Бриков Михайло Миколайович. Розробка та застосування матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні

Краткое описание

Бриков Михайло Миколайович. Розробка та застосування матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні : Дис... д-ра наук: 05.02.01 2008

Бриков М.М. Розробка та застосування матеріалознавчих основ підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 Матеріалознавство. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008.
Основна ідея роботи дослідження зносостійкості сплавів системи Fe-C у максимально можливому діапазоні вмісту вуглецю. Встановлено, що зносостійкість металевої основи залізовуглецевих сплавів у порядку збільшення утворює такий ряд: ферит мартенсит аустеніт. Показано, що цей ряд зберігається в широкому діапазоні швидкості ковзання зразків по абразиву і температури зношуваної поверхні.
Досліджено вплив легування на зносостійкість метастабільного аустеніту. На прикладі легування хромом і марганцем представлено принципи створення зносостійких сплавів. Показано, що для одержання високої зносостійкості аустенітних сплавів необхідно забезпечити підвищений вміст вуглецю при мінімальному вмісті легуючого елементу.

Абразивне зношування є найбільш агресивним видом руйнування робочих поверхонь деталей машин і устаткування. Незважаючи на великий інтерес дослідників до абразивного зношування матеріалів, у теперішній час потенційні можливості залізовуглецевих сплавів як зносостійких матеріалів повністю не реалізовано, що є актуальною проблемою матеріалознавства. З метою вирішення цієї проблеми у роботі запропоновано експериментальну і теоретичну бази для створення і використання сплавів на основі заліза раціонального складу, які є зносостійкими при абразивному зношуванні. Узагальнення результатів досліджень дозволяє сформулювати такі висновки.
1. Визначено порівняльний ряд зносостійкості можливих фаз металевої основинелегованихзалізовуглецевих сплавів у стандартизованих умовах абразивного зношування без нагрівання (ГОСТ 17367-71): ферит мартенсит аустеніт (у порядку збільшення зносостійкості). Високу зносостійкість аустеніту обумовлено спільними процесами фазових перетворень у поверхневому шарі та механічного наклепу до гранично можливого стану.
2. Вперше встановлено вплив швидкості ковзання (0,1мм/с - 3,5 м/с) і фрикційного нагрівання (20-290оС) на зносостійкість нелегованих залізовуглецевих сплавів з різним структурним станом.
Встановлено, що зносостійкість фериту знижується меншою мірою, ніж зносостійкість мартенситу й аустеніту. У той же час, аустеніт найбільш інтенсивно втрачає зносостійкість навіть при незначному нагріванні. Це пояснюється спільною дією декількох факторів. При збільшенні температури поверхні тертя відбувається стабілізація аустеніту і гальмування фазових перетворень, що є основним механізмом підвищення зносостійкості аустенітної структури при абразивному зношуванні. Крім того, границя текучості аустеніту найбільш інтенсивно знижується саме при нагріванні до температур 100-150оС, що додатково зменшує опір вдавленню абразивних зерен та пластичній деформації. Проте, незважаючи на значний вплив нагрівання, зносостійкість аустеніту в дослідженому діапазоні температур перевищує зносостійкість мартенситу, або знаходиться на одному рівні з ним.
3. Аналіз результатів досліджень зносостійкості залізовуглецевих сплавів дозволив вперше побудувати діаграму «Відносна зносостійкість Твердість Температура», що узагальнює закономірності абразивного зношування сплавів системи Fe-C. Діаграма дозволяє в концентрованому вигляді представити весь доступний діапазон зносостійкості нелегованих залізовуглецевих сплавів при різних температурах поверхні тертя, і, крім того, є зручною для оцінки зносостійкості нових сплавів і перспектив їх використання як зносостійких матеріалів.
4. Досліджено вплив легування на зносостійкість залізовуглецевих сплавів із структурою нестабільного аустеніту при абразивному зношуванні. Вперше показано, що при даному вмісті легувального елемента існує оптимальний вміст вуглецю в сплаві, при якому досягається максимальна зносостійкість аустеніту. Це обумовлено температурою початку мартенситного перетворення, від якого залежить повнота - перетворень при зношуванні і ступінь зміцнення поверхні тертя. У той же час, для одержання високої зносостійкості сплавів зі структурою нестабільного аустеніту слід забезпечити підвищений вміст вуглецю при концентрації легувального елемента, достатній для гальмування графітизації і підвищення стійкості аустеніту до дифузійного розпаду.
5. На прикладі легування хромом і марганцем визначено залежності оптимального вмісту вуглецю від концентрації легувального елемента. Встановлено, що обидва елементи знижують оптимальну концентрацію вуглецю, однак при легуванні марганцем оптимальний вміст вуглецю знижується набагато інтенсивніше. Тому при однаковому вмісті легувального елемента сплави, леговані хромом, досягають більшої зносостійкості, ніж сплави, леговані марганцем. Разом з тим, легування марганцем є більш доцільним при необхідності забезпечити більшу прогартовуваність при деякій втраті зносостійкості.
6. Наведені вище положення складають матеріалознавчі основи підвищення зносостійкості залізовуглецевих сплавів при абразивному зношуванні. Як приклад, що ілюструє застосування цих основ для створення зносостійких сплавів, запропоновано два сплава для деталей малого (сталь 150Х3) і великого (сталь 120Г3) перерізу. Такі сплави з відповідним хімічним складом дозволяють досягати максимально можливу зносостійкість при абразивному зношуванні, на яку здатний металевий матеріал.
7. Лабораторні і промислові випробування сталі 150Х3 для виготовлення пластин прес-форм (пресування силікатної цегли) і сталі 120Г3 для виготовлення молольних куль (помел залізної руди) показали їх високу зносостійкість порівняно з матеріалами, які використовуються в теперішний час. Загальний очікуваний економічний ефект від впровадження складає 11,034 млн.грн. з яких 1,103 млн.грн. припадає на результати досліджень, які надано в дисертації.