Закономірності структуроутворення та властивості композиційних матеріалів з метастабільними складовими

Фактори, що впливають на процеси структуроутворення композиційних матеріалів з метастабільними складовими

Проаналізовано можливість прогнозування характеру процесів структуроутворення, що відбуваються на границях поділу досліджених композиційних матеріалів, на підставі врахування структурного й атомного об'ємного факторів чи порівняння фізико-хімічних (температура плавлення, питома енергія зв'язку і т.ін.) або електрохімічних властивостей (електронегативність тощо) контактуючих фаз. Зроблено висновок, що закономірності структуроутворення не вдається однозначно пояснити тільки на основі аналізу впливу вищевказаних факторів.

Показано, що термодинамічний підхід добре пояснює ряд особливостей процесів, що спостерігаються на границях поділу між дослідженими сплавами-наповнювачами і металевими зв'язками, встановлених експериментально, однак не розкриває їх механізму. Механізм процесів структуроутворення пояснено на електронному рівні в рамках моделі конфігураційної локалізації валентних електронів, запропонованої Г.В.Самсоновим. Показано, що такий підхід дозволяє прогнозувати характер процесів контактної взаємодії, які є важливим етапом структуроутворення границь поділу між багатокомпонентними нерівноважними системами, розглянутими в даній роботі, для яких розрахунок енергії взаємодії за діаграмами стану відрізняється підвищеною складністю чи є неможливим через відсутність даних.

Серед розплавлених зв'язок здатність до змочування зростає в напрямку від розплавів на основі міді до розплавів на основі заліза, тобто в напрямку убування стабільності і статистичної ваги d10-станів і збільшення акцепторної здатності змочуючого металу. Змочування і швидкість розчинення сплавів-наповнювачів підвищуються зі зростанням їх донорної здатності. Донорна здатність сплавів на основі вольфраму збільшується в порівнянні зі сплавами на основі хрому і титану зі зменшенням статистичної ваги атомних стабільних конфігурацій (СВАСК) d5 карбідоутворюючого металу, а в порівнянні зі сплавами на основі заліза зі зниженням стабілізації sp3-конфігурацій атомів вуглецю. Відповідно зменшенню частки нелокалізованих електронів і донорної здатності карбідних сплавів їх змочування і швидкість розчинення в розплавах знижуються в ряді: (W-C)(Fe-Cr-C)(Fe-C)(Fe-C-B)(Cr-Ti-C).

Зони контактної взаємодії I типу спостерігаються на границях поділу в тому випадку, коли дифузія атомів твердого сплаву можлива завдяки акцепторним властивостям змочуючого металу, атоми якого здатні захоплювати валентні електрони компонентів твердого сплаву. А дифузія атомів компонентів розплавленого металу не відбувається, оскільки це не може викликати значного зменшення СВАСК у кожній з контактуючих речовин і є енергетично невигідним.

Утворення зон контактної взаємодії II типу на границях поділу композиційних матеріалів супроводжується посиленням дифузійного переносу атомів компонентів зв'язки в наповнювач зі зростанням акцепторної здатності просочуючого металу та донорної здатності фаз твердого сплаву.

Зони контактної взаємодії III типу формуються, якщо атоми рідини дифундують у фази наповнювача з більшою часткою нелокалізованих електронів у великій кількості. Завдяки дезорієнтації і частковому розриву зв'язків у кристалічних гратках цих фаз полегшуються зародження та переміщення дислокацій. Тому збільшення вмісту дифундуючого елемента може відбуватися доти, поки вивільнювана за рахунок зростання СВАСК енергія не зрівняється з енергією, необхідною для утворення зародка рідкої фази. Завдяки утворенню такого зародка зменшуються затрати енергії на розрив зв'язків атомів твердого тіла при перетворенні його в рідину при розчиненні.

При дифузії атомів розплаву в фази наповнювача, що характеризуються порівняно високим СВАСК і меншою часткою нелокалізованих електронів, зростає роль границь зерен твердого сплаву, де зосереджені атоми з найбільш порушеними електронними конфігураціями і пониженим СВАСК.

Дослідження властивостей наповнювачів і зв'язок, виготовлених з евтектичних і перитектичних сплавів Fe-С, Fe-C-В і Fe-B-C, та композиційних матеріалів на їх основі

На підставі проведених досліджень в якості базових сплавів для розробки складів композиційних матеріалів було вибрано евтектичні та перитектичні сплави на основі заліза, що містять бор і вуглець. Ці сплави характеризуються високим опором корозії в кислих і нейтральних середовищах, оскільки легування бором забезпечує сповільнення катодного й анодного процесів розчинення. Досліджені розчини кислот і солей можна розташувати в наступний ряд у порядку зростання швидкості корозії сплавів Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C у цих розчинах: NaClNa2SО4СН3СООННСl Н3РО4Н2SО4НNО3. Зі збільшенням часу випробувань швидкість корозії досліджених сплавів у розчинах 0,5нН2SО4 і 3%Na2SО4 збільшується, а в розчинах 5нН3РО4, 5%НNО3, 1нНСl, 2нСН3СООН і 3нNaCl зменшується завдяки накопиченню на поверхні сплавів продуктів корозії, що сповільнюють процес руйнування.

Корозійна стійкість сплавів Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C є структурно-чутливою характеристикою. Швидкість корозії в більшості середовищ зростає при збільшенні об'ємного вмісту евтектик і кількості аустенітної фази в колоніях, а також при утворенні в структурі сплавів границь між первинною і перитектичною фазами. Корозійна стійкість сплавів Fe-B-C вище, ніж корозійна стійкість сплавів Fe-C-В. Мінімальними значеннями швидкості корозії характеризуються доевтектичні сплави
Fe-B-C, що містять до 50% евтектики, а також перитектично-евтектичні і заевтектичні сплави Fe-B-C, що містять до 10% евтектики.

Загальна мікротвердість і границя міцності на стиск сплавів Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C також залежать від їх структурного стану і фазового складу, досягаючи максимальних значень для заевтектичних і доевтектичних сплавів, відповідно. Причому зі збільшенням вмісту евтектик мікротвердість заевтектичних сплавів знижується, а границя міцності на стиск підвищується. Для доевтектичних сплавів твердість і границя міцності на стиск зростають зі збільшенням вмісту евтектик. З підвищенням швидкості охолодження сплавів Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C загальна мікротвердість безперервно зростає, а границя міцності на стиск спочатку в інтервалі Vохол = 10...3102К/с збільшується, а потім при подальшому підвищенні швидкості охолодження до 103К/с починає зменшуватися. Оптимальне поєднання мікротвердості і границі міцності на стиск досягається завдяки утворенню в структурі перитектичних сплавів Fe-B-C метастабільної евтектики Fe-Fe2(B,C).

Підвищену абразивну зносостійкість мають швидко охолоджені заевтектичні сплави Fe-B-C і Fe-C-В та перитектичні сплави Fe-B-C з метастабільними складовими, оскільки вони мають високу твердість, а процес зносу, в основному, відбувається за рахунок дряпання і різання абразивом. Максимальними значеннями газо-абразивної зносостійкості при кімнатній температурі відрізняються доевтектичні сплави Fe-B-C, охолоджені в інтервалі 10...300 К/с, які характеризуються підвищеною границею міцності на стиск. Це пов'язано з тим, що зношування в умовах дії газо-абразивного середовища відбувається не тільки за рахунок дряпання і різання абразивом, але і внаслідок утомного руйнування, викликаного багаторазовим пластичним передеформуванням поверхні, яка зношується. При температурі випробувань 473 К і вище найбільшим опором газо-абразивному зносу характеризуються перитектичні та перитектично-евтектичні сплави Fe-B-С, що містять 85...95% фази Fe2(В,С), яка має високу окалиностійкість.

Проведені дослідження показали, що евтектичні та перитектичні залізоборвуглецеві сплави мають комплекс фізико-хімічних, механічних і технологічних властивостей, який дозволяє використовувати їх в залежності від вмісту бору та вуглецю як в якості зв'язок композиційних матеріалів з наповнювачами W-C чи Cr-Ti-C, так і в якості наповнювачів композиційних матеріалів з латунною зв'язкою.

Властивості композиційних матеріалів, до складу яких у якості зв'язок або наповнювачів входять евтектичні чи перитектичні сплави на основі заліза, що містять бор і вуглець, у більшості випадків корелюють з властивостями вихідних зв'язок або наповнювачів. Але, крім того, властивості композиційних матеріалів залежать від властивостей границь поділу між наповнювачем і матрицею, які визначаються механізмом та кінетикою процесів формування цих границь при просоченні.

Корозійна стійкість досліджених композиційних матеріалів, в основному, зв'язана прямою залежністю з корозійною стійкістю наповнювачів і зв'язок Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C, зменшуючись при збільшенні об'ємного вмісту евтектик Fe-Fe3(С,В) і Fe-Fe2(В,С) і кількості аустенітної фази в колоніях, а також з появою в структурі сплавів границь між первинною і перитектичною фазами. Антикорозійні властивості композиційних матеріалів з латунною зв'язкою погіршуються, особливо в сірчистих середовищах, у порівнянні з властивостями вихідних наповнювачів Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C. Однак вони значно підвищуються (до 75 разів у розчині азотної кислоти; більш, ніж у 110 разів, у розчині фосфорної кислоти і до 250 разів у розчині сірчаної кислоти) для композиційних матеріалів з наповнювачами W-С і Cr-Ti-С та евтектичною зв'язкою Fe-B-C у порівнянні з властивостями вихідної зв'язки.

Руйнування композиційних матеріалів у досліджених корозійних середовищах починається з границь поділу між наповнювачем і матрицею. Тому на корозійну стійкість впливає їх структура, яка, в тому числі, визначається швидкістю розчинення наповнювача в розплавленій зв'язці. Швидкість корозії вивчених композиційних матеріалів зростає зі збільшенням швидкості розчинення наповнювачів. Тому максимальною корозійною стійкістю відрізняються композиційні матеріали, в яких структура зон контактної взаємодії відповідає II типу та формується за умови t. Максимальні антикорозійні властивості мають композиційні матеріали з евтектичною зв'язкою Fe-B-C і наповнювачем W-С або композиційні матеріали з латунною зв'язкою і перитектичним наповнювачем Fe-B-C за умови запобігання утворенню перліту на границях поділу в останніх.

Абразивна зносостійкість композиційних матеріалів зростає зі збільшенням мікротвердості, а газо-абразивна - з підвищенням границі міцності на стиск структурних складових композиційних матеріалів при зміні їх складу чи швидкості охолодження при виготовленні. Це пояснюється різницею механізмів зносу композиційних матеріалів у абразивному й газо-абразивному середовищах. При дії абразивного середовища руйнування поверхні відбувається за рахунок дряпання і різання абразивом. При газо-абразивному зносі додатково відбувається пластичне передеформування, в основному, поверхні матриці при її бомбардуванні абразивними частками. Тому максимальним опором абразивному й газо-абразивному зносам при кімнатній температурі характеризуються композиційні матеріали з евтектичними зв'язками Fe-B-C і наповнювачем W-С.

Стійкість досліджених композиційних матеріалів в умовах абразивного й газо-абразивного зносів також залежить від адгезії наповнювача і матриці. Зносостійкість підвищується зі зростанням швидкості розчинення сплавів-наповнювачів у розплавлених зв'язках при збільшенні температури і тривалості просочення чи появі метастабільних фаз у їх структурі, якщо швидке розчинення наповнювача не приводить до появи певних фаз на границях поділу. До числа таких фаз належать перліт, присутній на границях поділу між наповнювачами на залізній основі та латунною матрицею, а також аустеніт і фаза Fe3W3С, що кристалізуються на границях поділу в композиційних матеріалах з наповнювачем W-С і евтектичною зв'язкою Fe-B-C. Оптимальна структура зон контактної взаємодії в композиційних матеріалах, які призначені для роботи в абразивному чи газо-абразивному середовищах, відповідає II типу та утворюється за умови t.

При збільшенні температури газо-абразивних випробувань до 773 К опір зносу композиційних матеріалів з латунною зв'язкою знижується, а з евтектичною зв'язкою Fe-B-C - підвищується. Це пов'язано з різною кінетикою процесу окислення, насамперед, матриці композиційних матеріалів. У випадку матеріалів із залізною зв'язкою на поверхні утворюється захисна плівка окислів, що сповільнюють процеси окислення та руйнування. На поверхні зразків композиційних матеріалів з латунною зв'язкою виникають окисні шари великої товщини, що швидко руйнуються під ударами абразиву, прискорюючи знос матриці. Тому максимальну газо-абразивну зносостійкість при підвищених температурах мають композиційні матеріали з наповнювачем Cr-Ti-С і евтектичними зв'язками Fe-B-C, структурні складові яких відрізняються найбільшою окалиностійкістю.

Абразивна і газо-абразивна зносостійкість композиційних матеріалів з наповнювачем W-С і евтектичною зв'язкою Fe-B-C може бути підвищена без погіршення корозійної стійкості шляхом зниження швидкості розчинення карбідів вольфраму в зв'язці і запобігання утворенню фаз Fe3W3С і -Fe у структурі границь поділу між наповнювачем і матрицею. Для композиційних матеріалів з наповнювачем Cr-Ti-С і евтектичною зв'язкою Fe-B-C ця задача не є актуальною, оскільки реалізація процесів контактної взаємодії між наповнювачем і матрицею сприяє зростанню абразивної і газо-абразивної зносостійкості, а корозійна стійкість регулюється правильним вибором температурно-часових параметрів просочення. Експлуатаційні характеристики композиційних матеріалів з наповнювачами Fe-C, Fe-C-В і Fe-B-C і латунною зв'язкою, які призначені для роботи в абразивному та газо-абразивному середовищах, можуть бути підвищені за рахунок збільшення швидкості розчинення наповнювача в матриці, а в корозійних середовищах - за рахунок її зменшення.

Розробка складів і технологій наплавлення композиційних покриттів на сталеві деталі

Розроблено склад комплексно легованої Al, Si, Мn і Р зв'язки на основі евтектичного сплаву Fe-B-C композиційного покриття з наповнювачем W-С, при просоченні якою знижується швидкість розчинення наповнювача завдяки тому, що квазірівновага на границях поділу досягається протягом проміжку часу t формуються зони контактної взаємодії II типу. В результаті запобігається утворення в структурі границь поділу між наповнювачем і матрицею фаз Fe3W3С і -Fe. Це забезпечує підвищення абразивної та газо-абразивної зносостійкості композиційних покриттів з евтектичною зв'язкою Fe-B-C-Al-Si-Mn-Р в інтервалі температур 293...773 К.

Показано, що розроблений сплав-зв'язка Fe-B-C-Al-Si-Mn-Р також характеризується підвищеними технологічними й експлуатаційними властивостями, такими як: легкоплавкість, рідкотекучість, корозійна стійкість, окалиностійкість, твердість і границя міцності на стиск тощо.

На основі вивчення газо-абразивної зносостійкості визначено оптимальний розмір і вміст часток наповнювача W-С у композиційному покритті з евтектичною зв'язкою Fe-B-C-Al-Si-Mn-Р. Розроблено температурно-часовий режим наплавлення пічним способом, що полягає в просоченні при температурі T = 141310 К протягом = 455 хвилин і охолодженні покриття в інтервалі температур T = 773...873 К зі швидкістю Vохол = 40...50 К/год. Цей технологічний режим забезпечує підвищення зносостійкості і запобігання тріщиноутворенню при просоченні. Рекомендовано режими механічної обробки композиційних покриттів після наплавлення, а також склади наплавочних матеріалів і технології ремонту композиційних покриттів.

Розроблено склади наповнювачів з метастабільними складовими на основі перитектичних сплавів Fe-B-C і евтектичних сплавів Fe-C-В, легованих хромом. Показано, що завдяки введенню хрому забезпечується поліпшення змочування і підвищення швидкості розчинення більш тугоплавких фаз наповнювачів у латунній зв'язці композиційних покрить. Це необхідно для збільшення міцності границь поділу з матрицею, які формуються за умови t. Сплави-наповнювачі Fe-Cr-B-C і Fe-Cr-C-В характеризуються тугоплавкістю, достатньою питомою вагою, високою корозійною стійкістю, окалиностійкістю, твердістю, границею міцності на стиск тощо.

Композиційні покриття з наповнювачами Fe-Cr-B-C чи Fe-Cr-C-В і латунною зв'язкою також мають високу стійкість у розчинах кислот і солей, опір окислюванню, абразивному й газо-абразивному зносам аж до температури 773 К. Використання наповнювачів Fe-Cr-B-C з метастабільними складовими, охолоджених зі швидкістю до 104К/с, забезпечує високі показники газо-абразивної зносостійкості композиційних матеріалів, а наповнювачів Fe-Cr-C-В - абразивної зносостійкості.

Розроблено оптимальний технологічний режим наплавлення пічним способом композиційного покриття з наповнювачем Fe-Cr-C-В і латунною зв'язкою, що полягає в просоченні при T = 127310 К протягом = 305 хвилин. Цей режим забезпечує одержання зносостійкої структури композиційного покриття і високу міцність біметалічного з'єднання покриття зі сталевою деталлю.

Промислові випробування комплексно легованої зв'язки Fe-B-C-Al-Si-Mn-Р композиційного покриття з наповнювачем W-С в умовах Криворізького металургійного комбінату “Криворіжсталь” показали підвищення терміну служби деталей металургійного устаткування, таких як вхідні патрубки гідронасосів гранустановок, наплавлених пічним способом, у 1,3...1,5 рази.

Новий склад композиційного покриття з наповнювачем Fe-Cr-C-В і латунною зв'язкою, а також технологія його наплавлення пройшли приймальні випробування та впроваджені в умовах Придніпровського ремонтно-механічного заводу для зміцнення і відновлення деталей енергетичного устаткування, що експлуатуються в умовах дії абразивного і корозійного середовищ, таких як: тарілки клинових засувок діаметрами 100...200 мм, колеса живильників тощо.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової і прикладної проблеми, що виявляється у визначенні закономірностей структуроутворення, механізмів і кінетики формування границь поділу в композиційних матеріалах, які містять різні за стабільністю фазові складові, в тому числі метастабільні, з метою створення складів і технологій одержання композиційних матеріалів з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Уперше досліджено закономірності структуроутворення, механізми і кінетику формування границь поділу, що утворюються в композиційних матеріалах між зв'язками на основі міді чи заліза та сплавами-наповнювачами на основі заліза, хрому чи вольфраму, які містять різні за стабільністю фазові складові, в тому числі метастабільні.

Уперше вивчено процеси змочування і розчинення, що відбуваються при формуванні границь поділу в досліджених композиційних матеріалах. Установлено три типи часових залежностей кутів змочування і ширини зон контактної взаємодії для трьох різних співвідношень між тривалістю контакту () твердого тіла з розплавленим металом і проміжком часу (t), необхідним для досягнення квазірівноважних умов на границі поділу, а саме для: t>>, t і t<<. Показано, що зі збільшенням швидкість розчинення фаз евтектичних чи перитектичних сплавів-наповнювачів в розплавленій зв'язці зростає, а компоненти розплавленого металу дифундують у них при просоченні в більшій кількості. Для кожного діапазону швидкостей розчинення визначено тип структури границі поділу та механізм її структуроутворення.

Установлено, що при контакті сплавів на основі заліза чи вольфраму, що мають евтектичну структуру, з розплавленим металом відбувається розчинення обох фаз із приблизно однаковою швидкістю, якщо на границі поділу цих фаз з рідиною протягом просочення досягаються квазірівноважні умови, тобто t чи t<<. Вибірне розчинення однієї, більш легкоплавкої і/чи менш стійкої, евтектичної фази відбувається з більшою швидкістю, а розчинення другої, більш тугоплавкої і/чи більш стійкої, фази відсутнє або відбувається з набагато меншою швидкістю, коли для евтектичної фази, яка розчиняється швидше, квазірівновага на границі поділу не встановлюється (t>>). При просоченні розплавлена зв'язка проникає всередину наповнювача вздовж границь евтектичних колоній і границь між евтектичними фазами, які утворюються в структурі евтектичних сплавів-наповнювачів.

Уперше показано, що при просоченні твердих сплавів на основі заліза чи хрому, що мають перитектичну структуру, спостерігається розчинення обох фаз перитектичного сплаву з малою швидкістю (t<<), розчинення обох фаз з більшою швидкістю (t) або вибірне розчинення перитектичної фази з максимальною швидкістю (t>>). При просоченні відбувається переважне проникнення розплавленої зв'язки всередину наповнювача вздовж границь менш стійкої перитектичної фази. Глибина проникнення зв'язки вздовж цих границь зростає у випадку утворення тут метастабільних фаз. Розплавлений метал не проникає всередину наповнювача вздовж границь між первинною та перитектичною фазами.

Уперше встановлено, що при збільшенні швидкості охолодження при виготовленні вихідних сплавів-наповнювачів, що мають евтектичну структуру, швидкість їх розчинення в розплавленому металі зменшується, а сплавів-наповнювачів, що мають перитектичну структуру - збільшується. Зниження швидкості розчинення швидко охолоджених евтектичних сплавів пов'язане зі збільшенням однорідності їх структури, а підвищення швидкості розчинення швидко охолоджених перитектичних сплавів - зі збільшенням ступеня незавершеності перитектичної реакції.

Експериментально встановлено, що в процесі просочення швидкість розчинення евтектичного аустеніту, що утворюється в структурі наповнювачів на основі заліза, зростає в розплавах на основі міді в наступному ряді: Fe-Fe3(С,В)(Fe,Cr)-(Fe,Cr)3(С,В)(Fe,Cr)-(Fe,Cr)3СFe-Fe2ВFe-Fe2(В,С)(Fe,Cr)-(Fe,Cr)2(В,С); швидкість розчинення тугоплавких евтектичних фаз - у ряді: Fe2BFe2(B,C) (Fe,Cr)2(B,C)Fe3(C,B)Fe3C(Fe,Cr)3(С,В)(Fe,Cr)3C; а перитектичних фаз - у наступній послідовності: (Cr,Ti)7C3Fe2BFe2(B,C)(Fe,Cr)2(B,C).

Показано, що процеси структуроутворення границь поділу в досліджених композиційних матеріалах, які контролюються процесами розчинення і дифузії, можна проаналізувати на електронному рівні в рамках моделі конфігураційної локалізації валентних електронів, запропонованої Г.В.Самсоновим. Інтенсивність цих процесів зростає зі збільшенням акцепторної здатності компонентів зв'язок і донорної здатності компонентів наповнювача.

Експериментально встановлено, що корозійна стійкість досліджених евтектичних і перитектичних сплавів на основі заліза, які містять бор і вуглець, зростає зі зменшенням вмісту евтектик, об'єму аустенітної фази в евтектичних колоніях і появою границь між первинною і перитектичною фазами. Для всіх складів вивчених сплавів швидкість корозії в розчинах кислот і солей збільшується в наступній послідовності: NaClNa2SО4СН3СООННСlН3РО4Н2SО4НNО3, що може бути використаним при створенні покриттів з підвищеними антикорозійними властивостями.

Показано, що твердість досліджених евтектичних і перитектичних сплавів на основі заліза, що містять бор та вуглець, підвищується зі збільшенням швидкості охолодження при виготовленні до 103К/с, а границя міцності на стиск - зі збільшенням швидкості охолодження до 300 К/с. Твердість заевтектичних сплавів зростає зі зменшенням вмісту евтектик у їх структурі, а доевтектичних сплавів - з його збільшенням. Границя міцності на стиск безперервно підвищується зі зростанням об'ємного вмісту евтектик у структурі сплавів.

Показано, що абразивна зносостійкість досліджених евтектичних і перитектичних залізоборвуглецевих сплавів збільшується зі зростанням їх твердості. Газо-абразивна зносостійкість при кімнатних температурах підвищується зі збільшенням границі міцності на стиск сплавів, а при температурах випробувань до 773 К - також зі зростанням їх окалиностійкості. Виявлену різницю пояснено додатковим внеском механізму втомного руйнування поверхні в газо-абразивному середовищі в порівнянні з механізмом зносу в абразивному середовищі.

Установлено, що в розчинах кислот і солей в першу чергу руйнуються границі поділу між наповнювачем і матрицею композиційних матеріалів. Тому їх опір корозії визначається структурою зон контактної взаємодії, яка залежить від швидкості розчинення сплавів-наповнювачів у розплавлених зв'язках. Показано, що зі збільшенням швидкості розчинення наповнювача антикорозійні властивості досліджених композиційних матеріалів погіршуються. Тому максимальну корозійну зносостійкість мають композиційні матеріали, в яких на границях поділу протягом просоченням досягаються квазірівноважні умови, а структура зон контактної взаємодії належить до II типу і утворюється за умови t.

Установлено, що опір руйнуванню в абразивному і газо-абразивному середовищах у інтервалі температур 293...773 К залежить від твердості матриці і міцності границь поділу між наповнювачем і матрицею. Зносостійкість у зазначених середовищах підвищується зі збільшенням швидкості розчинення наповнювача в розплавленій зв'язці за умови відсутності певних фаз на границях поділу. Підвищеною зносостійкістю відрізняються композиційні матеріали, в яких на границях поділу протягом просочення досягається квазірівновага, а структура зон контактної взаємодії відповідає II типу і формується за умови t.

Розроблено склад і технологію наплавлення пічним способом композиційних покриттів з наповнювачем W-С і комплексно легованою Si,Al,Mn,P зв'язкою на основі евтектичного сплаву Fe-B-C. Склад і технологія наплавлення пройшли промислові випробування в умовах Криворізького металургійного комбінату, що показали підвищення стійкості деталей металургійного устаткування, таких як вхідні патрубки гідронасосів гранустановки доменної печі, наплавлених новим композиційним матеріалом, у 1,3...1,5 рази.

Розроблено склади і технології наплавлення пічним способом композиційних матеріалів з латунною зв'язкою і евтектичним Fe-C-В або перитектичним Fe-B-C сплавами-наповнювачами, легованими Cr. Склади і технології наплавлення пройшли приймальні випробуванні і впроваджені в умовах Придніпровського ремонтно-механічного заводу для зміцнення широкої номенклатури деталей енергетичного устаткування, що працюють у абразивному середовищі, таких як тарілки клинових засувок діаметрами 100...200 мм, колеса живильників і т.ін. Підтверджено, що розроблені композиційні покриття характеризуються відсутністю дефектів, технологічністю, підвищеною експлуатаційною стійкістю.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних роботах

Суховая Е.В., Бутенко В.Ф. Структурообразование в области контакта хромтитанового карбида с железобористым расплавом // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов.- Днепропетровск: ДГУ.- 1984.- С.52-58.

Мирошниченко И.С., Спиридонова И.М., Суховая Е.В. Адсорбционные процессы при контакте стали с расплавами Fe-B-C // Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов.- Днепропетровск: ДГУ.- 1985.- С.35-41.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Бутенко В.Ф., Новодран А.Н. Борсодержащие композиционные материалы для наплавки клапанов доменных печей // Наплавка при изготовлении деталей машин и оборудования.- Киев: ИЭС.-1986.- С.34-40.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Шмелев А.Ю., Бутенко В.Ф. Особенности формирования межфазных границ раздела композиционных материалов на основе боридов железа // Адгезия расплавов и пайка материалов.- 1993.- №29.- С.47-51.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Бутенко В.Ф., Жудра А.П., Литвиненко А.И., Белый А.И. Структура и свойства борсодержащих железных гранул для наплавки // Порошковая металлургия.- 1993.- №2.- С.45-49.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Ющенко К.А. Фазовый состав сплавов системы Fe-B-C, используемых в композиционных покрытиях // Автоматическая сварка.- 1995.- №6.- С.13-16.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Ющенко К.А. Влияние структуры композитов с железной матрицей, содержащей бор на процессы износа // Автоматическая сварка.- 1995.- №7.- С.25-27.

Spiridonova I.M., Sukhovaya E.V., Balakin V.P. Structure and deformation peculiarities of Fe(B,C) crystals // Metallurgia.- 1996.- Vol.35, №. 2.- P.65-68.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В. Закономерности структурообразования и свойства литых композиционных материалов на основе боридов железа // Процессы литья.- 1998.- №1.- С.62-64.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Vashchenko A.Р. Multicomponent diffusion processes in boride-containing composite materials // Metal Physics and Advanced Technologies.- 1999.- Vol.21, №2.- Р.122-125.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Пиляева С.Б. Фазовый состав быстроохлажденных сплавов Fe-B-C // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка.- 1999.- №5.- С.33-38.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Ващенко А.П. Перспективы развития исследований и разработки новых композиционных материалов для применения в машиностроительном производстве // Сучасне машинобудування.- 1999.- №1.- С.46-49.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Vashchenko A.Р. Deformation and fracture of structural materials under high-rate strain // Metallurgia.- 2000.- Vol. 39, №2.- P.89-92.

Суховая Е.В. Исследование процессов контактного взаимодействия на границах раздела карбида Cr-20Ti-10C с расплавами на основе меди и железа // Вісник Дніпропетровського університету.- 2000.- №6.- С.39-44.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Vashchenko A.Р. Peculiarities in steel behavior under high-rate tension // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій.- Львів: Каменяр.- 2000.- №4.- С.260-265.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Шмелев Ю.С. Особенности структурообразования при взаимодействии карбидов вольфрама, хрома и титана с расплавами на железной основе // Металловедение и термическая обработка (Днепропетровск).- 2001.- № 2(13).- С.38-45.

Spiridonova I. М., Sukhova О.V. Cr-20Ti-10C particulate metal matrix composites // Фізика і хімія твердого тіла.- 2002.- № 3.- С.503-507.

Sukhova О.V. Microstructure and properties of Fe-B-C/W-C interfaces in metal matrix composites // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка.- 2002.- № 9.- С.15-18.

Спиридонова І.М., Сухова О.В. Формування структури міжфазних границь поділу при взаємодії карбідів вольфраму, заліза, хрому та титану з розплавами на мідній основі // Матеріалознавство і термічна обробка (Київ).- 2002.- №4.- С.9-12.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Безрукавая О.Г. Особенности формирования межфазных границ раздела (Fе-B-C)/Л62 в композиционных материалах // Теория и практика металлургии.- 2002.- № 4.- С.45-48.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Пиляева С.Б., Безрукавая О.Г. Ремонт деталей металлургического оборудования с использованием композиционных покрытий, содержащих бориды железа // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2002.- № 3.- С.58-61.

Спиридонова І.М., Сухова О.В., Безрукава О.Г. Фазові перетворення в композиційних матеріалах з залізними зв'язками, що містять бор та вуглець // Доповіді НАН України.- 2002.- № 10.- С.93-97.

Спиридонова И.М., Пиляева С.Б., Суховая Е.В., Зинковский Г.В. Особенности неоднородного строения железоборуглеродистых сплавов // Вісник Дніпропетро-вського університету. Фізика. Радіоелектроніка.- 2002.- №8.- С.32-44.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Пиляева С.Б. Износостойкие композиционные покрытия с наполнителями Fe-B-С // Автоматическая сварка.- 2003.- №1.-С.31-34.

Устройство для испытания материалов на абразивный износ: А.с. 1341540 СССР, МКИ 4 G 01 N 3/56 / В.В.Долматов, В.В.Полях, Е.В.Суховая (СССР).- № 3931489/25-28; Заявлено 17.07.85; Опубл. 30.09.87, Бюл. №36.- 4 с.

Додатково за темою дисертації опубліковано:

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Сердюк Е.Б. Микроструктурные исследования фазовых превращений в сплавах FeB-FeBx-C для полупроводниковых термопар // Труди I Укр. конф. молодих вчених і спеціалістів “Фiзика i хiмiя складних напiвпровiдникових матерiалiв”.- Ужгород: УДУ.-1992.- С.77-79.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Зинковский Г.В., Пиляева С.Б., Макаренко О.Д. Влияние состава и скорости охлаждения железного наполнителя на структурообразование композиционных материалов с латунной связкой Л62 // Труды научн.-техн. конф. с межд. участием "Металознание, металолеене і термично обработване".- Казанлык (Болгария).- 1996.- Т.1.- С.206-211.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V. Application of the Fe-B-C-Al-Si-Mn-P non-equilibrium phase diagram to composite materials design // Abstracts of the 5th Int. School “Phase diagrams in material science”.- Katsyvely (Ukraine).- 1996.- P.112.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Fedash V.V. Corrosion-resistant composite materials based on iron borides // Proc. the European Corrosion Congress.- Trondheim (Norway).- 1997.- Vol.2.- P.575-580.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Balakin V.V. Iron matrix composites with high wear resistance // Proc. the 6th International Metallurgical Symp. “Metal-97”.- Ostrava (Czech).- 1997.- Vol.3.- Р.191-194.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Pilyaeva S.B., Zinkovsky G.V., Makaren-
ko O.D. Investigation of wear resistance and failure mechanism of the composites based on alloyed Fe-C alloy // Proc. International Conf. “Fractography'97”.- The High Tatras (Slovakia).- 1997.- P.468-470.

Spiridonova I. М., Sukhovaya Ye.V., Shmelev Yu.S. Application of configurational model of substance to explanation of strength and plasticity 0f the (Fe-B-C)-based alloys // Мат. 3-й межд. конф. "Физические явления в твердых телах".-Харьков (Украина).- 1997.- С.127.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Пиляева С.Б. Износостойкие композиционные материалы с наполнителями на железной основе // Труды межд. конф. “Технология ремонта машин и механизмов".- Киев (Украина).- 1998.- С.72-75.

Sukhovaya E.V., Vashchenko A.Р. Metal matrix composite coating based on iron borides // Proc. World Congress & Exhibition "Powder Metallurgy".- Granada (Spain).- 1998.- Vol.5.- P.136-139.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V. Production of boron-containing iron powders by the rotating electrode process // Proc. World Congress & Exhibition "Powder Metallurgy".- Granada (Spain).- 1998.- Vol.1.- P.197-201.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V. Corrosion-resistant metal matrix composite coatings // Proc. the 7th International Metallurgical Symp. “Metal-98”.- Ostrava (Czech).- 1998.- Vol.4.- P.185-188.

Spiridonova I. М., Vashchenko A.Р., Sukhovaya E.V. Mechanical properties of steels under high-rate tension // Proc. the 7th International Metallurgical Symp. “Metal-98”.- Ostrava (Czech).- 1998.- Vol.1.- P.149-154.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V., Vashchenko A.Р. Metastable growth of FeB crystals // Abstract Book of the 12th International Conf. on Crystal Growth (ICCG12).- Jerusalem (Israel).- 1998.- P.429.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Ващенко А.П. Особенности структурообразования композиционных материалов на основе боридов железа // Тезисы 19-й межд. конф. "Композиционные материалы в промышленности".- Киев (Украина).- 1999.- C.172-173.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В., Пиляева С.Б. Исследование эвтектических составляющих в контактной зоне (Fe-B-C)-Л62 // Труды межд. конф. "Эвтектика-V".- Днепропетровск (Украина).- 2000.- С.227-229.

Spiridonova I. М., Sukhovaya E.V. Diffusion processes at the interfaces of chromium-titanium carbide with iron- and copper-based melted alloys // Abstract booklet of the 5th International Conf. on Diffusion in Materials.- Paris (France).- 2000.- P.326.

Spiridonova I. М., Sukhova О.V., Butenko V.F. Metastable phases at the interfaces of boron-containing composite materials // Abstracts of the 6th Int. School-Conference “Phase diagrams in Materials Science”.- Kiev (Ukraine).- 2001.- P.230.

Спиридонова И.М., Суховая Е.В. Структура и особенности смачивания сплава Cr-20Ti-10C расплавленными металлами // Труды межд. конф. “Строительство, материаловедение, машиностроение”.- Днепропетровск (Украина).- 2001.- Вып.12.- С.139-140.

Spiridonova I. М., Sukhova О.V., Fedosov V.F. Formation of composite layers on the surface of rolling equipment // Proc. the 11h International Metallurgical Conf. “Metal 2002“.- Ostrava (Czech Republic).- 2002.- P.203-205.

Spiridonova I. М., Sukhova О.V., Butenko V.F. Wear-resistant W-C and Cr-Ti-C particulate composites // Proc. International Conf. “Science for materials in the frontier of centuries: advantages and challenges”.- Kiev (Ukraine).- 2002.- P.605-606.

Аналіз особистого внеску дисертанта в публікаціях вказує на високий ступінь самостійності виконаних досліджень, написання статей. З наведеного списку 2 праці належать особисто авторові, інші 43 виконані зі співавторами. В наведених роботах, що опубліковані зі співавторами, особисто здобувачу належать:

[1], [4], [9], [12], [17], [22], [32], [34] [41], [42] - формулювання мети і постановка задачі дослідження, металографічний аналіз, виміри кутів змочування, обробка та тлумачення результатів, висновки;

[2], [3], [5]-[8], [10], [11], [13], [20], [23], [24], [26]-[28], [39] - розрахунки, металографічний аналіз, визначення властивостей, обробка та узагальнення результатів;

[16], [19], [31], [40] - формулювання мети досліджень, металографічний аналіз, виміри та розрахунки кутів змочування, висновки;

[15], [30], [33], [35]-[38], [43] - визначення властивостей, висновки;

[25] - формула винаходу, дослідження властивостей;

[21], [29], [44], [45] - розробка технологій одержання композиційних матеріалів, проведення досліджень, обробка результатів.

Анотація

Сухова О.В. Закономірності структуроутворення та властивості композиційних матеріалів з метастабільними складовими. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2003 р.

Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей структуроутворення композиційних матеріалів з метастабільними складовими і створенню принципів цілеспрямованого керування їх експлуатаційними властивостями. Запропоновано критерій для класифікації структури границь поділу в композиційних матеріалах у залежності від стійкості фаз наповнювачів при дії розплавлених зв'язок. Закономірності структуроутворення досліджених композиційних матеріалів пояснено на електронному рівні в рамках моделі конфігураційної локалізації валентних електронів. Розроблено склади і технології просочення пічним способом нових композиційних матеріалів з метастабільними складовими, призначених для зміцнення поверхні деталей металургійного і енергетичного устаткування. Основні результати роботи пройшли промислові випробування і впроваджені в умовах Криворізького металургійного комбінату та Придніпровського ремонтно-механічного заводу.

Ключові слова: композиційний матеріал, наповнювач, зв'язка, просочення, границя поділу, структуроутворення, стабільність, метастабільні складові, квазірівновага, твердість, міцність на стиск, корозійна стійкість, окалиностійкість, зносостійкість.

Abstract

Sukhova O.V. Regularities in structure formation and properties of the composites containing metastable constituents.- Manuscript.

Thesis for a Doctor's Degree by specialty 05.16.01.- Material Science and Thermal Treatment of Metals.- National Academy of Metallurgy of Ukraine, Dnipropetrovs'k, 2003.

The thesis is devoted to the investigation of the regularities in structure formation of the composites containing metastable constituents and to the creation of the principles of target-oriented control of their performance properties. The criterion to classify the structure of the composites interfaces depending on the stability of filler phases contacting with molten binder has been suggested. The regularities in structure formation of the composites under investigation have been explained taking into consideration the electronic structure of their constituents within the framework of valence electron configuration localization model. The compositions and technologies of furnace infiltration of the composites containing metastable constituents that are designated for the strengthening of the parts of metallurgical and power equipment have been worked out. The main results of the work have been tested and introduced into the production process of Kryvoriz'ky Metallurgical Integrated Works and Prydniprovs'ky Repair and Mechanical Works.

Key words: composite, filler, binder, infiltration, interface, structure formation, stability, metastable constituents, quasi-equilibrium, hardness, compression strength, resistance to corrosion, resistance to oxidation, wear resistance.

Аннотация

Суховая Е.В. Закономерности структурообразования и свойства композиционных материалов с метастабильными составляющими.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.16.01.- Металловедение и термическая обработка металлов. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2003 г.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей структурообразования композиционных материалов с метастабильными составляющими и принципов целенаправленного управления их эксплуатационными свойствами. Установлено и объяснено влияние типа структуры и скорости охлаждения эвтектических и перитектических сплавов-наполнителей на основе железа, вольфрама или хрома на механизмы и кинетику процессов формирования границ раздела в композиционных материалах со связками на медной или железной основе, фазовые составляющие которых различаются степенью стабильности. Предложен критерий для классификации структуры границ раздела в композиционных материалах, который учитывает соотношение между продолжительностью контакта () расплавленного металла с твердым сплавом и промежутком времени (t), необходимым для установления квазиравновесных условий на границах раздела. Закономерности структурообразования исследованных композиционных материалов объяснены на электронном уровне в рамках модели конфигурационной локализации валентных электронов.

Изучено влияние структуры и скорости охлаждения эвтектических и перитектических сплавов на основе железа, содержащих бор и углерод, на их механические характеристики, коррозионную стойкость, окалиностойкость, абразивную и газо-абразивную износостойкость. Рекомендовано использование сплавов на основе железа как в качестве связок композиционных материалов с наполнителями W-C или Cr-Ti-С, так и в качестве наполнителей композиционных материалов с латунной связкой. Установлено влияние типа структуры зон контактного взаимодействия, образующихся на границах раздела в этих композиционных материалах при условиях t>>, t или t<<, на эксплуатационные свойства. Определено, что повышение свойств достигается, если границы раздела формируются при условии t.

На основе железоборуглеродистых сплавов разработаны составы многокомпонентной эвтектической связки, легированной Al, Si, Mn, Р, для композиционных материалов с наполнителем W-С и эвтектического или перитектического наполнителей, легированных Cr, для композиционных материалов с латунной связкой. Определены оптимальные температурно-временные параметры технологий пропитки печным способом новых композиционных материалов, предназначенных для упрочнения поверхности деталей металлургического и энергетического оборудования.

Основные результаты работы прошли промышленные испытания и внедрены в условиях Криворожского металлургического комбината "Криворожсталь" и Приднепровского ремонтно-механического завода.

Ключевые слова: композиционный материал, наполнитель, связка, пропитка, граница раздела, структурообразование, стабильность, метастабильные составляющие, квазиравновесие, твердость, прочность на сжатие, коррозионная стойкость, окалиностойкость, износостойкость.

Размещено на Allbest.ru