Сухова Олена Вікторівна. Закономірності структуроутворення та властивості композиційних матеріалів з метастабільними складовими

Краткое описание

Сухова Олена Вікторівна. Закономірності структуроутворення та властивості композиційних матеріалів з метастабільними складовими: дисертація д-ра техн. наук: 05.16.01 / Національна металургійна академія України. - Д., 2003. , табл.

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.

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 (t) твердого тіла з розплавленим металом і проміжком часу (t), необхідним для досягнення квазірівноважних умов на границі поділу, а саме для:t>>t,ttіt<<t. Показано, що зі збільшеннямшвидкість 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, тобтоttчиt<<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>>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<<t), розчинення обох фаз з більшою швидкістю (tt) або вибірне розчинення перитектичної фази з максимальною швидкістю (t>>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 умовиtt.
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 умовиtt.
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.