Розвиток наукових основ створення і зміцнення економнолегованих метастабільних сплавів

Показано можливість підвищення механічних властивостей і зносостійкості хромистих інструментальних сталей Х12М, Х12Ф1, Х9Ф та інших за рахунок одержання метастабільного аустеніту і керування кінетикою його ДФПВ параметрами загартування (900-1200 С, = 15-60 хв.), відпуску (при 250-550 С, = 20-180 хв.) після високотемпературного загартування з 1150-1180 С, загартування зі східчастим охолодженням на повітрі і витримкою в печі при температурах 100-400 С, = 1-7 годин. Зі збільшенням температури нагрівання під загартування або часу витримки, а також при загартуванні зі східчастим охолодженням зростає вміст Азал. При цьому кінетика його ДМП підкоряється загальній кінетичній закономірності від кількості Азал, наведеної вище. При підвищенні температури відпуску в інтервалі 250-550 С або часу витримки після високотемпературного загартування, параметрів загартування зі східчастим охолодженням (t, ) механічні властивості і зносостійкість сталей Х12М, Х12Ф1, Х9Ф змінюються екстремально. Максимуми властивостей відповідають збереженню різних кількостей від 15 до 90 % Азал і оптимальній кінетиці його ДМПВ, що залежить від умов і видів випробувань. Після загартування зі східчастим охолодженням при 200-250 С отриманий високий комплекс міцнісних і пластичних властивостей при крутінні сталі Х12М (пч = 1840-2000 МПа; 0,3 = 1000-1160 МПа; g = 21-26 %) значно переважаючий властивості, отримані стандартним загартуванням.

Метастабільні стани аустеніту і функціональних фазово-структурних станів можуть бути отримані в поверхневих шарах методами ХТО, наплавленням метастабільного металу та ін. Цементацією хромистих (20Х13, 12Х17) і хромомарганцевих (30Х(2-8)Г6С2Ф, 10Х(14-22)Г6СФ та ін.) сталей з різним вмістом хрому від 2 до 22 % і марганцю від 0 до 6 % формуються насичені шари з підвищеним вмістом вуглецю (до 3-4 %) і хрому (до 15-25 %) внаслідок ефекту реактивної дифузії, що відповідає фазовому складу білих чавунів. Їхня структура змінюється від аустенітно-карбідної (з великою кількістю карбідів Cr23C6) до аустенітно-мартенситної і вихідної. Фазові комбінації і співвідношення (аустеніт, карбіди, мартенсит, ферит) регулюються параметрами загартування, відпуску, загартування зі східчастим охолодженням та іншими способами термообробки. При оптимальних фазових співвідношеннях і ступені метастабильності аустенітної фази досягається істотне підвищення ударно-абразивної зносостійкості. Уперше запропоновано використовувати зневуглецювання при нагріванні під загартування для дестабілізації надмірно стабільного аустеніту в сталі 110Г13Л, інших зносостійких аустенітних сталях і чавунах, що забезпечує реалізацію і ДМПВ, підвищення зносостійкості в умовах тертя-ковзання й абразивного зношування.

Таким чином, ХТО дозволяє створювати в поверхневих шарах розглянутих сталей метастабільні фазово-структурні комплекси і метастабільні модифікації білих чавунів і сталей, що складаються з карбідів, аустеніту, мартенситу, фериту в будь-яких поєднаннях і концентраціях. Вони забезпечують різноманітні функціональні властивості - підвищені зносостійкість, корозійну стійкість, жаростійкість (при вмісті (12 % Cr), твердість та ін. у поєднанні з високою міцністю або навпаки - пластичністю і в'язкістю серцевини.

Електродуговим наплавленням (на сталь 45) порошковими стрічками різного складу забезпечували, поверхневі шари наплавленого металу, які відрізняються по вмісту хрому (7,5-15,5 %), марганцю (5-12 %) і вуглецю (0,2-0,25 %), і мають різний фазовий склад: мартенситно-аустенітний, аустенітно-мартенситний, аустенітний і аустеніто-феритний. Це створювало різний ступінь метастабільності г-фази і її здатність до самозміцнення при навантаженні. Найбільш високі механічні властивості і зносостійкість в умовах тертя-ковзання має наплавлений метал складу 25Х14Г12Ф з метастабільною аустенітною структурою, що перевершує в 2,5-4 рази стали 10Х10АГ8МФДБ і 20Г14АФ, наплавлені відомими порошковими стрічками ПЛН-4 і ПЛН-6, які містять дорогі дефіцитні компоненти - молібден, ніобій, мідь, азотований і металевий марганець. Ці властивості можна збільшувати додатковим відпуском при 550-650 С, що одночасно знижує рівень внутрішніх напружень у наплавленому металі.

Корозійностійкі і жаростійкі безнікелеві метастабільні сталі і способи керування їхніми властивостями. З метою економії дефіцитного і дорогого нікелю, адекватної заміни дефіцитних хромонікелевих сталей 08Х22Н6Т, 12Х18Н9, 35Х23Н7СЛ, 40Х24Н12СЛ і ін., а також підвищення фізико-механічних властивостей розроблені нові безнікелеві корозійностійкі і жаростійкі сталі і сплави аустенітно-феритного класу на Fe-Cr-Mn основі (пат. України 18012А, 34980А, 23183). На першій групі сталей 08Х(14-22)Г6СФ вивчений вплив хрому в межах 14-22 %, марганцю 6-12 %, на другій групі сплавів 24Х23Г(2-6)СФЛ - вуглецю в межах 0,24-2,33 % на фазові перетворення, структуру і властивості.

Зі збільшенням вмісту хрому від 14 до 22 % у сталі 08Х14Г6СФ мартенситна фаза заміняється феритною, кількість якої зростає з 46 до 64 %, а в литих сталях 14Х22Г12С2ТЛ до 82 %. При цьому зменшується інтенсивність і повнота ДМПВ, знижуються міцнісні властивості, однак значно підвищуються пластичні характеристики й ударна в'язкість. Уперше показана можливість регулювання за допомогою параметрів термообробки ступеня метастабільності аустенітної фази для керування кінетикою його ДМПВ і властивостями аустенітно-феритних сталей. Зі збільшенням температури нагрівання під загартування від 850 до 1150 С у сталі 08Х22Г6СФ зменшується, а в сталях типу 17Х16Г12Д2СТЛ збільшується вміст фериту, відповідно змінюється кількість метастабільного аустеніту і кінетика його ДМПВ. Збільшення часу витримки при 1050 С від 10 до 60 хв. підвищує вміст фериту в сталі 08Х18Г6СФ, одночасно активізується г > бґ ДМПВ. Це пояснюється зсувом фазових рівноваг на користь фериту чи аустеніту при нагріванні у відповідні області діаграми, міжфазним перерозподілом легуючих елементів і розчиненням частини карбідів. При оптимальному фазовому складі і кінетиці г > бґ ДМПВ після термообробки забезпечується додаткове самозміцнення і розвиток релаксаційных процесів, підвищується комплекс міцнісних, пластичних властивостей і ударної в'язкості: ут = 470-600 МПа, ув = 760-1240 МПа, д = 28-46 %, ш = 20-67 %, КС = 2,5->3,75 МДж/м2 розроблених сталей (гарячедеформованих і литих), що значно перевищує властивості стандартних сталей аустенітно-феритного (08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т) і аустенітного (10Х18Н9Л) класів. У ряді агресивних середовищ, таких як концентрована азотна кислота, технічний аміак, 25 % розчини моноетаноламіну й аміаку розроблені безнікелеві сталі мають досить високі показники корозійної стійкості (у HNO3 - V=0,003-0,007 мм/рік; 25 % розчині NH4OH V= 0,0035-0,007 мм/рік і ін.), що відповідають дуже стійкій групі за ГОСТ 13819-68.

Зі збільшенням концентрації вуглецю з 0,35 до 2,33 % у жаро-зносостійких сплавах 35Х23Г(2-6)С2ФЛ вміст фериту убуває з 90 % до 0, а аустеніту і карбідів зростає відповідно до 80 і 20 %. При цьому ударна в'язкість у литому стані змінюється незначно в межах 7,5-9 Дж/см2, твердість зростає з HRC18 до HRC47 і істотно (у 12 разів) збільшується ударно-абразивна зносостійкість. У загартованому стані зі збільшенням вмісту вуглецю від 0,24 до 0,5 % у сталях зростає міцність (ув) з 420 до 590 МПа, але знижується пластичність (д) з 18 до 12 % і ударна в'язкість (KCU) з 20 до 8 Дж/см2. Підвищення температури нормалізації з 950 до 1150 С збільшує частку метастабільного аустеніту до 32 % у ферито-карбідній сталі 35Х23Г3С2ФЛ, реалізація г > бґ ДМПВ якого забезпечує підвищення комплексу механічних властивостей. По стійкості до газової корозії при температурі 1050 С (110 ч.) розроблена сталь 35Х23Г3СФЛ незначно уступає сталі, що застосовується, 35Х23Н7СЛ (ваговий показник корозії 1,3679 і 1,2971 г/м2 рік, глибинний -1,59 10-6 і 1,46 10-6 мм/м2 рік, відповідно) і відноситься до групи дуже стійких (ГОСТ 5272-80). При цьому абразивна зносостійкість нових сталей у 2,5-3,8 рази вища, ніж сталі 35Х23Н7СЛ, що дуже важливо для ряду деталей нагрівального обладнання. Таким чином, по сукупності показників фізико-механічних властивостей, корозійної і жаростійкості, зносостійкості, технологічності і вартості, розроблені метастабільні безнікелеві сталі перевершують дефіцитні хромонікелеві і є цілком альтернативними для адекватної їхньої заміни.

Підвищення експлуатаційних властивостей деталей і інструменту використанням розроблених матеріалів і зміцнюючих технологій. Ряд деталей машин і металургійного обладнання, які швидко зношуються (деталі дробеметів, піскометів, футерувальні плити й ін.), працюють в умовах інтенсивного абразивного й ударно-абразивного зношування, найчастіше в поєднанні із сильним розігріванням або термоциклюваням. Їх виготовляють із зносостійких білих чавунів, багато марок яких (ИЧХ28Н2МФТ, ЧХ16М2, ЧХ14Г2МНФТ та ін.) містять гостродефіцитні і дорогі компоненти - нікель, молібден, ванадій та ін., що утрудняє й обмежує їхнє широке застосування. У ВАТ “ Красный котельщик” (м. Таганрог) лопаті, імпелери, футерувальні плити дробометів виготовлялися зі зносостійких чавунів ЧХ20НМФ виробництва фірми “Guttmann” (Німеччина), ВАТ “Амурлитмаш”, ЧХ21НФ Камишинського ковальсько-ливарного заводу, ИЧХ28Н2МФТ власного виробництва. На багатьох металургійних підприємствах України для виготовлення футеровок агломераційно-доменного обладнання застосовується дорогий комплексно-легований зносостійкий чавун ЧХ15Г2НМФТ. Їхня термообробка забезпечувала мартенситно-карбідну структуру твердістю (HRC 54-64) з мінімальною кількістю залишкового аустеніту.

За механічними властивостями і ударно-абразивною зносостійкістю розроблені економнолеговані метастабільні чавуни ЧХ12Г4Д2 (пат. РФ 2040576), ЧГ10Х4Ю (пат. РФ 2011693), ЧХ15Г5ТЮ не уступають і навіть перевершують більш дорогі чавуни ЧХ21НФ, ИЧХ28Н2МФТ, ЧХ15Г2НМФТ. Виробничі випробування показали високі експлуатаційні властивості розроблених чавунів, що пояснюються реалізацією ДФП (мартенситного, динамічного термо-деформаційного старіння) у процесі експлуатації. Склади розроблених чавунів ЧХ12Г4Д2 і ЧХ15Г5ТЮ, технологія виробництва й обробки деталей дробометів і футерувальних плит агломераційно-доменного впроваджені в ВАТ “Красный котельщик” (м. Таганрог) і в ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат імені Ілліча”.

Для відновлення електродуговим наплавленням зношених коліс, мостових кранів у ВО “Азовмаш” Нині ВАТ “Азовмаш” використовувалися порошкові наплавочні стрічки Пл-Нп-10Х10АГ8МФДБ-А-Ф (ПЛН-4) і Пл-Нп-20Г14АФ-А-Ф (ПЛН-6), що містять дефіцитні і дорогі компоненти молібден, ніобій, мідь, металевий і азотований марганець. Тому їхнє виробництво і застосування викликало певні труднощі. У результаті проведених досліджень розроблена економічна наплавочна стрічка Пл-Нп-25Х14М12Ф-А-Ф (ПЛН-7) і наплавлення нею кранових коліс впроваджено у ВО “Азовмаш”.

У ВАТ “Азовмаш” впроваджена розроблена технологія швидкісного високотемпературного загартування з нагріванням СВЧ до 1300-1350 С, відпуском 180 С клапанів і об'ємне загартування з 1050-1100 С сідел клапанів зі сталі 20Х13 розподільних корпусів гідросистеми преса ПА-238, що забезпечують гетерогенізацію аустеніту і збереження підвищеної кількості (15-20 %) метастабільного залишкового аустеніту, поряд з мартенситом, армованих дисперсними карбідами Cr23C6. Це дозволило збільшити довговічність деталей у 11 разів у порівнянні з технологією загартування СВЧ (1050-1100 С, відп. 400-420 С), застосовувалася раніше.

Ряд деталей насосів (робочі колеса, відводи, апарати направляючі, кільця різьбові й ін.) виготовляють з дефіцитних і дорогих корозійностійких сталей 12Х18Н9Л, 12Х18Н10ТЛ та ін., що містять 9-11 % гостродефіцитного в Україні нікелю. Розроблена безнікелева корозійностійка сталь 12Х16Г10ДСТЛ (пат. України 34980) аустенітно-феритного класу за механічними властивостями (ут = 470-600 МПа, ув = 760-820 МПа, д = 28-35 %, ш = 20-35%, КС = 2,8-3,7 МДж/м2) перевершує в 1,5-2 рази сталь 12Х18Н9Л, а за корозійною стійкістю в 25 % розчинах аміаку, моноетаноламину, концентрованій азотній кислоті, воді, практично не уступає їй. До того ж нова метастабільна сталь володіє підвищеною кавітаційною стійкістю в порівнянні зі стабільною аустенітною 12Х18Н9Л, тому що перетерплює ДМП, зумовлююча самозміцнення поверхні деталей. При цьому, як показують розрахунки, вона на 3500 грн./т дешевша. Розроблена сталь 12Х16Г10ДСТЛ, технологія відливки й обробки деталей насосів впроваджені у ВАТ “Завод “Південьгідромаш” (м. Бердянськ).

Для заміни дорогих і дефіцитних хромонікелевих жаростійких сталей (35Х23Н7СЛ, 40Х24Н12СЛ та ін.), застосовуваних для виготовлення деталей пічної арматури, за результатами проведених досліджень розроблена безнікелева жаростійка сталь 35Х23Г3СФЛ (Пат. України 23183). Виробничі випробування протягом тривалої експлуатації (1993-2000 р.) підтвердили високі експлуатаційні властивості розробленої сталі 35Х23Г3СФЛ, яка впроваджена у виробництво фірми “Азовметалург” ВАТ “Азов”.

Виробничі випробування фільєр правильно-відрізного автомата И6122А в ВАТ ТФГ “Интерресурс” (м. Таганрог), виготовлені зі сталі Х12М після загартування з 1150-1200 С (відпуск 300-400 С), що забезпечує одержання 65-85 % метастабільного Азал, показали значне, у 15-30 разів підвищення експлуатаційної довговічності в порівнянні з використовуваними сталями 45, 40Х в ~1,5 рази - зі швидкорізальною сталлю Р18, загартованими на мартенсит. Це пояснюється реалізацією ДФП (мартенситного, термо-деформаційного динамічного старіння) у процесі зношування з розігріванням фільєр до ~ 400 С при експлуатації. Сталі Х12М, Х12Ф1 і режими термообробки рекомендовані ВАТ ТФГ “Интерресурс” для впровадження у виробництво.

Висока економічна ефективність застосування розроблених матеріалів і зміцнюючих обробок досягнута виключенням зі складу дорогих і дефіцитних легуючих компонентів (Ni, Mo, V, Nb), зниженням собівартості виробництва і збільшенням експлуатаційної довговічності виробів, зниженням ремонтно-експлуатаційних витрат і підвищенням продуктивності обладнання.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі здійснені нові научно-обгрунтовані розробки в галузі металознавства і термічної обробки, що забезпечують вирішення значної науково-технічної і прикладної проблеми для України - створення економічних різнофункціональних сплавів, яки не містять гостродефіцитних легуючих компонентів, і ефективних зміцнюючих технологій для підвищення їхніх якісних показників.

1. Сформульовано нові теоретичні положення, узагальнено закономірності і принципи створення і зміцнення економічних метастабільних сплавів, що базуються на формуванні метастабільних станів аустеніту будь-яких морфологічних типів, керованості кінетикою його деформаційних фазових перетворень при випробуваннях і експлуатації, кількісно взаємопов'язаної з формуванням властивостей (у комплексі з традиційними механізмами) в залежності від умов їхньої реалізації. Їхнє використання при створенні метастабільних сталей і чавунів різних систем легування, структурних класів і функціонального призначення дозволяє заощаджувати дорогі і дефіцитні легуючі компоненти (Ni, Mo, V, Nb і ін.) і підвищувати комплекс механічних і експлуатаційних властивостей розроблюваних сплавів і таких, що вже широко застосовуються.

2. На основі запропонованого принципу оборотності взаємозв'язку кінетики ДФП і формування властивостей з використанням розробленої математичної моделі встановлені кількісні аналітичні і графічні залежності механічних і експлуатаційних властивостей метастабільних сплавів різного легування, структурних класів і призначення від кінетичних параметрів ДФП, з урахуванням складу, структурного стану, спільної дії основних механізмів попереднього зміцнення метастабільного аустеніту, що дозволяє ефективно керувати їхніми властивостями. Запропоновано доповнення до відомої схеми взаємозв'язку напруження і температури утворення мартенситу (Г. Олсона і М. Коэна), що розширює температурний діапазон на інтервал точок Мн - Мк можливого прояву метастабільності сплавів.

3. На основі системних досліджень узагальнені закономірності зміни кінетики деформаційних мартенситних перетворень від вихідного вмісту метастабільного аустеніту будь-яких фазово-морфологічних типів у сталях і чавунах усіх структурних класів, різних систем легування і призначення, де він може бути присутнім, незалежно від напружено-деформаційних умов їхньої реалізації. Відхилення фазового складу в ту чи іншу сторону незалежно від причин, що викликали його, закономірно змінює кінетику ДМПВ відповідно до повної кінетичної мартенситної кривої. При однаковому вихідному фазовому складі сплаву реверсування деформації і збільшення її швидкості, зменшення твердості напруженого стану знижують інтенсивність ДМП. Переривання ДМП, витримка під дією дотичних напружень, здатні як гальмувати, так і активізувати наступне перетворення в залежності від їхньої величини і кількості отриманого мартенситу. Ці закономірності й особливості необхідно враховувати в реальних умовах експлуатації.

4. На основі проведених системних досліджень впливу легування (С, Si, Cr, Mn) на фазові перетворення, структуру і властивості розроблені нові економнолеговані високоміцні сталі систем легування Fe-14 % Cr-7 % Mn-(0,1-0,4) % С; Fe-(2-8) % Cr-6 % Mn-0,3 % С; Fe-7 % Mn-(1-2) % Si-0,2 % С, які володіють підвищеним комплексом механічних властивостей у порівнянні з дорогими хромонікелевими сталями. Розроблено способи термічної і термо-деформаційної обробок для керування кінетикою ДМПВ і властивостями нових сталей, що дозволило підвищити їхній комплекс.

5. З використанням побудованих фізико-математичних моделей розчинення - виділення надлишкових фаз в аустеніті в різних температурно-кінетичних умовах теоретично й експериментально обґрунтований принцип гетерогенізації аустеніту, що передує мартенситним перетворенням. Його реалізація дозволяє одержувати сукупність фазово-структурних переваг і метастабільних станів аустеніту, комплексно використовувати основні зміцнюючі механізми у поєднанні з ДФПВ для підвищення механічних і експлуатаційних властивостей різнофункціональних сплавів.

6. На основі принципу гетерогенізації аустеніту з використанням побудованих фізико-математичних моделей і розрахунків розроблені способи і технології термообробки: швидкісне високотемпературне загартування, низькотемпературне загартування з регламентованим розчиненням надлишкових фаз з (Агет+К) стану, загартування зі східчастим нагріванням і витримкою в докритичній (К) і міжкритичній (К) областях, загартування зі східчастим охолодженням (на повітрі), термоциклічні обробки (ВТЦО, СТЦО, НТЦО) і нові способи термо-деформаційної і комбінованої обробок. Вони дозволяють створювати метастабільні гетерофазні стани, керувати ступенем метастабільності аустенітної фази й істотно підвищувати механічні й експлуатаційні властивості розроблених високоміцних і стандартних конструкційних, корозійностійких і зносостійких сталей і чавунів.

7. У результаті проведених досліджень впливу легуючих елементів (Cr, Mn, С, Cu, Ti) на фазові перетворення і властивості розроблені нові економнолеговані зносостійкі метастабільні чавуни на Fe-Cr-Mn-C, Fe-Mn-C основах, які за механічними і службовими характеристикаи не поступаються дорогим дефіцитно легованим аналогам. Показано, що зміною вмісту легуючих елементів і температурно-тимчасових параметрів термообробки - загартування, відпуску, НТЦО можна в широких межах регулювати фазовий склад, ступінь метастабільності аустенітних фаз і керувати кінетикою ДФПВ в поверхневих (що зношуються) шарах, що забезпечує підвищення властивостей розроблених зносостійких чавунів.

8. Випробування, проведені за допомогою побудованої лабораторної установки і розробленої методики ударно-абразивного зношування, і вивчення фазового складу рентгеноструктурним, електронно-мікроскопічним і магнітометричним методами вперше дозволили установити кількісні взаємозв'язки між кінетикою ДФПВ, що реалізуються в поверхневих шарах, кінетикою зношування і формуванням ударно-абразивної й абразивної зносостійкості розроблених метастабільних чавунів і цементованих сталей. Збільшення інтенсивності ДФПВ в поверхневих шарах під впливом легування або обробок супроводжується зниженням інтенсивності зношування, а відносна ударно-абразивна й абразивна зносостійкість лінійно залежить від кількості твердих фаз (мартенситу і карбідів), яки утворюються, що можна використовувати для підвищення довговічності і надійності деталей, які швидко зношуються.

9. Дослідженнями й випробуваннями встановлено, що одержання метастабільного Аост і регулювання кінетики його ДМПВ за рахунок використання систематизованих у роботі фізико-хімічних факторів і механізмів стабілізації аустеніту, можна керувати властивостями й істотно підвищувати їхній комплекс стандартних сталей різних класів і призначення - 20Х13, 30Х13, 6ХС, 55С2, 45ХН2МФА, Х12М, Х12Ф1, ХВГ, 5ХНМ, 7Х3 і високоміцному чавуні ВЧ52, які широко застосовуються у виробництві.

10. На основі досліджень впливу легування (7,5-15,5 % Cr; 5-12 % Mn) на фазовий склад, метастабільність аустеніту, кінетику ДМПВ і властивості, розроблена більш економічна наплавочна порошкова стрічка Пл-Нп-25Х14Г12Ф-А-Ф (ПЛН-7), яка забезпечує одержання метастабільного аустеніту наплавленого металу переважаючого за властивостями, зносостійкістю (у 2,5-3,8 рази) і експлуатаційною довговічністю відомі більш дорогі аналоги (ПЛН-4 і ПЛН-6).

11. Дослідженнями впливу параметрів обробок і легуючих елементів на структуру, фазовий склад і властивості сталей систем легування Fe-Cr-Mn-C, Fe-Cr-C і Fe-Mn-C показані перспективні можливості формування фазово-структурних модифікацій і метастабільних станів у поверхневих шарах методами ХТО (цементація, зневуглецювання) у поєднанні з термообробкою. Керована реалізація ДФПВ в зміцнених шарах дозволяє істотно підвищувати зносостійкість у поєднанні при необхідності з корозійною стійкістю, жаростійкістю поверхні, високою міцністю, або навпаки підвищеною в'язкістю і пластичністю серцевини.

12. На основі дослідження впливу легуючих елементів (14-22 % Cr, 6-12 % Mn, 0,24-2,34 % C) і параметрів термообробки на структуру, фазові перетворення і властивості розроблені економічні безнікелеві корозійностійкі і жаростійкі сталі аустенітно-феритного, аустенітно-карбідного, ферито-аустенітно-карбідного, ферито-карбідного класів.

За механічними властивостями, зносостійкістю (у 2,5-3,8 рази) вони перевершують дорогі хромонікелеві сталі (відповідно 10Х18Н10Л, 35Х23Н7СЛ) і відповідні їм по корозійній стійкості в деяких середовищах і жаростійкості (при 1000-1050 С). Уперше показані можливості підвищення їхніх властивостей за рахунок керування кінетикою ДМПВ параметрами загартування, що змінюють співвідношення між феритом і аустенітом.

13. Дослідження службових властивостей і виробничі випробування розроблених метастабільних зносостійких чавунів (ЧХ12Г4Д2, ЧХ15Г5ТЮ), корозійностійкої (12Х16Г10ДСТЛ) і жаростійкої (35Х23Г3СФЛ) сталей, наплавочної порошкової стрічки (Пл-Нп-25Х14Г12Ф-А-Ф (ПЛН-7), технологій термообробки стандартних сталей (20Х13, Х12М), що забезпечують формування метастабільних станів, показали високі їхні експлуатаційні характеристики, які не поступаються, (а в ряді випадків перевершують) відомі дорогі дефіцитно леговані аналоги. Впровадження розроблених матеріалів і зміцнюючих технологій на машинобудівних і металургійних підприємствах дозволило одержати значний економічний ефект: фактичний - понад 1 млн. грн.; очікуваний - понад 5 млн. грн.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

Чейлях А.П. Влияние условий нагружения на кинетику деформационного г > бґ превращения и свойства Fe-Cr-Mn сталей с метастабильным аустенитом // Физика металлов и металловедение.-1992.-№10.-С.120-129.

Чейлях А.П. Количественный анализ вклада деформационных мартенситных превращений при испытаниях в формировании свойств сплавов с метастабильным аустенитом // Металлы.-1999.-№4.-С.43-52.

Чейлях А.П. Кинетика деформационного г > бґ превращения и механические свойства сталей и чугунов с различным содержанием метастабильного аустенита // Физика металлов и металловедение.-2002.-Т.94, №4.-С.66-76.

Чейлях А.П. Способы закалки высокопрочных сталей из неравновесных состояний гетерогенного аустенита // Металлофизика и новейшие технологии.-2000.-Т.22, №1.-С.19-32.

Чейлях А.П. Новые экономичные функциональные метастабильные сплавы и способы повышения их свойств // Металл и литье Украины.-2000.-№11-12.-С.20-28.

Чейлях А.П. Повышение механических свойств конструкционных сталей скоростной высокотемпературной закалкой // Известия РАН. Металлы.-1995.-№2.-С.75-81.

Чейлях А.П. Влияние ступенчатого нагрева под закалку на структуру и механические свойства конструкционных сталей // Известия РАН. Металлы.-1995.-№5.-С.37-44.

Чейлях А.П. К вопросу о термической обработке высокохромистых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов.-2000.-№10.-С.18-21.

Чейлях А.П. Получение вторичного аустенита и использование его метастабильности для повышения свойств сталей мартенситного и мартенситно-аустенитного классов // Вестник ПГТУ: Сб. научн. трудов.-Мариуполь.-1997.-Вып.3.-С.73-78.

Чейлях А.П. Использование термоциклической обработки для регулирования метастабильности аустенита и повышения свойств сталей и чугунов // Вестник ПГТУ: Сб. научн. трудов.-Мариуполь.-2000.-Вып.10.-С.88-93.

Чейлях А.П. Возможности создания метастабильных состояний аустенита в сплавах на основе железа // Нові матеріали і технології в металлургії та машинобудуванні .- Запоріжжя.- 2002.- № 2.- С.

Малинов Л.С., Чейлях А.П. Структура и свойства Fe-Cr-Mn сталей после закалки с предварительным нагревом в межкритическом интервале температур // Металловедение и термическая обработка металлов.-1990.-№6.-С.45-47.

Малинов Л.С., Чейлях А.П., Малинова Е.Л. Влияние цементации и последующей термообработки на структуру, фазовый состав и абразивную стойкость Fe-Cr-Mn сталей // Известия АН СССР. Металлы.-1991.-№1.-С.120-123.

Влияние изотермической закалки на свойства и структуру высокопрочного чугуна/ Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, В.Л. Малинов, А.Б. Гоголь, Т.И. Архипова // Металловедение и термическая обработка металлов.-1992.-№10.-С.27-29.

Малинов Л.С., Чейлях А.П., Малинова Е.Л. Структура и свойства экономлегированных марганцевых сталей // Известия РАН. Металлы.-1993.-№1.-С.106-111.

Чейлях А.П., Малинов Л.С., Лейко Н.Г. Повышение долговечности клапанов из стали 20Х13 высокотемпературной скоростной закалкой // Металлургическая и горнорудная промышленность.-1993.-№3.-С.27-29.

Повышение долговечности режущих дисков горнопроходческих комплексов /Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, С.И. Кантор, С.М.Фучило // Литейное производство.-1993.-№7.-С.-11-12.

Чейлях А.П., Малинов Л.С. Свойства и превращения в хромомарганцевых коррозионностойких сталях // Металловедение и термическая обработка металлов.-1994.-№2.-С.28-32.

Выбор состава хромомарганцевой стали с метастабильным аустенитом в качестве основы наплавочного материала / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, Е.Я. Харланова, Т.В. Барышникова // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1994.-№3.-С.45-48.

Чейлях А.П., Малинов Л.С., Бекетова Е.М. Закалка марганцовистых сталей с предварительным нагревом в двухфазном (б + г) интервале // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1994.-№10.-С.42-44.

Влияние состава и термообработки на структуру и свойства литых хромистых сталей / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, Г.И. Макмак, С.И. Кантор, С.М. Фучило // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1994.-№11.-С.43-45.

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

Чейлях А.П., Гоголь А.Б., Большаков В.И. Влияние термообработки на структуру, стабильность остаточного аустенита и механические свойства стали Х12М // Металлургическая и горнорудная промышленность.-1995.-№1.-С.36-39.

Разработка и исследование новой порошковой ленты для наплавки колес мостовых кранов / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, Е.Я. Харланова, А.В. Зареченский, Н.А. Шепель, Т.В. Барышникова // Сварочное производство.-1995.-№10.-С.22-25.

Чейлях А.П., Олейник И.М. Влияние отпуска на структуру и свойства хромомарганцовистых и марганцовистых чугунов с метастабильным аустенитом // Вестник ПГТУ: Сб. научн.трудов.-Мариуполь.-1995.-№1.-С.103-108.

Влияние комбинированных обработок на стабильность аустенита и механические свойства хромомарганцевых сталей / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, И.М. Олейник, Чжун-Чжи-Мянь // Металловедение и термическая обработка металлов.-1997.-№1.-С.18-21.

Чейлях А.П., Дроздова И.Г. Скоростная высокотемпературная закалка нержавеющих хромистых сталей // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1997.-№2.-С.32-35.

Чейлях А.П., Гавриленко Г.В. Структура и механические свойства новых безникелевых коррозионностойких сталей аустенитно-ферритного класса // Вестник ПГТУ: Сб. научн. трудов.-Мариуполь.-1999.-Вып.8.-С.76-79.

Чейлях А.П., Фомина Э.Г. Математическое моделирование процессов растворения карбидов хрома в аустените высокопрочных сталей // Металлы.-1999.-№6.-С.77-86.

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

Чейлях А.П., Малинов Л.С., Гоголь С.Н. Новые коррозионностойкие безникелевые двухфазные стали // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-2001.-№7.-с.44-47.

Влияние параметров закалки на структуру и свойства экономлегированного износостойкого чугуна с метастабильной структурой / А.П. Чейлях, Д.В. Клок, В.В. Климанчук, П.Н. Кирильченко, О.А. Багмет // Металл и литье Украины.-2002.-№7-8.-С.33-38.

Малинов Л.С., Харланова Е.Я., Чейлях А.П. Изменение фазового состава и механических свойств марганцовистых сталей при различных видах нагружения // Известия АН СССР. Металлы. - 1988. - № 5. - С.106-109.

Чейлях А.П., Малинов Л.С., Гоголь С.Н. Влияние углерода и режимов закалки на структуру и свойства экономнолегированных метастабильных сплавов системы Fe-23 % Cr (3-6) % Mn-C // В сб. докл. второго междунар. симп. “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”.- Харьков.- 2001.- ч.II.- С.206-209.

Чейлях А.П., Клок Д.В. Новый экономнолегированый чугун с метастабильной структурой //В сб. докл. 3-й междунар. н.-т. конф. “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”.- Харьков.- 2002.- Ч.1.- С.93-97.

Способ закалки хромомарганцевых нержавеющих сталей: А.с. 1696514 СССР. МКИ С21D 6/00 / А.П. Чейлях (СССР).-№4760983/02; Заявлено 21.11.89; опубл. 7.12.91, Бюл. №45.- 6с.

Сталь:А.c. №1717665 СССР. МКИ С22С 38/38/А.П. Чейлях, Л.С. Малинов, Е.М. Бекетова (СССР).- №4841096/02; Заявлено 15.05.90; Опубл. 07.03.92; Бюл. №9.- 4с.

Износостойкий чугун: пат. №2030478 Россия. МКИ С22С 37/00 / А.П. Чейлях, И.М. Олейник, Е.Ф. Минка, В.В. Перепелицын (Украина, Россия).- №5006565/02; заявлено 16.07.91; опубл. 10.03.95; Бюл. №7.- 4с.

Установка для испытаний на ударно-абразивное изнашивание: А.с. №1820300 СССР. МКИ G01N 3/56/ А.П. Чейлях, И.М. Олейник (СССР).- №4936016/28; заявлено 12.05.91; опубл. 07.06.93; Бюл. №21.- 4с.

Спосіб термообробки сталей мартенсітного класу: патент 12555 А Україна. МКВ С21D 6/00 / О.П. Чейлях (Україна).- № 94040954; заявл. 18.03.93; опубл. 28.02.97; Бюл. № 1.- 6 с.

Спосіб обробки хромомарганцевих сталей: патент 15465 А Україна. МКВ С21D1/78, С21D7/02 / О.П. Чейлях (Україна).- № 93005869; заявл. 05.04.93; опубл. 30.06.97; Бюл. № 3.- 4 с.

Сталь: патент 18012 А Україна. МКВ С22С 38/38 / О.П. Чейлях, Л.С. Малінов, С.Н. Гоголь (Украина).- №96020748; заявлено 27.02.96;опубл. 17.06.97; Бюл. №5.- 4с.

Чейлях А.П., Олейник И.М. Раработка экономлегированных износостойких чугунов с метастабильным аустенитом // В сб. докл. Всесоюзной н.-т. конф. “Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии”.- Новокузнецк.-1991.-С.135-137.

Чейлях А.П. Новые способы формирования гетерофазных состояний для повышения свойств сталей // В сб. тез. докл. III междунар.н.-т. конф. “Материалы для строитель. констр. ICMB'94”/ - Днепропетровск. - 1994. - С.12-13.

Чейлях А.П. Количественный анализ роли деформационных мартенситных превращений в формировании механических свойств сплавов с метастабильным аустенитом // В сб. Актуальные вопросы диффузии, фазовых и структурных превращений в сплавах.- III Черкасский семинар стран содружества “Сокирне' 95” - Сокирне. - 1995.- C.138.

Чейлях А.П. Математическое моделирование формирования свойств сплавов с метастабильным аустенитом // В сб. докл. Международной н.-т. конф. “Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин”.- Волгоград.-1996.- C.97-99.

Чейлях А.П. Разработка функциональных экономичных метастабильных сплавов, принципов и способов повышения их свойств // Збiрник наукових праць VIII Міжнародноi наук.- техн. конф.- Запорiжжя, ЗДТУ.-2000.-C.8-10.

Чейлях А.П. Взаимосвязь энергоемкость-свойства с позиции самоорганизации метастабильных сплавов // В сб. научн. трудов: “Строительство, материаловедение, машиностроение.- Днепропетровск. - 2002.-Вып.15.-4.1.- C.139-140.

АНОТАЦІЯ

Чейляха О.П. Розвиток наукових основ створення і зміцнення экономнолегованих метастабільних сплавів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01.- Металознавство і термічна обробка металів. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2003 р.

Встановлено загальні закономірності і принципи формування метастабільних станів і цілеспрямованого використання керованих деформаційних фазових перетворень (мартенситних, динамічного деформаційного і термо-деформаційного старіння та ін.) у керуванні механічними й експлуатаційними властивостями сталей і чавунів різного функціонального призначення. На основі наукових положень, проведених системних досліджень впливу хімічного складу і різноманітних обробок на структуру, фазові перетворення і властивості, розроблені економічні (яки не містять дефіцитних компонентів Ni, Mo, V, Nb і ін.) метастабільні сплави: високоміцні, корозійностійкі і жаростійкі сталі, зносостійкі сталі і чавуни з підвищеними фізико-механічними й експлуатаційними властивостями. На основі обґрунтованого принципу гетерогенізації аустеніту й інших положень розроблені способи і технології термічної, термо-деформаційної, хіміко-термічної обробок для керування фазовими перетвореннями і властивостями розроблених і низки стандартних конструкційних, інструментальних і зносостійких сталей і чавунів, поверхневих шарів, що дозволяєть істотно підвищувати їх механічні й експлуатаційні характеристики. Показано великі можливості створення деформаційної метастабільності не тільки в проектованих сплавах, але й що дуже важливо, у стандартних сталях і чавунах, яки широко застосовуються за рахунок використання при термообробці систематизованих фізико-хімічних факторів і механізмів стабілізації і дестабілізації аустеніту. Розроблені зносостійкі чавуни, корозійностійка і жаростійка стали, способи і технології зміцнення впроваджені у виробництво.

Ключові слова: метастабільний аустеніт, мартенсит, карбіди, фазові перетворення, зміцнення, високоміцні, зносостійкі, корозійно-жаростійкі сталі, чавуни.

THE SUMMARY

Cheylyakh A.P. Scientific bases development of creation and strengthening of economic metastable alloys.- the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science in speciality 05.16.01.- Metallography and heat treatment of metals. The Zaporizhzhe national technical university, Zaporizhzhe, 2003.

The general laws and principles of metastable state formation, and principles of purposeful use of controlled phase transformations deformation (martensitic, dynamic deformation and thermal-deformation aging) in controlling mechanical and operational properties of various steels and cast-irons have been established. Economic (Ni-, Mo-, V-. Nb- free) metastable alloys: high-strength, corrosion- resistant and heat resistant steels wear - resistant steels and cast-irons of improved physical-mechanical and operational properties have been developed on the basis of the research of the chemical contents and various processing influence on structure phase transformation and the properties.

The ways and the technologies of, chemical-heat treatment, thermo-deforming treatment in order to control phase transformations and qualities of the developed and a number of standard constructional and tool steels, wear - resistance steels and cast-irons, surface layers with improved mechanical and operational characteristics have been developed. Great opportunities in creating deformation metastability not only in steels to be developed, but what is very important, in widely used standard steels and cast-irons through the use of systematized physic-chemical factors and mechanisms of austenite stabilization have been shown. The developed wear - resistant cast-irons, corrosion- and heat resisting steels as well as the ways and technologies of hardening have been introduced into manufacture.

Key words: metastable austenite, martensite, carbide, the phase transformations, hardening, high-strength, wear - resistance, corrosion-heat resisting became, cast-irons.

АННОТАЦИЯ

Чейлях А.П. Развитие научных основ создания и упрочнения экономнолегированных метастабильных сплавов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01.- Металловедение и термическая обработка металлов. Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2003 г.

Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования и обобщения закономерностей деформационных фазовых превращений, протекающих в метастабильных сталях и чугунах.

Установлены общие закономерности и принципы формирования метастабильных состояний и целенаправленного использования управляемых деформационных фазовых превращений (ДФП) (мартенситных, динамического деформационного и термо-деформационного старенияи др.) при испытаниях и эксплуатации для управлении механическими и эксплуатационными свойствами сталей и чугунов различного функционального назначения. На основе установленных взаимосвязей кинетики деформационных фазовых превращений и параметров формирования механических и служебных свойств показаны возможности управления их характеристиками за счет различных вариантов легирования, режимов и параметров термической, термо-деформационной и комбинированной обработок. Установленные закономерности изменения кинетики ДФП от получаемого за счет легирования или термообработки фазового состава являются общими для сталей и чугунов с метастабильным аустенитом всех структурных классов, различных систем легирования и назначения. При одинаковом количестве и степени метастабильности аустенита кинетика его деформационного мартенситного превращения определяется напряженно-деформационно-временными условиями нагружения. Факторами, снижающими интенсивность ДМПИ, являются реверсирование и повышение скорости деформации, уменьшение жесткости напряженно-деформированного состояния. Выдержка под напряжением в зависимости от количества полученного мартенсита может как тормозить, так и активизировать ДМПИ. Предложено дополнение к схеме взаимосвязи напряжения и температуры образования мартенсита (Г. Олсона и М. Коэна), распространяющееся на интервал температур Мн-Мк. На основе научных положений, проведенных системных исследований влияния легирования и разнообразных обработок на структуру, фазовые превращения и свойства, разработаны экономичные (не содержащие дефицитных компонентов Ni, Mo, V, Nb и др.) метастабильные сплавы: высокопрочные Fe-Cr-Mn и Fe-Mn, коррозионно-стойкие и жаростойкие Fe-Cr-Mn стали, износостойкие Fe-Cr-Mn-C и Fe-Mn-С чугуны с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Изменением содержания хрома (2-8 %), углерода (0.1-0,4 %), кремния (0,5-2 %) в Fe-Cr-Mn-C высокопрочных сталях, хрома (14-22 %) и марганца (6-12 %) в коррозионно-стойких, углерода (0,24-2,31 %) в жаростойких сплавах на основе 24Х23Г3СФЛ, хрома (5-21 %) и марганца (2-8 %) в износостойких чугунах, режимами и параметрами различных способов закалки, отпуска, ТЦО можно в широких пределах регулировать фазовый состав, степень метастабильности аустенитной фазы, управлять кинетикой ДФП и свойствами сплавов. С использованием предложенного и обоснованного принципа гетерогенизации аустенита и построенных физико-математических моделей ограниченного растворения (выделения) избыточных фаз в аустените разработаны новые способы и технологии термической, термо-деформационной обработок: скоростная высокотемпературная и низкотемпературная закалки, закалка со ступенчатым нагревом и охлаждением, термоциклические, термо-деформационные обработки. Они позволяют создавать метастабильные гетерофазные состояния, управлять степенью метастабильности аустенитной фазы и существенно повышать механические и эксплуатационные свойства ряда стандартных конструкционных, инструментальных и износостойких сталей и чугунов, поверхностных слоев. Разработаны способы и технологии создания метастабильных состояний аустенита в поверхностных слоях изделий методами ХТО (цементация, обезуглероживание) хромомарганцевых, хромистых и марганцовистых сталей, электро-дуговой наплавки порошковыми лентами метастабильных сталей с аустенитной, аустенитно-мартенситной и аустенитно-ферритной структурами, в сочетании с термообработкой. Они позволяют создавать любые метастабильные фазово-структурные модификации, обеспечивающие повышение износостойкости в сочетании (при необходимости) с коррозионной стойкостью, жаростойкостью поверхности, высокой прочностью, либо пластичностью и вязкостью сердцевины. Показаны большие возможности создания деформационной метастабильности не только в проектируемых сплавах, но и что очень важно, в широко применяющихся стандартных сталях и чугунах за счет использования при термообработке систематизированных физико-химических факторов и механизмов стабилизации и дестабилизации аустенита. Это достигается благодаря комплексному использованию наряду с традиционными механизмами (твердорастворного, дислокационного, зернограничного и субграничного, дисперсионного) упрочняюще-релаксационного механизма деформационных фазовых превращений. Разработанные износостойкие чугуны, коррозионно-стойкая и жаростойкая стали, наплавочная порошковая лента, способы и технологии упрочнения внедрены в производство.

Ключевые слова: метастабильный аустенит, мартенсит, карбиды, фазовые превращения, упрочнение, высокопрочные, износостойкие, коррозионно-жаростойкие стали, чугуны.

Размещено на Allbest.ru