Анотація до роботи:

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.

1. 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.

2. 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, tt і t<<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.

3. 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 tt чи t<<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.

4. 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.

5. 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.

6. 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).

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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 tt.

12. 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 tt.

13. 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.

14. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

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

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

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

25. 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:

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. 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.

45. 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.