Розвиток наукових ocнов керування структуроутворенням в економно-легованих білих чавунах, що деформуються, для виготовлення зносостійких виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 669.131.1:621.78

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК НАУКОВИХ OCНОВ КЕРУВАННЯ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯМ В ЕКОНОМНОЛЕГОВАНИХ БІЛИХ ЧАВУНАХ, ЩО ДЕФОРМУЮТЬСЯ, ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ

ЗНОСОСТІЙКИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.16.01

«Металознавство та термічна обробка металів»

МИРОНОВА ТЕТЯНА МИХАЙЛІВНА

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Куцова Валентина Зиновіївна завідувач кафедри матеріалознавства ім. Ю.М. Тарана-Жовніра Національної металургійної академії України, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

академік НАН України, доктор фізико-математичних наук Фірстов Сергій Олексійович, заступник директора з наукової роботи Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича;

доктор технічних наук Бубликов Валентин Борисович, завідуючий відділом високоміцних спеціальних чавунів Фізико-технологічного Інституту металів та сплавів НАН України;

доктор технічних наук Спиридонова Ірина Михайлівна, професор кафедри металофізики Дніпропетровського національного університету.

Захист відбудеться « 23 » березня 2010р. о 12³⁰ годині на засіданні вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розіслано « 22 » лютого 2010р

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М.Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших проблем розвинення сучасної чорної металургії України є підвищення якості металопродукції та виробництво деталей з підвищеними експлуатаційними властивостями. Вихід на металургійний ринок таких перспективних виробників як Китай, Індія, Корея та інші підвищує конкуренцію та вимагає розширення сортаменту і забезпечення оптимального співвідношення собівартості і якості продукції, що виготовляється.

В останні роки широке впровадження в якості конструкційних матеріалів знаходять чавуни різних видів та марок. Про перспективність використання цих сплавів в сучасній промисловості наголошується в роботах таких відомих вчених, як Таран-Жовнір Ю.Н., Найдек В.Л., Чернега Д.Ф., Бубликов В.Б, Щербединський Г.В., Сильман Г.И., Жуков А.А., Скобло Т.С., Куцова В.З., Малинов Л.С., Чейлях А.П. та інших. Білі чавуни, завдяки наявності в своїй структурі великої кількості карбідних фаз, мають високу твердість і зносостійкість з одного боку, а з іншого - невелику вартість і технологічність виготовлення литих деталей. Але ж спроможність цих виробів протистояти динамічним і ударним навантаженням досить низька.

Нові можливості використання білих чавунів в якості як інструментальних, так і конструкційних матеріалів надає їх обробка тиском, що є не тільки методом формозмін, але ж і дозволяє суттєво покращити механічні властивості цих сплавів. Після пластичного деформування їх міцність підвищується в 2...4 рази і дорівнює міцності високоякісних легованих сталей, ударна в'язкість зростає в 3...6 раз, а втомна міцність - в 2...2,5 рази. При цьому зберігаються високі показники твердості та зносостійкості. Благотворний вплив пластичного деформування на властивості сплавів евтектичного класу, до яких належать і білі чавуни, доведено в дослідженнях таких відомих вчених, як Фірстов С.О., Спиридонова І.М., Мазур В.І., Дзугутов М.Я., Богачев І.М., Мігачов Б.А., Вєтрова Т.С., Скобло Т.С., Воробьова Е.Л., Хасимото Т., Масумото Т., Іноуе А. та інших.

Проте широкого втілення в виробництво обробка чавуну тиском до сьогодення не набула. Це пояснюється їх низькою технологічною пластичністю, яка обумовлена наявністю в структурі низьколегованих чавунів аустеніто-карбідної евтектики - ледебуриту. Головною складністю на перших етапах деформації є розчленування цементитної матриці ледебуритних колоній, які розташовуються поміж дендритами первинного аустеніту.

Сучасний рівень промислової та технологічної культури виробництва в високо розвинутих країнах таких, як Японія, Німеччина, США дозволяє виготовляти зносостійкі вироби методом пластичного деформування злитків та заготовок з білого чавуну, в тому числі - й крупногабаритні вагою навіть більш за 3 000 кг, наприклад, валки листопрокатних станів. При цьому використовуються складні схеми навантаження та оригінальне обладнання, які забезпечують поєднання стискання з витяжкою вздовж вісі при низьких швидкостях пресування та високій температурі.

Сучасні уявлення про фазові та структурні зміни в білих чавунах не дозволяють ефективно впливати на структуроутворення для підвищення їх пластичності, достатньої для обробки тиском на існуючому обладнанні, та керування властивостями без використання високого легування. Встановлення закономірностей карбідних перетворень в легованому цементиті та їх впливу на графітизацію, процеси зміцнення та знеміцнення структурних складових під час відпалів та гарячого деформування при різних способах навантаження дозволить запропонувати нові технологічні прийоми високотемпературного та деформаційного оброблення білих чавунів з використанням існуючого обладнання та виготовити деталі підвищеної зносостійкості.

Складнощі інвестування в зв'язку із світовою економічною кризою, з якими стикається українська промисловість в останній час, роблять особливо актуальним використання нових матеріалів і технологій, не потребуючих великих капітальних вкладень та революційних реорганізацій виробництва.

Таким чином, розвиток наукових основ керування структуроутворенням в білих економнолегованих чавунах та розробка оптимальних складів і способів використання нового класу чавунів за допомогою деформаційного перероблення на існуючому промисловому обладнанні для виготовлення деталей металургійного та машинобудівного устаткування підвищеної експлуатаційної стійкості є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика досліджень, проведених при виконанні дисертаційної роботи, пов'язана з планами науково-дослідницьких робіт Національної металургійної академії України (Дніпропетровського металургійного інституту) відповідно «Загальнодержавної комплексної програми розвитку високих наукоємних технологій на 2006-2008р.р» і «Державної програми розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України на період до 2011р.», а також спеціальним постановам Державного комітету по науці та техніці при Раді Міністрів СРСР: № 172 від 10.06.84 (по замовленню п/о «ИЖСТАЛЬ», п/я А-1950, п/я М-5481); №353 від 01.10.87 згідно програми «Совершенствование валков»; №454 від 04.07.89 відповідно проекту «Перспективные материалы»; проекту Державного комітету України з питань науки і технологій 7.02.04/049-92 «Розробка марок, технології виробництва та термічної обробки деформованих білих чавунів на підприємствах України» (наказ №39 від 05.03.94.), і виконувалася в рамках робіт:

ДР № 01840054099 «Исследовать и разработать эффективные пути использования деформируемых белых чугунов для производства износостойких изделий» 1984-1987 р.р.

ДР № 81105538 «Разработать и опробовать в опытно-промышленных условиях методы управления структурой и свойствами железоуглеродистых сплавов евтектического типа с целью повышения пластичности лебедуритных сталей и получения изделий из белого чугуна путем деформации», 1984 р.

ДР № 01870023355 «Разработать режим термической обработки деформируемого белого чугуна с целью оптимизации структуры и свойств сортового проката, предназначенного для изготовления валков холодной прокатки и других изделий», 1985-1987 р.р.

ДР № 01880077332 «Разработка режимов термической обработки валков из чугунного сортопроката», 1988 р.

ДР № 01890027969 «Оптимизация техноголий чугунного сортопроката и валков из деформированного чугуна», 1989 р.

ДР № 01900016083 «Изучение структуры и свойств трубной заготовки и труб легированного чугуна», 1990 р.

Х121080000 «Повышение технологических свойств сортопроката белого чугуна», 1991 р.

ДР № 0106U009051 «Розроблення конкурентоспроможних способів підвищення зносостійкості композитних прокатних валків з високо-хромистого чавуну для станів гарячої прокатки», 2007 р.

ДР № 0208U006633 «Розроблення нових функціональних матеріалів з нанокристалічною матрицею для потреб машинобудування», 2008 р.

Автор була керівником і виконавцем цих робіт.

Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи полягає в створенні наукових основ керування фазовими переходами та структуроутворенням в білих чавунах, що піддаються деформуванню, і розробленні способів деформаційного перероблення та термічного оброблення для виробництва деталей металургійного устаткування підвищеної експлуатаційної стійкості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні наукові задачі:

1. Дослідити вплив карбідоутворюючих елементів хрому, молібдену, вольфраму, ванадію та різних модифікаторів на структурні та фазові зміни, що відбуваються в твердому стані під час високотемпературного відпалу ледебуритних білих чавунів.

2. З'ясувати вплив легування та структурних особливостей на поведінку білих чавунів в процесі деформування при різних способах навантаження, температурах та швидкостях.

3. Визначити закономірності зміцнення і знеміцнення ледебуритних чавунів та їх структурних складових під час гарячої деформації та вплив на ці процеси фазових перетворень в евтектичних карбідах.

4. З?ясувати взаємодію карбідних перетворень з процесами, що відбуваються під час відпалу білих чавунів після пластичного деформування, а саме їх вплив на розвиток графітизації та рекристалізації цементиту.

5. Розробити оптимальні склади економно легованих білих чавунів, що піддаються деформуванню на існуючому обладнанні металургійного устаткування.

6. Дослідити закономірності впливу режимів деформування та проміжних відпалів на різних етапах обробки тиском, варіювання якими дозволяє впливати на формування структури білих чавунів та змінювати їх властивості в широких межах.

7. Розробити технологічні способи виробництва продукції із білих чавунів з використанням деформаційного перероблення.

8. Використати одержані результати для розвитку наукових основ металознавства чавунів, в промисловості та в навчальному процесі.

Об'єкт дослідження - процеси формування структури та фазові перетворення, що відбуваються під час термічної обробки і пластичного деформування і визначають механічні властивості сплавів евтектичного типу.

Предмет дослідження - закономірності структуроутворення в економнолегованих білих чавунах з підвищеною пластичністю, що після деформування можуть використовуватись для зносостійких виробів.

Методи дослідження. В роботі досліджували сплави, що містять 2,5…3,5% вуглецю та карбідоутворюючі елементи: хром, молібден, вольфрам, ванадій в кількості від 0,5 до 12% мас. Теоретичні дослідження базуються на положеннях теорії фазових перетворень, металознавства, термічного оброблення металів та сплавів, теорії пластичності. Лабораторні і промислові дослідження виконані з використанням сучасного устаткування та вимірювальної апаратури, що пройшла метрологічний контроль та держповірку. При проведенні досліджень були використані сучасні методи: мікроструктурний з використанням світлової мікроскопії (з якісним та кількісним аналізом фаз та структурних складових), а також високотемпературної, трансмісійної та скануючої електронної мікроскопії; рентгеноструктурний та мікрорентгеноспектральний; диференціальний термічний аналіз, а також дилатометричні дослідження. З метою дослідження поведінки сплавів при деформуванні та визначення їх властивостей застосували випробування на гаряче крутіння, стискання, на розтяг, вимірювали твердість, мікротвердість, проводили прокатку на лабораторних станах «200», «300», випробування на тертя та інші випробування механічних властивостей. Одержані результати обробляли за допомогою стандартних методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна полягає в тому, що основні результати одержані вперше і мають самостійне наукове значення або суттєво сприяють розвитку науково-практичних основ структуроутворення та його впливу на механічні властивості і поведінку білих чавунів в процесі пластичного деформування. Основні положення, які характеризують наукову новизну роботи полягають в наступному:

1. Вперше встановлено, що інтенсивність фазових перетворень у легованому хромом, молібденом, вольфрамом та ванадієм евтектичному цементиті зростає зі збільшенням спорідненості легуючих елементів до вуглецю та дефектності кристалічної будови карбіду заліза і не залежить від наявності та завершеності перитектико-евтектичної реакції в сплавах. Розробка відрізняється складом сплавів, що містять додаткові легуючі елементи та модифікатори - ітрій, цирконій, азот. Це дозволило встановити оптимальний склад та режими термічного оброблення (відпалів) білих деформованих чавунів.

2. Вперше встановлено, що в досліджуваних чавунах, які містять 25…30% евтектичного цементиту, відбуваються карбідні перетворення, що відповідають за підвищення пластичності в 1,5…2,5 рази незалежно від збільшення швидкості деформування. Розробка відрізняється складом сплавів, використаними способами навантаження та швидкостями деформування. Встановлена залежність дозволила визначити вимоги до структури та складу білих чавунів підвищеної пластичності.

3. Вперше виявлено, що хром, розчиняючись в цементиті до 17% і викликаючи в ньому зміни, характерні лише для стадії попередвиділення надлишкових фаз, сприяє підвищенню рівня напруги пластичної течії чавуну, уповільнює збільшення щільності дислокацій та гальмує динамічну рекристалізацію цементиту незалежно від способу навантаження при деформуванні. Розробка відрізняється складом досліджених сплавів. Встановлена закономірність дозволяє пояснити зниження пластичності ледебуритних чавунів при легуванні карбідоутворюючими елементами в тому випадку, коли в карбіді заліза не відбуваються фазові перетворення під час деформування.

4. Вперше доказано, що зниження рівня напруги течії при збільшенні ступеню деформації в чавуні, легованому ванадієм, зумовлене фазовим перетворенням в карбіді заліза, яке сприяє збільшенню дефектів кристалічної будови та ініціює множинне ковзання, що й призводить одночасно до підвищення пластичності сплаву. Розробка відрізняється складом досліджених сплавів та використанням різних способів навантаження при деформуванні. Це дозволило пояснити механізм (феномен) підвищення пластичності чавуну за рахунок карбідного перетворення при виділенні карбідів ванадію.

5. Вперше виявлено, що під час деформації в евтектичному цементиті, який містить ванадій, утворення більш стійких карбідів МС сприяє його гарячому наклепу, а під час відпалу після деформування спостерігається статична рекристалізація цементиту, яка гальмує виділення карбідів ванадію, але забезпечує його розділення при наступному деформуванні по нових межах зерен. Розробка відрізняється складом сплавів та використанням різних способів деформування. Встановлена закономірність використана для розроблення режиму проміжного відпалу, який забезпечує формування більш дисперсної структури та підвищення зносостійкості.

6. Вперше показано, що деформація ванадієвого чавуну з 1,5…2% кремнію при температурах нижче температури рекристалізації цементиту призводить до його розпаду на графіт і карбіди ванадію, а при температурах вищих за температуру початку рекристалізації графітизація цементиту гальмується завдяки статичній рекристалізації. Розробка відрізняється складом сплавів. Встановлена закономірність дозволяє керувати структуроутворенням і стабілізувати структуру білого чавуну, або сформувати структуру ковкого чавуну з великою кількістю дисперсних карбідів ванадію.

7. Вперше визначені сполучення температур та витримок на різних етапах оброблення тиском, які дозволяють керувати поведінкою евтектичної складової та забезпечують або пластичну течію цементиту і формування волокнистої структури, або його подрібнення та зменшення розмірів карбідних часток і рівномірне розподілення в аустеніті, що забезпечує значне підвищення експлуатаційної стійкості виробів з деформованих чавунів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні технологічних прийомів керування структурою та властивостями білих чавунів, легованих ванадієм, хромом, молібденом та вольфрамом для забезпечення високої пластичності, ударної в'язкості, міцності, твердості, здатності до механічної обробки та зносостійкості, що підтверджено актами промислових випробувань та розробленими технологічними інструкціями, а саме:

Технолічні інструкції: «Изготовление заготовки из белого чугуна для прокатки на стане 330» від 11.08.84 та «Производство сортового проката из белого чугуна» від 1984р., Краматорський металургійний завод ім. Куйбишева; Акт «Прокатки слитков массой 1150кг из белого чугуна на блюминге и сортовом стане на сорт Ш40», від 20.12.84, п/я А-1950; Акт «Прокатки кованых заготовок из белого чугуна», від 28.02.91, Інститут чорної металургії НАНУ; Акт використання результатів дисертаційної роботи, від 24.10.06, Державне підприємство «Дніпропетровський завод прецизійних труб»; Акт «Опытной ковки слитков из белого ванадиевого чугуна», від 16.07.84, Дніпропетровський завод металургійного обладнання; Акт «Ковки слитков из белого чугуна в кузнечно-прессовом цехе №4» від 18.04.90, завод «Днепротяжмаш»; Акт «Опытно-промышленного опробования технологии ковки белого легированного чугуна» від 17.08.94, завод «Днепрспецсталь»; Акт «Испытаний опорных валков стана ДВ-160 прокатного цеха № 2 завода «Электросталь», изготовленных из белого чугуна» від 24.08.89; Акт «Испытаний рабочих валков лабораторного стана, изготовленных из сортопроката белого чугуна 250ХФ» від 12.12.88, Дніпропетровський металургійний інститут; Акт «Производственных испытаний валков из сортопроката чугуна для стана 400 при холодной прокатке ленты в цехе №16» від 05.11 87, завод «Ижсталь»; Довідка про використання результатів дисертаційної роботи Миронової Т.М. від 16.07.93, Київський державний машинобудівний завод «Більшовик».

1. Визначені оптимальні температури гарячого оброблення тиском білих чавунів, а також, враховуючи встановлені залежності температури початку рекристалізації цементиту від легування та ступеня деформування, розроблені режими проміжних відпалів, які забезпечують успішну теплу (від 650°С) деформацію, необхідну при волочінні, формуванні в круглих штампах та механічній обробці деяких виробів .

2. Розроблені склади білих економно-легованих чавунів, що піддаються обробці тиском, в яких сумарний вміст легуючих елементів знижено до 2,0-2,5%, рекомендовано модифікування ітрієм, цирконієм та азотом з метою подрібнення карбідного зерна та збільшення співвідношення евтектик на базі карбіду заліза та карбіду ванадію в бік останньої .

3. Створено новий клас чавунів, що деформуються, з підвищеною пластичністю, які містять додатково 1.5-2% мас.Si та графітизуються. Чавуни відрізняються від раніше відомих тим, що їх структура і властивості формуються в процесі відпалу завдяки використанню попереднього деформаційного оброблення, яке стимулює розпад легованого цементиту на графіт та більш стійкі карбіди [23].

4. Освоєні в промислових умовах та захищені патентами [23, 24] і авторським свідоцтвом на винахід [25] технології виробництва поковок та сортового прокату з білих чавунів, що піддаються деформуванню, встановлені оптимальні температурно-часові параметри прокатки і визначені режими проміжних відпалів та підігрівів при виготовленні сортового прокату з чавунних злитків масою 1150 ,700, 200кг.

5. Розроблені технологічні схеми виготовлення виробів підвищеної стійкості: валків холодної прокатки, пальців траків тракторів та роликів, що застосовуються при розкатці електроіскрового покриття на внутрішній поверхні труб. Завдяки розробленим індивідуальним режимам термічної обробки стійкість цих деталей збільшилась в 1,7…4 рази порівняно з тими, що використовували раніше, або є така, що дозволяє замінити чавуном висококоштовні сплави, які використовують, наприклад для розкатних роликів.

6. Визначені допустимі температурно-швидкісні параметри пресування труб та прошивання гільз із деформованої чавунної заготівки.

7. Здійснено прокатку чавунного листа товщиною до 2мм та випробувано його здатність до формування трубної заготівки.

8. Отримані наукові результати використовуються в учбовому процесі на кафедрі матеріалознавства ім. Ю.М. Тарана - Жовніра Національної металургійної академії України при вдосконаленні курсів лекцій учбових дисциплін «Металознавство», «Матеріалознавство», «Леговані чавуни», а також при виконанні студентами лабораторних, практичних і дипломних робіт (Довідка від 26.02.09).

Особистий внесок здобувача. У роботах [1, 2] авторові належить ініціатива в постановці мети та задач дослідження, аналіз відомих та нових отриманих результатів, [6] - узагальнення відомих та отриманих експериментально даних стосовно складу, структури, властивостей та використання високоміцних і зносостійких чавунів в литому стані, після деформування та термічної обробки; [7, 14-21, 29-31] - постановка мети та задач дослідження, аналіз результатів проведених експериментів; [22, 23, 36] - визначення задач і постановка експериментів, участь в промислових випробуваннях та впровадженні розробок у виробництво; [23-28] - використання отриманих в дослідженнях результатів при визначенні температурно-часових параметрів способів обробки чавуну та теоретичне обґрунтування складів чавунів; [32-35] - визначення мети досліджень, аналіз та узагальнення результатів рентгеноструктурних та мікроструктурних досліджень; [37-38] - аналіз та узагальнення отриманих теоретичних і практичних результатів досліджень та обґрунтування їх використання в промисловості.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: ІІІ Всесоюзній науковій конференції «Закономірності формування структури сплавів евтектичного типу (Дніпропетровськ, 1986 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента» (Москва, 1989 р), Міжнародній конференції «Евтектика VI» (Запоріжжя, 2003 р.), ІІ Міжнародній конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, 2006 р.), Стародубовські читання «Будівництво, матеріалознавство, машинобудування» (Дніпропетровськ, 2007-2009 р.р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми металургії та машинобудування» (Аланья, 2006 р), конференції «Иновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно гражданского и транспортного назначения» ( Ялта, 2009р.).

Публікації. Основні матеріали дисертації викладені в 38 публікаціях. Серед них: 2 монографії, 20 статей у спеціалізованих наукових виданнях згідно переліку ВАК України (зокрема, 9 статей без співавторів), 2 патенти, 4 авторських свідоцтва на винаходи, 8 - у збірниках праць міжнародних та вітчизняних конференцій, 2 статті в інших виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 407 сторінок, з них 341 сторінка основного тексту з 150 рисунками, 50 таблицями і 14 додатків на 31 сторінці, список використаних джерел містить 379 найменувань на 35 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена сутність і обґрунтована актуальність теми, розглянуто стан проблеми, сформульовано мету і задачі роботи, вказується на зв'язок роботи з науковими темами та планами. Охарактеризовано новизну отриманих результатів, що виносяться на захист, відображено особистий внесок здобувача та наведені дані про апробацію результатів роботи, вказано структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі наведений аналітичний огляд наукових праць, присвячених дослідженню можливостей пластичного деформування білих чавунів, впливу їх складу та термічного оброблення на структуру і властивості.

Структурними аналогами білих чавунів серед залізовуглецевих сплавів є леговані сталі ледебуритного класу, а серед кольорових сплавів, наприклад, системи Ti-Si, титанові «чавуни», що містять більш 2%Si. Після кристалізації структура таких сталей та сплавів містить кристали твердого розчину та сітку евтектичної складової, що, як правило, має нижчий рівень пластичності. Принциповою відмінністю білих чавунів від цих сплавів є будова евтектичної складової, а саме ледебуриту, колонії якого, на відміну від евтектик на базі спеціальних карбідів в легованих сталях та евтектик на базі силіцидів в титаново-кремнистих сплавах, сформовані на базі крихкого цементиту, а не більш пластичного твердого розчину. Пластична деформація значно покращує механічні властивості цих сплавів, а білі чавуни взагалі перетворює в матеріал з унікальним комплексом властивостей, що поєднує високу твердість з високою міцністю.

Низька технологічна пластичність білих чавунів стримує широке впровадження їх обробки тиском в промислових умовах. Узагальнюючи попередньо виконані роботи під керівництвом таких видатних вчених, як Таран-Жовнір Ю.Н., Богачев І.М., Колмогоров В.Л., Скобло Т.С., Дзугутов М.Я., Сильман Г.І. та багатьох інших, автори яких досліджували можливості підвищення пластичності та здійснення успішного деформування чавунів, можливо виділити декілька напрямків впливу на структуру та властивості цих сплавів, а саме: використання високого легування карбідоутворюючими елементами (більш 10%) для утворення евтектик на базі спецкарбідів (інвертування структури); впровадження спеціальних схем і швидкостей навантаження особливо чистих по шкідливих домішках сплавів; застосування комплексного легування нікелем, марганцем, ванадієм, молібденом та хромом (в сумі не більш 1…2%) для зменшення кількості ледебуриту і підвищення пластичності твердого розчину, а також нагрівів майже до солідусних температур для інтенсивного розчинення цементиту та зменшення його кількості. Всі ці способи цілеспрямованої дії на структуру для підвищення пластичності білих чавунів не використовують уявлення про фазові перетворення в евтектичному цементиті, хоча, як відомо з літературних джерел, в дослідженнях, що виконані під керівництвом Ю.Н.Тарана-Жовніра, такі карбідні переходи впливають на поведінку сплавів евтектичного типу при деформуванні. Але відомості про закономірності змін складу, дефектності, властивостей карбідів в білих чавунах при легуванні різними карбідоутворюючими елементами , про їх вплив на процеси зміцнення і знеміцнення структурних складових під час термодеформаційного перероблення відсутні. Це не дозволяє використовувати саме фазові перетворення в евтектичних карбідах, як інструмент, завдяки якому якісно і кількісно можливо впливати на поведінку білих чавунів при обробці тиском та змінювати їх властивості в широкому діапазоні.

Необхідність підвищення пластичності і використання за для цього фазових перетворень та змін тонкої структури, які відбуваються в найбільш крихкій структурній складовій білих чавунів - в евтектичному цементиті,- стимулює виконання досліджень, направлених на встановлення закономірностей цих процесів в широкому спектрі складів та сполучень термодеформаційних параметрів.

В роботі сформульована важлива науково-технічна проблема встановлення закономірностей структуроутворення в білих економно-легованих чавунах з урахуванням впливу фазових перетворень на процеси зміцнення при деформуванні та рекристалізації структурних складових та розроблення оптимального складу і режимів термодеформаційного перероблення з метою виготовлення зносостійких виробів на існуючому промисловому обладнанні.

Проведений аналіз дозволив сформулювати задачі досліджень.

Другий розділ присвячений опису методичних питань досліджень. В якості експериментальних матеріалів використовували сплави, що вміщують 2,5-3,8 % вуглецю та карбідоутворюючі елементи: хром, молібден, вольфрам, ванадій від 0.5 до 12 %мас., а також вивчали вплив домішок кремнію та різних модифікаторів таких як ітрій, цирконій, кальцій, азот та інші.

При виборі складу користувалися необхідністю отримання порівняльних результатів якомога більш широкого спектру домішок з одного боку, а з другого - керувались необхідністю застосування економного легування, при якому, в значній мірі, зберігається ледебурит, як основна евтектична складова в цих чавунах. В розділі наведені способи виплавки та виготовлення зразків експериментальних сплавів для проведених досліджень. Лабораторні відпали зразків для уникнення окислення та зневуглецювання проводили у вакуумованих кварцових ампулах.

У розділі докладно розглядаються методики дослідження поведінки білих чавунів при гарячому деформуванні, яке проводили з різними швидкостями 3·10^-2с^-1, 1...3с^-1; 28...30с^-1 та при різних схемах навантаження, а саме: при стисканні на пластометрі конструкції завода «Южуралмаш» та при куванні, пресуванні, при крученні на машині СМЕГ - 10Т (ГОСТ3565-80), під час прокатки на лабораторних двохвалкових станах, а також при прокатці в промислових умовах на блюмінгу «800», сортопрокатних і прошивних станах. Інформацію про структурні та фазові зміни отримували методами мікроструктурного аналізу, в тому числі, засобами оптичної та електронної мікроскопії, використовуючи такі прилади, як: "AXIOVERT 200 MAT", "AXIO OBSERVER AL" фірми "Carl Zeiss", "AXIOMAT" фірми "OPTON", а також растровий електронний мікроскоп "JSM-35" фірми "JEOL", "AMREY 3600-C ECO-SEM " фірми "AMREY", "САМЕBАCS" фірми "САМЕCА" при збільшенні 10 000^х і мікроскопа, діючого на просвіт - "JEM-1000-9" при збільшенні до 75 000^х. При проведенні досліджень були використані методи світлової мікроскопії (з якісним та кількісним аналізом фаз та структурних складових), а також високотемпературна, трансмісійна та скануюча електронна мікроскопія; рентгеноструктурний та мікро-рентгеноспектральний аналіз, диференціальний термічний аналіз, а також дилатометричні дослідження. а також рентгеноструктурного аналізу. Хімічний склад фаз вивчали за допомогою мікрорентгеноспектрального аналізу. В розділі описані оригінальні методики різних видів полірування та травлення зразків для цих досліджень, отримання карбідного осадку і навіть виготовлення фольги з чавуну.

Утворення текстур в евтектичному цементиті під час прокатки в чавунах різного складу вивчали за допомогою дифрактометру ДРОН-3,0 УМ методом побудови зворотних полюсних фігур. Полюсні густини визначали за допомогою нормування Вільсона.

Кількісний аналіз структурних складових та зміни їх співвідношення виконували на автоматичних аналізаторах зображення "Epiqvant" и "Qvantimet" та за участю оператора. Результати кількісних вимірів обробляли статистично та представляли графічно.

Вимірювання механічних властивостей проводили на стандартному обладнанні, випробування на тертя на машині МИ-1-М. Експлуатаційну стійкість визначали завдяки стендовим випробуванням або безпосередньо при експлуатації виробів.

При виконанні даної роботи необхідна точність була забезпечена використанням сучасного дослідницького контролюючого та вимірювального обладнання. Одержані результати обробляли за допомогою стандартних методів математичної статистики.

Третій розділ вміщує результати досліджень структуроутворення в доевтектичних білих чавунах, легованих карбідоутворюючими елементами хромом, молібденом, вольфрамом та ванадієм в порядку підвищення їх спорідненості до вуглецю. Розглянуті особливості формування структури в процесі затвердіння, а також під час високотемпературного впливу у твердому стані. Визначено, що хром і ванадій мають подібний вплив на механізм і послідовність фазових перетворень при кристалізації, а саме приводять до появи евтектико-перитектичного перетворення, завершальним етапом якого є утворення з рідини ледебуриту і евтектики на базі карбідів хрому або ванадію, відповідно. У сплавах Fе-С-Мо і Fе-С-W при формуванні аустенітно-цементитної евтектики, а також евтектик на базі спец-карбідів відсутнє евтектико-перитектичне перетворення. Вольфрам і молібден збільшують схильність до роздільної кристалізації евтектичного цементиту і аустеніту, сприяючи утворенню конгломератних структур. Встановлено, що хром, молібден, вольфрам і ванадій утворюють з карбідом заліза тверді розчини, в яких при тепловій дії спостерігаються перетворення, що кваліфікуються як різні етапи виділення надлишкових фаз з пересичених твердих розчинів, при чому ці перетворення мають свої особливості у кожному окремому випадку. Хром, розчиняючись в цементиті до 20%, сприяє появі утворень, подібних до зон Гінье - Престона, які достатньо стійкі і схильні до коалесценції при високотемпературних витримках. Стадія виділення безпосередньо самих хромистих карбідів у цементиті при вмісті в сплаві до 12% Cr не спостерігається. Лише при додатковому легуванні ванадієм (не менше 1,5%) в карбіді М₃С цих сплавів утворюються карбіди типу МС. Вивчено дифузійну та мікроструктурну картину переходу карбіду М₇С₃ в цементит при незавершеності евтектико-перитектичної реакції в процесі відпалу. Визначено, що під час високотемпературної витримки при такому перетворенні збільшується об'єм карбідної складової за рахунок карбіду заліза , що негативно впливає на властивості чавуну, особливо на ударну стійкість.

В цьому розділі описані закономірності структурних і фазових змін в евтектичному цементиті експериментальних чавунів, легованих молібденом і вольфрамом. Розчиняючись гірше за хром в карбіді заліза (до 7%), ці елементи викликають в ньому розшарування, обумовлене спінодальним розпадом.

Проте в цементиті подвійної евтектики в чавуні, що містить до 5,45% Мо, утворення нових карбідних фаз не спостерігається. У карбіді заліза потрійної евтектики (М₃С+М₂С+А) виявлені випадки перетворення: (Fе,Мо)₃С>Мо₂С+Fе₃С + аустеніт. При легуванні чавуну вольфрамом, починаючи з кількості 3,3%, в пересиченому цементиті відбувається утворення більш стабільного карбіду WС, особливості зародження і зростання якого залежать від різних чинників: швидкості охолодження при твердінні, температури відпалу, попереднього термічного оброблення, а саме: при підсолідусних температурах зростання кристалів WC відбувається через аустенітний прошарок, що утворюється на початковій стадії перетворення; при нижчих температурах зростання карбідів вольфраму здійснюється шляхом перебудови гратки на кордоні WС/Fе₃С; при циклічній тепловій дії, що забезпечує накопичення вакансій і бі-вакансий, які знижують енергію активації дифузії атомів металу і вуглецю, утворення карбідів WС відбувається безпосередньо в кристалах евтектичного цементиту без контакту з аустенітом.

У випадку використання прискореного охолодження під час кристалізації зі швидкістю 25°/с, яка перевищує в 5…20 разів швидкості, притаманні промисловим умовам охолодження злитків масою 200…1000кг, евтектичний цементит пересичується не лише вольфрамом, але і вакансіями. Кардинально змінюється кінетика і мікрокартина перетворень, що відбуваються більш інтенсивно. Розвивається карбідний перехід через проміжну фазу: (W,Fе)₃С>(W,Fе)₆С + Fе₃С+А > WС + Fе₃С + А, (А - аустеніт), а паралельно з цією реакцією безпосередньо в цементиті виділяються монокарбіди вольфраму, тобто в кінцевому підсумку відбувається наступне: (Fе,W)₃С > WС + Fе₃С + А. Карбідне перетворення триває до повного розчинення метастабільних карбідів. Евтектична сітка в цьому випадку повністю трансформується, змінюючись на скупчення відокремлених карбідів. Така структура відповідає вимогам максимальної зносостійкості і пластичності. Тривалість таких перетворень визначається температурою витримки. Наприклад, при 950°С перетворення проходять протягом 2…4 годин, а при 1150°С - за 0,16…0,25 години.

В розділі розглянуті кінетичні та структурні особливості карбідного перетворення в евтектичному цементиті чавунів, легованих ванадієм в інтервалі від 0,50 до 8,0%. За допомогою електронної мікроскопії на просвітлення та рентгеноструктурного аналізу чавунних зразків доведено, що і в цьому випадку спостерігається розшарування цементиту, а утворення карбідів ванадію відбувається без дифузійного обміну з аустенітом та може здійснюватися через проміжну фазу, а мінімальна концентрація ванадію в карбіді заліза, що викликає його пересичення і розпад на карбіди МС, аустеніт і менш легований цементит під час відпалу, дорівнює 2,00…2,5%мас. Але цей показник, а також інтенсивність перетворення та кількість карбідів ванадію, що утворюються, і цементиту, що розпався, значною мірою залежить від чинників, що змінюють рівень стабільності останнього, а саме дефектності кристалічної будови і присутності графітизуючих елементів.

Аналіз одержаних результатів мікроструктурних досліджень та порівняння їх з відомостями про різноманітність та структурну близькість карбідів заліза, які мають різну стехіометрію (у тому числі карбід Хега), дозволяє рахувати причиною виникнення модульованих структур, що спостерігали у цементиті, як розшарування в першу чергу по вуглецю, яке сприяє формуванню в цих об'ємах іншої кристалічної ґратки. Введення карбідоутворюючих елементів в решітку Fе₃С може сприяти цій перебудові, завдяки посиленню неоднорідності по вуглецю, і викликати утворення нових фаз, у тому числі і проміжних, або навпаки приводити до перерозподілу вуглецю і сприяти утворенню своїх концентраційних флуктуацій на зразок зон Гіньє-Престона, що нивилюють створення модульованих структур по вуглецю і гальмують виділення нових карбідів, як у випадку з хромом.

Встановлено, що інтенсивність карбідних перетворень в евтектичному цементиті зростає зі збільшенням спорідненості легуючих елементів до вуглецю та дефектності кристалічної будови карбіду заліза і не залежить від наявності та завершеності перитектико-евтектичної реакції в сплавах.

В розділі представлені результати вивчення впливу модифікування і додаткового легування на формування структури і пластичність чавунів, що вміщують ванадій. Рекомендовано з метою подрібнення карбідного зерна і збільшення частки евтектики на базі карбіду ванадію використовувати ітрій, цирконій, а також азот, що сприяє більш інтенсивному розвитку карбідного перетворення. деформований чавун ледебуритний прокат

Встановлено, що додаткове легування ванадійвміщуючих чавунів молібденом і вольфрамом до 1% сприяє зміні співвідношення ледебуриту і евтектики на базі карбіду ванадію на користь останньої. Розчиняючись в карбіді заліза молібден і вольфрам частково заміщують ванадій, знижуючи його концентрацію. Проте, це не перешкоджає розвитку карбідного перетворення і виділенню карбідів типу МС. Тому додаткове легування цими елементами в цілях підвищення, наприклад прогартовуваності, не призводить до зниження пластичності і є допустимим і бажаним. Це дозволило запропонувати склади білих економно легованих чавунів для обробки тиском, вміст ванадію в яких знижений до 1.0...1.5%, при цьому загальна кількість карбідної складової не зменшується.

Четвертий розділ присвячено вивченню поведінки білих доевтектичних чавунів, легованих карбідоутворюючими елементами, та їх структурних складових під час гарячої деформації при різних способах навантаження та швидкостях, а саме при крученні, стисканні і прокатці на лабораторному стані. Випробування та склади чавунів, легованих різними карбідоутворюючими елементами, вибирали таким чином, щоб не лише визначити рівень пластичності, але й з'ясувати закономірності впливу структурних особливостей на їх поведінку в процесі деформації (табл. 1). Наприклад, у розділі представлені залежності кількості обертів до руйнування (n) від температури, по яких можна судити про рівень пластичності, а також істинні криві течії сплавів, що характеризують особливості їх поведінки.

Таблиця 1. Хімічний склад чавунів, що випробували на гаряче кручення

Оскільки економне легування передбачає мінімізацію дорогих добавок, а зносостійкість забезпечується достатньою кількістю в структурі карбідної фази, то при дотриманні цих двох умов переважною евтектичною складовою у вибраних для випробувань чавунах був ледебурит. Випробуванням піддавали також чавуни, які можна віднести до нелегованих (хром менше 1% мас. додавали для гарантії відбілювання) з різним вмістом вуглецю, тобто з різним ступенем евтектичності. Об'ємна частка карбідної складової у сплавах 2,3 ,4 і 5 відповідає 25…28%. У сплаві 1 (табл. 1) кількість карбідів менше 20%, а в сплавах легованих вольфрамом і молібденом (сплави 6,7) близько 30%. У розділі встановлено причини різного рівня пластичності даних сплавів.

Причини низької пластичності чавунів, легованих вольфрамом і молібденом, пояснюються, в першу чергу, особливостями морфології евтектичних фаз, які формуються при роздільній евтектичній кристалізації, що спровокована цими елементами. Конгломератна структура у вигляді суцільної карбідної сітки з монолітного легованого молібденом або вольфрамом цементиту, не дивлячись на те, що в ньому спостерігаються карбідні перетворення, зберігається навіть при тривалому відпалі або термоциклюванні. Цементит, маючи нееластичну гратку та значну долю направленої ковалентної складової хімічного зв'язку, перешкоджає пластичній течії аустеніту. Тріщини виникають на кордоні А/Ц, а інколи і розтинають карбідний масив. Граничні напруги концентруються на міжфазовому кордоні і досягають межі міцності раніше, ніж в карбіді заліза стануться які-небудь акти пластичної деформації. Карбідне перетворення безпосередньо в процесі самої деформації не відбувається.

Легування карбіду заліза хромом, яке з одного боку не приводить до розвитку карбідного перетворення, що порушувало б суцільність евтектичного цементиту, з іншого боку все ж викликає в ньому якісні зміни, подібні до утворення зон Гіньє-Престона, які сприяють зміцненню цементиту і зниженню його пластичності. При легуванні чавунів ванадієм відбувається істотне підвищення пластичності, яке пояснюється пластифікуванням цементиту карбідним перетворенням і його специфікою.

Істинні криві течії експериментальних сплавів при крученні та стисканні з різними швидкостями проаналізували в порівнянні з такими ж кривими, отриманими для деяких сталей ( наприклад, ШХ15, Х9 ) . Крім цього спостерігали пульсуюче зниження напруги течії, як при крученні, так і в процесі стискування.

У нелегованих чавунах, незалежно від ступеня евтектичності, напруга течії підвищується із збільшенням ступеня деформації, при чому до е = 40% коефіцієнт зміцнення практично не знижується.

Легування викликає збільшення опору деформації. Характерною відзнакою при введенні ванадію є не лише інтенсивніше зміцнення вже при малих ступенях деформації, але і також поступове циклічне знеміцнення. Із збільшенням швидкості збільшується і опір деформації чавунів. Проте вид кривої текучості зберігається незалежно від температури випробувань.

Підвищення температури сприяє зниженню опору деформації чавуну. Зміни структури сплавів, легованих ванадієм, в процесі попереднього відпалу, під час якого відбувається карбідне перетворення сприяють також зниженню рівня напруги течії. Причому, чим інтенсивніше встигло воно пройти, тим більше знижується цей рівень. Але характер кривої течії завдяки розвиненню цього перетворення під час деформування зберігається, хоча спостерігається зниження напруги при збільшенні ступеню деформації.

При повторному навантаженні напруга течії зменшується більш, ніж в 2 рази. Металографічний аналіз таких зразків показав, що крихка карбідна складова в деяких місцях зруйнувалася і сталося злиття аустенітних зерен, що полегшує подальшу деформацію чавуну. Але й в цьому випадку характер кривої, загалом, зберігається.

Поведінка чавунів, легованих хромом до 4.5%, при стискуванні нагадує поведінку нелегованих чавунів, що містять 0,4...0,8% по масі хрому, тобто спостерігається безперервне зростання опору деформації, причому на істинних кривих пластичності так само спостерігається ділянка пружної деформації і площадка текучості, після чого знову відбувається зміцнення. Тільки рівень напруги течії на всіх ступенях деформування значно більший. В чавунах, легованих ванадієм, напруга течії також вища, ніж в нелегованих. У сплаві, що містить окрім хрому також 1,5% V при 1050°С на кривій течії з'являється ділянка, на якій спостерігається осциляція показників месдози, як і в випадку стискання зразків сплавів, легованих ванадієм, коли у цементиті відбувається карбідне перетворення. При додаванні ванадію 1,2…1,5% в хромистих ледебуритних чавунах в евтектичному цементиті також відбувається виділення карбідів МС.

Відомості про поведінку структурних складових при обробці тиском були доповнені результатами мікроструктурного і рентгеноструктурного аналізу прокатаних зразків. Формозміна досліджених сплавів забезпечується при взаємодії двох фаз - аустеніту і цементиту. У кожній з фаз процеси зміцнення і знеміцнення мають свої особливості. Тому приділяли увагу не лише вивченню закономірностей формування текстур і структуризації цементиту, але і формуванню зеренної структури аустеніту при високотемпературній дії і динамічній рекристалізації. За допомогою високотемпературної і кількісної мікроскопії визначено оптимальний режим відпалу перед деформацією: 680°С, 2 ч; 950°С, 2 ч; 680 °С, 4 ч., враховуючи мінімальний розмір зерен аустеніту, і розвиток карбідного перетворення в цементиті. Встановлено, що в процесі гарячої прокатки в аустеніті переважно відбувається динамічна рекристалізація, незалежно від легування чавуну, при цьому, незважаючи на деякі розбіжності в динаміці, формуються подрібнені рівноосні зерна. Разом із цим, виявлені істотні відмінності при легуванні цементиту в текстуроутворенні, в закономірностях зміцнення і знеміцнення.

Легування хромом і ванадієм, сприяє підвищенню опору деформування, та гальмує динамічну рекристалізацію, що розвивається в низьколегованому цементиті. Проте в карбіді (Fe,V)₃C виникаюче зміцнення при збільшенні ступеню деформації, тобто підвищення щільності дислокацій і концентрації точкових дефектів, сприяє інтенсивнішому виділенню часток VC і частково компенсується тим, що карбідне перетворення стимулює додаткову площину ковзання {111}.

В результаті, незважаючи на відсутність динамічної рекристалізації в цементиті, опір деформації чавуну монотонно знижується, а його пульсація пояснюється чергуванням етапів накопичення дефектів кристалічної будови під час деформації та вслід за цим реалізацією фазового перетворення. Цей ефект запропоновано називати дактилюванням (від англ. ductility-податливість, тягучість, пластичність). Завдяки цьому факту колонії ледебуриту здатні під час прокатки настільки сильно сплющуватися і витягуватися, що перетворюються навіть у волокна.

В п'ятому розділі розглянуто загальні закономірності структурних змін під час післядеформаційного нагріву, досліджені процеси, що відбуваються в карбідних фазах, а саме в цементиті, які призводять до формування поновленої тонкої структури. Розвиток статичного звороту та рекристалізації вивчали, спостерігаючи за зміною мікротвердості карбіду заліза, а також за допомогою рентгенографії (досліджень дебаєграм) та мікроструктурного аналізу.

Завдяки цьому було визначено, що температура початку рекристалізації цементиту в чавунах, легованих ванадієм, знижується від 1050єС (при ступеню деформації до 35%) до 975єС (при 55%) і до 950єС (при 65%). В чавунах, легованих хромом, молібденом та вольфрамом, рекристалізація взагалі не спостерігається. Це пояснюється впливом карбідного перетворення, яке відбувається безпосередньо під час деформування:

(Fe,V)₃C>0,06VC+0,9Fe₃C+0,02A,

де А - аустеніт. Коефіцієнти були визначені через баланс матеріалів на основі хімічного складу фаз, які беруть участь в реакції. Цей процес супроводжується зменшенням сумарного об'єму фаз.

Об?ємний ефект перетворення складає ?V/V= 0,048. Виникаючі при цьому напруги достатні для пошвидшення переміщення і виникнення додаткових вакансій. Взаємодія точкових і лінійних дефектів при безперервному під час деформування розпаді цементиту викликає деяке запізнення самої динамічної рекристалізації. Залежно від ступеню деформації і температури, при якій вона відбувається, далі під час відпалу превалює або зворот, або первинна рекристалізація. При порівнянні температурного інтервалу більш інтенсивного розвитку карбідного перетворення з температурами, при яких цементит рекристалізується, виявляється, що при гарячій деформації випереджуючим процесом, що превалює, є утворення карбідів ванадію, а при післядеформаційному відпалі вище температури початку рекристалізації - статична рекристалізація. Після викликаного нею знеміцнення знову спостерігається виділення дисперсних карбідів ванадію вже на нових дефектних місцях - межах зерен, що перетерпіли рекристалізацію.

При дослідженні впливу деформування методом гарячого кручення, яке переривали ізотермічними витримками при різних температурах, встановлено, що динамічна рекристалізація цементиту, легованого ванадієм, може відбуватися при повторному деформуванні, не відбуваючись на першому етапі. Це пояснюється двома причинами: при збільшенні кількості часток VC, що виділяються, стимулюються нові джерела генерування дислокацій, збільшуючи їх щільність, та зменшується концентрація ванадію у цементиті, тобто зменшується легованість карбіду заліза ванадієм, що сприяє стриманню рекристалізаційних змін завдяки посиленню ковалентної складової міжатомних зв'язків.