. Виявлено, що в ділянках між дендритами високоміцного марганцевистого чавуну промислових виливків перебувають рівномірно розподілені тверді включення евтектичного типу, оточені оболонкою з аустеніту, з мікротвердістю 3380 МПа, які являють собою потрійну аустеніто-карбідо-фосфідну евтектику. Запропоновано схему її утворення. Встановлено, що промисловий режим термічної обробки не забезпечує формування необхідної аустеніто-мартенсито-карбідної структури високоміцного марганцевистого чавуну з високою твердістю.

9. Вперше встановлено вплив невеликої кількості хрому (0,25…0,56 %) на дисперсність і мікротвердість евтектичних карбідних включень і твердість марганцевистого чавуну. Виявлено, що легування марганцевистого чавуну невеликою кількістю хрому істотно не впливає на першу стадію евтектичної кристалізації аустеніт + графіт (кулястий), однак суттєво позначається на морфології карбідів на наступній стадії кристалізації. Хром сприяє утворенню твердих евтектичних карбідів і перешкоджає виділенню крихких фосфідних евтектик наприкінці евтектичної кристалізації сплаву, збільшуючи твердість чавуну. Рекомендовано його вміст у складі високоміцного чавуну 0,25…0,50 %, при цьому Пт = 0,28…0,32.

10. Встановлено вплив температури нормалізації на структуру й механічні властивості високоміцного марганцевистого чавуну. Найкраще поєднання механічних властивостей має високоміцний марганцевий чавун з аустеніто-бейнітною матрицею й дисперсними карбідами після нормалізації з температури 800ºС. Максимальну твердість і зносостійкість має чавун з аустеніто-мартенситною матрицею та дисперсними карбідами, що отримано у результаті нормалізації при 900ºС.

11. Для реалізації структурного стану, який відповідає принципу композиційного зміцнення, розроблено чавун 220Г11Х2ТЛ як модельний композиційний сплав з основою, близькою до сталі Гадфільда, та з рівномірно розподіленими евтектичними карбідами. Встановлено, що цей чавун має високий рівень механічних властивостей і підвищену зносостійкість, а його структура є термічно стабільною в широкому інтервалі температур (від 20ºС до 1100ºС).

12. Виявлено особливості формування структури сплаву 150Г7ТЛ у процесі виливання та термічного оброблення. Встановлено, що в процесі гартування з 900ºС сплав 150Г7ТЛ має аустеніто-бейнітну структуру з підвищеною кількістю дисперсних карбідних включень і є більш стійким порівняно зі сталлю 110Г13Л в умовах абразивного зношування з невеликими ударними впливами.

13. Встановлено зміну фазового складу, параметрів структури, твердості та ударно-абразивної зносостійкості нового марганцевистого чавуну 200Г5Х2ТЛ залежно від температури гартування в інтервалі 800…1100ºС, запропоновано схеми перетворень з участю карбідних фаз Ме3C, Ме7C3 та TiС, де TiС – стабільна при 1100ºС фаза. Максимальну кількість α-фази містить сплав, загартований з 900ºС, мінімальну – з 950ºС. Доведено, що найбільшу абразивну зносостійкість має чавун, загартований з температури 850ºС, що зумовлено високим вмістом мартенситу та дисперсних вторинних карбідів у його структурі.

Виявлено реалізацію низькотемпературного фазового перетворення в цьому чавуні при охолодженні з 900ºС в інтервалі температур 580…400ºС, що супроводжується подрібненням евтектичних карбідів і утворенням дисперсних карбідів різного типу – Ме3C, TiС і Ме7C3.

14. Виявлено, що в процесі ударно-абразивного зношування чавунів 200Г5Х2ТЛ та 220Г11Х2ТЛ на їх поверхні відбувається деформаційне фазове перетворення γ-Fe на мартенсит α- Fe та дисперсні карбіди різного типу – Ме3C, Ме7C3 та TiС, яке сприяє підвищенню зносостійкості цих чавунів.

Шляхом порівняльного дослідження зносостійкості великої групи сплавів доведено, що розроблений чавун 200Г5Х2ТЛ має найбільшу ударно-абразивну зносостійкість, яка перевищує цей показник для сталі 110Г13Л у 1,65 раз.

Отримані результати дозволяють рекомендувати нові склади низькохромистих зносостійких чавунів, термічно оброблених за оптимальними режимами, для виготовлення широкої номенклатури литих виробів, що експлуатуються в різних умовах абразивного й ударно-абразивного зношування.

Розроблені склади чавунів і технології термічної обробки деталей обладнання впроваджено на підприємствах України з реальним річним економічним ефектом обсягом 200 000 грн. (за цінами 1998 р.). Очікуваний економічний ефект від впровадження чавуну 200Г5Х2ТЛ і режиму його термічної обробки становить 2 340 820 грн.

Основний зміст дисертації відображено у таких роботах:

  1.  Бобырь С.В. Исследование влияния элементов состава на твердость и отбел валкового чугуна / С.В. Бобырь // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2001. – Вып. 12. –   С. 114 115.
  2.  Бобырь С.В. Влияние термической обработки на структуру и твердость отливок из марганцовистого чугуна / С.В. Бобырь, Г.В. Левченко, Е.Г. Демина // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2002. – Вып. 5. – С. 314  316.
  3.  Бобырь С.В. Влияние малих добавок хрома на фазовые и структурные превращения в чугунах / С.В. Бобырь // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА. – Дн-ськ., 2004. – № 2 – 3. – С. 4649.
  4.  Бобырь С.В. Фазовые и структурные превращения в богатых железом сплавах Fe  C  Cr / С.В. Бобырь, Н.И. Репина, П.Д. Грушко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка. – 2005. – Вып. 9. – С. 165  169.
  5.  Бобырь С.В. Влияние легирующих элементов и скорости охлаждения на эвтектическую кристаллизацию в низколегированных чугунах / С.В. Бобырь // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА. – Дн-ськ, 2006. № 4. – С. 25 29.
  6.  Бобырь С.В. Точное решение диффузионной задачи по образованию пластинчатого перлита в железоуглеродистых сплавах / С.В. Бобырь // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2004. – Вып. 26, ч. 1. – С. 363  367.
  7.  Большаков В.И. Кинетические параметры образования перлита в железоуглеродистых сплавах / В. Большаков, С. Бобырь // МиТОМ. 2004. № 8. – С. 11 15.
  8.  Большаков В.И. Теоретическое исследование γ→α – превращения в железоуглеродистом сплаве эвтектоидного состава / В. Большаков, С. Бобырь // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА. – Дн-ськ., 2005. –  2. – С. 27  33.
  9.   Бобырь С.В. Механизм γ→α – превращения в железоуглеродистом сплаве эвтектоидного состава в изотермических условиях / С.В. Бобырь // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2006. – Вып. 13. – С. 241  249.
  10.   Бобырь С.В. Особенности структурообразования валкового чугуна с малыми добавками хрома и никеля / С.В. Бобырь, О.М. Шаповалова, Н.И. Репина  // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2002. – Вып. 15, ч. 1. С. 145 149.
  11.  Большаков В.И. О механизмах формирования структуры низколегированного валкового чугуна / В.И. Большаков, С.В. Бобырь, Н.И. Репина  // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА – Дн-ськ. – 2004. № 1. – С. 55 61.
  12.  Бобырь С.В. Формирование износостойкой структуры низколегированных валковых чугунов / С.В. Бобырь, Н.И. Репина, С.А. Здоровец  // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – Дн-ск.: Из-во ИЧМ, 2004. – Вып. 8. – С. 320  326.
  13.  Большаков В.И. Влияние легирующих элементов и примесей на твердость и отбел низколегированного валкового чугуна / В. Большаков, С. Бобырь // Изв. вузов. Черная металургия. 2005. № 7. – С. 6970.
  14.  Бобырь С.В. Формирование структуры низколегированного валкового чугуна в процессе  термической обработки / С.В. Бобырь, В.И. Большаков, Н.И. Репина [и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2005. – Вып. 32, ч. 1.С. 91 95.
  15.  Бобырь С.В. Влияние малых добавок хрома на структуру и твердость марганцовистого чугуна для элементов брони // С.В. Бобырь, С.А. Здоровец, Е.Г. Демина // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2003. Вып. 22, ч. 2. – С. 93  95.
  16.  Бобырь С.В. Особенности фазовых превращений в марганцовистых чугунах в твердом состоянии / С. Бобырь, Е. Демина // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2003. – Вып. 6. – С. 136  140.
  17.  Деклар. пат. 7786 Україна, МПК С 22 С 37/10. Марганцевистий чавун / Бобирь С.В., Большаков В.І.; заявник і патентовласник Придніпровська академія будівництва та архітектури. – № 20040605156; заявл. 01.11.04.; опубл. 15.07.2005, Бюл. № 7. – 4 с.
  18.  Бобырь С.В. Влияние температуры аустенитизации на структуру, фазовый состав и твердость марганцовистого чугуна / С.В. Бобырь, Н.И. Репина, С.И. Веселова // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2006. – Вып. 36, ч. 2. – С. 171  177.
  19.  Бобырь С.В. Влияние температуры нормализации на структуру, фазовый состав и свойства высокопрочного марганцовистого чугуна / С.В. Бобырь, Н.И. Репина, С.И. Веселова [и др.] // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА – Дн-ськ., 2007. –  2. – С. 12  18.
  20.  Бобырь С.В. Марганцовистые чугуны как износостойкие конструкционные материалы / С. Бобырь, В. Большаков // Техника машиностроения.  2006. – № 2. – С. 28  31.
  21.  Бобырь С.В. Применение марганцовистых чугунов для изготовления износостойких деталей металлургического оборудования / С.В. Бобырь, Г.В. Левченко, А.А. Петриченко [и др.] // Металл и литье Украины. – 2006. –  5. – С. 40  42.
  22.  Бобырь С.В. Формирование эвтектической карбидной фазы в износостойких марганцовистых чугунах / С.В. Бобырь, А.М.Нестеренко, Н.И. Репина // Теория и практика металлургии.  2006. – № 4  5. – С. 96  98.
  23.  Деклар. пат. 5520 Україна, С 22 С 37/10. Зносостійкий чавун / Бобирь С.В., Большаков В.І.; заявник і патентовласник Придніпровська академія будівництва та архітектури. – № 20040605134; заявл. 29.06.04.; опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3. – 4 с.
  24.  Бобырь С.В. Особенности структурообразования экономно- легированного марганцовистого сплава / С.В. Бобырь, Г.В. Левченко, А.М. Нестеренко [и др.]// Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2007. Вып. 41. – С. 171  177.
  25.  Бобырь С.В. Влияние температуры закалки на структуру, фазовый состав и свойства износостойкого марганцовистого сплава / С.В. Бобырь, А.М. Нестеренко, С.А. Здоровец [и др.] // Металлургическая и горнорудная промышленность.  2007. – № 6. – С. 73  75.
  26.  Бобырь С.В. Исследование особенностей структурообразования и свойств марганцовистого чугуна с инвертированной структурой / С. Бобырь, В. Большаков // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2007. – Вып. 15. – С. 217  222.
  27.   Бобырь С.В. Влияние термической обработки на структуру, фазовый состав и свойства экономнолегированного марганцовистого сплава / С.В. Бобырь, А.М. Нестеренко, В.Л. Плюта [и др.] // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2008. – Вып. 45, ч. 3. С. 73  77.
  28.  Большаков В.И. Фазово-структурные превращения в марганцовистом чугуне в процессе ударно-абразивного износа / В.И. Большаков, С.В. Бобырь, С.И. Веселова // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2008. – Вып. 45, ч. 2. – С. 53  59.
  29.  Пат. 83965 Україна, МПК С 21 D 1/18, B 22 D 27/20. Спосіб термічної обробки виробів з залізовуглецевих сплавів / Бобирь С.В., Левченко Г.В., Нестеренко А.М., Бобирь С.А.; заявник і патентовласник Ін-т чорної металургії НАНУ. – № 200708398; заявл. 23.07.2007.; опубл. 11.02.2008, Бюл. № 3. – 4 с.
  30.  Бобырь С.В. Фазово-структурные превращения в марганцовистом чугуне при ударно-абразивном воздействии / С.В. Бобырь, С.И. Веселова, Ю.П. Синицина // Теория и практика металлургии. – 2008. – № 5 6. – С. 67  72.
  31.  Левченко Г.В. Фазові перетворення в економнолегованому марганцевистому сплаві / Г.В. Левченко, С.В. Бобырь, А.М. Нестеренко [и др.]// МтОМ, 2008. – № 4. – С. 3 9.
  32.   Плюта В.Л. Экономнолегированные износостойкие сплавы: проблемы и перспективы / В.Л. Плюта, А.М. Нестеренко, С.В. Бобырь // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2008. – Вып. 17. – С. 231  239.
  33.  Бобырь С.В. Зависимость межпластиночного расстояния перлита железоуглеродистых сплавов от скорости охлаждения / С.В. Бобырь, Я.Ю. Якименко, Е.С. Закирова / Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА. – Дн-ськ., 2008. –  2. – С. 56  61.
  34.  Левченко Г.В. Особенности фазовых превращений в железомарганцевых сплавах при охлаждении / Г.В. Левченко, С.В. Бобырь, М.Ф. Евсюков // Теория и практика металлургии.  2009..  1  2 – С. 102  106.
  35.   Большаков В.И. Исследование фазово-структурных превращений в износостойком чугуне 200Г5Х2ТЛ в процессе эксплуатации / В.И. Большаков, С.В. Бобырь, С.И. Веселова [и др.] // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2009. – Вып. 48, ч. 1. – С. 168  173.
  36.  Пат. 87064 Україна, МПК С 22 С 37/00, С 22 С 37/10. Зносостійкий чавун / Бобирь С.В., Левченко Г.В., Плюта В.Л., Бобырь С.А.; заявник і патентовласник Ін-т чорної металургії НАНУ. – № 200800013; заявл. 02.01.08.; опубл. 10.06.2009, Бюл. № 11. – 4 с.
  37.  Левченко Г.В. Влияние обработки на структуру, фазовый состав и износ экономнолегированного сплава 200Г5Х2ТФ / Г.В. Левченко, С.В. Бобырь, А.М. Нестеренко [и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2009. – Вып. 48, ч. 3.  C. 79  82.
  38.  Бобырь С.В. Особенности формирования первичной структуры в износостойких сплавах на основе систем FeCMn и FeCMnCr / С.В. Бобырь, Г.В. Левченко, А.М. Нестеренко [и др.] // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА. – Дн-ськ., 2009. –  4. – С. 33  39.
  39.  Исследование литой структуры марганцовистых и хромомарганцовистых железоуглеродистых сплавов / Г.В. Левченко, А.М. Нестеренко, В.Л. Плюта, С.В. Бобырь [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: Наукова думка, 2009. – Вып. 19. – С. 289 – 294.
  40.  Бобырь С.В. Марганцовистые чугуны как износостойкие конструкционные материалы / С.В. Бобырь, В.И. Большаков // Тезисы докладов межд. конф. «Современное материаловедение: достижения и проблемы» – Киев: Изд-во ИПМ, 2005. – С. 291.
  41.  Бобырь С.В. Влияние температуры нормализации на структуру, фазовый состав и свойства высокопрочного марганцовистого чугуна / С.В. Бобырь, Н.И. Репина, С.А. Здоровец [и др.] // Тезисы докладов 67 Междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Дн-ск.: Изд-во ДНУЖТ, 2007. – С. 238 – 239.
  42.  Левченко Г.В. Фазовые превращения в экономнолегированном марганцовистом сплаве / Г.В. Левченко, С.В. Бобырь, А.М. Нестеренко [и др.] // Тез. доп. Міжн. наук. конф. «Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство». Львів, 11 13 жовтня 2007 р. – С. 102.

Результати дисертації опубліковано додатково в роботах:

43. Бобырь С.В. Исследование качества мелющих шаров, отлитых из низколегированного чугуна / С.В. Бобырь // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Дн-ск.: ПГАСА, 2001. – Вып. 12. С. 116.

44. Бобырь С.В. Исследование особенностей структурообразования элементов брони из марганцовистого износостойкого чугуна / С.В. Бобырь, С.А. Здоровец, Е.Г. Демина // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2002. – Вып. 15, ч. 1. С. 222  224.

45. Бобырь С.В. Особенности фазовых и структурных превращений в низколегированных чугунах, обусловленные распределением хрома / С.В. Бобырь // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Дн-ск.: ПГАСА, 2002. – Вып. 15, ч. 1. С. 224 225.

46. Бобырь С.В. Простая диффузионная модель эвтектоидного превращения аустенита в пластинчатый перлит / С.В. Бобырь // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2003. – Вып. 27, ч. 2. – С. 60  64.

47. Большаков В.И. Морфологические особенности мартенсита в марганцовистых чугунах / В.И. Большаков, С.В. Бобырь, Н.И. Репина // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2003. – Вып. 22, ч. 2. – С.65  68.

48. Большаков В.И. Об условиях стабилизации карбидной фазы в низколегированных чугунах / В. Большаков, С. Бобырь // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2003. – Вып. 22, ч. 2. – С. 99  100.

49. Большаков В.И. Особенности фазовых превращений в марганцовистом чугуне с шаровидным графитом / В.И. Большаков, С.В. Бобырь, Е.Г. Демина // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. –      Дн-ск.: ПГАСА, 2004. – Вып. 27, ч. 2. – С. 224  225.

50. Бобырь С.В. Применение новых марганцовистых чугунов для изготовления деталей промышленного оборудования / С. Бобырь, В. Большаков // Металознавство та термічна обробка металів: Науков. та інформ. бюл. ПДАБА – Дн-ськ, 2009. –  4. – С. 18  23.

51. Особенности структурообразования в износостойком сплаве 200Г3Х7Л при термической обработке / Г.В. Левченко, А.М. Нестеренко, В.Л. Плюта, С.В. Бобырь [и др.] // Строительство, материаловедение и машиностроение: Сб. научн. трудов. – Дн-ск.: ПГАСА, 2010. – Вып. 53. – С. 124  128.

АНОТАЦІЯ

Бобирь С.В. Розвиток наукових основ формування структури та властивостей зносостійких низькохромистих чавунів для деталей технологічного обладнання.  Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 Металознавство та термічна обробка металів. Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, 2011.

У дисертаційній роботі виконано науково обґрунтовані розробки в галузі металознавства, які забезпечують вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення довговічності деталей обладнання шляхом розвитку наукових основ формування структури та властивостей зносостійких чавунів у процесі їх легування хромом, термічного оброблення та під час випробувань на зношування.

Виявлено особливості формування структури в низькохромистих чавунах, знайдено нову термокінетичну умову стабілізації карбідної фази для цих чавунів. Теоретично розвинуто дифузійну модель перетворення аустеніту в залізовуглецевих сплавах. Розроблено нові склади марганцевистих чавунів з підвищеною зносостійкістю, виявлено дестабілізацію евтектичного цементиту в чавуні 200Г5Х2ТЛ при охолодженні. Доведено, що розроблений чавун 200Г5Х2ТЛ має найбільшу ударно-абразивну зносостійкість серед великої групи сплавів.

Ключові слова: формування структури, дифузія, фазові перетворення, низькохромисті чавуни, властивості, фазовий склад, карбіди, зносостійкість.

АННОТАЦИЯ

Бобырь С.В. Развитие научных основ формирования структуры и свойств износостойких низкохромистых чугунов для деталей технологического оборудования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов. –Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, 2011.

В диссертационной работе выполнены научно обоснованные разработки в области металловедения, которые обеспечивают решение важной научно-технической проблемы повышения долговечности быстро изнашивающихся деталей оборудования путем развития научных основ формирования структуры и свойств экономнолегированных чугунов в процессе их легирования малыми добавками хрома, термической обработки и испытаниях на износ.

Выполнен теоретический анализ структурообразования в системе FeCCr для области малых содержаний хрома, найдено термокинетическое условие стабилизации карбидной фазы в низколегированных чугунах.

Теоретически развита диффузионная модель превращения аустенита в железоуглеродистых сплавах, найдены температурные интервалы областей перлитного и бейнитного превращений.

Развиты представления о закономерностях формирования структуры низкохромистых чугунов для мелющих тел в процессе кристаллизации и термической обработки, учитывающие термодинамический и кинетический факторы стабилизации карбидной фазы. Построены регрессионные модели влияния легирующих элементов на величину отбела и твердость валкового чугуна. Установлено влияние времени аустенитизации при закалке на формирование структуры и твердость низколегированного чугуна с повышением износостойкости валков в 1,5…2,0 раза.

Выявлены особенности формирования структуры шаров Ø 40 мм из низколегированного чугуна в процессе термической обработки. Доказано, что абразивная износостойкость чугунных шаров превышает стойкость стальных шаров на 66 %, а ударно-абразивная износостойкость не ниже, чем у мелющих тел из сплава Х12МФ.

Установлено влияние малых добавок хрома и температуры нормализации на параметры структуры и свойства высокопрочного марганцевистого чугуна. Доказано, что максимальную твердость и износостойкость имеет чугун с аустенито-мартенситной матрицей и дисперсными карбидами, легированными хромом.

Для реализации структурного состояния, соответствующего принципу композиционного упрочнения, разработан чугун 220Г11Х2ТЛ. Установлено, что структура этого чугуна является термически стабильной в широком интервале температур (от 20ºС до 1100 ºС).

Выявлены особенности формирования структуры сплава 150Г7ТЛ в процессе отливки и охлаждения. Установлено, что сплав 150Г7ТЛ является более стойким по сравнению со сталью 110Г13Л в условиях абразивного износа с небольшими ударными воздействиями.

Выявлена дестабилизация эвтектического цементита в экономнолегированном чугуне 200Г5Х2ТЛ при охлаждении в интервале температур 580…400 ºС, приводящая к измельчению эвтектических карбидов и образованию дисперсных карбидов разного типа. Установлены зависимости между температурой закалки и фазовым составом, параметрами структуры, твердостью и ударно-абразивной износостойкостью марганцовистого чугуна 200Г5Х2ТЛ.

Установлено, что в процессе ударно-абразивного износа чугунов 220Г11Х2ТЛ и 200Г5Х2ТЛ на их поверхности происходит деформационное фазовое превращение γ-Fe в мартенсит α-Fe и дисперсные карбиды разного типа (Ме3C, Ме7C3 и TiC), что способствует повышению их износостойкости. Доказано, что разработанный чугун 200Г5Х2ТЛ имеет наибольшую ударно-абразивную износостойкость среди большой группы износостойких сплавов.

Полученные результаты позволяют рекомендовать новые составы износостойких низкохромистых чугунов и способы формирования их структуры при отливке, термической обработке и испытаниях на износ для изготовления широкой номенклатуры литых изделий, эксплуатирующихся в различных условиях абразивного и ударно-абразивного износа.

Ключевые слова: формирование структуры, диффузия, фазовые превращения, низкохромистые чугуны, свойства, фазовый состав, карбиды, износостойкость.

ABSTRACT

S. V. Bobyr’. Development of scientific principles of structure formation and properties of wear resistant low-chrome cast irons for details of manufacturing equipment. – Manuscript.

Dissertation on doctor’s degree of technical science by specialty 05.16.01 – Physical metallurgy and thermal treatment of metals. – Zaporizhzhya National Technical University, Zaporizhzhya, 2011.

The thesis is devoted the solution of actual scientific and technical problem of increasing durability of quickly wearing details of the equipment and properties of savingly alloyed cast irons in the process of alloying by chrome, thermal treatment and wear test.

Features of structure formation in the low-chrome cast irons have been defined. The thermokinetic condition of stabilization of a carbide phase in wear-resistant cast irons has been established. Diffusion model of austenite transformation in the iron-carbon alloys has received the further theoretical development. The new manganese irons compositions with increased wear resistance have been developed. Destabilization of the eutectic cementite in cast iron 200Г5Х2ТЛ at cooling has been revealed. It has been proved that the developed cast iron 200Г5Х2ТЛ has maximum impact-abrasive wear resistance among the large group of wear-resistant alloys.

Key words: structure formation, diffusion, phase transformations, low-chrome cast iron, properties, phase composition, carbides, wear resistance


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38321. Микроэкономика и ее теория 599.5 KB
  Издержки производства в краткосрочном периоде. Издержки производства в долгосрочном периоде. Выбор монополистом цены и объёма производства. Конкурентные рынки факторов производства.
38323. ПРОГРАМНІ ЕКЗАМЕНАЦІЙНІ ПИТАННЯ З МІКРОЕКОНОМІКИ 408.5 KB
  Визначення предмета мікроекономіки; субєкти економічних відносин на мікрорівні; позитивний та нормативний мікроекономічний аналіз; застосування та межі мікроекономічної теорії. Мікроекономічний аналіз являє собою комплекс знань, поглядів, ідей, спрямованих на пояснення поведінки окремих суб’єктів ринку (індивіда, фірми, галузі) в процесі здійснення економічного вибору.
38324. Концепции социальной стратификации 15.62 KB
  Основы современного подхода к изучению социальной стратификации были заложены М. Вебером, рассматривавшим социальную структуру общества как многомерную систему, в которой наряду с классами и порождающими их отношениями собственности важное место занимают статус и власть.
38325. Философия права 994 KB
  ПРЕДМЕТ МЕТОД И ЗАДАЧИ ФИЛОСОФИИ ПРАВА 1. Предмет философии права Философия права занимается поисками и установлением истины о праве истинного знания о праве как специфической форме социального бытия людей и особом типе социальной регуляции. В философии права исследуется право в целом право как определенная универсальная целостность весь правовой универсум весь мир права все правовое охватывающее и сущность права и формы внешнего проявления этой сущности правовые явления. Такое понимание права как некоторой целостности состоящей из...
38326. Современное право международных договоров. Том II. Действие международных договоров 2.38 MB
  Из него вытекает юридическая обязательность любого договора контракта. К таким договорам относится в частности конституционный акт мирового сообщества Устав ООН. В подобных случаях отношение к договорам мало чем отличается от практики обычного права международного права в целом 17. Сочетание воль государств необходимо для заключения договора.
38328. Маркетинговые исследования 698 KB
  Сущность маркетинговых исследований Маркетинговые исследования mrketing reserch – это систематическое и объективное выявление сбор анализ распространение и использование информации для повышения эффективности идентификации и решения маркетинговых проблем и использования маркетинговых возможностей.Маркетинговые исследования предусматривают идентификацию сбор анализ распространение и использование информации. Следует иметь в виду что как маркетинговая проблема так и маркетинговая возможность трансформируются затем в проблему...