НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА

АРХІПОВА Тетяна Федорівна

УДК 621.9.048.7;621.793

Підвищення експлуатаційних характеристик

залізовуглецевих сплавів шляхом фазових та структурних перетворень за участю цементиту

Спеціальність 05.02.01-матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис

Работа виконана в Вінницькому державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Савуляк Валерій

Іванович, Вінницький державний технічний університет,

зав. кафедри автомобілів та автомобільного господарства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кондратюк Станіслав

Євгенович, Фізико-технологічного інститута металів та

сплавів НАН Украіни, м.Київ, зав.відділом лиття та

структуроутворення сталі

доктор технічних наук, професор Мінаков Веніамін

Миколайович, Інститут проблем матеріалознавства ім.

І.М.Францевича НАН України, м. Київ, зав. відділом

фазових перетворень

Провідна установа: Технологічний університет Поділля

Міністерства освіти і науки, м. Хмельницький

Захист відбудеться 5 лютого 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізиваної вченої ради Д26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: 03142, м.Київ, вул. Кржижановського, 3

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою: 03142, м..Київ, вул.Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий 28 грудня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради доктор технічних наук Мінакова Р.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Провідне положення в матеріалознавчій науці займає теорія і практика виробництва і застосування залізовуглецевих сплавів – сталі і чавуну. Попит на продукцію машинобудування з використанням таких сплавів залишається на незмінно високому рівні внаслідок забезпечення ними необхідних експлуатаційних властивостей та економічності. Проте навіть у бінарній системі Fe–C залишилось багато не вивчених питань і неоднозначно трактованих положень. Тим більше це стосується складних, багатокомпонентних систем, якими є реальні сталі та чавуни.

Актуальність теми. Структура і властивості залізовуглецевих сплавів та їх перетворення в процесі різних термічних обробок і умов експлуатації в основному визначаються особливостями розподілення атомів вуглецю, який може знаходитись як у складі цементиту (основної карбідної фази білого чавуну), так і в складі інших структурних складових чавунів і сталей (аустеніті, фериті та інших), а також у вільному стані. До цього часу цементит розглядався в основному як дальтонід М3С з фіксованим стехіометричним вмістом вуглецю (25 ат. %С або ХС = 0,25). Проте накопичено багато свідчень того, що при підвищених температурах ХС 0,25 і цементит здатен змінювати свою твердість та інші властивості при термообробці. Управління процесами кристалізації та розпаду цементиту можливе при умові наявності детальних відомостей про всі варіанти протікання всіх стадій цих складних процесів. Основними факторами впливу на ці процеси є швидкість кристалізації та легування. При легуванні змінюється як розподілення вуглецю та інших елементів між фазами, так і склад цементиту, який перетворюється в складний легований цементит, наприклад, (Fe, Cr)3C, (Fe, Mn)3C або в карбіди нецементитного типу. Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених даному питанню, їх висновки часто залишаються дискусійними, потребують додаткових спеціальних досліджень. До таких суперечливих питань відносять вплив температури гартування на мікротвердість та структурні параметри цементиту, вплив хрому та марганцю на зміну температур кристалізації залізо-цементитної евтектики.

Наявність стабільної цементитної фази в зносостійких деталях дозволяє суттєво підвищити їх твердість та міцність при мінімальних затратах. З іншого боку, вимоги до оброблюваності чавунних деталей потребують дослідження факторів впливу на розпадання цієї фази. В науково-технічній літературі відсутні достатньо систематизовані, однозначні дані з цих питань. Тому, з точки зору розробки практичних рекомендацій для промисловості, вивчення фазових та структурних перетворень за участю цементиту є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота підсумовує дослідження, проведені у Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) в рамках госпдоговірних та держбюджетних робіт відповідно до напрямку науково-дослідної роботи №4.4/213 за темою "Розвиток хімічної термодинаміки і термохімії процесів формування сплавів", затвердженою Міністерством в справах науки і нових технологій на 1997-99 р.р.

Мета дослідження. На основі досліджень будови і властивостей цементиту (в тому числі легованого) та його взаємодії з іншими фазами системи Fe–Fe3C визначити додаткові ресурси підвищення технологічних та експлуатаційних властивостей чавунів та сталей, запропонувати нові економічні технологічні режими та вдосконалити технологічні процеси, які забезпечують скорочення тривалості термічної обробки та підвищення зносостійкості деталей автомобілів та корпусів насосів.

Задачі дослідження. Для досягнення мети розв’язуються такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Наукова новизна одержаних результатів:

1.

2.

3.

4. Встановлено, що при лазерному поверхневому оплавленню поверхні білого чавуну спостерігається утворення фазово-структурної складової, яка є результатом розпаду цементиту. Дослідження вказує, що ця структура може утворюватися за механізмом переривчастого виділення.

Практичне значення одержаних результатів:

1.

2.

3.

4.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні теоретичних досліджень, у розробці методик та безпосередній участі в експериментах, у лабораторних та промислових дослідженнях, в обговоренні і аналізі експериментальних фактів, та написанні текстів статей. В роботі [1] дисертант запропонувала механізм утворення нового виду структурної складової в залізовуглецевих сплавах. В [2-4] автор провела розрахунки активності вуглецю в сплавах заліза за методом Хіллерта. В [5, 9, 12, 14] дисертант дослідила і проаналізувала дані щодо будови кристалічної структури цементиту та її зміні під впливом термообробки, зібрала та дослідила великий статистичний матеріал по мікротвердості цементиту, які було знято після загартовування. В [6] дисертант проводила експерименти на високотемпературному мікроскопі по вивченню кінетики графітизуючого відпалу сплаву заліза і механізму формування залишкових карбідів. В [7] автором було виявлено контактне плавлення в системі ферит – цементит при швидкісному імпульсному нагріванні. В роботі [8] автор провела металографічний аналіз зразків сталі та чавуну після лазерного поверхневого зміцнення. В [10] дисертант приймала участь у формулюванні задач дослідження, виконала аналітичний опис зареєстрованих експериментальних ефектів. В [11] автор запропонувала умови використання методу "скороченого" передзагартування. В роботі [13] дисертантом побудовані графіки температур евтектичних перетворень в стабільних та метастабільних системах залізо-вуглець-легувальний компонент.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації пройшли апробацію у вигляді доповідей на конференціях Вінницького державного технічного університету (1998, 1999, 2000). Основні положення роботи і її окремі результати доповідались на Міжнародній конференції “Materials Science and Engineering” (Румунія, м. Яси, 1996), на Міжнародній конференції “Diffusion and diffusional phase transformation in alloys” (м. Черкаси, 1998), на Третьому Міжнародному конгресі по матеріалознавству (Румунія, м. Яси, 2000), а також на Міжнародній конференції "Матеріали та покриття в екстремальних умовах" (Крим, м. Кацивелі, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 праць.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку найменувань використаних джерел, 3 додатків, загалом займає 196 сторінок. У тому числі робота містить 55 рисунків, 19 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано обгрунтування актуальності виконаної роботи. Подано зв'язок роботи з науковими програмами, які виконуються у ВДТУ. Сформульовано мету і задачі досліджень, розкривається наукова новизна роботи та її практична цінність. Визначено особистий внесок здобувача у працю. Наведено апробацію результатів дисертації та кількість публікацій.

У першому розділі зроблено огляд літературних даних за темою дисертації. Огляд містить характеристику загальних та спеціальних методик дослідження цементиту в структурі залізовуглецевих сплавів, описаних як в зарубіжних статтях, так і в роботах авторитетних шкіл з матеріалознавства України та Росії. Проаналізовано сучасний стан проблеми підвищення зносостійкості деталей машин з комплекснолегованого чавуну (з поверхневим вибілом робочих поверхонь) та сірого чавуну (після графітизуючого відпалу).

Цементит є основною карбідною фазою в сталях та чавунах. Властивості фериту, аустеніту та їх суміші з цементитом протягом тривалого часу є предметом багатьох досліджень. Але відомості відносно властивостей самого цементиту недостатні. Цей брак інформації відносно властивостей цементиту пов’язаний з його метастабільністю.

Цементит в бінарних сплавах Fe–C є фазою, яка може самовільно розпадатися на твердий розчин вуглецю в залізі і графіт. На теорії графітизації цементиту грунтується багато важливих технологічних процесів. Через дуже швидку графітизацію цементиту при температурах 1100–1200С дослідники протягом століття не змогли експериментально визначити температури його плавлення. Так, цій фазі приписувалась температура плавлення в інтервалі від 1227С до 1837С. Тільки використання локального надшвидкого лазерного нагріву дозволило здійснити розплавлення цементиту і його кристалізацію без розкладання та визначити температуру плавлення цементиту, яка виявилась близькою до 1260С. Але до цього часу загальновизнаної точки зору на характер плавлення цементиту (конгруентний чи інконгруентний) не існує.

Що стосується кристалічної будови, то сумніву піддаються здавалось би усталені погляди на тип просторової групи структури цементиту. На діаграмі Fe–C не знайшли відображення експериментальні дані, що підтверджують припущення А.А.Байкова про непостійність хімічного складу цементиту. Не знаходять повного відображення на ній і карбідні фази, що утворюються при відпуску загартованої вуглецевої сталі, при загартовуванні з рідкого стану.

Велике значення має вивчення впливу легувальних елементів і швидкості кристалізації на утворення і стійкість цементиту в чавунах і сталях. Актуальна також проблема кількісної оцінки впливу легувальних елементів на розташування меж стабільної та метастабільної рівноваг цементиту з іншими фазами.

Присутність цементиту в чавунах і сталях у вигляді окремої карбідної фази або в складі структурних складових (ледебуриту, перліту та інших) визначає основні фізико-механічні характеристики цих матеріалів.

Наприкінці розділу сформульовано мету і задачі дослідження.

В другому розділі обгрунтовано вибір сплавів, обладнання та методика досліджень, використаних в роботі.

Для дослідження фазових та структурних перетворень за участю цементиту вибрано синтетичні залізовуглецеві сплави. Використання промислових білих чавунів з підвищеним вмістом кремнію було небажаним тому, що цементит в таких сплавах має схильність до графітизації.

Крім бінарної системи Fe–C досліджувались сплави системи Fe–C–Cr, в яких по мірі зростання вмісту хрому цементит перетворюється з метастабільної фази в стабільну, що не може графітизуватися.

Сплави 0 – 3 (табл.) виплавлялись з синтетичного чавуну в індукційній електропечі і заливались в малотеплопровідні ливарні форми (з метою отримання грубодиференційованої ледебуритної структури евтектики). Виливки діаметром 20 мм розрізались на зразки заввишки 20 мм.

Таблиця

Хімічний склад сплавів

№ плавки | C | Si | Mn | P | S | Al | Cr | Cr*

0 | 3,01 | - | - | - | - | 0,130 | - | -

1 | 2,80 | 0,54 | 0,15 | 0,078 | 0,040 | 0,144 | 0,09 | 0,20

2 | 2,68 | 0,42 | 0,14 | 0,092 | 0,046 | 0,064 | 0,86 | 1,87

3 | 2,80 | 0,39 | 0,13 | 0,094 | 0,040 | 0,142 | 1,62 | 3,54

*Вміст хрому в цементиті, визначений карбідним аналізом

Загартовування в воді виконувалось з температур нагріву 700, 800, 900 і 975С. Крім того, після загартовування з 975С частину зразків відпускали при 700С протягом 30 хв.

Рентгеноструктурний аналіз застосовувався з метою визначення фазового складу

сплавів та параметрів кристалічної гратки цементиту. Рентгеноспектральний аналіз використовувався для вивчення кількісного впливу легувальних елементів Mn і Cr в цементиті на тонку структуру емісійних спектрів К5-смуг заліза в цементиті.

Імпульсний лазерний нагрів поверхні сталі та чавунів дозволив виконати аналіз фазових та структурних перетворень за участю цементиту.

У третьому розділі представлено результати рентгеноструктурних і рентгеноспектральних досліджень цементиту, які було проведено як на зразках бінарних сплавів Fe–C, потрійних сплавів систем Fe–C–Cr i Fe–C–Mn, так і на виділеній з них цементитній фазі. Представлено також результати вимірювання мікротвердості цементиту після загартування.

Мікротвердість цементиту в матриці вирізаного зразка визначалась при навантаженні 0,5 Н на однорідних включеннях найбільших розмірів. Так як результати вимірювання мікротвердості суттєво залежать від орієнтації цементитної гратки до поверхні мікрошліфа, було вирішено, що число вимірювань на кожну точку повинно бути не меншим за 50. Результати такого статистичного аналізу приведені на рис.1. Вони свідчать, що з ростом температури загартовування твердість цементиту зростає. При цьому розбіжність результатів замірів твердості різко зменшується. Можливо, що гратка цементиту стає більш ізотропною в частині міжатомних зв'язків. Відпуск загартованого цементиту повертає його до початкового стану: твердість зменшується, дисперсія вимірювань її значень збільшується. Це не має ніякого відношення до процесів графітизації, так як цей гістерезис зворотній при повторі циклів, а також тому, що цей феномен спостерігається як в метастабільному нелегованому цементиті, так і в цементиті (Fe,Cr)3C, стабілізованому хромом.

Рис. . Зсув в бік більш високих значень мікротвердості цементиту з підвищенням температури загартування: I - литий стан; II - після загартування з 700 (а), 800 (b), 900 (с) і 975С(d); III - те ж, що і II(d) з послідуючим відпуском при 700С. Цифри на графіках вказують середньоарифметичне значення мікротвердості кожної серії дослідів в ГПа

Сам по собі хром впливає на мікротвердість цементиту, тому цей аспект проблеми також розглянуто в даній роботі. Показано, що хром в цілому підвищує мікротвердість цементиту.

Підвищення твердості цементиту при гартуванні з 800С і вище в принципі могло б бути викликане мартенситним гартуванням металевої матриці, яка оточує карбідні включення. З метою виключення впливу цього фактору порошок електролітично виділеного цементиту з сплаву 1 (див. табл.) замішували на акриловій смолі. Після полімеризації смоли зразки шліфувались і полірувались для визначення мікротвердості цементитних зерен. Такий прийом дозволив отримати для всіх зразків однакову пластмасову матрицю.

Навантаження на індентор мікротвердоміра ПМТ-3 було зменшено до 0,2 Н з метою зменшення співвідношення деформований мікрооб'єм / недеформований мікрооб'єм. Результати вимірювань показали, що матриця суттєво не впливає на мікротвердість цементиту після гартування.

Рентгеноструктурний аналіз цементитних порошків, електролітично виділених з загартованих і незагартованих сплавів, виконувався із застосуванням Fe K-випромінювання на дифрактометрі УРС-50І. З метою уточнення кількості інтерференцій на рентгенограмі карбідної фази в цій роботі було вибрано метод реєстрації рентгенівського випромінювання сцинтиляційним лічильником. Аналіз отриманих рентгенограм показав, що у всіх випадках гартування викликає спотворення кристалічної гратки цементиту, при якому параметр "с" збільшується, а параметри "а" і "b" зменшуються. Гартування також дещо зменшує об'єм елементарної комірки цементиту.

В дисертації показано, що площини {103} цементиту з максимальною ретикулярною щільністю виявилися найчутливішими до впливу різних факторів, які спотворюють цю гратку. Під впливом гартування лінія (103) на рентгенограмах зменшує свою відносну інтенсивність. Причиною цього може бути явище "гофрування" площин {103} в результаті часткового випрямлення "змійок" октаедрів залізної підгратки, яке, в свою чергу, є можливим результатом збереження в загартованому цементиті розтягнутості гратки вздовж осі "с" і стиснутості вздовж осей "а" і "b." Підтверджено висновок N.Petch про те, що гартування цементиту зменшує об'єм його елементарної комірки. Зроблено припущення, що таке випрямлення "змійок" октаедрів залізної підгратки пов'язане з аномаліями модуля Юнга вздовж зазначених осей (визначених A.Kagawa i T.Okamoto) i коефіцієнтів лінійного термічного розширення вздовж них (відзначених А.М.Бєліковим і А.А.Савінською, а потім Н.Я.Рохмановим із співавторами). Зменшення об'єму елементарної комірки після гартування пов'язано зі зниженням вмісту вуглецю в цементиті при нагріві, коли дальтонід Fe3C перетворюється в бертолід Fe3C1-. Всі ці явища зворотні, і відпуск при 700С повертає цементит за досліджуваними параметрами до вихідного стану.

Таким чином, загартування фіксує зигзагоподібне розташування октаедрів залізної підгратки цементиту в частково спрямленому стані. Цей нестабільний стан може мати дві різні тенденції: або повернутись до нормальної зигзагоподібної структури цементиту, або перетворитися в двофазну шарувату структуру, в якій виділяються дуже тоненькі прошарки зі структурою випрямлених ланцюжків октаедрів заліза в аустеніті.

З метою вивчення впливу хрому та марганцю на особливості зміни тонкої структури в рентгенівських спектрах емісії К5-смуг заліза в (Fe,Mn)3C i (Fe,Cr)3C порівняно з Fe3C було виконано рентгеноспектральне дослідження на рентгенівському спектрографі ДРС-2 з фокусуванням за Йоганом в першому порядку відбивання від площини (1340) кристалу кварцу. Дані рентгеноспектрального дослідження свідчать про те, що при формуванні цементиту на короткохвильовому схилі К5-смуги утворюється додаткова підсмуга, обумовлена появою антизв'язуючих Сp-Fes,d-валентних станів у сполуці Fe3C. Заміщення атомів заліза атомами хрому, який має меншу кількість валентних s+d-електронів у порівнянні з атомами заліза, призводить до зменшення заповнення підсмуги антизв'язуючих станів у послідовності Fe3C(Fe,Cr)3C. Це проявляється у звуженні Fe К5-смуги в цілому у сполуці (Fe,Cr)3C в порівнянні з Fe3C. Заміщення атомів заліза атомами марганцю, який має більшу кількість валентних s+d-електронів у порівнянні з атомами хрому, призводить до того, що підсмуга антизв'язуючих станів заповнена в більшій мірі у сполуці (Fe,Mn)3C порівняно з карбідом (Fe,Cr)3C. Це відображається в тому, що вищевказана підсмуга значно ширша і більш чітко виражена на високоенергетичному схилі Fe К5-смуги у сполуці (Fe,Mn)3C в порівнянні із аналогічною смугою у цементиті Fe3C. В результаті цього Fe К5-смуга у (Fe,Mn)3C є значно ширшою, ніж у (Fe,Cr)3C. Зростання ступеня заповнення антизв'язуючих станів у послідовності (Fe,Cr)3C(Fe,Mn)3C супроводжується зменшенням міцнісних властивостей у вказаній послідовності сполук.

У четвертому розділі виявлені закономірності розподілу компонентів сплавів між фазами при евтектичній кристалізації залізовуглецевих сплавів та дістав подальшого розвитку метод визначення активності компонентів потрійних систем в двофазних областях. Для потрійних діаграм стану систем Fe–C–Cr i Fe–C–Mn уточнено області евтектичних перетворень з метою визна-чення критичного вмісту відповідно хрому та марганцю, які стабілізують цементитну фазу та експлуатаційні характеристики.

Стабілізуючий вплив хрому та марганцю на цементит при графітизації добре відомий. Оскільки спроби розташувати легувальні елементи сплавів по відношенню до процесу графітизації на підставі їх положення в таблиці Менделеєва робились неодноразово, в роботі була розглянута можливість такої класифікації в залежності від модуля і знаку параметра Рі = Ріс-Рім, де Ріс і Рім - коефіцієнти розподілу і-го елементу сплаву між твердою і рідкою евтектиками при кристалізації в стабільній та метастабільній системах метал+графіт і метал+цементит. На базі аналізу літературних даних по важливих легувальних елементах визначені функції ТЕс = f (Ріс) і ТЕм = f (Рім), де індекси "с" і "м" відносяться до стабільної і метастабільної систем, а ТЕ визначається як величина температурного перепаду між критичними точками, лініями чи поверхнями діаграм при заданому хімічному складі сплаву.

Показано, що фосфор і почасти титан є "нейтральними" легувальними елементами, які не змінюють термодинамічну схильність чавунів до графітизації при твердінні (у випадку невисокого вмісту цих елементів).

В дисертації рівняння Хіллерта, яке зв’язує вплив легування бінарного сплаву третім компонентом з нахилом конод в двофазних областях і з координатами відповідних нод на iзотермічних розрізах трикомпонентних діаграм стану, видозмінено за рахунок заміни звичайних координат цих нод координатами Скрейнемакерса (в сплавах Fe – C – i, де i – легувальний елемент) С = ХС/ХFe і i = Хi/ХFe. В результаті такої заміни вдалося уникнути апроксимацій, які вносили найбільші похибки. Рівняння набуло вигляду:

ln аС - ln аС = - tg ,

де аС – активність вуглецю в бінарній системі Fe - C; аС – те ж саме в потрійній системі Fe – C – i при тій самій температурі двофазної рівноваги; - кут нахилу коноди в координатах Скрейнемакерса (ортогональна система при однаковій ціні шкал С по осі абсцис, і по осі ординат).

Видозмінене рівняння Хіллерта використано в дисертації для розрахунку профілю тальвегу ледебуритної евтектики в системі Fe–C–P. Цей розрахунок підтвердив висновок про те, що фосфор практично не підвищує і не знижує аС вздовж зазначеного тальвегу. Цей висновок знайшов застосування в останньому розділі дисертації, частково присвяченій зносостійким фосфористим чавунам, які використовуються в автомобільній промисловості.

В зв’язку з термодинамічною нестабільністю цементиту в подвійній системі Fe – C, на потрійних діаграмах стану Fe–C–Mn i Fe–C–Cr також важко розмежувати термодинамічно стабільні рівноваги та рівноваги, які спостерігаються лише як метастабільні. Експериментальні методи побудови політермічних розрізів фазових діаграм цих систем розглядались в роботах багатьох авторів (P.Benz, E.Schurmann, M.Hillert, Г.І.Сільман). Розбіжність експериментально визначених температур складає майже 50С. Тому важливим є те, що використання розрахункових методів для визначення зміни активності вуглецю під впливом третього компоненту сплаву та по положенню конод в двофазних областях цих діаграм стану дає можливість визначити концентра-ційні інтервали існування стабілізованого цементиту в системах Fe–C–Mn та Fe–C–Cr відповідно. Для цих потрійних систем уточнено області евтектичних перетворень з метою визначення критичного вмісту хрому та марганцю, які забезпечують стабілізацію цементиту. Середні значення критичного вмісту Хкрi легувального елементу і по двох запропонованих методах розрахунку дорівнюють: ХкрMn= 1,215 мас.%Mn i ХкрCr =0,495 мас.%Cr. Ці дані дозволили побудувати за методом евтектичної поліедрації розрізи по тальвегах діаграм стану систем Fe–C–Mn та Fe–C–Cr, які показані на рис.2,а,б. З них випливає, що хром підвищує рівноважну температуру евтектичного перетворення, а марганець - знижує її. Видно також, що потрібно значно більше марганцю, ніж хрому, щоб "застабілізувати" ледебуритний цементит.

У п'ятому розділі виявлено метастабільні рівноваги, які спостерігаються при імпульсному швидкісному оплавленні зернистого перліту вуглецевої сталі і досліджена структура, яка утворюється в системі Fe–Fe3C з частково зневуглецьованого цементиту.

Теплова дія світлових імпульсів лазерного випромінювання на матеріали призводить до структурних перетворень, які пов’язані з плавленням і кристалізацією із рідкого стану, а також з швидкісним нагріванням та охолодженням у твердому стані. Швидкості нагріву і охолодження при цьому дуже великі і досягають 106 Кс-1. Експериментальне дослідження залишкових структурних ефектів перетворень за участю цементиту доцільно в такому випадку проводити на матеріалах з добре вивченою структурою. Такими матеріалами зокрема є вуглецева сталь і білий чавун. При металографічному аналізі зразків таких сталей та чавунів особлива увага спрямовувалась на дослідження фазових та структурних перетворень за участю цементиту, фериту та аустеніту. В якості прикладу виявлення структурного ефекту приведено результати дослідження впливу світлового імпульсу рубінового лазера на структуру вуглецевої сталі з зернистим перлітом. Компактні включення цементиту зернистого перліту вступають у взаємодію з оточуючим феритом без утворення аустеніту. В результаті цього утворюються рідкі оболонки навколо таких включень цементиту. Після кристалізації та охолодження такі оторочки виглядають при кімнатній температурі після травлення ніталем темними облямівками. Це обумовлено їх двофазним евтектичним складом. Високовуглецевою фазою в них є цементит, а не графіт. За одну мілісекунду дії лазерного випромінювання у графіту немає часу для зародкоутворення та росту, до того ж за цих умов цементит є фазою, яка є більш стабільною за графіт. Цей ультрадисперсний ледебурит має типову стільникову будову. Його підвищена травильність обумовлена високою дисперсністю, яка практично не виявляється при використання світлового оптичного мікроскопу навіть за умови використання техніки імерсії. За допомогою електронної мікроскопії виявлено, що при лазерному поверхневому оплавленні зернистого перліту можна спостерігати явище "проскакування критичних точок" фазових перетворень, коли ферит перліту вступає у взаємодію з зернами цементиту і наступає контактне плавлення при температурах значно нижчих за температуру евтектичного плавлення в системі аустеніт + цементит. Таким чином, експериментально доведено можливість метастабільних рівноваг за участю фериту і цементиту в тому температурному інтервалі, де ферит є метастабільною фазою, а аустеніт – стабільною фазою.

При лазерному оплавленні цементиту з надшвидким його охолодженням виявлено структурну складову у вигляді надтонких прошарків аустеніту в стехіометричному цементиті. Зроблено припущення, що ця складова є продуктом розпаду зневуглецьованого цементиту (переважно вздовж площин (002) Fe3C) на суміш стехіометричного цементиту і надтонких прошарків аустеніту, які видно тільки під електронним мікроскопом.

Дисертантом досліджено характерні виділення цієї складової у вигляді ланцюжків-рифів, які утворюються незалежно від кристалографічної спрямованості цементиту. Запропоновано пояснення механізму формування такої структурної складової, яка формується у вигляді “рифа” на деякій відстані від включень ледебуритного аустеніту.

Показано, що в пересиченому вуглецем аустеніті можливий механізм спінодального розпаду ("передрозпаду"). При заміні звичайного ізотермічного гартування новими технологіями політермічного гартування з використанням методу "скороченого" передзагартування спінодальний "передрозпад" може бути однією з причин економії часу термообробки. Подібні механізми, очевидно, відбуваються в нестабільному зневуглецьованому цементиті.

У шостому розділі подані результати експериментальних робіт по отриманню на деталях з сталі і чавуну поверхневого шару, сильно збагаченого стабілізованим хромом цементитом; подані також результати дослідних робіт з оптимізації хімічного складу комплекснолегованого сірого чавуну для автомобільних деталей типу "коромисло клапана" та "гільза циліндра" та дослідно-промислових робіт щодо впровадження в промисловість режимів термообробки виливків корпусів вакуумних насосів з сірого чавуну з залишковими карбідами цементитного типу.

Результати виконаних теоретичних та експериментальних досліджень дозволили сформулювати основні підходи до розробки технологічних процесів зміцнення робочих поверхонь деталей машин, що працюють в умовах фрикційних навантажень та можуть бути зміцнені шляхом оптимізації складу матеріалу та його структури. Доведена можливість отримання поверхневого шару, сильно збагаченого стабілізованим хромом цементитом на деталях з сталі і чавуну, що дозволило запропонувати промисловості новий дешевий технологічний процес поверхневого зміцнення металів з використанням СО2-лазерів та інших аналогічних джерел енергії.

Експериментальні роботи по графітизуючому відпалу кокільних чавунних виливок вакуумного насоса виконано дисертантом на високотемпературному металомікроскопі. Простежена кінетика формування під впливом висхідної дифузії хрому залишкових карбідів цементитного типу, які не піддаються розкладанню відпалом. Залучено теорію хімічних потенціалів для пояснення поступового збагачування цих карбідів хромом аж до досягнення в них критичного стабілізуючого вмісту хрому ХкрCr. Встановлено, що при графітизуючому відпалі вибіленого сірого чавуну кінетика процесу відрізняється швидким початком безінкубаційного періоду і сильно сповільненим завершальним етапом.

Результати дослідних і дослідно-промислових робіт по поверхневому вибілу деталей автомобілів приведено як результат практичних застосувань дослідження впливу нікелю, міді, хрому на стабільність цементиту в доевтектичному сірому чавуні та поліпшення експлуатаційних характеристик деталей. З метою підвищення зносостійкості п’яти "коромисла клапана" виливок цієї деталі підлягає локальному вибілу при литті з використанням місцевих холодильників. В легувальний комплекс фосфористого чавуну входив нікель, який дорого коштує і є дефіцитним металом. Мета роботи полягала в заміні його більш дешевою міддю, яка є, крім того, сильнішим графітизатором, ніж нікель. В дисертаційній роботі показано, що зниження вибілюваності чавуну під впливом міді є незначним. Разом з тим, було підтверджено, що мідь поліпшує триботехнічні властивості чавуну та його теплопровідність. Доведено можливість лиття "коромисел клапана" і "гільз циліндрів" з одного чавуну (хоча "гільза" не зазнає поверхневого вибілу при литті), що є економічно доцільним.

Додатки. В додатку А подано результати статистичної обробки вимірювань значень мікротвердості цементиту з застосуванням ЕОМ. В додатку Б подано методику та результати розрахунків на міцність деталі "коромисло клапана" автомобільного двигуна з запропонованого складу чавуну. Додатком В є акт впровадження та акт дослідно-промислових випробувань проведених експериментальних досліджень.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Мікротвердість цементиту суттєво підвищується після загартовування і тим вище, чим вище температура гартування. При цьому звужується також поле дисперсії результатів вимірювання мікротвердості. Відпуск зразків, які загартовані при субкритичній температурі, повертає мікротвердість цементиту до значень, отриманих для цементиту, закристалізованого з рідкого стану.

2. Використання в якості критерію класифікації легувальних елементів на графітизатори і антиграфітизатори різниці (Рi) коефіцієнтів розподілу цих елементів між твердою і рідкою евтектиками найбільш повно відображає їх істинний вплив на схильність сплавів до графітизації. В даній дисертаційній роботі розвинуті і використані для аналізу систем Fe–C–P, Fe–C–Cr i Fe–C–Mn способи розрахунку потрійних діаграм стану в області евтектики, які грунтуються на методі активностей компонентів. Зокрема показано різницю в поведінці цих систем: хром підвищує рівноважну температуру евтектичного перетворення, а марганець - знижує її.

3.Показано, що метастабільна рівновага в системі ферит – цементит може досягатися в реальних сплавах при лазерному поверхневому оплавленні зернистого перліту.

4.Підтверджено, що в правій частині діаграми залізо – цементит існує область з частково зневуглецьованим цементитом. При лазерному поверхневому гартуванні вдається досягти перетворення такого цементиту в двофазну систему: стехіометричний цементит + надлишковий аустеніт.

5.Запропоновано метод поверхневого зміцнення цементитом чавунних і стальних деталей з використанням лазерного поверхневого оплавлення (ЛПО). Нанесення сумішей з легувального комплексу на поверхню деталі, які в процесі ЛПО утворюють шлікери, дозволяє отримати високотверді шари заданого складу і забезпечити необхідну структуру. При цьому вміст цементиту в поверхневому шарі може перевищувати 70 %. Такий комплексний технологічний процес поверхневого зміцнення дозволяє нарощувати зношені поверхні деталей машин та приладів на 0,5 мм.

6.Відпрацьовано технологічний процес виробництва виливків автомобільних деталей “коромисло клапана” і “гільза циліндра” із фосфористого комплексно легованого чавуну. Показано, що заміна нікелю міддю в легувальному комплексі практично не зменшує глибину вибілу на “п’яті” коромисла клапана. При цьому мідь поліпшила триботехнічні властивості чавуну.

7.Вдосконалена і впроваджена технологія графітизуючого відпалу виливок з сі-ро-го чавуну. При графітизуючому відпалі в металі утворюються нерозкладені за-лишкові карбіди, які поліпшують зносостійкість деталей. При графіти-зую-чо-му відпалі вибіленого сірого чавуну кінетика процесу відрізняється швидким по-чатком безінкубаційного періоду і сильно сповільненим завершальним етапом.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Жуков А.А., Кокора А.Н., Архипова Т.Ф. Рифоподобный байковит // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1987.- №12.-2С.78-81.

2. Жуков А.А., Шилина Е.П., Архипова Т.Ф. Применение новых расчетных методов для уточнения диаграмм состояния Fe–C–Cr и Fe–C–Mn в области эвтектики // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1989. - №3. – С.4-9.

3. Zhukov A.A., Shilina E.P., Arkhipova T.F. New computation methods in the analysis of the Fe–C–Cr and Fe–C–Mn systems in the eutectic range // CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). – 1989. – No.1. – P.23-32.

4. Жуков А.А., Абдуллаев Э.В., Архипова Т.Ф. Дальнейшее развитие метода Хиллерта в расчетах активности компонентов тройных систем в двухфазных областях // Журнал физической химии. – 1989. №5. – С.1375 – 1376.

5.Архипова Т.Ф. Рентгеноструктурное и рентгеноспектральное исследование карбидной фазы, выделенной из сплавов систем Fe–C, Fe–C–Cr и Fe–C–Mn // В кн.: Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов.- Киев.: Изд. Института проблем материаловедения им. И.Н.Францевича АН УССР. – 1989. – С.95 – 99.

6. Афонаскин А.В., Опалихина О.Д., Жуков А.А., Архипова Т.Ф., Пилипчук В.И. Анализ процесса графитизации при отжиге отбеленных кокильных отливок методом высокотемпературной металлографии // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1991.- №9.- С.89-91.

7. Жуков А.А., Абдуллаев Э.В., Кокора А.Н., Архипова Т.Ф. Контактное плавление в сталях и чугунах с участием феррита // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1991.- №6.- С.62-63.

8. Жуков А.О., Шиліна О.П., Осадчук А.Ю., Архіпова Т.Ф. Формування високовуглецевих поверхневих шарів на сталі та чавуні // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 1997.- №4.- С.68-70.

9. Savulyak V.I., Zhukov A.A., Arkhipova T.F. Cementite the forgotten phase // Металлофизика и новейшие технологии. – 1998. - Т.20, №9. – С.58-65; (Metal Physics and Advanced Technologies.-2000.- Vol.18, No.9.- P.1051-1062).

10. Жуков А.А., Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. Об атомных сегрегациях в железоуглеродистых расплавах // Процессы литья. – 1999.- №1.- С.6-10.

11.Жуков А.А., Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. Восходящая диффузия во время начальных стадий бейнитного и мартенситного превращений // Металлофизика и новейшие технологии.- 1999.- т.21, №2.- С.93-98.

12. Жураковский Е.А., Жуков А.А., Кокора А.Н., Архипова Т.Ф. О природе цементита.– Киев, 1988.–38с.–(Препринт №2 / Институт проблем материалове-дения АН УССР; №2).

13. Савуляк В.И., Жуков А.А., Архипова Т.Ф. О влиянии элементов на равновесные температуры эвтектических превращений // Металловедение и термическая обработка металлов.- 2000.- №2.- С.3-8.

14. Savulyak V.I., Zhukov A.A., Arkhipova T.F. Hardening of the cementite phase during quenching of the hypereutectoid steels and white irons // Proc.Conf. on “Materials Science and Engeneering”: The Bulletin of Polytechnic Institute of Jassy.- Romania.- 1996. – vol.42,No.1/2. – P.61-67.

АНОТАЦІЇ

Архіпова Т.Ф. Підвищення експлуатаційних характеристик залізовуглецевих сплавів шляхом фазових та структурних перетворень за участю цементиту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут проблем матеріало-знавства ім.І.М.Францевича НАН України, Київ, 2000.

Запропонована до захисту робота містить теоретичні та експериментальні дослідження цементиту в структурі залізовуглецевих сплавів. Експериментально визначено підвищення мікротвердості цементиту після загартовування і доведено відсутність впливу матриці, яка його оточує, на це підвищення. Таким чином, зміцнення цементиту також відповідальне за збільшення зносостійкості сталей та чавунів після загартовування. На основі аналізу розподілу елементів між фазами та урахування впливу легувальних елементів на температуру ледебуритного і аустеніто-графітного евтектичних перетворень, визначені діаграми потрійних систем Fe–C–Cr і Fe–C–Mn в області евтектики. Проведено рентгеноспектральне дослідження складних карбідів Ме3С з метою кількісного аналізу особливостей будови енергетичного спектру Fe K5-смуг емісії карбідної фази. Показано, що метастабільні рівноваги в системі Fe–Fe3C можуть мати місце у випадку лазерного поверхневого зміцнення структур з зернистим перлітом. Розглянуто механізм розшарування зневуглецьованого цементиту на суміш стехіометричного цементиту і надтонких прошарків аустеніту під впливом тепла лазерного опромінювання. Розповсюджено теорію спінодального розшарування для пересиченого вуглецем аустеніту і зневуглецьованого цементиту в системі аустеніт - цементит. Розроблені рекомендації для використання результатів досліджень в практиці кристалізації виливок та термообробки.

Ключові слова: цементит, ледебурит, евтектичне перетворення, зміцнення цементиту, залишкові карбіди, мікротвердість, експлуатаційні властивості.

Arkhipova T.F. Increase in the operation characteristics of Fe–C-alloys by means of phase and structural transformations including cementite. – Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences specialіty 05.02.01.- Materials Science. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis describes the results of theoretical and experimental investigations of cementite in the structure of iron-carbon alloys. The hardening of cementite after quenching has been experimentally appraised and it was shown that the metallic matrix surrounding is not responsible for this heightening. Thus this heightening is also responsible for the enhancing of wear resistance of steel and cast irons after quenching. On the basis of the analysis of the partition of elements between phases and with the account of influence of alloying elements on the temperature of ledeburitic and austenite – graphite eutectic transformations of the Fe–C–Cr and Fe–C–Mn ternary phase diagrams were reassessed. X-ray emission spectroscopy studies of complex Me3C carbides were carried out in order to give the quantitative analysis of the structure of the Fe K5 - emission bands of these phases.