Теоретичне та експериментальне моделювання і прогнозування структуроутворення та властивостей хромовмісних сплавів та покриттів: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.01 – Матеріалознавство

Abstract

У дисертаційній роботі представлені нові науково обґрунтовані результати, які узагальнюють і забезпечують вирішення актуально ї науково-технічної проблеми – теоретичного і експериментального моделювання і прогнозування осно-вних факторів, що впливають на структуроутворення і властивості хромовмісних сплавів та покриттів для коригування складу, технології виробництва, експлуатації виробів, що працюють в складних умовах тертя і зношування. На основі дос-ліджень запропоновано загальний комплексний підхід оцінки впливу різних факторів виробництва на структуроутворення та властивості хромовмісних сплавів, який полягає в поєднанні сучасних методів дослідження з новими розробленими методиками оптико-математичного оцінювання фазового складу, що описують процеси дифузії, щільності фрагментів, та вони базуються на основних положеннях зміни енергетичного стану системи. Розроблено нові підходи до теоретичної оцінки структуроутворення хромовмісних сплавів і покриттів, що включають визначення поєднань фаз (умовних кольорів) і абсолютних значень лапласіана матриці (фрагмента зображення), через які досліджені неоднорідність сформова-них фаз і їх дисперсність, структурна анізотропія, що утворилась при виготовленні та експлуатації виробів. Запропоновано принципово новий підхід для опису ступеня неоднорідності сформованої структури з використанням мінливості фаз (умовних кольорів) та їх поєднань, що оціню є мікроліквацію хімічних компонентів, в тому числі, і в області дефектів кристалічної будови – дислокацій. Оптико-математичним методом через зміну енергетичного стану системи описано процеси дифузії при розпаді аустеніту і розвитку процесів локальної деформації. Показано, що інтенсифікація дифузійних процесів супроводжується зміною ступеня дисперсності структури, підвищенням щільності дислокацій, виділенням окремих фаз фериту, насичених вуглецем, а також бейніту, карбідів нестехіометричного складу, а також їх взаємозв'язком. Встановлені чинники і оцінено характер деградації карбідної фази в валковому хромовмісному чавуні. Показано, що таку деградацію визначають процеси, пов'язані з формуванням дислокаційної структури і дифузії, при яких відбувається поява нових типів карбідних фаз нестехіометричного складу, квазікристалічного графіту, а також фериту та бейніту. Вияв-лено типи поєднань таких з'єднань. Для прогнозування структуроутворення розроблено новий підхід до моделювання за допомогою вперше визначених параметрів, що мають найбільший вплив на його зміну. Цей підхід ґрунтується на оцінках мінливості фаз (згідно умовних кольорів), отриманні гістограм їх розподілу та дисипації енергії в результаті розвитку процесів дифузії і зміни щільності аналізованих фрагментів. Розроблено методику визначення оптимальних параметрів і режимів термічної обробки масивних прокатних валків із хромовмісного сплаву математичним моделюванням за допомогою критеріїв, які найбільш повно відображають його структурний і енергетичний стан та визначають зв'язок з твердістю і коерцитивної силою. Проведена теоретична оцінка структурної неоднорідності хромовмісного зміцнювального покриття, модифікованого наноалмазами за розробленою технологією, з дослідженням зміни абсолютного значення дивергенції, яке характеризує рельєф поверхні (створення зон стиснення і скидання), що формуються на поверхні тертя деталей при експлуатації. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що згідно представлених нових науково обґрунтованих теоретичних та експериментальних результатів моделювання і прогнозування структуроутворення та властивостей, розроблені та узагальнені ефективні параметри кристалізації та термообробки. Отримані дані дозволяють з високою точністю оцінювати і прогнозувати вплив різних чинників на рівень властивостей робочого шару і експлуатаційну стійкість виробу в цілому, корегувати структуроутворенням і технологічним процесом виготовлення виробів. На основі розробок створені сучасні прогресивні технології, що дозволили забезпе-чити підвищення експлуатаційних властивостей масивних виробів з хромовмісних сплавів, які працюють в складних умовах зношування та тертя. Узагальнення результатів, отриманих при застосуванні електролітичного хромування покриттів з модифікуванням дисперсними алмазами для зміцнення робочої поверхні на деталях малого розміру (паливної апаратури машин), дозволило розробити спеціа-льну технологію їх нанесення. Це змінює умови кристалізації, в наслідок чого стає відсутнім газовиділення, істотно зменшується неоднорідність і підвищується твердість (знижується коефіцієнт тертя) такого покриття. Економічний ефект від впровадження нових розробок, захищених патентами, на ТОВ «Дизельсервіс», м.Харків, складає 73,8 тис. грн при обсязі виробництва 57 одиниць. Очікуваний економічний ефект від впровадження нових технологій, захищених патентами, на вальцеливарних підприємствах складе 910тис. грн. при обсязі виробництв 1300т.

The Thesis presents the new scientifically substantiated results that summarize and provide solution of the actual scientific and technical problem: theoretical and experimental modeling and prediction of the main factors which affect structure formation and properties of chromium-containing alloys and coatings. This study is applicable for correction of composition, manufacturing process and production operations under the difficult conditions of friction and wear. On the basis of the studies presented in my Thesis, the general complex approach of the influence estimation of various factors of production on the structure formation and chromium-containing alloys properties is offered. This approach consists in combination of modern research methods with newly developed methods of optical-mathematical estimation of phase composition, which describe processes of diffusion, fragments density, and are based on the estimates of change of the system energy state. The new approaches to theoretical estimation of the structure formation of chromium-containing alloys and coatings have been developed, including specification of phases combinations (conventional colors) and absolute values of the Laplacian matrix (image fragment), through which we have studied the heterogeneity and dispersion of the formed phases, as well as structural anisotropy that has appeared during the production and service. We propose a fundamentally new approach to describe the degree of heterogeneity of the formed structure. Do so, the data on phase variability (conditional colors) and combinations of phases is used followed by the evaluation of chemical components coring, in the vicinity of crystalline structure defects (dislocations), included. Taking to account energy state change of the system, we apply our optical-mathematical method to describe diffusion processes in the decay of austenite and development of local deformation processes. It has been shown that the intensification of diffusion processes is accompanied by change in the degree of structure dispersion, increase in the dislocation density and by separation of individual carbon-saturated ferrite, bainite and non-stoichiometric carbide phases, and by their interconnection. We determine factors and features of carbide phase degradation in roll chromium-containing cast iron. It is shown that such degradation is determined by the processes associated with the formation of dislocation structure and diffusion, in which occur the new types of carbide phases of non-stoichiometric compositions, quasicrystalline graphite, ferrite and bainite. The types of combinations of such compounds are identified. To predict structure formation, a new approach to modeling has been developed using the parameters first defined by the Author that have the greatest impact on changing it. This approach is based on estimations of phase variability (according to conventional colors), obtaining histograms of their distribution and energy dissipation as a result of the development of diffusion processes and analyzed fragments density changes. We have carried out a technique for determining the optimal parameters and modes of heat treatment of massive rolling rolls of chromiumbased alloy by mathematical modeling and using the criteria that to the fullest extent possible reflects its structural and energy state and determine the relation between hardness and coercive force. A theoretical estimation of the structural heterogeneity of chromium-containing nano-diamond modified coating has been made. The practical importance of the obtained results is that according to the newly presented scientifically substantiated theoretical and experimental results of modeling and prediction of structure formation and properties, effective crystallization and heat treatment parameters are developed and generalized. On the basis of our implementations, the modern advanced technologies have been created allowing one to increase the operational properties of massive articles of chromium-containing alloys, which operate in difficult conditions of wear and friction. According to the manufacturer, the economic effect of the results introduces is 73.800UAH with the volume of production 57 units. The expected economic impact from the introduction of out technology is 910.000UAH with the volume of production 1300t.