ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Олійник Інна Михайлівна

УДК 669.017 + 621.785(043.3/5)

РОЗРОБКА ЕКОНОМНОЛЕГОВАНИХ ЗНОСОСТІЙКИХ ЧАВУНІВ З МЕТАСТАБІЛЬНИМ АУСТЕНІТОМ І СПОСОБІВ УПРАВЛІННЯ ЇХ ВЛАСТИВОСТЯМИ

Спеціальність 05.16.01. – Металознавство і термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович

Приазовський державний технічний університет, проректор,

професор кафедри “Матеріалознавство”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна

Харківський національний технічний університет сільського

господарства ім. П. Василенка

професор кафедри “Ремонт машин”

кандидат технічних наук, доцент Єфременко Василь Георгійович

Приазовський державний технічний університет

доцент кафедри “Металознавство і термічна обробка”

Провідна організація: Запорізький національний технічний університет Міністерства

освіти і науки України (м. Запоріжжя)

Захист відбудеться 16 червня 2006 р. о 14.00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500,

м. Маріуполь Донецької області, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької області, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 12 травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01,

доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення терміну служби деталей машин, що швидко зношуються, є найважливішою актуальною проблемою машинобудування. Малий термін служби таких деталей знижує ефективність роботи багато яких машин і промислового устаткування й приводить до безповоротних втрат металу.

Ударно - абразивний знос є одним з основних видів поверхневого руйнування великої групи деталей машин і очисного устаткування. Для деталей, що швидко зношуються, i працюючих в цих умовах, у вітчизняній і зарубіжній практиці широко використовуються литі зносостійкі чавуни, якi мiстять Mo, W, V і ін. Проте використовування цих сплавів часто економічно не завжди виправдано, у зв'язку з їх легуванням дорогими елементами. При цьому більшість з існуючих підходів до підвищення їх ударно - абразивної зносостійкості передбачає отримання за рахунок легування і термічної обробки максимальної твердості (НRС ? 60), що досягається переважно формуванням мартенситної структури металевої основи та спеціальних карбідів. Проте роботи Богачова I.М., Малiнова Л.С., Фiлiппова М.О., Тихоновича В.М., Ципина I.I. і ін. показують позитивну роль метастабільного аустеніту і його фазових перетворень, якi протікають в поверхневих шарах під впливом абразивних частинок, в підвищенні зносостійкості деталей. Тим часом в цих роботах стосовно зносостійких чавунів недостатньо вивчено вплив кінетики фазових перетворень на формування абразивної і ударно - абразивної зносостійкості, а також відсутні ефективні способи управління механічними й експлуатаційними властивостями.

Розробка зносостійких чавунів, що не містять дорогих легуючих елементiв (Ni, Mo, W), і способів управління їх механічними й експлуатаційними властивостями шляхом дії легування та термічної обробки на кількість і ступінь стабільності залишкового аустеніту, є актуальною задачею, що представляє теоретичний і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота вiдповiдає напрямку дослiджень, якi проводить кафедра матеріалознавства Приазовського державного технічного університету по одержанню в сплавах рiзних класiв i призначення багатофазних структур, однією з яких є метастабiльний аустенiт, i управлiння його кiлькiстю та стабiльностю для оптимiзацiї розвитку деформацiйного мартенситного перетворення з метою пiдвищення механiчних i експлуатацiйних властивостей. Дослідження є складовою частиною науково – дослідницьких робіт з госпдоговірної тематики “Розробка економнолегованого зносостійкого чавуна, освоєння технології виплавки і термообробки деталей дробометних установок, що швидко зношуються” (номер державної реєстрації 01900022298), “Розробка зносостійкого сплаву і технології обробки для ковшів пiскометних апаратів з метою підвищення їх довговічності” (номер державної реєстрації 01910055333), ряду держбюджетних робіт кафедри матеріалознавства (1994 – 2005 р.р.), державної науково-технічної програми по пріоритетному напряму № 06 “Нові речовини і матеріали” Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертацiйної роботи є створення нових економнолегованих зносостійких чавунів, в основу розробки яких встановлений принцип використовування метастабiльностi аустеніту і фазових перетворень, що протікають під впливом абразиву в поверхневих шарах в процесі їх експлуатації, забезпечуючих самотвердiння і підвищення зносостійкості деталей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні науково-технічні задачі:

1. Провести систематичні дослідження впливу легуючих елементів і режимів термічної обробки на фазовий склад, фазові перетворення, ступінь метастабiльностi аустеніту й властивості економнолегованих зносостійких чавунів.

2. На основі систематичних досліджень розробити оптимальні склади економнолегованих зносостійких чавунів, що не містять дорогих і дефіцитних елементiв – нікелю, молібдену, вольфраму, з підвищеними характеристиками властивостей.

3. Розробити шляхи й способи термічної обробки для управління ступенем метастабiльностi аустеніту, кінетикою фазових перетворень і властивостями зносостійких чавунів.

4. Встановити зв'язок між формуванням ударно - абразивної зносостійкості і кінетикою деформаційних фазових перетворень при випробуваннях метастабільних чавунів.

5. Провести промислове випробування розроблених зносостійких чавунів в умовах виробництва.

Об'єкт дослідження: розроблені економнолегованi зносостійкі чавуни, що піддаються ударно - абразивному зношуванню.

Предмет дослідження: структура, фазові перетворення, властивості розроблених зносостійких чавунів.

Методи дослідження: дослідження мікроструктури, фазового складу і властивостей проводилися з використанням стандартних методик (металографія, електронна мікроскопія, рентгеноструктурнi, магнітометрічнi, дюрометричнi методи дослідження та динамiчнi випробування на згин). Випробування на ударнo - абразивне зношування проводили на спеціально сконструйованій установці (а. c. СРСР 1820300). Математичне планування експерименту і обробка результатів досліджень проводилися з використанням програмного забезпечення персонального комп'ютера.

Наукова новизна отриманих результатів. Сформульований і реалізований новий підхід до проектування й виробництва нових зносостійких чавунів, в основу якого встановлений принцип цілеспрямованого використовування деформаційних метастабільних станів аустеніту та деформаційних фазових перетворень в процесі експлуатації, що дозволяє виключати легування дорогими легуючими компонентами (Ni, Mo, W), та на економічних складах сплавів досягати підвищений рівень механічних і експлуатаційних властивостей.

Вперше показано, що параметрами нетрадиційних термічних обробок (ступiнчасте гартування, багатократний відпуск і ін.) можна ефективно управляти ступенем метастабiльностi аустеніту та кінетикою деформаційних фазових перетворень для підвищення комплексу механічних і експлуатаційних властивостей.

Встановлено, що домінуючим фактором у формуванні зносостійкості чавунів з метастабільним аустенітом є кінетика деформаційних фазових перетворень і об'єм твердих фаз в поверхневому шарі в процесі зношування.

Вмістом недорогих і доступних легуючих елементів і режимами термічної обробки можна в широких межах управляти фазовим складом, кінетикою деформаційних фазових перетворень і властивостями чавунів, а при оптимальних параметрах досягати підвищений їх рівень.

Встановлені аналітичні залежності між інтенсивністю мартенситоутворення в процесі випробувань і інтенсивністю ударно - абразивного зношування, зносостійкістю чавунів і кількістю твердих фаз, що утворилися в поверхневому шарі. В більшості випадків, чим більше утворюється мартенситу деформації в поверхневому шарі під впливом абразивних частинок в процесі зношування, тим вище зносостійкість чавунів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені нові склади економнолегованих зносостійких чавунів (патент України № 39803А, патенти РФ № 2039840, 2055930, 2030478, 2040576, 2039841, 210517), якi за властивостями не поступають, а при оптимальному легуванні навiть переважають дорогi аналоги, якi сьогоднi застосовуються.

На підставі отриманих закономiрностей зміни фазового складу і ступеня стабільності залишкового аустеніту, після раціональних режимів термічної обробки комплекс властивостей хромомарганцевистих і марганцевистих чавунів може бути істотно поліпшений.

Розроблений чавун ЧХ16Г4Ф з метастабільним аустенітом пройшов промислове опробування і упроваджений у ВАТ “МЗВМ” (м. Маріуполь) для виготовлення ковшів пiскометних апаратів. Економічний ефект склав 40228 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором виконаний аналітичний огляд літературних і патентних даних зносостійких матеріалiв, якi застосовуються для виготовлення деталей, що швидко зношуються, працюючих в умовах ударно - абразивного зношування. З участю автора запропоновані склади економнолегованих чавунів і режими термічної обробки.

Проведені системні дослідження розроблених чавунів i вплив різних режимiв термічних обробок і аналіз отриманих результатів. Виконана математична обробка результатів досліджень.

З участю автора проведені промислові випробування і впроваджений чавун ЧХ16Г4Ф для виготовлення ковшів пiскометних апаратів у ВАТ “МЗВМ”.

В опублікованих наукових роботах автором проаналізовані та узагальнені результати виконаних досліджень.

Апробацiя результатiв роботи. Результати дисертаційної роботи повідомленi й обговоренi на міжнародних і регіональних науково-технічних конференціях: Всесоюзна науково-технічна конференція “Нові матеріали і ресурсозберiгаючi технології термічної і хіміко-термічної обробки в машинобудуванні” (м. Новокузнецьк, 1991 р.), VII Міжнародна конференція молодих вчених “Отримання, властивості і застосування надтвердих матеріалів” (м. Київ, 1992 р.), Міждержавна науково-технічна конференція “Прогресивні методи отримання конструкційних матеріалів і покрить, якi підвищують довговічність деталей машин” (м. Волгоград, 1992 р.), V, VI Міжнароднi науково-технічнi конференції “Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності й довговічності виробів” (м. Запоріжжя, 1992, 1995 р.р.), III Міжнародна наукова конференція “Матеріали для будівельних конструкцій” ICMB` 94 (м. Дніпропетровськ, 1994 р.), Всеукраїнський семінар “Проблеми металознавства і обробки легованих сталей” (м. Київ, 1994 р.), міжвузівська науково-технічна конференція молодих учених і фахівців “Проблеми техніки, технологiї і економіки машинобудівного виробництва” (м. Краматорськ, 1996 р.), I, II, V, VII, IX - XI регіональнi науково-технічнi конференції (м. Маріуполь, 1991, 1992, 1993, 1998, 2002 – 2004 р.р.), республiканська науково-методична конференцiя “Сучаснi проблеми зварювання, наплавлення та матерiалознавства” (м. Маріуполь, 2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 26 друкованих роботах, у тому числі 5 статтях у спеціалізованих виданнях, рекомендованих ВАК України, 7 патентах України та Росiйської Федерації, 1 авторcькому свiдоцтвi на винахiд та 13 тезах доповiдей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури з 157 найменувань, додатків, викладених на 148 сторінках, з них 118 сторінок основного тексту, 44 рисунки, 12 таблиць, 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність роботи, обгрунтована мета досліджень, сформульовані завдання, наукова новизна і практичне значення роботи.

В першому розділі приводиться аналіз існуючих літературних і патентних даних по зносостійким білим чавунам, якi використовуються для виготовлення деталей, що швидко зношуються, i працюючих в умовах ударно - абразивного зношування, та способів управління їх властивостями.

Проблема підвищення зносостійкості деталей машин є сьогоднi найактуальнішою. Для деталей дробометних, пiскометних апаратів і ін. устаткування, працюючих в умовах інтенсивного ударно - абразивного зношування, у вітчизняній і зарубіжній практиці використовуються зносостійкі чавуни ИЧХ28Н2, ИЧХ15М3, “нихард” і ін. Проте легування дефіцитними і дорогими елементами (Mo, W, V, Ni тощо) обмежує, а у ряді випадків, і виключає можливість їх широкого застосування.

Більшість з існуючих підходів в оцінці опору зношуванню чавунів засновано на відомій прямолінійній залежності між їх твердістю і зносостійкістю та витікаючої звідси необхідності отримання максимальної початкової твердості, якій відповідає мартенситно-карбідна структура, створена в багато яких зносостійких чавунах за рахунок легування або обмеженого числа режимів термічної обробки (нормалізації). При цьому в більшості випадків залишковий аустеніт розглядається як небажана складова і пропонуються способи його розкладання.

Проте нечисленні роботи показують позитивну роль фазових перетворень, що протікають в поверхневих шарах під впливом зношувального середовища (абразиву), в підвищенні ударно - абразивної зносостійкості білих чавунів. Тим часом, у відомих роботах відсутня кількісна оцінка внеску цих перетворень і не враховується їх кінетика, на наш погляд, граючі визначальну роль за інших рівних умов у формуванні ударно - абразивної зносостійкості чавунів.

Відповідно до вищевикладеного в роботі ставилися наступні завдання: провести систематичні дослідження впливу легуючих елементів і режимів термічної обробки на фазовий склад, фазові перетворення, ступінь метастабiльностi аустеніту та властивості економнолегованих зносостійких чавунів. Розробити шляхи й способи термічної обробки для управління ступенем метастабiльности аустеніту, кінетикою фазових перетворень і властивостями зносостійких чавунів. Встановити взаємозв'язок між формуванням ударно - абразивної зносостійкості і кінетикою деформаційних фазових перетворень при випробуваннях метастабільних чавунів. Провести промислове опробування розроблених зносостійких чавунів в умовах виробництва.

В другому розділі приведені об'єкти і методи досліджень. Відповідно до поставлених задач були розроблені склади нових зносостійких чавунів з метастабільним аустенітом, якi зазнають під впливом зношувального абразивного середовища фазові перетворення в процесі експлуатації, для підвищення зносостійкості деталей. Матеріалом для дослідження служили чавуни на Fe - Cr - Mn, Fe - Mn основах і на Fe - Mn основі з невеликими добавками карбідоутворювальних легуючих елементів (Cr, V, Nb). На першій з них при вмісті вуглецю 2,86 – 3,69 % досліджувався вплив хрому в межах від 5,36 до 19,48 %, на другiй (4,05 – 4,44 % C) - вплив марганцю в межах від 2,11 до 7,72 %, на третій (3,58 – 3,97 % C) – роздільний вплив ванадію в межах від 0 до 5,42 %, нiобiю 4,27 % і хрому 0,79 % на структуру, фазовий склад і властивості чавунів.

Вивчення і фотографування мікроструктури чавунів здійснювали на мікроскопах "Neophot-21", ММР-2Р, на електронному скануючому мікроскопі РЕМ – 200. Мікротвердість структурних складових виміряли на приладі ПМТ-3 (навантаження 0,98 H).

Кількісний фазовий аналіз чавунів вивчали рентгеноструктурним методом на дифрактометрі УРС -50 ИМ і "МАР - 2" в залізному Кб - випромінюванні. З метою вивчення розвитку мартенситного перетворення, безпосередньо в процесі ударно - абразивного зношування, проводили вимірювання кількості фаз в поверхневому шарі чавунів рентгенівським методом до випробувань, в процесі випробувань на ударно - абразивне зношування через рівні iнтервали часу (20 хвил) на робочій фронтальній поверхні зразків, схильній найбільшому зносу.

Магнітометрічнi вимірювання кількості магнітної фази в поверхневому шарі зразків через рівні iнтервали часу зношування проводили на феритометрi ФА-1.

Фрактографічні дослідження зламів і поверхні зношених зразків здійснювали на растровому електронному мікроскопі РЕМ - 200.

Динамічні випробування на згин проводили у відповідності з ДОСТ 9454-78 на маятниковому копрі МК-30 на зразках розміром 10х10х55 мм без надрізу. Твердість зразків виміряли на приладі Роквелла (ТК) у відповідності з ДОСТ 9013-59.

Для проведення випробувань на ударно - абразивне зношування була спроектована і побудована спеціальна лабораторна установка (а.с. СРСР 1820300), в якій зношування одночасно 3-х зразків проводиться їх обертанням в горизонтальній площині в середовищі сталевого або чавунного дробу. Відносну зносостійкість визначали після 100 хвилин зношування. За еталон була прийнята вiдпалена сталь 45.

Визначався довірчий інтервал експериментальних даних з використанням критерію Стьюдента.

В третьому розділі досліджено вплив легуючих елементів на структуру, фазові перетворення і властивості чавунів.

Враховуючи дефіцитність і високу вартість нікелю, молібдену, вольфраму, що використовуються для зносостiйких чавунiв, в даній роботі були вибрані недорогі і недефіцитні елементи хром, марганець i алюміній. Проведені системні дослідження по вивченню впливу цих елементів на структуру і властивості економнолегованих хромомарганцевистих і марганцевистих зносостійких чавунів.

На хромомарганцевистих чавунах, що містять 2,86 - 3,69 % С, вивчався вплив хрому від 5,36 до 19,48 на структуру і фазовий склад, на марганцевистих чавунах, що містять 4,05 - 4,44 % С - вміст марганцю від 2,11 до 7,72 % і марганцевистому чавуні ЧГ5Д2, що містить 3,58 – 3,97 % С - вміст ванадію від 0 до 5,42 % на структуру, фазовий склад і властивості. Структура всіх досліджених чавунів складається з аустенiтно - мартенситної металевої основи з різною кількістю аустеніту, мартенситу (від 0 до 70 %), а також карбідних фаз. Кількість структурних складових, склад і морфологія карбідів визначається вмістом легуючих елементів. Із збільшенням вмісту хрому від 5,36 до 19,48 % в металевій основі хромомарганцевистих чавунiв кількість аустеніту в литому стані зростає від 30 до 73 %, а кількість карбідів зменшується від 61 до 15 %, що пояснюється одночасним зниженням вмісту вуглецю.

Структура марганцевистих чавунів, що містять 2 – 3 % марганцю складається з продуктів перлитного розпаду, невеликої кількості цементиту, дисперсних карбідів VС і графіту. В чавунах з 4 % Mn графітизацiя повністю пригнічується. Структура металевої основи стає аустенiтно – мартенситною. При збільшенні вмісту Mn з 4 до 8 % частка мартенситу зменшується, а кількість аустеніту збільшується.

Збільшення вмісту ванадію від 0 до 5,42 % в марганцевистому чавуні ЧГ5Д2 забезпечує отримання структури, що складається з мартенситно – аустенитної матриці і карбідів ванадію VС, розташованих рівномірно у вигляді ізольованих один від одного включень, і карбідів типу Ме7С3.

Таким чином, зміна вмісту хрому в хромомарганцевистих, марганцю в марганцевистих чавунах і ванадію в марганцевистому чавуні ЧГ5Д2 дозволяє регулювати структуру, фазовий склад і ступінь метастабiльностi аустеніту досить в широких межах.

Ударно - абразивна зносостійкість із збільшенням вмісту хрому в хромомарганцевистих і марганцю в марганцевистих чавунах зростає, особливо істотно при вмісті хрому в межах 15 - 20 % і марганцю 4 - 8 %. Це обумовлено формуванням спеціальних більш твердих карбідів хрому (Сr7С3, Сr23С6), ванадію і збільшенням твердості легованого цементиту в марганцевистих чавунах, а також підвищенням вмісту метастабільного аустеніту в структурі металевої основи, яка краще утримує карбіди, нiж мартенситна структура, до того ж в процесі ударно - абразивної дії в поверхневому шарі метастабільний аустеніт зазнає фазові перетворення, пов'язані з утворенням мартенситу деформації і карбідів. Аналіз зміни виду дифрактограм показує безперервне збільшення кількості мартенситу ( - фаза) і зменшення вмісту - фази. Це підтверджують і результати магнітометричних досліджень. Намагніченість поверхні зразків збільшується в напрямі від місця кріплення зразка до краю, де виявляється найбільша швидкість і інтенсивність зношування. Отже, ударно – абразивне зношування викликає в поверхневому шарі чавунів деформаційне мартенситне ' перетворення (ДМП), яке служить додатковим джерелом підвищення зносостійкості.

Зіставлення кривих зношування й кінетичних кривих в процесі зношування чавунiв з різним вмістом хрому і марганцю показує, що між ними існує певний зв'язок (рис. 1). Чим вище інтенсивність мартенситоутворення в процесі зношування, тим менше втрати маси, нижче інтенсивність зношування і вище зносостійкість чавунів. Таким чином, кінетика і ступінь розвитку фазових перетворень в процесі зношування визначає хід кривих зношування та формування зносостійкості чавунів з метастабільним аустенітом. В кожній з досліджених систем легування, при оптимальному фазовому складі й кінетиці ДМП метастабільного аустеніту забезпечується істотне підвищення ударно - абразивної зносостійкості при збереженні на достатньому рівні ударної в'язкості. Має місце і динамічне деформаційне старіння аустеніту і мартенситу (ДДС), про що свідчить збільшення кiлькостi карбідних фаз, особливо на останніх стадіях ( = 60 – 100 хвил) випробувань на знос. Це підтверджує аналіз рентгенівських дифрактограм і мiкрофрактограм поверхні руйнування, отриманих після зношування.

Таким чином, встановлено, для того, щоб забезпечити високу ударно - абразивну зносостійкість чавунам, необхідно сформувати не тільки оптимальну початкову структуру, але й отримати найефективнішу, оптимальну кінетику розвитку ДМП. Встановлено, що для забезпечення максимальної ударно - абразивної зносостійкості досліджених чавунів необхідна найактивніша кінетика ДМП, яка характерна для чавунiв ЧХ20Г3Д, ЧГ8ЮФ, ЧГ5Д2Ф2.

Час, хвил

Рис. 1. Криві зношування (а) і кінетики ДМП (б) в поверхневому шарі в процесі зношування чавунів: 1 - ЧХ5Г4Д2; 2 - ЧХ11Г4Д2; 3 – ЧХ20Г3Д.

В четвертому розділі вивчені можливості регулювання температурно - часовими параметрами термічної обробки (температура і час аустенiтизацiї, температура і кратність відпуску, температура і тривалість ізотермічної витримки) фазового складу, метастабiльностi аустеніту для ефективного управління властивостями нових зносостійких чавунів з метастабільним аустенітом. При цьому визначали фазовий склад, твердість, ударну в'язкість, відносну ударно - абразивну зносостійкість і зміну фазового складу при зношуванні.

Термiчна обробка, яка найбільш часто використовується для підвищення зносостійкості, є нормалізація. Проте вплив параметрів нагріву на ступінь метастабiльностi аустенитної фази і можливість підвищення властивостей чавунів залишається недостатньо вивченим.

Нормалізацію для розроблених чавунів проводили при 850 - 1150 °C, витримка 30 хвилин, час витримки варіювали від 10 до 120 хвилин при температурі 1050 °С.

Температура нормалізації неоднозначно впливає на зносостійкість чавунів. Для хромомарганцевистих чавунів з 5 - 12 % хрому і, більшості, марганцевистих відносна зносостійкість при ударно - абразивному зношуванні максимальна після нормалізації при температурах 900 - 1000 °С. В чавунах з високим вмістом хрому 15 - 20 % підвищення температури нормалізації викликає збільшення зносостійкості, не дивлячись на зниження їх твердості. Зносостійкість чавунів, що містять ванадій і нiобiй, змінюється по кривій з максимумом, відповідним температурі нормалізації 950 °C.

Порівняння кривих зношування показує, що інтенсивність зношування знаходиться в змiнній, а зносостійкість в прямій залежності від інтенсивності фазових перетворень і об'єму твердих фаз, що утворюються. Так в чавуні ЧХ20ГЗД в литому стані та після нормалізації при 1100 і 1150 °C в процесі зношування утворюються найбільші кількості мартенситу деформації (53 – 63 %) і карбідних фаз (5 %), цьому відповідає найбільша зносостійкість (табл. 1).

Таблиця 1

Вплив температури нормалізації на фазовий склад і механічні

властивості чавуна ЧХ20Г3Д

Тнорм,

°С | Вмiст фаз до

випробувань, % | Вмiст фаз пiсля випробувань, % | Прирiст фаз, % |

HRC |

е

А | М | К | А | М | К | ?М | ?К | литий стан | 73 | 12 | 15 | 15 | 65 | 20 | 53 | 5 | 47 | 243 | 900 | 26 | 54 | 20 | 80 | 20 | 26 | - | 48 | 192 | 1000 | 33 | 47 | 20 | “80 | 20 | 33 | - | 47 | 200 | 1100 | 55 | 27 | 18 | 6 | 76 | 18 | 49 | - | 47 | 228 | 1150 | 81 | 4 | 15 | 13 | 67 | 20 | 63 | 5 | 45,5 | 260 |

Ударно - абразивна зносостійкість чавунів залежно від тривалості витримки при нормалізації змінюється по кривій з максимумом, аналогічно тому, як при підвищенні температури нормалізації. Причому цей максимум відповідає для чавуна ЧХ15Г3Д2 – 30 хвил, а ЧГ8ЮФ - 45 хвил. Очевидно, такі витримки формують оптимальні структуру і ступінь стабільності аустеніту, що забезпечує значне підвищення ударно - абразивної зносостійкості (в 4 - 5 разів) порівняно з рештою витримок.

Слід зазначити, що максимальна зносостійкість чавунів досягається ні в якому разі не при максимальній їх твердості і відповідає отриманню аустенiтно-мартенситної структури металевої основи. Цю невідповідність можна пояснити з позицій метастабiльностi аустеніту і реалізації фазових перетворень в поверхневих шарах зразків в процесі зношування під впливом абразиву.

Досліджено впливи температури відпуску в інтервалі від 200 до 850 С після нормалізації, а також кратності відпуску (1-, 3-, 5-, 7-, 9- кратний) при 500 – 600 С на структуру і властивості розроблених зносостійких чавунів з переважно аустенiтною структурою металевої основи в початковому стані. В нижньому інтервалі температур 200 – 400 °С відпуск викликає стабілізацію аустеніту і мало впливає на зносостійкість чавунів, відпуск при температурах 600 – 800 °С викликає дестабілізацію аустеніту і збільшує повноту його розпаду при подальшому зношуванні, що дозволяє збільшувати зносостійкість чавунів ЧХ6Г6Д2, ЧХ21Г7Д2.

Із збільшенням кратності нагріву при 600 від 1 до 9 спостерігається дестабілізація аустеніту по відношенню до мартенситного перетворення при дії абразиву в процесі зношування. Про це свідчить більш інтенсивний характер ДМП. В результаті, із збільшенням кратності нагріву інтенсивність зношування зменшується, а зносостійкість збільшується. В загальному випадку більшому приросту мартенситу деформації в поверхневому шарі зразків відповідає висока зносостійкість чавунів ЧХ16Г4Ф, ЧХ16Г3Д2, ЧГ6Д2Б4.

Таким чином, оптимізація ступеня стабільності аустеніту і повноти фазових перетворень в ході зношування параметрами відпуску дозволяє досягати підвищений рівень ударно - абразивної зносостійкості чавунів.

Ступiнчасте гартування стосовно зносостійких чавунів вивчено недостатньо. Зразки чавуна ЧХ16Г4Ф піддавали аустенiтизацiї при температурі 1050 С, витримці 30 хвилин, охолоджуванню у спокійному повітрі до температури 300, 500, 700 С (що вигідно відрізняє застосований режим від традиційного ступiнчастого гартування в селітровій ванні), ізотермічній витримці від 0,5 до 6 годин з подальшим охолоджуванням у повітрі до кімнатної температури.

Зразки чавуна ЧХ8Г5Д2 піддавали аустенiтизацiї при температурі 1050 С, витримці 40 хвилин, охолоджуванню у повітрі до температури 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 С, ізотермічній витримці 2 години з подальшим охолоджуванням у повітрі до кімнатної температури. Після ступiнчастого гартування проводили відпуск при температурі 250 С, 2 години для зменшення внутрішніх напруг.

В цілому ступiнчасте гартування чавунів у вибраних інтервалах температур і витримок в різному ступені збільшує кількість мартенситу й зменшує вміст аустеніту. Залежно від температури ізотермічної витримки кількість мартенситу змінюється по кривій з максимумом.

Підвищення ударно - абразивної зносостійкості для хромомарганцевистих чавунів досягається при температурах витримок 600 – 700 С, що обумовлено, з одного боку, частковим розпадом аустенiтної фази і дисперсійним твердiнням, а з іншою, оптимізацією кінетики ДМП і збільшенням кількості мартенситу деформацiї, який утворюється при випробуваннях.

Отримані дані показують, що температурно - часовими параметрами різних способів термічної обробки (нормалізації, відпуску, ступiнчастого гартування) можна в широких межах регулювати фазовий склад, кінетику ДМП і управляти властивостями зносостійких чавунів, забезпечуючи після оптимальних режимів істотне підвищення зносостійкості.

В п'ятому розділі представлені результати встановлення залежності між кінетикою деформаційних фазових перетворень, кількістю твердих фаз (мартенситу та карбiдiв), що утворюються, і ударно - абразивною зносостійкістю чавунів з метастабільним аустенітом.

Інтенсивність зношування визначалася диференціюванням кривої зношування:

(1)

де ДР — втрата маси зразків, г;

ф — час зношування, хвил.

Інтенсивність ДМП при зношуванні визначалася диференціюванням кінетичної мартенситної кривої в координатах: вміст мартенситу – час зношування:

(2)

де М — кількість мартенситу, %.

Зі всього різноманіття фізико-хімічних процесів і перетворень, протікаючих в локальних мікрооб'ємах поверхневих шарів чавунів під впливом абразивного середовища, в дисертаційній роботі виділені основні, якi грають визначальну роль у формуванні зносостійкості – ДМП і ДДС аустеніту і мартенситу, пов'язане з виділенням надлишкових карбідних фаз.

Домінуюча роль серед вказаних перетворень належить ДМП, що розвивається протягом всього періоду зношування (0 – 100 хвил). Залежно від початкової кількості і ступеня метастабiльностi аустеніту в поверхневих шарах чавунів утворюється від декількох відсотків до вельми значного 81 % вмісту мартенситу деформації в поверхневому шарі. ДДС аустеніту і мартенситу реалізується лише при значних діях зношувального середовища, звичайно на заключних стадіях випробувань (через 60 - 100 хвил зношування), а приріст кількості карбідних фаз знаходиться в межах 2 – 10 %. Ступінь розвитку ДМП і кількість мартенситу деформацiї, що утворюється, визначається його кінетикою і залежить від початкового (перед зношуванням) фазового складу і ступеня метастабiльностi аустеніту, що регулюється легуванням і режимами термічних обробок. Із збільшенням часу зношування в поверхневому шарі всіх чавунів зростає кількість мартенситу унаслідок ДМП, а у ряді випадків збільшується і кількість карбідів в результаті ДДС. При зіставленні й аналізі кривих зношування і кінетичних кривих ДМП в процесі зношування досліджених чавунів між ними виявлена наступна залежність: чим вище інтенсивність мартенсито- і карбiдоутворення в ході зношування, тим менше втрати маси зразків, нижче інтенсивність зношування й у результаті вище зносостійкість чавунів.

В чавунах з метастабільним аустенітом кінетика ДМП в процесі зношування визначає форму кривої зношування і процес формування зносостійкості сплавів при інших рівних або близьких факторах (наприклад, структурних, тип карбідів і ін.).

Для всіх досліджених складів чавунів з метастабільним аустенітом дискретні значення відносної зносостійкості в більшості випадків лінійно залежать від об'єму твердих фаз, що утворюються в процесi зношування: мартенситу деформації і карбідів (рис. 2).

Відносну ударно - абразивну зносостійкість можна виразити через кількісні параметри ДМП наступним рівнянням:

(3)

де ен - складова зносостійкості за умови абсолютно стабільної структури, яка не зазнає ДМП;

F - об'єм твердих фаз (мартенситу деформації і карбідів, що утворюються, визначається ступенем метастабiльностi аустеніту і кінетикою ДФП;

Iпр - коефіцієнт пропорційності, характеризуючий інтенсивність підвищення зносостійкості в процесі зношування за рахунок реалізації фазових перетворень, визначається як перша похідна зносостійкості по зміні об'єму твердих фаз в поверхневому шарі чавунів:

(4)

Чим більше Iпр, тим більше внесок деформацiйних фазових перетворень, разом з іншими факторами (механізмами), у формування зносостійкості сплавів.

Рівняння (3) показує, що для чавунів із стабільною структурою, що не зазнають фазових перетворень (F = 0), зносостійкість визначатиметься складовою ен, залежній від початкового фазового складу і структури та пропорційної початкової твердості, як це й відзначають багато які дослідники. Для чавунів з метастабільним аустенітом істотний внесок у формування зносостійкості вносить доданок IпрF, визначуваний кінетикою фазових перетворень, об'ємом і складом твердих фаз (мартенситу деформації і карбідів), що утворюються. Цей внесок в залежностi від ступеня реалізації ДМП може складати від 50 до 300 % порівняно з чавунами із стабільної і навіть мартенситно-карбідною структурою з максимальною початковою твердістю HRC 62 – 65. Різниця полягає лише в кутах нахилу кривих ?е - ?(М+К), що визначається природою сплаву, системою легування і ступенем зміцнення метастабільного аустеніту, а також структурних факторiв (дисперсністю мартенситу, карбідів, розміром зерен і т.д.). Тому за інших однакових умов важливо одержувати в структурі аустеніт і використовувати його деформаційну метастабiльность для підвищення зносостійкості чавунів. Останнє може компенсувати необхідність легування чавунів дорогими елементами (Ni, Мо, W) і в порівняно економнолегованих композиціях дозволить досягати аналогічну і навіть більш високу зносостійкість, чим в складнолегованих чавунах.

Так, між кількістю мартенситу деформацiї, що утворюється в поверхневому шарi зразкiв пiд час зношування, i зносостійкістю вказаних чавунів знайдена лінійна залежність. Це дає підставу стверджувати, що лінійна залежність зносостійкості, яка знайдена для чавунів з метастабільним аустенітом різних систем легування, від об'єму ДМП під впливом зношувального середовища носить загальний характер. Можна припустити, що вона справедлива і для інших сплавів, що мають в структурі метастабільний аустеніт, в різних умовах реалізації ДМП при зношуванні.

Навіть при різному легуванні і режимах термічної обробки, змінюючих фазовий склад і ступінь метастабiльностi аустеніту, домінуючим фактором у формуванні зносостійкості сплавів, разом з іншими, можна вважати кінетику деформаційних фазових перетворень і об'єм твердих фаз, що утворюються в процесі зношування.

В шостому розділі розглянуто практичне застосування розроблених зносостійких чавунів.

Більшість марок відомих високозносостійких чавунів, якi застосовуються для виготовлення деталей, що швидко зношуються, містять гостродефіцитні і дорогі легуючі компоненти – Ni, Mo, W, V, Nb і ін., збільшуючі їх вартість. Тому багато які підприємства останнім часом зазнають значні труднощі в їх виробництві.

Для ВАТ “Маріупольський завод важкого машинобудування” (“МЗВМ”) ковши пiскометных апаратів раніше поставлялися Івано - Франківським заводом ливарного устаткування і виготовлялися з дорогого складнолегованого чавуна ЧХ17НМФТ. У зв'язку з дефіцитністю легуючих елементiв (Ni, Mo, V), якi мiстяться в ньому, у ВАТ “МЗВМ” робилися спроби відливати ковши у фасоносталеливарному цеху ВАТ “ММК iм. Ілліча” із сталі 70ХЛ з подальшою термообробкою. Проте довговічність цих ковшів була невисокою і складала 1 – 1,5 год.

В цілях економії гостродефіцитних (особливо в Україні) легуючих компонентів – Ni, Mo, V і заміни дорогих зносостійких чавунів більш дешевими був розроблений новий чавун ЧХ16Г4Ф з метастабільним аустенітом, який самозміцнюється під впливом абразивного середовища в процесі експлуатації.

Вибір складу економнолегованого зносостійкого чавуна для деталей пiскометных апаратів з метою заміни дефіцитних матеріалів, якi застосовувалися раніше, грунтувався на результатах наших розробок і раніше проведених досліджень. Для заміни дефіцитного чавуна ЧХ17НМФТ для виготовлення ковшів, задовольняючого вимогам, був розроблений легований білий чавун ЧХ16Г4Ф. Підбором легуючих елементів була забезпечена структура, яка складається з аустенiтно-мартенситної металевої матриці та спеціальних карбідів (Сr, Fе)7С3 i (Сr, Fе)23С6. При цьому аустенiтна складова – метастабiльна і в умовах абразивної дії зазнає фазові перетворення в поверхневих шарах, що забезпечує автоматичне самотвердiння та підвищення зносостійкості деталей під впливом абразиву в процесі експлуатації.

Виробничі випробування ковшів пiскометних апаратів з чавуна ЧХ16Г4Ф в литому стані (без термообробки), із аустенитно-мартенситно-карбідною структурою в умовах сталеливарного цеху № 5 ВАТ “МЗВМ” показали, що їх довговічність склала 8 годин, що в 6 – 8 разiв вище, ніж ковшів із сталі 70ХЛ після гартування і високого відпуску і в 2 рази перевищує довговічність ковшів, якi виготовлювались раніше з чавуна ЧХ17НМФТ, легованого дорогими і дефіцитними елементами Ni і Mo.

Були вирішені також конструктивно - технологічні питання механічної обробки замкової частини ковшів за рахунок використання сталевих (легко оброблюваних) вставок в ливарну форму.

Склад нового чавуна ЧХ16Г4Ф, технологія відливання і обробки ковшів пiскометiв були впроваджені у ВАТ “МЗВМ”. Річний економічний ефект від впровадження у виробництво розробленого чавуна склав 40228 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення та нове рішення науково-технічної проблеми підвищення довговічності деталей, якi швидко зношуються, - створення нових економнолегованих зносостійких хромомарганцевистих і марганцевистих чавунів з метастабільним аустенітом, що самозміцнюються при експлуатації в результаті деформаційних фазових перетворень, протікаючих в поверхневих шарах деталей, розробки та способів управління їх властивостями для заміни чавунів, що містять дорогі і дефіцитні елементи.

2. В результаті проведених систематичних досліджень впливу легуючих елементів (Cr, Mn, добавок V, Cu і Nb) на структуру, фазові перетворення і властивості розроблені нові економнолегованi зносостійкі чавуни на Fe – Cr – Mn і Fe – Mn основах з метастабільним аустенітом, що за зносостійкостю не поступаються своїм аналогам, якi містять дефіцитні та дорогі елементи нікель, молібден, вольфрам і ін.

3. Встановлено, що найбільша зносостійкість чавунів досягається при отриманні за рахунок легування або термічної обробки аустенiтно-мартенситно-карбідної структури, метастабільний аустеніт якої перетворюється в процесі зношування в мартенсит деформації по оптимальній кінетиці.

4. Легуванням і температурно - часовими параметрами різних способів термічної обробки можна регулювати фазовий склад, управляти кінетикою деформаційних фазових перетворень, що розвиваються в поверхневих шарах, і значно підвищувати ударно - абразивну зносостійкість чавунів.

5. Рентгеноструктурними та магнiтометричними дослідженнями встановлено, що між відносною ударно - абразивною зносостійкістю чавунів з метастабільним аустенітом і кількістю мартенситу деформацiї та карбідів, що утворюється в результаті деформаційних фазових перетворень, знайдена лінійна залежність. Домінуючим фактором у формуванні зносостійкості є кінетика деформаційних фазових перетворень, протікаючих в поверхневих шарах, яка визначає геометрію кривої зношування, і об'їм твердих фаз, що утворюються. Інтенсифікація деформаційних фазових перетворень під впливом абразиву при зношуванні викликає зниження інтенсивності зношування і, як результат, підвищення ударно - абразивної зносостійкості чавунів.

6. Отримані аналітичні і графічні закономірності дозволяють ефективно використовувати метастабiльность аустеніту й управляти кінетикою його перетворень для підвищення зносостійкості марганцевистих і хромомарганцевистых чавунів.

7. Факторами, регулюючими ступінь стабільності аустеніту, являються: зміна вмісту хрому від 5 до 22 % і марганцю від 2 до 8 %, невеликі добавки алюмінію, ванадію, міддi, температурно - часових параметрiв різних режимів термічної обробки, що змінюють хімічний склад аустеніту та структуру. Факторами стабілізації аустеніту є збільшення вмісту хрому або марганцю, вуглецю, розчинення карбідних фаз при нагріваннi та витримці. Факторами дестабілізації аустеніту – обідняння твердого розчину вуглецем, хромом, марганцем, виділення карбідних фаз при відпусканнi i ступiнчастому гартуваннi.

8. Пройшов промислове випробування і впроваджений у виробництво склад розробленого чавуна ЧХ16Г4Ф для виготовлення ковшів пiскометних апаратів (ВАТ “МЗВМ”, м. Маріуполь). Річний економічний ефект від впровадження розробленого чавуна склав 40228 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чейлях А.П., Олейник И.М., Локшина Е.Б. и др. Износостойкие чугуны с метастабильным аустенитом // Металл и литье Украины. - 1995. - № 1. - С . 30 - 35.

2. Чейлях А.П., Олейник И.М., Локшина Е.Б., Телыця А.В. О влиянии фазовых превращений на износостойкость сплавов с метастабильным аустенитом // Металлы. - 2000. - № 1. - С. 66 - 71.

3. Чейлях А.П., Олейник И.М. Влияние отпуска на структуру и свойства хромомарганцовистых и марганцовистых износостойких чугунов с метастабильным аустенитом // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр. – Мариуполь. - 1995. - Вып. 1. - С. 103 - 108.

4. Чейлях А.П., Олейник И.М. Влияние закалки со ступенчатым охлаждением на структуру, фазовые превращения и свойства износостойкого чугуна с метастабильным