Анотація до роботи:

Колесніков В. О. Підвищення експлуатаційних властивостей аустенітних марганцевих чавунів легуванням карбідоутворюючими елементами. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.01 – матеріалознавство. – Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню взаємозв'язку між параметрами структури Fe–C–Mn сплавів (легованих карбідоутворюючими елементами) та їх експлуатаційними властивостями (в умовах тертя ковзання (як граничного, так і сухого) за різних навантажень та швидкісних параметрів, а також дії від корозійних середовищ.

У роботі статистично і аналітично проаналізовано отримані експериментальні дані, а також результати експлуатаційних випробувань. Одержано адекватні математичні вирази у вигляді поліномів, що описують вплив варійованих легувальних елементів на механічні і триботехнічні властивості сплавів.

Випробовували зразки, виготовлені з Fe–C–Mn сплавів, у діапазоні навантажень 1,0…6,0 МПа і швидкостей ковзання 0,628…2,1 м/с в умовах граничного (олива И-20А) і сухого тертя, а також, для порівняння із бронз БрАЖ9-4, БрОФ6,5-0,4 та чавуну ЧН15ДХ2. Встановлено, що досліджувані сплави як в умовах сухого, так і граничного тертя не поступаються, а у визначеному діапазоні навантажувально-швидкісних характеристик перевершують зносостійкість вказаних вище сплавів. Встановлено, що період інтенсивного схоплювання у марганцевих чавунів (олива И-20А) наступає при Р = 7,8…11,0 МПа і швидкості ковзання 0,628 м/с.

Досліджено продукти зношування та шари матеріалу, що розташовані безпосередньо біля зони тертя. Це дозволило висунути гіпотези про закономірності руйнування цих сплавів в умовах тертя ковзання з урахуванням впливу структурно-фазового складу і навантажувально-швидкісних параметрів.

На основі результатів лабораторних і експлуатаційних випробувань запропоновано конкретні рекомендації про структуру і властивості, якими повинен володіти сплав (у деталі) для досягнення високої зносостійкості у визначеному діапазоні навантажувально–швидкісних параметрів з урахуванням умов тертя ковзання.

У дисертації наведені теоретичні та експериментальні результати, спрямовані на визначення впливу параметрів мікроструктури марганцевих чавунів (залежно від композиції легувальних елементів) на експлуатаційні властивості. Це дозволило виробити рекомендації для підвищення експлуатаційної стійкості деталей, виготовлених з цих сплавів.

1. Встановлено, що основною причиною підвищення фізико-механічних властивостей марганцевих чавунів є структурні зміни, викликані карбідоутворюючими елементами. Це проявляється у зміні природи фазових і структурних складників та у зміні їх кількісного співвідношення в сплавах. Комплексне легування викликає ефект зміцнення твердого ГЦК-розчину і зниження пластичності сплавів та зменшує їх здатність до трибоактивування під час тертя.

2. Вперше виявлено, що мікротвердість аустеніту, який входить до складу аустенітно–графітної евтектики, в 1,2–1,9 рази нижча, ніж аустеніту, що сформувався у вигляді дендритів внаслідок протікання первинної кристалізації (перерозподілу легувальних елементів – Mn та Ni). Зменшуючи ступінь евтектичності сплавів, можна підвищити їх зносостійкість. Виявлені особливості істотно впливають на механізм мікроруйнування сплавів в умовах додаткового зовнішнього навантаження.

3. Встановлено, що висока в’язкість марганцевого аустеніту в чавунах під час тертя дозволяє збільшити опір поширенню тріщин. Значення параметрів тріщиностійкості високомарганцевих чавунів такі: К_1С = 36 ... 55 МПа; K_th = 4,9...6,3 МПа; K_fc = 35...44 МПа. Найвищою циклічною тріщиностійкістю володіють марганцеві чавуни, що мають найвищі НВ, _{зг, в} , з площею графітних включень до 5 %. Оптимальна довжина графітних включень 100 мкм, а ширина 1 ... 15 мкм ( = 10…12) (S_k = 10…32 %). Підвищення вмісту графітної фази до 8…12 % та збільшення довжини графітних включень до 150...350 мкм, а також товщини до 15 мкм спричиняє зниження опору руйнуванню сплавів як за статичних, так і циклічних навантажень ( = 16…20).

4. Експериментально встановлено, що зі збільшенням швидкості ковзання з 0,628 до 2,1 м/с інтенсивність зношування внаслідок утворення вторинних структур, що мають оксидне походження, знижується. Оксиди (Cr,Fe)₂O₃ і Fe₃O₄ також знайдено і в продуктах зношування.

5. Виявлено, що продукти зношування в режимі граничного тертя подрібнюються до 3 мкм, а в умовах сухого тертя (залежно від режиму) їх розміри збільшуються до 1000 мкм. З підвищенням навантаження розмір продуктів зношування зростає і змінюється їх морфологія. Під навантаженням 1,0 МПа та при швидкостях ковзання 0,63...2,1 м/с домінує плоска форма продуктів зношування (відбувається „пелюстковий” механізм відокремлення матеріалу) (розміри 3…10 мкм), а руйнування визначається субструктурою. Під навантаженнями 5,0 МПа і вищих з’являються об'ємні продукти зношування (руйнування залежить від параметрів структури і є в'язким та пластичним). Мікротріщини на продуктах зношування свідчать про їх руйнування між тілом і контртілом, що ініціюється пустотами, з яких попередньо викришився графіт.

6. Зафіксовано, що зі збільшенням вмісту графітових включень у марганцевих чавунах до 8...12 %, а також їх довжини (до 250 мкм) і ширини (10 мкм та більше) ( = 16…25) (S_k =10…36 %) пришвидшується руйнування в умовах сухого тертя. Висунуто гіпотезу, що під час схоплювання матеріалу та в патологічних умовах тертя (для сплавів, які містять 8…12 % ВГ) руйнування інтенсифікується за рахунок «слабких місць» у мікроструктурі сплавів, тобто границями графітних включень та в їх околі.

7. Додаткове легування Cr, V, Ti, Mo сприяє підвищенню опору корозії. Корозійна стійкість марганцевих чавунів за однакового базового хімічного складу визначається параметрами включень графіту, що містяться в пасивних плівках, які утворюються на поверхні та знижують інтенсивність протікання корозійних процесів. У 3%-му розчині NaCl та 22%-му CuCl₂ найвищою корозійною стійкістю володіють сплави, що мають найбільший вміст ВГ.

8. Апробація в промислових умовах деталей, виготовлених з комплексно легованих залізовуглецевих марганцевих сплавів, свідчить про їх підвищену експлуатаційну стійкість, порівняно з серійними деталями, виготовленими з сірого чавуну. Це підтверджується експлуатаційними випробуваннями експериментальних втулок у ВАТ „ХК Луганськтепловоз” на токарно-колісних верстатах марки 1836Б та іншому обладнанні.

Публікації автора:

1. Колесников В. А. Особенности износа графитизированных марганцевых чугунов в условиях сухого трения // Вісник СНУ ім. В. Даля – 2002. – №7. – С. 232–239.

2 Балицкий А. И., Колесников В. А., Кубицки Е. Роль легирования хромом, ванадием и титаном в повышении триботехнических свойств железомарганцевых сплавов // Проблеми трибологiї (Problems of Tribology). – 2003. – № 1. – С. 94–100.

3. Balicki A., Kubicki J., Kolesnikow W. Podwyzszanie odpornosci na zuzycie scierne stopow Fe–Mn poprzez wprowadzenie wybranych dodatkow stopowych // Inzynieria materialowa. – 2003. – № 4. – S. 244–247.

4. Підвищення корозійно-механічної стійкості зварних з’єднань високо марганцевих азотистих сталей / О. І. Балицький, І. Ф. Костюк, В. О. Колесніков, П. Кохманський // Вісник СНУ ім. В. Даля – 2003. – №11. – С. 41–46.

5. Балицький О. І., Колесніков В. О. Дослідження продуктів зношування аустенітних марганцевих чавунів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004. – № 1 – С. 65–69.

6. Corrosion resistance of Cr–Mn austenitic alloys and its welded joints / A. Balitskii, I. Kоstyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, Ya. Onystchak, V. Ostaf // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004.–Спецвипуск № 4. – Т. 1. – C. 133–136.

7. Колесников В. А. Исследование интенсивности изнашивания марганцевих чугунов в зависимости от структурно-фазового состава и нагрузочно-скоростных параметров // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2004. – №6. – С. 41–52.

8. Балицький О. І., Колесніков В. О., Кубіцкі Є. Тріщиностійкість марганцевих чавунів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2005. – № 1 – С. 63–68.

9. Лагута В. И., Хинчагов Г. В., Колесников В. А. Исследование формирования твердости и триботехнических свойств нирезиста // Проблеми електронної промисловості в перехідний період: Зб. наук. праць СНУ. – Луганськ. – 1998. – С. 129–132.

10. Лагута В. И., Хинчагов Г. В., Колесников В. А. Связь характеристик трения графитизированных аустенитных сплавов с их исходными внутренними параметрами // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. – Луганськ: Вид-во СНУ, – 2001. – С. 230–238.

11. Колесников В. А. Особенности формирования структурной микронеоднородности высокомарганцевых чугунов // Ресурсозбiгаючі технології виробництва та обробки тиском матерiалiв у машинобудуваннi: Зб. наук. праць. – Ч. 2.– Матеріалознавство. – Луганськ: Вид-во СНУ. – 2003. – С. 78–84.

12. Балицкий А. И., Колесников В. А. Трещиностойкость марганцевых чугунов. Часть 1. Статическая трещиностойкость // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. – Луганськ: Вид-во СНУ. – 2004. –Ч. 2. – С. 100 – 107.

13. Балицкий А. И., Колесников В. А. Трещиностойкость марганцевых чугунов. Часть 2. Циклическая трещиностойкость // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. праць. – Луганськ: Вид-во СНУ. – 2004. – Ч. 2. – С. 108–115.

14. Crack resistance of hign-nitrogen Cr–Mn austenitic steels welded joints / A. Balitskii, M. Diener, M. Harzenmoser, I. Kоstyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, V. Ostaf // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В. В. Панасюка. – Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України. – 2004. – C. 647–652.

15. Hydrogen induced changes of physical and mechanical properties of materials for power generation and transport equipment / A. I. Balitskii, I. F. Kоstyuk, P. Kochmanski, V. Kolesnikov, J. Kubicki, A. H. Medvid // Hydrogen Treatment of Materials (Proceedings of Fourth International Conference). – Donetsk, 2004. – P. 508–512.

16. Балицький О., Колесніков В., Кубіцкі Є. Залізовуглецеві сплави високого легування марганцем – перспективний матеріал для деталей залізничного транспорту, що працюють в умовах зношування // Промисловий та туристичний транспорт. – Львів: Каменяр. – 2003. – Вип. 2. – С. 57–63.

17. Балицкий А. И., Колесников В. А., Кубицки Е. Способность к упрочнению марганцевых чугунов как резерв повышения эксплуатационной стойкости для деталей железнодорожного транспорта // Промисловий та туристичний транспорт. – Львів: Каменяр. – 2004. – Вип. 3. – С. 36–46.

18. Лагута В. И., Колесников В. А., Хинчагов Г. В. Повышение износостойкости высокомарганцевых чугунов за счет дополнительного легирования // Зб. наук. праць СНУ. – Луганськ, 2001. – С. 107.

19. Лагута В. И., Колесников В. А., Хинчагов Г. В. Износофрикционные свойства высокомарганцевых графитизированных чугунов // Тез. докл. Междунар. конф. «Проблемы создания новых машин и технологий». – Луганск, 2001. – С. 41–42.

20. Высокомарганцевые аустенитные чугуны как материал для антифрикционных пар трения / В.И. Лагута, В. А. Колесников, Г. В. Хинчагов, А. П. Семенко // Зб. наук. праць СНУ – Луганськ. – 2002. – Ч. II. – С. 63.

21. Колесников В. А. Анализ разрушения поверхностных слоев аустенитных марганцевых чугунов в условиях трения скольжения // Зб. наук. праць СНУ – Луганськ. – 2002. – Ч. II. – С. 64.

22. Неоднорілність механічних та електрохімічних характеристик зварних з’єднань хромомарганцевих сплавів / О. Балицький, І. Костюк, П. охманський, В. Остаф, В. Колесніков // Тези доп. Шостого міжнар. симп. українських інженерів–механіків у Львові. – Львів, 21–23 травня 2003. – С. 134–135.

23. Колесников В. А. Железоуглеродистые сплавы высокого легирования марганцем – перспективные материалы для промышленности региона // Зб. наук. праць СНУ. – Луганськ. – 2003. –Ч. II. – С. 156–157.

24. Патент України 3671 С21В3/00, С22С37/00. Марганцевий чавун / В.О. Колесніков, О.І. Балицький (Україна). – №2004020827; заявлено 05.02.04. Опубл. 15.12.04, Бюл. № 12.