Ефект самозагартування

Маріупольські вчені успішно розробляють і впроваджують інноваційні ресурсозбережні матеріали і технології створення самогартівних сталей, чавунів і наплавних матеріалів.

Звичайно деталі відповідального призначення виготовляють зі сталей і чавунів, які містять дорогі легувальні елементи — нікель, вольфрам, кобальт, а після їхнього зношування для відновлення використовують аналогічні за складом наплавні матеріали. Підвищення довговічності деталей та інструментів досягається також застосуванням зміцнювальних технологій, які вимагають великих енергетичних витрат. Однак є альтернативний шлях розв’язання проблеми.

За рахунок внутрішнього резерву

На кафедрі матеріало­знавства Приазовського­ державного технічного уні­верситету (Маріуполь) ус­піш­но розвивається перспек­­тивний науковий напрям зі створення економнолегованих сталей, чавунів, наплавних матеріалів і зміцнювальних технологій, які забезпечують одержання метастабільної (нестійкої) структури. Вона дозволяє матеріалам, наче біологічним об’єктам, пристосовуватися в процесі експлуатації до зовнішніх навантажень за рахунок утворення під їхнім впливом однієї­ з найміцніших і найтвердіших структур — мартенситу. Спробую популярно пояснити підвищення зносостійкості сталей, чавунів і наплавного металу, у структурі яких є метастабільний аустеніт.

Великого значення набуває одержання метастабільної структури в тому випадку, коли відбувається зношування деталей під дією абразивних частинок, сухого тертя й інших механічних впливів на поверхню. Вони деформують її, у результаті чого на поверхні створюється своєрідний панцир із твердого мартенситу, що захищає від руйнування. Коли він спрацьовує, в роботу вступає нижній шар, і знову відбувається утворення мартенситу. Так зовнішній несприятливий для матеріалу вплив сам проти себе створює глибокоешелоновану оборону з постійно поновлюваного високоміцного шару. Результат — істотне підвищення експлуатаційної стійкості деталей та інструментів за рахунок їхнього внутрішнього резерву.­­

Ми були першими

Цей принцип уперше запропонував і реалізував видатний вітчизняний учений-металознавець профе­сор Іван Миколайович Богачов у середині минулого століття під час розробки сталей для гідротурбін, які мають високий опір до руйнування в умовах експлуатації. Ефективність такого підходу була показана ним на сталях, а також сплавах на основі титану й міді. 10 років по тому цей же принцип був використаний ­американськими вченими Закєєм­ і Паркером під час розроблення високоміцних сталей ПНП (пластичність, наведена перетворенням). На жаль, у багатьох публікаціях пріоритет І.М. Богачова замовчується. В одній із перших популярних статей, присвячених розробці матеріалів із використанням запропонованого професором Богачовим принципу,­ опублікованій у журналі «Вогник» (№34 за 1964 р.), журналіст В.Спіцин писав: «Не побоїмося сказати: це науково-технічне відкриття — одне з видатних і блискучих у нашому столітті». Така висока оцінка повністю підтвердилася в наш час.

Зараз одна з основних тенденцій у матеріало­знавстві — створення матеріалів із метастабільними структурами, здатними під дією зовнішніх впливів до самоорганізації, що дозволяє їм адаптуватися до відповідних умов роботи й мати характеристики, набагато кращі, ніж ті, що досягаються традиційними методами. Ці матеріали називають «інтелектуальними», «мислячими», «адаптаційними». Вони  мають здатність до самовідновлення під час експлуатації, самозмащення, самозміцнення, автоматичної корекції характеристик у потрібному напрямку після зміни параметрів впливу на матеріал.

Більшість розробок у галузі чорних металів присвячена одержанню високо­легованих аустенітних спла­­вів спеціального призначення. Багаторічні системні дослідження, проведені автором цієї статті, учнем і продовжувачем справи І.М.Богачова, показали, що можна одержувати метастабільну структуру в багатьох сталях і чавунах не повністю, як це було запропоновано раніше, а поряд з іншими складовими (багатофазні структури). У результаті деформаційні перетворення, що забезпечують зміцнення за рахунок утворення мартенситу під час експлуатації (ефект самозагартування внаслідок навантаження), відбуваються частково. Це істотно розширює можливості використання принципу самоорганізації структури.

Основні положення наших досліджень (вони вже загальновизнані) такі:

– розвитком мартенситного й інших перетворень, що відбуваються внаслідок навантаження, необхідно управляти, оптимізуючи їх залежно від конкретних умов;

– значна частина енергії зовнішнього впливу витрачається на ці перетворення й, відповідно, менша її частка йде на руйнування;

– перетворення є не тільки механізмом зміцнення, як це вважається, але за певних умов — механізмом релаксації мікронапруг, у результаті чого відбувається зменшення їхнього рівня в мікрообсягах металу, що підвищує їхню праце­здатність.

На основі такого підходу розроблені економнолеговані інноваційні сталі, чавуни й наплавні матеріали різних структурних класів і призначення, які не містять дорогих легувальних елементів (нікель, вольфрам, кобальт, мідь та інші), або містять їх у значно менших кількостях, ніж у застосовуваних сьогодні. Нові матеріали зорієнтовані переважно на сировинну базу України, багату на поклади марганцевої руди. Основні легувальні елементи в створених сплавах — марганець, кремній, хром (у деяких випадках — азот) і мікродомішки титану, ванадію, ніобію.

Інноваційний клондайк

Відмітна риса розроблених матеріалів — добре поєднання механічних, технологічних і службових властивостей. Ось лише декілька прикладів. У створених корозійно-стійких, у тому числі високоміцних безнікелевих сталях, основний легувальний елемент — марганець. За рівнем механічних і службових властивостей вони або не поступаються, або перевершують відомі, але значно дешевші від них. Інформації про використання деяких виконаних розробок у зарубіжній і вітчизняній­ ­літературі нема. Проте вони можуть знайти широке застосування для виготовлення різних клапанів, кріплень та інших високоміцних деталей, які працюють у корозійному середовищі.

Величезну кількість деталей землерийного й дробильного обладнання виготовляють зі сталі Гадфільда, розробленої ще в ХIХ столітті. Вона містить 13% Mn, у зв’язку із чим її виплавка створює несприятливі екологічні умови (оксиди марганцю дуже токсичні). На підставі уявлень, які розвиваються, створені зносостійкі сталі зі значно меншим вмістом марганцю.

Деталі для дроблення коксу й вапняку, ролики й ланки ланцюгів чавунорозливної машини, виготовлені з економнолегованих марганцем сталей, за довговічністю значно перевершують серійні. При цьому скорочується й тривалість термообробки, а відповідно, витрати на виготовлення змінно-запасних деталей. Розроблені сталі впроваджені у виробництво й показали високу ефективність.

Однак високовуглецеві марганцеві сталі важко обробляються різанням, і їх застосовують переважно в литому стані. Для деталей, від яких потрібні точні розміри, створені нові низьковуглецеві марганцеві сталі, де усунуто цей недолік. Високий опір зношуванню в них забезпечується навуглецьовуванням поверхневого шару, у якому створюється метастабільна структура й реалізується його зміцнення за рахунок самозагартування внаслідок навантаження в процесі експлуатації.

Надзвичайно ефективною­ є розробка наплавних матеріалів, що забезпечують­ у наплавленому металі ефект самозагартування під час експлуатації. Досвід використання цих матеріалів для наплавлення кранових коліс, опорних роликів установок грудкування й охолодження агломерату й швидкозношуваних деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного впливу, показав: експлуатаційна стійкість деталей підвищена в кілька разів.

Створено перспективні­ маловуглецеві інструмен­­­тальні сталі з ефектом cамо­загартування після охолодження, призначені для роботи за підвищених температур (до 500—550°С). Їхній склад підібрано з таким розрахунком, щоб забезпечити зміцнення під час нагрівання. Перевага цих сталей — підвищений опір окислюванню, термічній утомі й зношуванню. Штампи гарячого деформування металів із нових сталей показали експлуатаційну стійкість, удвічі вищу в порівнянні із широко застосовуваною в промисловості сталлю 5ХНМ.

На противагу поширеному уявленню про необхідність у результаті обробки одержувати в сплавах однорідну структуру показано, що одним із перспективних напрямків підвищення конструкційної міцності є створення регулярної макронеоднорідної структури. Такі структури можна назвати також диференційованими, селективними, модульованими, дискретними. Для їхнього створення необхідно одержувати порівнянні з розмірами виробів градієнти структурно-фазового стану. Це досягається диференційованою обробкою, у якій поєднані загальний (об’ємний) і локальний впливи на матеріал. При цьому теплові, механічні, магнітні та інші поля розподіляються не рівномірно за обсягом металу, а локалізуються в окремих його ділянках або шарах.

У результаті фазові й структурні перетворення відбуваються не одночасно, а в різній послідовності й різною мірою. Для одержання регулярної макронеоднорідної структури можуть бути використані термічна, хіміко-термічна, деформаційна обробка, а також їхнє поєднання. Великі можливості щодо цього дає застосування джерел концентрованої енергії: лазерної, електронно-променевої, плазмової. Розроблені­ тех­­нології зміцнення штампового й різального інструменту підвищують його зносостійкість у 1,5—2 рази.

Упровадження в промисловості ресурсозбережних економнолегованих матеріалів, ефективних зміцнювальних технологій, які реалізують принцип одержання мікро- і макронеоднорідних багатофазних структур і їхньої керованої самотрансформації, може дати величезний економічний ефект, бо це дозволяє скоротити витрату дорогих легувальних елементів та енергії на обробку, зменшити металоємність виробів і збільшити довговічність деталей машин. При цьому не треба капітальних витрат, а також істотної зміни застосовуваних на виробництві технологічних процесів і обладнання.

Тим часом наразі цьому напрямку не приділяється належної уваги. Так, зазначені роботи, що стали частиною програми «Наука Донбасу-2020», узагалі не одержали фінансування. А без серйозної державної підтримки на широке впровадження створених матеріалів і технологій годі й сподіватися.

Леонід Малинов

Завідувач кафедри «Матеріалознавство» Приазовського державного технічного університету (Маріуполь), професор, доктор технічних наук

Почав дослідження ще в 60-ті роки, бувши аспірантом професора І.М.Богачова. Займався впровадженням­ у виробництво першої у світовій практиці кавіта­ційно-стійкої сталі з мета­­­стабільним аустені­том­ і ефектом самозагарту­ван­ня внаслідок навантажен­ня, розробленої  І.М.Богачовим.

У 70—80-ті роки на «Азовмаші» впроваджені наплавні матеріали, що забезпечують одержання в наплавленому металі метастабільного аустеніту, для наплавлення кранових коліс, цапф сталерозливних ковшів, технології зміцнення інструментів із використанням лазера. На МК «Азовсталь» і Макіївському металургійному комбінатах упроваджені нові зносостійкі сталі.

В останні сім років розробляв і впроваджував на ММК ім. Ілліча зносостійкі сталі для швидкозношуваних деталей аглофабрики, а також новий економічний наплавний матеріал для наплавлення деталей, які працюють в умовах сухого тертя.

У багатьох дослідженнях і розробках професора­ Малинова брали участь аспіранти, студенти-дипломники й фахівці підприємств. За результатами досліджень отримано 120 авторських свідоцтв і патентів, здійснено понад 430 публікацій, у тому числі 3 монографії. Створено наукову школу. Захищені 6 кандидатських і дві докторські дисертації.