ОПТИМІЗАЦІЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ НИЗЬКОВУГЛЕЦЕВОГО ХРОМОМАРГАНЦЕВОГО НАПЛАВЛЕНОГО МЕТАЛУ З МЕТАСТАБІЛЬНИМ АУСТЕНІТОМ МЕТОДОМ РЕГРЕСІЙНОГО АНАЛІЗУ
DOI:
https://doi.org/10.31498/2522-9990302025347038Ключові слова:
наплавлений метал, метастабільний аустеніт, регресійний аналіз, зносостійкість, TRIP-ефект, оптимізація складу, азот, нікель, динамічне деформаційне мартенситне перетворення.Анотація
Наведено результати комплексного дослідження та оптимізації хімічного складу
низьковуглецевого
наплавленого
металу на Fe-Cr-Mn-C-N-Ni основі методом
багатофакторного регресійного аналізу. У роботі використано центральний композиційний
план другого порядку 2⁵⁻¹ з додаванням зіркових точок, що включає 31 експериментальний
склад з 5 повторами в центрі плану для оцінки помилки експерименту. Визначаються вмістом
вуглецю (0,10–0,25 %), хрому (10–16 %), марганцю (10–16 %), азоту (0,02–0,08 %) та нікелю
(0–4 %). Наплавка здійснювалася порошковими дроти діаметром 3,6-4,0 мм в три шари під
флюсом АН-26 на пластини товщиною 30 мм зі сталі 09Г2С при строго контрольованих
режимах: сила струму 350 ± 5 А, напруга 32-33 В, температура 38 ± 1 м. Після наплавлення
всі зразки піддавали відпустці при 650 ± 10 °С протягом 1 години з подальшим охолодженням
на повітрі для активізації динамічного мартенситного деформаційного перетворення
(ДДМП).
Отримано статистично значущі математичні моделі другого порядку (R² = 0,91–0,96,
adjusted R² = 0,87–0,94, p<0,001), що встановлюють кількісні залежності зносостійкості при
сухому терті (ε₁), абразивному (ε₂6-A), процедура (ε₃, Кд = 2,2) зношуванні від вмісту легуючих
елементів. Проведено крос-валідацію моделей методом leave-one-out, що показала середню
помилку прогнозування не більше 6,2%. Встановлено значний вплив всіх досліджених чинників
та його парних взаємодій (C-Cr, C-Mn, C-N, Mn-Ni) на комплекс властивостей наплавленого
металу. Показано, що азот є високоефективним легуючим елементом, що одночасно
підвищує зносостійкість усіх типів на 8–12 % на кожні 0,01 % N, твердість на 1,4 HRC та
ударну в'язкість на 2,1 Дж/см² завдяки дисперсійному твердінню дрібними карбонитридами
(50–20). Нікель суттєво підвищує ударну в'язкість (до 95 ± 5 Дж/см²) та ударно-абразивну
зносостійкість, маючи оптимальний вміст 2–3 % при балансі між в'язкістю та
економічністю.
На підставі отриманих регресійних моделей з урахуванням обмежень щодо
технологічної міцності (відсутність тріщин), оброблюваності (HRC ≤ 35) та в'язкості (KCU
≥ 60 Дж/см²) визначено три оптимальні склади: для сухого тертя (ε₁ = 4,9 ± 0,3 , що на 1
14Х12Г12СТ), універсальний економічний склад зі збалансованими властивостями, та склад
для ударно-абразивного зношування (ε₃ = 3,2 ± 0,2, в 3,2 рази вище стали 110Г13Л).
Перевірочні експерименти на незалежній вибірці з 5 складів підтвердили адекватність
моделей (розбіжність розрахунок-експеримент трохи більше 8 %). Всі оптимізовані склади
показали відсутність тріщин при наплавленні без попереднього підігріву та високу
технологічну міцність.
Посилання
Zackay V.F. The enhancement of ductility in high-strength steels / V.F. Zackay, E.R.
Parker, D. Fahr, R. Busch // Trans. ASQ. – 1967. – Vol. 60. – P. 252-259.
De Cooman B.C. Structure–properties relationship in TRIP steels containing carbide-free
bainite / B.C. De Cooman // Current Opinion in Solid State and Materials Science. – 2004. – Vol. 8. – P. 285-303.
Jacques P.J. Transformation-induced plasticity for high strength formable steels / P.J.
Jacques, Q. Furnémont, F. Lani, T. Pardoen, F. Delannay // Current Opinion in Solid State and
Materials Science. – 2004. – Vol. 8. – P. 259-265.
Olson G.B. A general mechanism of martensitic nucleation / G.B. Olson, M. Cohen //
Metallurgical Transactions A. – 1976. – Vol. 7A. – P. 1897-1923.
Allain S. Correlations between the calculated stacking fault energy and the plasticity
mechanisms in Fe–Mn–C alloys / S. Allain, J.-P. Chateau, O. Bouaziz, S. Migot, N. Guelton //
Materials Science and Engineering A. – 2004. – Vol. 387-389. – P. 158-162.
De Cooman B.C. High Mn TWIP Steels for Automotive Applications / B.C. De Cooman,
K. Chin, J. Kim // New Trends and Developments in Automotive System Engineering, ed. M.
Chiaberge. – InTech, 2011. – P. 101-128.
Berns H. High nitrogen austenitic steels / H. Berns, S. Siebert // ISIJ International. – 1996. – Vol. 36, No 7. – P. 927-931.
Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels / J.W. Simmons //
Materials Science and Engineering A. – 1996. – Vol. – P. 159-169.
Gavriljuk V.G. Nitrogen in Iron and Steel / V.G. Gavriljuk, H. Berns // ISIJ International. – 1999. – Vol. 39, No. 8. – P. 807-815.
Pokhodnya I.K. Nitrogen uptake and retention in arc welding of steels / I.K. Pokhodnya,
V.I. Golovko, R. Solana // Welding International. – 2001. – Vol. 15, No. 4. – P. 298-304.
Малинов Л.С. Экономнолегированные сплавы с мартенситными превращениями и
упрочняющие технологии / Л.С. Малинов, В.Л. Малинов. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2007. – 352
с.
Малинов В.Л. Повышение износостойкости метастабильного аустенитного
хромомарганцевого наплавленного металла / Л.С. Малинов // Вісник Приазовського
державного технічного університету. – 2011. – № 2 (23). – С. 239-242.
Малинов В.Л. Исследование методом регрессионного анализа зависимостей
износостойкости в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания от химического
состава наплавленного металла на Fe-Cr-Mn-V-C основе / Л.С. Малинов // Вісник
Приазовського державного технічного університету. – 2011. – № 2 (23). – С. 107-117.
ASTM E975-13. Standard practice for X-ray determination of retained austenite in steel
with near random crystallographic orientation. – West Conshohocken, PA: ASTM International,
Ефременко В.Г. Влияние фазового и структурного состояния сплавов на основе
железа на износостойкость в условиях помола высокоабразивного материала / В.Г. Ефременко,
Ф.К. Ткаченко, Т.А. Еременко // Вісник Приазовського державного технічного університету. –
– Вып. 13. – С. 113-118.
Speidel M.O. Nitrogen containing austenitic stainless steels / M.O. Speidel //
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2006. – Vol. 37, No. 10. – P. 875-880.
Tomota Y. Tensile behavior of TRIP-aided multi-phase steels studied by in situ neutron
diffraction / Y. Tomota, H. Tokuda, Y. Adachi, M. Wakita, N. Minakawa, A. Moriai, Y. Morii // Acta
Materialia. – 2004. – Vol. 52. – P. 5737-5745.
Stoody Company. Product Data Sheet: Stoody 2109-FCO. – USA, 2023. – 4 p.
Weld Mold Company. Technical Manual: Weld Mold Hardfacing Alloys. – USA, 2022. –
P. 45-47.
