Эффект самозакалки

Мариупольские ученые успешно разрабатывают и внедряют инновационные ресурсосберегающие материалы и технологии создания самозакаливающихся сталей, чугунов и наплавочных материалов.

Обычно детали ответственного назначения изготавливают из сталей и чугунов, содержащих дорогие легирующие элементы – никель, вольфрам, кобальт, а после их износа для восстановления используют аналогичные по составу наплавочные материалы. Повышение долговечности деталей и инструментов достигается также применением упрочняющих технологий, требующих больших энергетических затрат. Однако есть альтернативный путь решения проблемы.

За счет внутреннего резерва

На кафедре материаловедения Приазовского государственного технического университета (Мариуполь) успешно развивается перспективное научное направление по созданию экономнолегированных сталей, чугунов, наплавочных материалов и упрочняющих технологий, обеспечивающих получение метастабильной (неустойчивой) структуры. Она позволяет материалам, подобно биологическим объектам, приспосабливаться в процессе эксплуатации к внешним нагрузкам за счет образования под их влиянием одной из наиболее прочных и твердых структур – мартенсита. Попробую популярно объяснить повышение износостойкости сталей, чугунов и наплавленного металла, в структуре которых присутствует метастабильный аустенит.

Большое значение приобретает получение метастабильной структуры в том случае, когда происходит изнашивание деталей под действием абразивных частиц, сухого трения и других механических воздействий на поверхность. Они деформируют ее, в результате чего на поверхности создается своеобразный панцирь из твердого мартенсита, защищающий от разрушения. При его срабатывании в работу вступает нижележащий слой, и снова происходит образование мартенсита. Так внешнее неблагоприятное для материала воздействие само против себя создает глубокоэшелонированную оборону из постоянно возобновляемого высокопрочного слоя. Результат – существенное повышение эксплуатационной стойкости деталей и инструментов за счет их внутреннего резерва.

Мы были первыми

Этот принцип впервые предложил и реализовал выдающийся отечественный ученый-металловед профессор Иван Николаевич Богачев в середине прошлого века при разработке сталей для гидротурбин, обладающих высоким сопротивлением к разрушению в условиях эксплуатации. Эффективность такого подхода была показана им на сталях, а также сплавах на основе титана и меди. Спустя 10 лет этот же принцип был использован американскими учеными Закеем и Паркером при разработке высокопрочных сталей ПНП (пластичность, наведенная превращением). К сожалению, во многих публикациях приоритет И.Н.Богачева замалчивается. В одной из первых популярных статей, посвященных разработке материалов с использованием предложенного профессором Богачевым принципа, опубликованной в журнале «Огонек» (№34 за 1964 г.), журналист В.Спицын писал: «Не побоимся сказать: это научно-техническое открытие – одно из выдающихся и блистательных в нашем веке». Такая высокая оценка полностью подтвердилась в наше время.

Сейчас одна из основных тенденций в материаловедении — создание материалов с метастабильными структурами, способными под влиянием внешних воздействий к самоорганизации, позволяющей им адаптироваться к соответствующим условиям работы и иметь свойства гораздо более высокие, чем те, что достигаются традиционными методами. Эти материалы называют «интеллектуальными», «мыслящими», «адаптационными». Они обладают способностью к самовосстановлению при эксплуатации, самосмазыванию, самоупрочнению, автоматической коррекции характеристик в нужном направлении при изменении параметров воздействия на материал.

Большинство разработок в области черных металлов посвящено получению высоколегированных аустенитных сплавов специального назначения. Многолетние системные исследования, проведенные автором этой статьи, учеником и продолжателем дела И.Н.Богачева, показали, что можно получать метастабильную структуру во многих сталях и чугунах не полностью, как это было предложено ранее, а наряду с другими составляющими (многофазные структуры). В результате деформационные превращения, обеспечивающие упрочнение за счет образования мартенсита при эксплуатации (эффект самозакалки при нагружении), протекают частично. Это существенно расширяет возможности использования принципа самоорганизации структуры.

Основные положения наших исследований (они уже общепризнанны) таковы:

— развитием мартенситного и других превращений, протекающих при нагружении, необходимо управлять, оптимизируя их применительно к конкретным условиям;

— значительная часть энергии внешнего воздействия расходуется на эти превращения и, соответственно, меньшая ее доля идет на разрушение;

— протекающие при нагружении превращения являются не только механизмом упрочнения, как это принято считать, но при определенных условиях – механизмом релаксации микронапряжений, в результате чего происходит уменьшение их уровня в микрообъемах металла, что повышает их работоспособность.

На основе такого подхода разработаны экономнолегированные инновационные стали, чугуны и наплавочные материалы различных структурных классов и назначения, не содержащие дорогих легирующих элементов (никеля, вольфрама, кобальта, меди и других) либо содержащие их в значительно меньших количествах, чем в применяемых сегодня. Новые материалы сориентированы в основном на сырьевую базу Украины, богатую залежами марганцевой руды. Основные легирующие элементы в созданных сплавах – марганец, кремний, хром (в ряде случаев – азот) и микродобавки титана, ванадия, ниобия.

Инновационный клондайк

Отличительная особенность разработанных материалов – хорошее сочетание механических, технологических и служебных свойств. Вот лишь несколько примеров. В созданных коррозионно-стойких, в том числе высокопрочных безникелевых сталях, основной легирующий элемент — марганец. По уровню механических и служебных свойств они либо не уступают, либо превосходят известные, но значительно дешевле их. Сведения об использовании ряда выполненных разработок в зарубежной и оте­­чественной литературе отсутствуют. Тем не менее они могут найти широкое применение при изготовлении различного рода клапанов, крепежа и других высокопрочных деталей, работающих в коррозионной среде.

Огромное количество деталей землеройного и дробильного оборудования изготавливают из стали Гадфильда, разработанной еще в ХIХ веке. Она содержит 13% Mn, в связи с чем ее выплавка создает неблагоприятную экологическую обстановку (окислы марганца очень токсичны). На основе развиваемых представлений созданы износостойкие стали со значительно меньшим содержанием марганца.

Детали для дробления кокса и известняка, ролики и звенья цепей чугуноразливочной машины, изготовленные из экономнолегированных марганцем сталей, по долговечности значительно превосходят серийные. При этом сокращается и длительность термообработки, а соответственно и затраты на изготовление сменно-запасных деталей. Разработанные стали внедрены в производство и показали высокую эффективность.

Однако высокоуглеродистые марганцовистые стали трудно обрабатываются резанием, и их применяют преимущественно в литом состоянии. Для деталей, от которых требуются точные размеры, созданы новые низкоуглеродистые марганцевые стали, где устранен этот недостаток. Высокое сопротивление изнашиванию в них обеспечивается науглероживанием поверхностного слоя, в котором создается метастабильная структура и реализуется его упрочнение за счет самозакалки при нагружении в процессе эксплуатации.

Чрезвычайно эффективной оказалась разработка наплавочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле эффект самозакалки при эксплуатации. Опыт использования этих материалов для наплавки крановых колес, опорных роликов установок окомкования и охлаждения агломерата и быстроизнашивающихся деталей, работающих в условиях ударно-абразивного воздействия, показал: эксплуатационная стойкость деталей повышена в несколько раз.

Созданы перспективные малоуглеродистые инструментальные стали с эффектом cамозакалки при охлаждении, предназначенные для работы при повышенных температурах (до 500—550°С). Их состав подобран с таким расчетом, чтобы обеспечить упрочнение при нагреве. Преимущество этих сталей — повышенное сопротивление окислению, термической усталости и износу. Штампы горячего деформирования металлов из новых сталей показали эксплуатационную стойкость, в два раза более высокую по сравнению с широко применяемой в промышленности сталью 5ХНМ.

В противовес распространенному представлению о необходимости в результате обработки получать в сплавах однородную структуру показано, что одним из перспективных направлений повышения конструкционной прочности является создание регулярной макронеоднородной структуры. Такие структуры можно назвать также дифференцированными, селективными, модулированными, дискретными. Для их создания необходимо получать соизмеримые с размерами изделий градиенты структурно-фазового состояния. Это достигается дифференцированной обработкой, в которой совмещены общее (объемное) и локальное воздействия на материал. При этом тепловые, механические, магнитные и другие поля распределяются не равномерно по объему металла, а локализуются в отдельных его участках или слоях.

В результате фазовые и структурные превращения протекают не одновременно, а в разной последовательности и степени. Для получения регулярной макронеоднородной структуры могут быть использованы термическая, химико-термическая, деформационная обработки, а также их сочетания. Большие возможности в этом отношении открывает применение источников концентрированной энергии: лазерной, электронно-лучевой, плазменной. Разработанные технологии упрочнения штампового и режущего инструмента повышают его износостойкость в 1,5–2 раза.

Внедрение в промышленности ресурсосберегающих экономнолегированных материалов, эффективных упрочняющих технологий, реализующих принцип получения микро- и макронеоднородных многофазных структур и их управляемой самотрансформации, может дать огромный экономический эффект, так как это позволяет сократить расход дорогих легирующих элементов, затраты энергии на обработку, уменьшить металлоемкость изделий и увеличить долговечность деталей машин. При этом не требуется капитальных затрат, а также существенного изменения применяемых на производстве технологических процессов и оборудования.

Между тем в настоящее время этому направлению не уделяется должного внимания. Так, указанные работы, включенные в программу «Наука Донбасса-2020», вообще не получили финансирования. А без серьезной государственной поддержки надеяться на широкое внедрение созданных материалов и технологий не приходится.

Леонид Малинов

Заведующий кафедрой «Материаловедение» Приазовского государственного  технического университета (Мариуполь), профессор доктор  технических наук

Начал исследования еще в 60-е годы, будучи аспирантом профессора И.Н.Богачева. Занимался внедрением в производство первой в мировой практике кавитационно-стойкой стали с метастабильным аустенитом и эффектом самозакалки при нагружении, разработанной И.Н.Богачевым.

В 70—80-е годы на «Азовмаше» внедрены наплавочные материалы, обеспечивающие получение в наплавленном металле метастабильного аустенита, для наплавки крановых колес, цапф сталеразливочных ковшей, технологии упрочнения инструмента с использованием лазера. На МК«Азовсталь» и Макеевском металлургическом комбинатах внедрены новые износостойкие стали.

В последние семь лет разрабатывал и внедрял на ММК им. Ильича износостойкие стали для быстроизнашивающихся деталей аглофабрики, а также новый экономичный наплавочный материал для наплавки деталей, работающих в условиях сухого трения.

Во многих исследованиях и разработках профессора Малинова принимали участие аспиранты, студенты-дипломники и специалисты предприятий. По результатам исследований получено 120 авторских свидетельств и патентов, осуществлено более 430 публикаций, в том числе 3 монографии. Создана научная школа. Защищены 6 кандидатских и две докторские диссертации.