735. Савуляк Валерій Іванович. Наукові засади формування на сплавах заліза композиційних металокарбідних шарів зі стабільними структурами та підвищеними триботехнічними характеристиками: дис... д-ра техн. наук: 05.02.01 / НАН України; Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича. - К., 2004.
Анотація до роботи:
Савуляк В.І. Наукові засади формування на сплавах заліза композиційних металокарбідних шарів зі стабільними структурами і підвищеними триботехнічними характеристиками. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.01 – матеріалознавство. Інститут проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ, 2004.
Робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків і переліку літератури, що цитується.
Дисертація присвячена розв'язанню актуальної науково-технічної проблеми – розробці наукових засад формування на сплавах заліза композиційних металокарбідних шарів зі стабільними структурами і підвищеними триботехнічними характеристиками. На основі системного підходу сформульовано основні принципи стабільності структур композиційних матеріалів триботехнічного призначення. Імітаційне моделювання композиційних структур та дослідження нестаціонарних теплових полів та термічних напружень дозволили сформулювати основні вимоги до матеріалу.
Розроблені в рамках термодинамічного підходу фізико-хімічні основи визначення параметрів та умов формування зносостійких композиційних матеріалів та покриттів з метало-вуглецевих компонентів у вигляді порошків, волокон або тканин за наявності екзотермічних ефектів, що базуються на розгляді відкритих систем з урахуванням обміну із зовнішнім середовищем тепловими потоками та масою. Це дозволило запропонувати експериментально підтверджені методи визначення температурного інтервалу синтезу карбідів, умов евтектичного плавлення та утворення матеріалу або покриття з литими евтектичними структурами.
Досліджено структури та фізико-механічні властивості сформованих покриттів, які показали високу зносостійкість (знос I = 5-15 мкм/км, коефіцієнти тертя 0,1 –0,25 в залежності від складу та структури).
Розроблені технологічні процеси пройшли промислові випробування і використані для формування зносостійких поверхневих шарів на деталях із залізовуглецевих сплавів, нанесення зносостійких покриттів та для відновлення деталей транспортної техніки.
1. Розроблені наукові засади формування на сплавах заліза зносостійких композиційних металокарбідних покриттів шляхом створення структур з термодинамічно прогнозованою стабільністю, які ґрунтуються на вивченні основних енергетичних закономірностей фазових перетворень та обміну енергією і полягають в наступному:
необхідний рівень енергетичної стабільності системи визначається умовами експлуатації і може контролюватися такою зміною метастабільного стану, який супроводжується зміною дисипативних структур (дислокаційної субструктури, розшаруванням фаз, перебудовою гратки, зворотними процесами розчинення та виділення тощо);
стабільність структурного стану композиційного матеріалу коректно характеризувати відношенням висоти енергетичного бар'єру, у рамках якого існує дана структура, до висоти гіпотетичного бар'єру, який здатна подолати система в заданих умовах експлуатації;
термодинамічна активність компонентів у сусідніх фазах повинна мати близькі значення або бути рівною;
стабільність композиційного матеріалу може бути підвищеною створенням навколо включень спеціальних зон, що контролюють дифузію вуглецю та інших елементів;
для забезпечення стабільності композиційного матеріалу необхідно створювати умови для можливості самоорганізації його структурних складових, тобто вплив зовнішнього середовища повинен компенсовуватись в них адекватними змінами дисипативних структур.
2.В рамках термодинамічного та фізико-хімічного підходу до нерівноважних систем визначені параметри та умови формування зносостійких композиційних покриттів із метало-вуглецевих компонентів у вигляді порошків металів (Cr, Mo, V, W) та вуглецю у вигляді порошків, волокон або тканин при наявності екзотермічних ефектів, з врахуванням відкритості систем з обміном із зовнішнім середовищем потоками енергії та маси. Запропоновано експериментально підтверджені методи визначення температурного інтервалу синтезу карбідів, умов плавлення та утворення покриття з литими евтектичними структурами, розрахунку координат евтектичного тальвегу бінарних та багатокомпонентних систем.
3. Вперше показано, що використання екзотермічних ефектів в процесах формування композиційних матеріалів покриттів дозволяє керувати утворенням їх структури та властивостей, що відкриває можливості оптимізації за критеріями зносостійкості, довговічності тощо. На прикладі екзотермічних сумішей Cr – C – i показано, що шляхом керування інтенсивністю та часом підводу тепла вдається змінювати умови та повноту проходження реакцій, дисперсність і форму карбідів, параметри стабільності покриття. Одночасна дія на реакційну зону формування покриття полів різноманітної природи (електромагнітних, вібраційних, тиском) впливає на швидкість реакцій, повноту їх проходження та кінцеву структуру матеріалу. Накладання електромагнітних полів в момент появи евтектичної рідини дозволяє значно прискорити процеси перенесення маси в сумішах та швидкість утворення карбідів, а накладання вібрацій на етапі кристалізації покриття дозволяє диспергувати структуру.
4. Вперше систематизовані основні механізми релаксації енергії у металокарбідних композиційних матеріалах з врахуванням впливу експлуатаційних факторів. До найбільш значущих віднесено: зневуглецьовування карбідів та перетворення їх кристалічної гратки з утворенням вищих карбідів; графітизація карбідів; розчинення та виділення карбідів; розшарування структурних складових на окремі фази та їх розчинення; формування та еволюція дислокаційної субструктури.
5. Вперше розроблено алгоритми і програми імітаційного моделювання на ЕОМ та побудовано нестаціонарні теплові поля і відповідні їм поля термічних напружень в композиційних покриттях систем Me – CrxCy; Me – VxCy; Me – MoC2; Me – WxCy; Me – графіт; Me – Cr3(B,C)2, y багатокомпонентних композитах з евтектичними та дисперсно-зміцненими типами структур, що виникають від нестаціонарних джерел тепла (процесів тертя, зварювання тощо). Показано, що конфігурація цих полів суттєво неоднорідна, мають місце значні перепади температур та напружень, зумовлені гетерогенністю структури, неоднорідністю теплофізичних та механічних властивостей структурних складових композиту, які досягають в залежності від навантаження в процесі тертя температур плавлення компонентів, а локальні напруження – до кількох ГПа. При цьому величини напружень розтягу та стиску чергуються по усьому об'єму покриття. Показано тісний взаємозв'язок між складом композиту, розмірами та формою структурних складових та статистичними характеристики для нестаціонарних полів температур та напружень. Для зменшення перепадів температур та термічних напружень слід використовувати (у межах можливого) однорідні за розмірами структури з максимальною дисперсністю карбідів та вирівнювати теплофізичні властивості твердих включень і матриці, яка повинна забезпечувати високу релаксаційну здатність.
6. Вперше запропоновано методи інверсії несприятливих для експлуатації в умовах тертя та зношування структур залізовуглецевих сплавів з суцільними ледебуритними сітками шляхом легування та гарячою вібраційною обробкою тиском. В якості легувального комплексу запропоновано використання сполук ванадію, ніобію, хрому з врахуванням позитивних ефектів від впливу невеликих добавок титану. Показано, що використання комплексного легування дозволяє економити цінні легувальні компоненти (ванадій та ніобій та хром) за рахунок введення титану, кремнію, алюмінію та міді. На основі вивчення та класифікації кінетичних та термодинамічних факторів вибілювання залізовуглецевих сплавів, запропоновано для створення певної глибини металокарбідного шару на робочих поверхнях деталей використовувати конодні діаграми "склад – структура – властивості".
7. Розкрито механізм зміцнення та стабілізації карбідів цементитного типу легуванням перехідними металами з різною наповненістю d – оболонки, який пов'язаний з різною ступінню заповнення підсмуги антизв'язуючих станів у карбідів (Fe3C (Fe,Mn)3C (Fe,Cr)3C).Встановлено, що упорядковування та розупорядковування кристалічної ґратки карбідів заліза є зворотним процесом, супроводжується зміною внутрішньої енергії і є причиною спотворення ґратки, зміни властивостей (змінюється твердість, яка корелює із зневуглецьовуванням та, відповідно, збільшенням щільності дефектів вуглецевої підґратки) та сприяє релаксації внутрішніх напружень у карбідах. При високих температурах атоми вуглецю мають підвищену енергію, яка достатня для подолання енергетичного бар'єру і переходу з октаедричних пор у призматичні та навпаки. При цьому виконується робота, а ступінь упорядкованості системи і внутрішня енергія змінюються. Це викликає не тільки спотворення гратки карбідів, але і супроводжується ростом їх твердості, причому неоднорідність мікротвердості зменшується і частково вирівнюється при довільній кристалографічній орієнтації.
8. У рамках термодинамічного підходу сформульовані фізико-хімічні принципи визначення параметрів та умов формування композиційних матеріалів та покриттів із використанням екзотермічних ефектів. Запропонована така послідовність: розрахунок тепловиділення базової системи карбідотворний метал - вуглець визначення температурного інтервалу карбідоутворення розрахунок температури підігріву для ініціалізації синтезу покриття визначення легувального комплексу для утворення евтектичних структур розрахунок потужності джерела тепла для компенсації тепловтрат у відкритих системах. Показана можливість формування градієнтних структур покриття з керованими фізико-механічними властивостями шляхом зміни схеми чергування шарів екзотермічної суміші та їх складу. Показана можливість використання цього підходу до широкого класу перспективних композиційних матеріалів.
9. Установлена залежність зносостійкості розроблених композиційних покриттів від вмісту і розмірів часток карбідної фази та показано, що оптимальному відповідає склад з 22-25% вмісту карбідів за об'ємом з розмірами нижче 2-5 мкм. Підвищення твердості матриці збільшує абразивну зносостійкість покриття.
10. Технології формування на сплавах заліза композиційних металокарбідних шарів та покриттів зі стабільними структурами і підвищеними триботехнічними характеристиками пройшли апробацію шляхом реалізації розроблених на їх основі технологічних процесів: зміцнення робочих органів землеобробної техніки (лемеші плугів, лапи культиваторів – зносостійкість підвищена у 2-3 рази); нанесення зносостійких покриттів на заготовки з нелегованих вуглецевих сплавів для різального інструменту (стійкість отриманого інструменту вища, ніж при використанні швидкорізальних сталей); покращення триботехнічних характеристик деталей гідромоторів (підвищення пускового моменту гідромотора на 15-20% за рахунок зменшення коефіцієнтів тертя спокою); підвищення зносостійкості та відновлення деталей транспортної техніки.
Публікації автора:
Савуляк В.І., Жуков А.О., Чорна Г.О. Побудова та аналіз моделей металевих сплавів. Монографія. – Вінниця: Універсум, 1999. – 200 с.
На основі термодинамічного підходу дисертант запропонував алгоритми побудови та уточнення моделей металевих сплавів та їх компонентів, методику розрахунку евтектичного тальвега багатокомпонентних систем.
Савуляк В.І. Синтез зносостійких композиційних матеріалів та поверхневих шарів з екзотермічних компонентів. Монографія. – Вінниця: Універсум, 2002. – 161с.
Савуляк В.І. Деякі питання термодинаміки систем Fe-C-i, де i –третій сильно ліквуючий компонент // Вісник технічного університету “Поділля”.– 2001. – №1. – С.25-29.
Savulyak V.I., Zhukov A.A., Arkhipova T.F. Hardening of the cementite phase during quenching of hypereutectoid steels and white irons // The Bulletin of Polytechnic Institute of Jassy. – Romania. – 1996. – vol.42, No.1-2. – P.61-67.
За результатами експериментальних досліджень дисертант виявив механізм збільшення мікротвердості карбідів під впливом гартування.
Савуляк В.І. Схильність сплавів заліза до графітизації та їх триботехнічні властивості //Вісник ВПІ. –2000. –№5. – С.62-67.
Жуков А.А., Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. О влиянии элементов на равновесные температуры эвтектических превращений // Металловедение и термическая обработка металлов. –2000. – № 2. – С. 3 - 8.
Дисертантом виконаний аналіз впливу металоїдів на зміну температур евтектичних перетворень у сплавах на основі заліза.
Жуков А.А., Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. Восходящая диффузия во время начальных стадий бейнитного и мартенситного превращений // Металлофизика и новейшие технологии. – 1999. – Т.21, № 2. – С.93-98.
Дисертант розробив модель та алгоритми розрахунків висхідної дифузії під час фазових перетворень у залізовуглецевих сплавах.
У роботі [8] дисертант виконав дослідження механізму стабілізації карбідів заліза легуваням та підвищення їх твердості під впливом гартування.
Жуков А.А., Снежной Р.Л. Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. Расчет химической спинодали в системе аустенит – цементит и некоторые практические приложения // РАН. Металлы. – 1998. – №5. – С.38-43.
Дисертант брав участь у розробці моделі та алгоритмів розрахунків протікання спінодального розпаду переохолодженого і пересиченого вуглецем аустеніту.
Савуляк В.И., Жуков А.А. Об образовании карбина (цианополиина) и алмаза в Fe-C сплавах // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2001, №3. – С.37-40.
У роботі [10] дисертант взяв участь у науковій полеміці з проблеми утворення алмазів у залізовуглецевих сплавах.
Savulyak V.I. Determination of experimental friction characteristics of sliding quide Materials // Проблеми трибології. –1998. –№1.– C. 154 –158.
Савуляк В.І., Чорна Г.О. Термодинаміка синтезу композиційних матеріалів на основі тугоплавких металів. Вісник Сумського державного університету. – 2002, –№9. – C.83-87.
Дисертант розробляв математичні моделі термодинамічного аналізу процесів синтезу металокарбідних композиційних матеріалів з використанням екзотермічних ефектів та робив узагальнення результатів.
Савуляк В.И. Роль кислорода в формировании свойств поверхностных слоев Fe-C сплавов, подвергаемых трению и изнашиванию // Проблеми трибології. – 2000. –№3.– C. 27 –29.
Савуляк В.І., Березюк О.В., Дяченко В.О. Температурні поля в компо-зиційних матеріалах //Проблеми трибології. –2002, –№3-4. –С. 124-128.
У роботі [14] дисертант розробив моделі композиційного матеріалу, алгоритми програмування нестаціонарних теплових процесів під час тертя, виконав імітаційні дослідження на ПЕОМ та узагальнив результати.
Савуляк В.И. Антифрикционная среднеуглеродистая графитизированная сталь // Проблемы трибологии. – 2001, –№1. – С. 67-69.
Савуляк В.І., Чорна Г.О., Савуляк В.В. Експериментальне дослідження зносостійкості металокарбідних покриттів // Проблеми трибології. –2001. –№2. – С.22-25.
В роботі [16] дисертант розробив конструкцію установки, методику експериментів, брав участь та узагальнив їх результати.
Савуляк В.І. Підвищення зносостійкості циліндро-поршневих пар гідромашин шляхом використання високовуглецевих сплавів заліза з інвертованою структурою //Проблеми техніки. –2003. -№1. –С.146-153.
Савуляк В.І. Інверсія несприятливих структур та стабільність композиційних матеріалів та покриттів триботехнічного призначення // Вісник ВПІ. –2003. –№3. – С.46-54.
В роботі [18] дисертант запропонував та дослідив процеси інверсії несприятливих структур композиційних матеріалів на поверхні залізовуглецевих сплавів шляхом обробки концентрованими потоками енергії та легуванням.
Жуков А.А., Савуляк В.И., Шилина Е.П., Архипова Т.Ф. Формирование высокоуглеродистых поверхностных слоев на стали и чугуне // Метал-ловедение и термическая обработка металлов. –1997. –№12. – С. 21.
В роботі [19] дисертант розробляв концепцію створення зносостійкої структури поверхні сталі.
У роботі [21] дисертант досліджував механізми підвищення антифрикційних характеристик залізовуглецевих сплавів шляхом їх модифікації легуванням міддю ті сіркою з утворенням композиційної структури.
Жуков А.А., Савуляк В.И., Архипова Т.Ф. Об атомных сегрегациях в железоуглеродистых расплавах // Процессы литья. –1999. –№ 1. –С.6-10.
У роботі [22] дисертант розвивав концепцію утворення атомних сегрегацій та кластерної структури у залізовуглецевих розплавах.
Zhukov A.A., Savulуak V.I., Chernaya G.A. Use of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in superficial alloying of metals // Romanian Academy. –1999. – TSTM4. –P.176-180.
У роботі [23] дисертант виконував аналіз металографічних досліджень та узагальнення результатів.
Savulуak V.I., Chernaya G.A. Formation process of wear resistant coatings with using of exotermal mixtures // Buletinul Institutului politehnic din Jasi.- T. XLVI(L), F.3-4. – 2000. – P. 107-112.
У роботі [24] дисертант виконав аналіз формування зносостійких поверхонь з використанням екзотермічних ефектів.
Savulyak V.I., Zhukov A.A., Arkhipova T.F. Cellular precipitation of excessive phase during the start of bainitic transformation // The Bulletin of Polytechnic Institute of Jassy. –Romania. –2000. – vol.46, No.3-4. – P.113-119.
Дисертант брав участь у розробці моделей та алгоритмів розрахунків спінодального розпаду переохолодженого і пересиченого вуглецем аустеніту та виконував аналіз процесу.
Savulyak V.I., Zhukov A.A. Formation of Carbin (Cyanоpolyyne) and of Diamond in Fe-C Alloys // Modelling and Optimization in the Machines Bulding Field. Romanian Academy. – 1999. - V.5. –P.1-4.
Дисертант взяв участь у науковій полеміці з проблеми утворення карбіну та діамантів у залізовуглецевих сплавах.
Savulyak V.I., Arkhipova T.F., Djachenko V. A. Sinthesis thermodinamics of exothermal prozesses of composite materials // The Bulletin of Polytechnic Institute of Jassy.- Romania. – 2002. – vol.46, №3. – P.225-230.
Дисертант розробляв алгоритми та математичні моделі термодинамічного аналізу процесів синтезу композиційних матеріалів з використанням екзотермічних ефектів.
Дисертант взяв участь у науковій дискусії з проблем рідкого стану залізовуглецевих сплавів.
Zhukov A.A., Savulyak V.I., Arkhipova T.F. The Structure of the Cementite fase in the constructional alloys on the Fe-C base// Modelling and Optimization in the Machines Bulding Field. Romanian Academy.–V.5. Bacau,–1999.–P. 5-8.
На основі даних рентгеноструктурного аналізу, результатів дії концентрованих потоків енергії дисертантом висунуте та обґрунтоване твердження про взаємозв'язок анізотропії фізико-механічних властивостей карбідів заліза та їх пінакоїдальної будови.
Savulyak V.I., Cherna G.A., Savulyak V.V. Experimental investigation of composite coating wear resistance // Матеріали міжнародної конференції “Tehnomus XI”. Romaniya, Suceava, –2001. – Р. 99 - 102.
В роботі [30] дисертант розробляв методики досліджень, алгоритми, конструкцію установки, брав участь у дослідах та узагальнив результати експериментів.
Савуляк В.И., Осадчук А.Ю. Нанесение композиционных покрытий на рабочие поверхности инструмента из углеродистых сталей // Оборудование и инструмент для профессионалов. –2003. –№5. – С.21-25.
В роботі [20] дисертант розробляв технологію реалізації наукових основ синтезу металокарбідних матеріалів з використанням екзотермічних ефектів для інструментів із залізовуглецевих сталей.
Савуляк В.И., Ивацко В.Т., Краевский П.В, Вдовиченко А.В. Особенности технологии упрочнения штамповой оснастки легированием композиционными материалами. –Краматорск, –2003. –С.553 –555.
Дисертантом запропонована концепція дисперсного зміцнення робочих поверхонь штампової оснастки.
Savulyak V.I., Arkhipova T.F., Kreshchenetsky V.L. Cases the ascending Diffusion of the components and anomalous stability of the heterogeneity fusions. Received by methods of powder metallurgy // Матеріали міжнародної конференції “Tehnomus XII”. Romaniya, Suceava. –2003. –P. 301-306.
У роботі [33] дисертант проаналізував динаміку процесів гомогенізації та аномальної стабільності у гетерогенних багатокомпонентних системах та зробив узагальнення.
Савуляк В.І., Чорна Г.О. Структуроутворення при нанесенні на деталі зміцнюючих шарів типу “метал-карбід” з використанням СВС-технологій // Збірник наукових праць. –Запоріжжя: ЗДТУ. –1998. –С.220.
В роботі [34] дисертант розробив концепцію утворення евтектичних структур в процесах синтезу металокарбідних композиційних шарів з використанням екзотермічних ефектів.
Савуляк В.И. Сивак Р.И. Применение методов механики пористых тел к исследованию процессов трения // Материалы 2-й Международной научно-технической конференции "Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирования машин для реализации технологий." –Винница, –1994. – С.158-159.
Дисертантом в роботі [35] запропонована методика представлення процесу тертя двох матеріалів як системи осциляторів на пористих поверхнях.
Zhukov A.A., Savulyak V.I., Arkhipova T.F. Uphill diffusion during the start of bainitic and martensitic transformation //Abst. of International Workshop “Diffusion and diffusional phase transformation in alloys”. –Cherkassy, Ukraina. –1998. –P.69.
Дисертантом в роботі [36] запропонована методика аналізу втрати стабільності структурного стану матеріалу та механізм його реалізації у гетерогенних системах.
