Структурно-морфологічні принципи зносостійкості та їх реалізація в керуванні працездатністю низьколегованих сталей

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробленню принципів зносостійкості, що ґрунтуються на закономірностях зв’язку структуроутворення з геометрією трибологічного контакту. Зазначені принципи реалізовано при цілеспрямованому регулюванні фазового складу конструкційних та інструментальних сталей, що пов’язує елементи мікроструктури зі схемою контактної взаємодії поверхонь твердих тіл при терті та забезпечує високий опір зношуванню та мінімізацію пошкоджуваності поверхонь контакту. Виявлено, що морфологія карбідної фази сталей 40Х та 40ХНМ є одним з основних факторів, який впливає на рівноважну шорсткість, структурно-геометричні параметри та несучу спроможність поверхні контакту, які формуються при терті та позначаються на їхніх трибологічних характеристиках. Показано, що отримання в структурі сталей Х6ВФ, 9ХФ і 7ХНМФБ на місці крупних тугоплавких легованих карбідів дисперсного мартенситу із залишками цих карбідів сприяє суттєвому підвищенню зносостійкості зазначених сталей завдяки зникненню міжфазних меж «карбід-матриця». За результатами нейромережевого моделювання сертифікованих структурно-геометричних параметрів поверхні залежно від її шорсткості проведено аналіз несучої спроможності поверхні контакту сталі 40Х під час тертя.

Диссертационная работа посвящена разработке принципов износостойкости, основанных на закономерностях связи структурообразования с геометрией трибологического контакта и их реализация в управлении работоспособностью низколегированных конструкционных и инструментальных сталей при обосновании оптимальных режимов термической обработки. Предложены основные закономерности и требования к организации структуры, а также пути целенаправленного регулирования фазового состава конструкционных и инструментальных сталей, связывающих элементы микроструктуры со схемой контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении, обеспечивающих высокое сопротивление износу и минимизацию повреждаемости поверхности контактного взаимодействия. На основании сравнительного анализа размерных параметров и характера распределения интерметаллидов SnSb в структуре баббитов Б83 и БТ относительно размеров и распределения пятен контакта при взаимодействии твердых тел при трении сформулированы основные закономерности и требования к организации износостойких антифрикционных структур. Установлено, что растущая неравномерность распределения углерода в сталях 40Х и 40ХНМ с повышением температуры закалки до 1050 С способствует увеличению размеров и количества высокоуглеродистых кристаллов игольчатого мартенсита и выделению в середине них на микродвойниковых границах при высоком отпуске более крупных в сравнении с пакетным мартенситом карбидов, стабильных к распаду при пластической деформации, образуя микрообъемы материала, обладающие более высокими относительно окружающей микроструктуры механическими характеристиками и устойчивостью к разрушению при фрикционном контакте. Показано, что создание гетерогенной по прочностным характеристикам структуры в указанных сталях, близкой к схеме контактного взаимодействия, является одним из решающих факторов уменьшения интенсивности износа как образцов, так и контртела. Дальнейшее увеличение температуры закалки до 1160 С хотя и приводит к образованию еще большей неравномерности распределения углерода с еще большими кристаллами игольчатого мартенсита, но при этом значительно увеличивается расстояние между микрообъёмами материала с повышенными механическими характеристиками и уменьшается их количество на поверхности трения, уменьшая стойкость к износу по сравнению с образцами, закаленными от 1050 С. Выявлено, что морфология карбидной фазы является одним из основных факторов, влияющих на равновесную шероховатость, структурно-геометрические параметры и несущую способность поверхности контакта, формирующиеся при трении и сказывающиеся на их трибологических характеристиках. На примере стали 08Г2С, направленной на гребень вагонного колеса, установлено, что формирование в литом материале гетерогенной по строению и механическим характеристикам структуры приводит к существенному уменьшению ее износа по сравнению с гомогенной. Увеличение дисперсности структуры первичных кристаллитов при их перпендикулярной ориентации к поверхности трения приближает структуру к схеме контактного взаимодействия и способствует повышению износостойкости металла в литом состоянии. Изучено влияние температурно-временных условий закалки инструментальных сталей Х6ВФ, 9ХФ и 7ХНМФБ, содержащих в своей структуре крупные тугоплавкие карбиды, которые могут выполнять роль пятен контакта. Показано, что замена потенциальных пятен контакта в виде тугоплавких легированных карбидов после стандартной термической обработки на опорные микроучастки со структурой дисперсного мартенсита с остатками этих карбидов способствует существенному повышению износостойкости указанных сталей благодаря исчезновению межфазных границ «карбид-матрица», уменьшению вероятности выкрашивания крупных карбидов и увеличению стойкости к разрушению при контактном взаимодействии микрообъёмов с повышенными механическими характеристиками. Осуществлена адаптация выбранной архитектуры искусственной нейронной сети – функционала множества табличных функций. Спрогнозировано изменение физико-механических свойств поверхности контакта стали 40Х и связанную с ней динамику изменения сопротивления износу в зависимости от температуры закалки. По результатам моделирования сертифицированных структурно-геометрических параметров поверхности в зависимости от ее шероховатости проведен анализ несущей способности поверхности контакта образцов стали 40Х при трении.

The thesis is devoted to the development of wear resistance principles, which based on connection regularities of structure formation with tribological contact geometry. These principles by targeted regulation of phase composition of constructural and tool steels by connection of microstructure elements with the contact interaction scheme of solid surfaces during friction was realized and provides high wear resistance and minimizes damages of contact surfaces. It was revealed that the carbide phase morphology of 40X and 40XHM is one of the main factors affecting the equilibrium roughness, structural-geometric parameters, and the bearing capacity of the contact surface formed upon friction and affect their tribological characteristics. It is shown that obtaining in the structure of X6ВФ, 9XФ and 7ХНМФБ tool steels in the place of large refractory alloyed carbides of disperse martensite with the residues of these carbides contributes to a significant increase in the wear resistance of these steels due to the disappearance of the carbide matrix interfacial boundaries. According to the results of neural network modeling of certified structural-geometric parameters of the surface, depending on its roughness, the bearing capacity of the 40X steel contact surface during friction was analyzed.