Авторы: Малинов Л.С. Малинов В.Л.
В работе обобщены результаты исследований по созданию экономнолегированных безникелевых сталей и чугунов с метастабильным аустенитом, а также упрочняющих обработок для его получения в широко применяемых сплавах. Это позволяет применять в качестве одного из основных легирующих элементов марганец, а также использовать внутренние резервы самого материала для повышения его механических и служебных свойств за счёт реализации эффекта самозакалки при нагружении. Стали и чугуны с метастабильным аустенитом и эффектом самозакалки при нагружении являются разновидностью адаптационных материалов, повышающих свои свойства при внешнем воздействии за счет самоорганизации структуры. Показана большая перспективность работ в указанном направлении.
На тех российских предприятиях, где в тяжёлое время, после развала Советского Союза, проводилась активная инновационная политика, связанная с внедрением перспективных научных разработок, потери производства были наименьшими. Важнейшей задачей предприятий в настоящее время является ресурсосбережение. Одним из направлений её решения должно стать снижение стоимости применяемых материалов, из которых изготавливаются детали машин и инструменты, а также повышение их долговечности. Их преждевременный выход из строя приводит к большим материальным и финансовым потерям. Согласно данным, опубликованным в статье «Энергетика бессервисных систем» (И.А. Кравец и др.//Проблемы трибологии.-2002.-№2.- С. 12-14), в США в 2000г. на ремонт промышленного оборудования было потрачено более 50 млрд. дол. По России подобные сведения отсутствуют, однако не вызывает сомнений, что затраты на эти же цели также велики. В условиях, когда предприятия имеют ограниченные денежные средства, следует внедрять разработки, дающие большой экономический эффект. Иллюстрацией этого является опыт Великобритании, в которой в 90-х годах прошлого века за счёт использования научных достижений , позволивших снизить затраты на обслуживание и ремонт оборудования, был получен экономический эффект в 230 млн. ф. ст. и ещё 115 млн. ф. ст. в результате исключения потерь, связанных с поломками (И.И. Беркович, . Трибология. Физические основы, механика технические приложения: Учеб. для ВУЗов / Под ред. Д.Г. Громаковского- Самара: гос. техн. у-нт, 2000. – 268 с.)
Обычно детали ответственного назначения изготавливают из сталей и чугунов, содержащих дорогие легирующие элементы – никель, вольфрам, кобальт и др., 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 повышения долговечности.
Авторами статьи предложена и развивается альтернативное указанному выше 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 счёт образования под их влиянием одной из наиболее прочных и твёрдых структур — мартенсита. В отличие от этого обычно его получают при изготовлении деталей термообработкой, называемой закалкой, для их существенного упрочнения. Следует подчеркнуть, что энергия внешнего воздействия, обычно вызывающая в процессе эксплуатации деформацию и разрушение материала, при получении в нём исходной метастабильной структуры повышает его свойства в течение продолжительного времени, вызывая образование прочного мартенсита. Это сильно затрудняет возникновение и развитие трещин, а, следовательно, разрушение. Закалка происходит как бы сама собой. Иначе говоря, реализуется эффект самозакалки (cамоупрочнение) при эксплуатации. Результатом этого и является существенное повышение эксплуатационной стойкости деталей и инструментов за счёт использования их внутреннего резерва. 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 поверхность, в результате чего на ней создаётся своеобразный панцирь из твёрдого мартенсита, защищающий её от разрушения. При его срабатывании в работу вступает нижележащий слой, и образование мартенсита происходит снова. Образно говоря, внешнее неблагоприятное для материала воздействие само против себя создаёт глубокоэшелонированную оборону из постоянно возобновляемого высокопрочного слоя. Рассмотренный принцип впервые был предложен и реализован выдающимся советским ученым металловедом профессором И.Н. Богачёвым в середине прошлого века для разработки сталей для гидротурбин, обладающих высоким сопротивлением разрушению в условиях эксплуатации. Эффективность данного принципа им была также показана на сплавах титана и меди, а спустя 10 лет 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 И.Н.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. В XXI веке одной из основных тенденций в материаловедении является создание материалов с метастабильными структурами, способными под влиянием внешних воздействий к самоорганизации, позволяющей им адаптироваться к соответствующим условиям работы и иметь свойства существенно более высокие, чем обычно достигаемые в настоящее время. 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.
Подавляющее большинство разработок в области черных металлов посвящено получению высоколегированных аустенитных сплавов специального назначения. Многолетние системные исследования, проведённые автором, являющимся 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), и других механизмов протекают частично. Это существенно расширяет возможности использования принципа самоорганизации структуры. Авторами статьи высказаны положения, являющиеся в настоящее время общепризнанными. Они 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 обычно 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 рассмотренного выше подхода разработаны экономнолегированные инновационные стали, чугуны и наплавочные материалы различных структурных классов и назначения, не содержащие дорогих легирующих элементов (никель, вольфрам, кобальт, медь и др.), либо содержащих их в значительно меньших количествах, чем в применяемых. Основными легирующими элементами в созданных сплавах являются марганец, кремний, хром, (в ряде случаев азот) и микродобавки титана, ванадия, ниобия.
Отличительной особенностью разработанных материалов является хорошее сочетание механических, технологических и служебных свойств. Как правило, они превосходят применяемые в промышленности аналогичные более дорогие материалы. Рассмотрим это на ряде примеров. Так, созданы коррозионностойкие, в том числе высокопрочные безникелевые стали. 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. Они могут найти широкое применение для различного рода клапанов, крепежа и других высокопрочных деталей, работающих в коррозионной среде.
Огромное количество деталей землеройного и дробильного оборудования изготавливают из стали Гадфильда, разработанной ещё в Х1Х в. Она содержит 13 % Mn, в связи с чем ее выплавка создает неблагоприятную экологическую обстановку, т.к. окислы марганца очень токсичны. На основе развиваемых представлений созданы износостойкие стали со значительно меньшим содержанием марганца, чем в известной. Детали для дробления кокса и известняка, ролики и звенья цепей чугуноразливочной машины, изготовленные из экономно легированных марганцем сталей, по долговечности значительно превосходят серийные, отлитые из стали с 13% марганца. При этом не только сокращаются расход марганца, но и длительность термообработки, а, соответственно, затраты на изготовление сменно-запасных деталей. Разработанные стали внедрёны в производство и показали высокую эффективность. Однако высокоуглеродистые марганцовистые стали трудно обрабатываются резанием и их преимущественно применяют в литом состоянии. Для деталей, от которых требуется иметь точные размеры, созданы новые низкоуглеродистые марганцевые стали, в которых устранён указанный выше недостаток. Высокое сопротивление изнашиванию в них обеспечивается науглероживанием поверхностного слоя, в котором создаётся метастабильная структура и реализуется его упрочнение за счет самозакалки при нагружении в процессе эксплуатации, а сердцевина имеет хорошее сочетание механических свойств. Это открывает новые перспективы применения низкоуглеродистых марганцовистых сталей, которые являются принципиально новым классом насыщаемых углеродом сталей.
Наиболее высокой абразивной износостойкостью обладают чугуны с эффектом самозакалки при эксплуатации. При этом созданы значительно более экономичные сплавы, чем применяемые в настоящее время в промышленности. Они не содержат никель, вольфрам, медь и другие дорогие легирующие элементы. Их следует применять для деталей и инструментов, работающих в условиях очень интенсивного воздействия абразивных частиц.
Показана перспективность создания и использования для деталей оборудования, работающего при низких температурах, марганцевых сталей, имеющих высокую ударную вязкость при температурах жидкого азота, и не уступающих в этом отношении более дорогим никельсодержащим материалам, применяемым в промышленности.
Чрезвычайно эффективной оказалась разработка наплавочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле эффект самозакалки при эксплуатации. В настоящее время они успешно разрабатываются доц. к.т.н. В.Л. Малиновым. Опыт использования этих материалов для наплавки крановых колес, опорных роликов установок окомкования и охлаждения агломерата и быстроизнашивающихся деталей, работающих в условиях абразивного ударно-абразивного воздействия. Эксплуатационная стойкость этих деталей повышена в несколько раз. В настоящее время созданы ещё более экономичные, чем прежде, материалы этого типа.
Разработаны экономнолегированные низкоуглеродистые стали (0,08-0,15 % С) общего и специального (нержавеющие) назначения. Суммарное содержание легирующих элементов для сталей общего назначения не превышает 6 %, а для специального — 16 %. Основными легирующими элементами являются хром и марганец. Характерной особенностью этих материалов является высокая устойчивость переохлажденного аустенита к перлитному превращению. Это обусловливает возможность получения бейнита или/и малоуглеродистого мартенсита при охлаждении с температуры аустенитизации на воздухе без применения специальных охлаждающих сред (эффект самозакалки при охлаждении). Стали имеют хорошее сочетание прочностных и пластических свойств и ударной вязкости, сохраняющихся до температур 500-550 оС. Они могут использоваться в литом, горяче- и холоднодеформированном состояниях. В зависимости от предъявляемых к ним требований их можно применять после нормализации, закалки в воде, низкого и высокого отпуска. Важными преимуществами их являются: высокая прокаливаемость; не склонность к обезуглероживанию, короблению и трещинообразованию; хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость; экологичность технологического процесса термообработки, поскольку не используется в качестве закалочной среды масло.
Разработанные стали могут подвергаться различным видам химико-термической обработки (цементации, азотированию, борированию и др.). Их особенностью является значительное сокращение времени насыщения поверхности различными элементами. Они могут быть применены для различных деталей, изготавливаемых в настоящее время из более дорогих среднеуглеродистых хромоникельмолибденовых улучшаемых сталей.
Созданы перспективные малоуглеродистые инструментальные стали с эффектом Самозакалки при охлаждении, предназначенные для работы при повышенных температурах (до 500-550 оС). Их состав подобран с таким расчетом, чтобы обеспечить упрочнение при нагреве. Преимуществом этих сталей являются: хорошая технологичность, повышенное сопротивление окислению, термической усталости и износу в условиях эксплуатации. .Штампы горячего деформирования металлов из новых сталей показали эксплуатационную стойкость в 2 раза более высокую по сравнению с широко применяемой в промышленности сталью 5ХНМ.
Разработаны низко- и малоуглеродистые марганцовистые стали мартенситного и мартенситно-аустенитного классов, в которых после закалки и низкого отпуска обеспечивается уровень свойств, достигаемый в более дорогих хромо-никелевых и хромо-никель-молибденовых сталях. Отличительной особенностью этих сталей является то, что после высокого отпуска в их структуре получают метастабильный аустенит, превращающийся при нагружении в мартенсит деформации. Это существенно повышает их пластичность и ударную вязкость. Температура перехода из вязкого состояния в хрупкое после такой обработки в низкоуглеродистых сталях составляет –70 — –80 оС, что позволяет их использовать для деталей, работающих при более низких температурах, чем известные стали. цементации. В отличие от известных сталей после цементации в поверхностном слое новых получают метастабильный аустенит и за счет реализации эффекта самозакалки при нагружении существенно повышают износостойкость.
Для увеличения коррозионной стойкости в речной и морской воде в эти стали дополнительно вводится хром (12-14 %). После термообработки, включающей закалку (нормализацию), стали имеют высокий уровень механических свойств и высокое сопротивление разрушению при ударно-циклических нагрузках, что обусловлено эффектом самозакалки. Эти стали могут применяться взамен дорогим хромоникелевым. Предложенные безникелевые стали являются перспективным конструкционным материалом для компрессоро-насосостроения, химического и нефтяного машиностроения.
Большие возможности открывает использование эффекта самозакалки при нагружении в случае использовании разработанных на кафедре технологий упрочнения сталей и чугунов, широко применяемых в промышленности.. Так, для бил дробилок доломита, изготовленных из среднеуглеродистой марганцевой стали, предложена обработка, позволяющая получить в поверхностном слое 25-30 % метастабильной структуры, претерпевающей самотрансформацию при эксплуатацию. Это увеличило их долговечность в 1,5 раза. Аналогичным образом повышена абразивная износостойкость клапанов распределительной коробки гидропресса и ряда деталей, изготовленных из сталей, подвергаемых цементации. Следует особо подчеркнуть, что распространенным является мнение о недопустимости иметь в поверхностном слое более 10 % метастабильного аустенита. Однако в случае интенсивного абразивного или контактно-усталостного износа необходимо получать его 30-50 % и реализовать самозакалку при нагружении в процессе эксплуатации, что повышает долговечность деталей на 30-50 %.
В отличие от распространенного представления о необходимости в результате обработки получать в сплавах однородную структуру, показано, что одним из перспективных направлений повышения конструкционной прочности является создание регулярной макронеоднородной структуры. Их можно назвать также дифференцированными, селективными, модулированными, дискретными. Для их создания необходимо получать соизмеримые с размерами изделий градиенты структурно-фазового состояния. Им должно соответствовать чередование высокопрочных и высокопластичных объемов материалов. 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 и др.). Разработанные технологии упрочнения штампового и режущего инструмента повышают его износостойкость в 1,5 – 2 раза. Локальная термообработка (точечная, линейчатая) значительно снижает энергозатраты на её проведение. Во многих случаях cсущественное повышение свойств применяемых сталей и чугунов может быть достигнуто за счет реализации внутреннего ресурса самих материалов при корректировке используемых режимов обработок.
Широкое внедрение в промышленности ресурсосберегающих экономнолегированных материалов, эффективных упрочняющих технологий, реализующих принцип получения микро- и макронеоднородных многофазных структур и их управляемой самотрансформации (вчастности эффекта самозакалки) может дать огромный экономический эффект, т.к. это позволяет сократить расход дорогих легирующих элементов, затраты энергии на обработку, уменьшить металлоемкость изделий и увеличить долговечность деталей машин. При этом не требуются капитальные затраты, а также существенное изменение применяемых на производстве технологических процессов. На рисунке приведены фотографии некоторых деталей, изготовленных из новых материалов и внедренных в производство.
