ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Железоуглеродистые сплавы, легированные медью, считаются возможной альтернативой дорогостоящим бронзам при изготовлении деталей крупногабаритных тяжелонагруженных узлов трения скольжения. Условия работы этих узлов предполагают наличие больших удельных нагрузок. Следовательно, материалы, из которых они изготавливаются, должны обладать высоким комплексом прочностных и триботехнических свойств. Наибольшая прочность железоуглеродистых сталей достигается путем закалки, тем не менее, в настоящее время остается открытым вопрос о влиянии меди на структуру и свойства среднеуглеродистых сталей после закалки. Цель работы: исследование структуры, прочностных и триботехнических свойств литых среднеуглеродистых сталей, легированных медью (0…9 мас. %),  после закалки от температур 800, 900, 1000 и 1150 °С и низкого отпуска при 200 °С. Методы исследования. Структурные исследования проведены с использованием методов оптической и сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Исследованы механические свойства сплавов после литья и закалки с низким отпуском, оценена твёрдость материалов по Роквеллу, проведены испытания на износостойкость о закрепленные и нежестко закрепленные частицы абразива. Результаты и обсуждение. Установлено, что с повышением содержания меди в стали уменьшается размер ферритного зерна и возрастает дисперсность перлита. Методом просвечивающей электронной микроскопии изучены нанодисперсные включения ε-фазы меди, формирующиеся в ферритной матрице. Нагрев до 800 °С не обеспечивает возможность для полной закалки сталей, легированных медью. Кроме мартенсита в структуре сплавов в присутствуют микрообъемы феррита и перлита. Закалка от 900 °С приводит к формированию полностью мартенситной структуры. Дальнейшее повышение температуры закалки не приводит к качественному изменению структурного состава. Включения медистой фазы преимущественно обладают формой, близкой к сферической. При закалке от 1150 °С в сплаве с 9 % меди включения ε-Cu выделяются в виде тонких пленок по бывшим границам аустенитных зерен. Методом ПЭМ установлено, что нагрев под закалку приводит к растворению медных наноразмерных включений. На стадии ускоренного охлаждения медь в виде включений не выделяется. Показано, что легирование медью до 6 мас. % способствует росту триботехнических характеристик среднеуглеродистых сталей. Установлено, что наиболее высоким комплексом механических свойств обладают образцы, закаленные от 900 °С.

1. Silman G.I., Kamynin V.V., Goncharov V.V. On the mechanisms of copper effect on structure in cast iron // Metal Science and Heat Treatment. – 2007. – Vol. 49, iss. 7–8. – P. 387–393. – doi: 10.1007/s11041-007-0072-z.

2. Влияние меди на антифрикционные свойства серых чугунов / Н.В. Степанова, В. Кумар, В.А. Кузнецов, П.А. Попелюх, Е.Д. Головин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 1 (54). – С. 81–84.

3. Износостойкость заэвтектоидной стали, легированной медью и алюминием / Н.В. Степанова, А.А. Батаев, А.А. Ситников, Т.Н. Осколкова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 4 (69). – С. 72–79. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-4-72-79.

4. Sil'man G.I. About retrograde solidus and stratification of melt in the Fe–Cu and Fe–Cu–C systems // Metal Science and Heat Treatment. – 2009. – Vol. 51, iss. 1–2. – P. 19–24. – doi: 10.1007/s11041-009-9120-1.

5. Peculiarities of the precipitation of nanosized ε-phase copper particles in ferrite plates of lamellar pearlite / I.A. Bataev, N.V. Stepanova, A.A. Bataev, A.A. Nikulina, A.A. Razumakov // Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117, iss. 9. – P. 901–905. – doi: 10.1134/S0031918X16090015.

6. Composites of copper and cast iron fabricated via the liquid: In the vicinity of the limits of strength in a non-deformed condition / N.V. Stepanova, I.A. Bataev, Y.-B. Kang, D.V. Lazurenko, A.A. Bataev, A.A. Razumakov, A.M. Jorge Junior // Materials Characterization. – 2017. – Vol. 130. – P. 260–269. – doi: 10.1016/j.matchar.2017.06.025.

7. Prasetyo Y., Lee S.K., Baek E.R. Effect of copper addition on mechanical properties of nodular indefinite chilled iron (NICI) // Key Engineering Materials. – 2011. – Vol. 457. – P. 386–391. – doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.457.386.

8. Pearlite stabilization by copper on ductile cast iron / M. Tsujikawa, N. Matsumoto, K. Nakamoto, Y. Michiura // Key Engineering Materials. – 2011. – Vol. 457. – P. 151–156. – doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.457.151.

9. Hsu C-H., Lin K-T. A study on microstructure and toughness of copper alloyed and austempered ductile irons // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528, iss. 18. – P. 5706–5712. – doi: 10.1016/j.msea.2011.04.035.

10. Microstructure and mechanical properties of as-cast ductile irons alloyed with manganese and copper / R.K. Dasgupta, D.K. Mondal, T.K. Chakrabarti, A.C. Ganguli // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2012. – Vol. 21 (8). – P. 1728–1736. – doi: 10.1007/s11665-011-0058-2.

11. Investigating the mechanical properties of 0.5% copper and 0.5% nickel austempered ductile iron with different austempering parameters / B. Abdullah, S.K. Alias, A. Jaffar , F.A. Rahim, A. Ramli // Advanced Materials Research. – 2012. – Vol. 383–390. – P. 3313–3319. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.383-390.3313.

12. The effect of Cu on the microstructure and the elevated temperature properties of ferritic heat resistant cast iron / K. Choe, S. Lee, M. Kim, K. Lee // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 654–656. – P. 1448–1451. – doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1448.

13. Горкунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: МСХА, 2000. – 616 с. – ISBN 5-94327-004-3.

14. Ильин А.П., Назаренко О.Б., Рихерт С.В. Влияние суспензии «моторное масло + смесь нанопорошков меди и никеля» на трибологические свойства пары трения «углеродистая сталь – низколегированная сталь» // Известия Томского политехнического университета. – 2004. – Т. 307, № 3. – С. 77–79.

15. Сильман Г.И., Камынин В.В., Гончаров В.В. Влияние меди на структуру и свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом // Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. – № 6. – С. 43–48.

16. Sil'man G.I., Kamynin V.V., Tarasov A.A. Effect of copper on structure formation in cast iron // Metal Science and Heat Treatment. – 2003. – Vol. 45, iss. 7–8. – P. 254–258. – doi: 10.1023/A:1027320116132.

17. Kamynin V.V. Effect of structure on the tribotechnical properties of cast iron // Metal Science and Heat Treatment. – 2007. – Vol. 49, N 7–8. – P. 398–400. – doi: 10.1007/s11041-007-0074-x.

18. Stepanova N.V. Razumakov A.A. The effect of doping with copper and aluminium on structure, mechanical and friction properties of steel // The 8 International Forum on Strategic Technologies (IFOST 2013): proceedings, Mongolia, Ulaanbaatar, 28 June – 1 July 2013. – Ulaanbaatar, 2013. – Vol. 1. – P. 240–242. – doi: 10.1109/IFOST.2013.6616977.

19. Яковлев А.Ю. Волчок И.П. Влияние меди на структуру и свойства графитизированной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2008. – № 1. – С. 44–46.

20. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1958. – 416 с. – ISBN 978-5-458-36211-5.

21. Особенности упрочнения феррита и перлита в сталях и чугунах, легированных медью / И.А. Батаев, Н.В. Степанова, А.А. Батаев, А.А. Разумаков // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2017. – № 6. – С. 86–90.

22. Особенности выделения наноразмерных частиц ε-фазы меди в ферритных промежутках пластинчатого перлита / И.А. Батаев, Н.В. Степанова, А.А. Батаев, А.А. Никулина, А.А. Разумаков // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117, № 9. – С. 932–937. – doi: 10.7868/S0015323016090011.

23. Медь в черных металлах / пер. с англ. И.Д. Марчуковой и А.Н. Штейнберга; под ред. О.А. Банных; под ред. И. Ле Мэя и Л.М.Д. Шетки. – М.: Металлургия, 1988. – 312 с. – ISBN 5-229-00073-2.