Чабак Ю. Г. Розвиток наукових основ підвищення експлуатаційних властивостей легованих чавунів вдосконаленням хімічного складу та обробкою поверхні висококонцентрованими джерелами енергії
English versionДисертація на здобуття ступеня доктора наук
Державний реєстраційний номер
0523U100235
Здобувач
Спеціальність
- 05.02.01 - Матеріалознавство
20-12-2023
Спеціалізована вчена рада
Д 35.052.20
Національний університет "Львівська політехніка"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 ‒ Матеріалознавство (132 – Матеріалознавство). – ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет» Міністерства освіти і науки України, Маріуполь; Національний університет «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України, Львів, 2023. У дисертації вирішена актуальна науково-технічна проблема підвищення експлуатаційної стійкості металовиробів із білих легованих чавунів триботехнічного призначення. Мета дослідження досягається в роботі за рахунок оптимізації хімічного складу сплавів та застосування зміцнювальних технологій з використанням висококонцентрованих джерел енергії. Вивчено процеси модифікування структури та властивостей різних груп легованих чавунів (Cr-Mn-Ni-Mo-V, V-Mn-Ni, Cr-V-Mn-Ni) та сталей ледебуритного класу (Cr-Mn-Si-Ni-V-B, Cr-Mn-Si-Mo-B, Cr-Mn-Si-Mo-V-B) при обробці поверхні сталим плазмовим струменем. Встановлено оптимальні режим плазмового нагріву та тип вихідної структури матриці високохромистого чавуну, які забезпечують максимальний модифікувальний ефект. Показана можливість суттєвого (на порядок) подрібнення структурних складових (дендритів, карбідів) чавунів поєднанням плазмового оплавлення поверхні із пост-плазмовою термічною обробкою. Встановлено, що плазмова обробка забезпечує підвищення абразивної та абразивно-ерозійної стійкості вказаних сплавів на 20-50 %. В роботі вперше досліджено процеси модифікування чавунів/сталей та нанесення чавуноподібних покриттів при імпульсно-плазмовій обробці із використанням електротермічного аксіального плазмового прискорювача (ЕАПП). Цей спосіб забезпечує нагрів і охолодження поверхні зі швидкістю приблизно (2-4)10 6 К/с із глибиною модифікації до 30 мкм. В результаті твердість поверхні конструкційної сталі, сірого та високохромистого чавунів зростає до 800-1050 HV із відповідним збільшенням адгезійної та абразивної зносостійкості на 18-100 %. Досліджено процеси формування імпульсно-плазмових чавунних покриттів при використанні ЕАПП. В роботі вперше запропоновано використовувати в якості катоду ЕАПП леговані чавуни та сталі ледебуритного класу, що полегшує оплавлення катоду й сприяє нарощенню покриття при повторних плазмових імпульсах. Швидка кристалізація мікрокрапель на металевій поверхні призводить до формування покриття з метастабільною аустенітною структурою без крупних карбідних включень. Утворення карбідів в покритті відбувається за твердофазною реакцією при пост-плазмовій термообробці, в результаті чого твердість зростає до 1200-1550 HV із відповідним підвищенням абразивної (в 3 рази) та адгезійної (до 1200 разів) зносостійкості. Вперше встановлено факт насичення продуктів ерозії катоду атомами вуглецю, які випаровуються при розряді з поверхні діелектричних стінок камери ЕАПП, що майже у два рази підвищує об’ємну частку карбідів відносно матеріалу катоду. Запропоновано використання катодів ЕАПП композитного типу із компонентами (карбіди, металева зв’язка) з великою різницею в температурі плавлення. Легке оплавлення зв’язки дозволяє застосовувати меншу енергію розряду та запобігати розплавленню карбідів задля їх перенесення у неоплавленому стані. Запропоновані варіанти конструкції катоду (спечені сплави «WC-Сu(Бронза)», композит «Сталь+карбіди+епоксидна смола»), за допомогою яких були отримані зносостійкі покриття (без тріщин) із високим вмістом карбідів WC та TiC та різним типом матриці без пост-плазмової термообробки. Запропонована «гібридна» концепція легування, на основі якої розроблено ливарні зносостійкі сплави нового класу – мультикомпонентні W-Mo-V-Cr-Ti-Si-Mn-(1,5-3,5)%В-(0,3-1,1)%С чавуни. В сплавах формується багатофазна структура, що складається з складнолегованих карбоборидів М2(B,C)5, М(C,B), М7(C,B)3 та М3(C,B), кількість та хімічний склад яких визначаються вмістом вуглецю та бору. Визначено оптимальний хімічний склад мультикомпонентного сплаву для використання в умовах інтенсивного абразивного зношування. Результати досліджень впроваджені у вигляді параметрів модифікування та нанесення композитних чавуноподібних покриттів із застосуванням плазмового нагріву. Ключові слова: легований чавун, плазмова обробка, лазерна обробка, покриття, модифікування, мікроструктура, функціональні властивості.
Публікації
Chabak Y., Petryshynets I.; Efremenko V.; Golinskyi M.; Shimizu K.; Zurnadzhy V., Sili I., Halfa H., Efremenko B., Puchy V. Investigations of abrasive wear behaviour of hybrid high-boron multi-component alloys: Effect of boron and carbon contents by the factorial design method. Materials. 2023. Vol. 16. P. 2530. (Scopus, Q2)
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Shimizu K., Golinskyi M. A., Lekatou A. G., Petryshynets I., Efremenko B. V., Halfa H., Kusumoto K., Zurnadzhy V. I. The novel hybrid concept on designing advanced multi-component cast irons: Effect of boron and titanium (Thermodynamic modelling, microstructure and mechanical property evaluation). Materials Characterization. 2023. Vol. 197. P. 112691 (Scopus, Q1)
Chabak Yu. G., Shimizu K., Efremenko V. G., Golinskyi M. A., Kusumoto K., Zurnadzhy V. I., Efremenko A. V. Microstructure and phase elemental distribution in high-boron multi-component cast irons. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2022. Vol. 29, no. 1. P. 78-87 (Scopus, Q1).
Chabak Y., Efremenko V., Zurnadzhy V., Puchý V., Petryshynets I., Efremenko B., Fedun V., Shimizu K., Bogomol I., Kulyk V., Jakubéczyová D. Structural and tribological studies of “(TiC+WC)/Hardened steel” PMMC coating deposited by air pulsed plasma. Metals. 2022. Vol. 12. P. 218 (Scopus, Q1).
Chabak Yu. G., Zurnadzhy V. I., Golinskyi M. A., Efremenko V. G., Zaichuk N. P., Petryshynets I., Shymchuk S. P. current functional materials for wear resistant casting: from multicomponent cast irons to hybrid high-boron alloys, Progress in Physics of Metals. 2022. Vol.23, no. 4. P. 583–612 (Scopus, Q1).
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Fedun V. I., Shimizu K., Pastukhova T. V., Petryshynets I., Zusin A. M., Kudinova E. V., Efremenko B. V. Formation mechanism, microstructural features and dry-sliding behaviour of “Bronze/WC carbide” composite synthesised by atmospheric pulsed-plasma deposition. Vacuum. 2021. Vol. 185. P. 110031 (Scopus, Q1)
Chabak Y., Efremenko V., Džupon M., Shimizu K., Fedun V., Wu K., Efremenko B., Petryshynets I., Pastukhova T. Evaluation of the microstructure, tribological characteristics, and crack behavior of a chromium carbide coating fabricated on gray cast iron by pulsed-plasma deposition. Materials. 2021. Vol. 14, no. 12. P. 3400 (Scopus, Q2).
Chabak Yu. G., Efremenko V. G., Shimizu K., Lekatou A., Pastukhova T. V., Azarkhov A. Yu., Zurnadzhy V. I. Comparative analysis of the microstructural features of 28 wt.% Cr cast iron fabricated by pulsed plasma deposition and conventional casting. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018. Vol. 27, no. 2. P. 379-388 (Scopus, Q2).
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Shimizu K., Lekatou A. G., Zurnadzhy V. I., Karantzalis A. E., Halfa H., Mazur V. A., Efremenko B. V. Structure refinement of high-Cr cast iron by plasma surface melting and post-heat treatment. Materials & Design. 2017. Vol. 126. P. 278–290 (Scopus, Q1).
Efremenko V. G., Shimizu K., Pastukhova T. V., Chabak Yu. G., Kusumoto K., Efremenko A. V. Effect of bulk heat treatment and plasma surface hardening on the microstructure and erosion wear resistance of complex-alloyed cast irons with spheroidal vanadium carbides. Journal of Friction and Wear. 2017. Vol. 38, no. 1. P. 58-64 (Scopus, Q2).
Efremenko V. G., Shimizu K., Pastukhova T. V., Chabak Yu. G., Kusumoto K., Efremenko A. V. Wear mechanism and chemical composition optimization of complex-alloyed cast iron with spheroidal vanadium carbide under conditions of abrasive erosion. Journal of Friction and Wear. 2017. Vol. 38, no. 2. P. 92-97 (Scopus, Q2).
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Lekatou A., Karantzalis A. E., Shimizu K., Fedun V. I., Azarkhov A. Yu., Efremenko A. V. Pulsed plasma deposition of Fe-C-Cr-W coating on high-Cr-cast iron: Effect of layered morphology and heat treatment on the microstructure and hardness. Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 304. P. 293–305 (Scopus, Q1).
Chabak Yu. G., Golinskyi М. А., Efremenko V. G., Shimizu К., Halfa H., Zurnadzhy V. І., Efremenko B. V., Kovbasiuk Т. М. Phase constituents modeling in hybrid multi-component high-boron alloy. Physics and chemistry of solid state. 2022. Vol. 23, no. 4, P. 714-719. (Scopus, Q4).
Chabak Yu. G., Fedun V. I., Efremenko V. G., Shimizu K., Petryshynets I., Zurnadzhy V. I., Dzherenova A. V. Effect of cathode material on microstructure status of the coating fabricated using an electro-thermal axial plasma accelerator. Romanian Journal of Physics. 2021. Vol. 66, no. 3-4. Article no. 501 (Scopus, Q3)
Chabak Yu. G., Efremenko V. G., Fedun V. I., Petryshynets I., Pastukhova T. V., Efremenko B. V., Kromka F., Tsvetkova E. V. Surface modification of grey cast iron by pulsed-plasma deposition and subsequent laser beam melting. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2021. Vol. 13, no. 2, 02030(7pp) (Scopus, Q3)
Efremenko B. V., Chabak Yu. G., Efremenko V. G., Fedun V. I., Pastukhova T. V., Halfa H. A., Azarkhov A. Yu., Vlasovets V. M. Kinetics of structure transformation in pulsed plasma high-Cr coating under post-heat treatment. Functional Materials. 2020. Vol. 27, no. 1. P. 117-124 (Scopus, Q4)
Chabak Yu. G., Pastukhova T. V., Efremenko V. G., Zurnadzhy V. I., Fedun V. I., Tsvetkova E. V., Dzherenova A. V. Pulsed plasma surface modification of grey cast iron. Journal of Physical Studies. 2020. Vol. 24, no. 2. 2501(8 p.) (Scopus, Q4)
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Shimizu K., Pastukhova T. V., Espallargas N., Fedun V. I., Zurnadzhy V. I. Structural and phase elemental distribution in pulsed plasma coating deposited with cemented carbide cathode. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2020. Vol. 12, no. 3. 03039(6pp) (Scopus, Q3)
Efremenko V. G., Wu K. M., Shimizu K., Petryshynets I., Efremenko B. V., Halfa H., Chabak Yu. G., Malyshevskyi A. A., Zurnadzy V. I. Charakterisierung der Mikrostruktur und Elementzusammensetzung von Gusseisen mit 15 Gew.-% Cr und 2 Gew.-% Mo mit Bor-Zusatz (Characterization of Microstructure and Phase Elemental Composition of 15 wt.% Cr – 2 wt.% Mo Cast Iron with Boron Addition). Practical Metallography. 2020. Vol. 57, Issue 10. P. 714-742 (Scopus, Q4)
Chabak Yu. G., Fedun V. I., Efremenko V. G., Pastukhova T. V., Efremenko B. V. Plasma coating formation by the deposition of cathode material eroded through high-current pulsed discharge. Problems of Atomic Science and Technology. 2019. Vol. 5, no. 123. P. 167-174 (Scopus, Q3).
Chabak Yu. G. Microstructural features and tribological behaviour of low-alloyed steel modified by high-energy plasma pulse. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2019. Vol. 11, no. 4. 04010(5pp) (Scopus, Q3)
Efremenko V. G., Chabak Yu. G., Karantzalis A. E., Lekatou A., Vakulenko I. A., Mazur V. A., Fedun V. I. Plasma case hardening of wear-resistant high-chromium cast iron. Strength of Materials. 2017. Vol. 49, Issue 3. Р.446–452 (Scopus, Q31)
Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Ефременко В. Г., Шимидзу К., Чейлях А. П., Зурнаджи В. И. Особенности формирования микроструктуры, элементного и фазового составов и свойств стали 170Х14Г3С3Н1ФР1 в условиях литья и импульсно-плазменного напыления. Металлофизика и новейшие технологии. 2017. Вып. 39. С. 491-505 (Scopus, Q3).
Chabak Yu. G., Fedun V. I., Pastukhova T. V., Zurnadzhy V. I., Berezhnyy S. P., Efremenko V. G. Modification of steel surface by pulsed plasma heating. Problems of Atomic Science and Technology. 2017. Vol. 110, no. 4. P. 97-102 (Scopus, Q3).
Chabak Y. G., Fedun V. I., Shimizu K., Efremenko V. G., Zurnadzhy V. I. Phase-structural composition of coating obtained by pulsed plasma treatment using eroded cathode of T1 high speed steel. Problems of Atomic Science and Technology. 2016. Vol. 104, no. 4. P. 100-106 (Scopus, Q3).
Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Зайчук Н. П., Ефременко Б. В., Ефременко В. Г. Структура литой стали износостойкой стали с высоким содержанием бора. Міжвузівський збірник «Наукові нотатки». 2019. Вип. № 66. C. 367-372.
Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Ефременко В. Г., Вакуленко И. А., Волосенко И. А. Композиционное импульсно-плазменное покрытие «Сталь Р18/чугун 230Х28Г3». Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету транспорту. 2017. Вип. 3 (69). С.102-111.
Чабак Ю. Г., Зурнаджи В. И., Зайчук Н. П., Пастухова Т. В., Ефременко В. Г. Абразивная износостойкость импульсно-плазменных покрытий, содержащих карбиды вольфрама и хрома. Міжвузівський збірник «Наукові нотатки». 2017. Вип. 58. C. 308-314.
Ефременко В. Г., Чабак Ю. Г., Зайчук Н. П., Федун В. И. Абразивная износостойкость белого легированного чугуна, подвергнутого поверхностной плазменной закалке. Наукові нотатки Луцького національного технічного університету. 2016. Вып. 54. С.120-124.
Ефременко В. Г., Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Зурнаджи В. И., Мазур В. А., Цветкова Е. В. Микроструктура хромо-ванадистого чугуна, формирующаяся при плазменной обработке поверхности и последующей термической обработке. Вісник Приазовського державного технічного університету. 2016. Вип. 33. С. 41-50.
Чабак Ю. Г., Федун В. И., Ефременко Б. В., Зурнаджи В. И., Джеренова А. В., Волосенко И. А. Влияние материала катода и редимов импульсно-плазменной обабетки на микроструктуру и микротвердость поверхности високохромистого чугунка. Вісник Приазовського державного технічного університету. 2016. Вип. 32. С. 72-79.
Чабак Ю. Г. Використання металокерамічного твердого сплаву для імпульсно-плазмового нанесення зносостійких покриттів. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2017. Вип. 2. С. 58-61.
Чабак Ю. Г., Федун В. И., Ефременко Б. В., Зусин А. М., Джеренова А. В. Влияние пост-термообработки на микроструктуру и микротвердость плазменного Fe-C-Mn-Cr-W-V покрытия. Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2017. Вып. 34. С. 46-53.
Чабак Ю. Г. Влияние плазменной обработки на состояние упрочняющих фаз в Cr-Mn-Ni-Si-B стали ледебуритного класса. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2016. № 1. С. 24-27.
Chabak Yu., Zurnadgy V., Pastukhova T., Efremenko V. Carbides coatings deposited by new pulsed plasma technique. Journal of Material Science and Engineering, 2017, vol. 6, is.4, P. 34. (Proceedings of 3d Int. Conference and Expo on Ceramics and Composite Materials, June 26-27, Madrid, Spain). ISSN: 2169-0022
Shimizu K., Chabak Yu.G., Golinskyi M.A., Kusumoto K., Efremenko B.V., Zurnadzhy V.I., Efremenko V.G. Primary carboboride in hybrid (C/B)multi-component cast irons: morphology, microhardness and elemental composition. The 12th International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron. 9-12 November 2021, Muroran city in Hokkaido, Japan
Чабак Ю. Г., Федун В. І., Зурнаджи В. І., Єфременко В. Г. Про використання металокерамічних твердих сплавів в якості катоду при імпульсно-плазмовому нанесенні трибологічних покриттів. Матеріали для роботи в екстремальних умовах – 7 : матеріали Міжнародної науково-технічної конференції, 30 листопада – 2 грудня 2017 р. Київ.
Чабак Ю. Г., Федун В. І. , Пастухова Т. В., Єфременко В. Г. Умови формування плазмового покриття при імпульсному розряді. Нові сталі та сплави і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів : матеріали Міжнародної наукової конференції, 08-10 жовтня 2019 р.. Запоріжжя. С. 164.
Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Зурнаджи В. І., Федун В. І., Єфременко В. Г., Джеренова А. В., Цветкова О. В. Імпульсно-плазмове модифікування сірого чавуну. Матеріали для роботи в екстремальних умовах-10 : матеріали Міжнародної науково-технічної конференції, 10-11 грудня, 2020 р. Київ. С. 164.
Сhabak Yu. G., Efremenko B. V., Zurnadzhy V. I., Fedun V. I., Dzherenova A. V., Efremenko V. G. Effect of cathode material on pulse-plasma coating structure and cracking behavior. Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту : матеріали 81-ї Міжнародної науково-практичної конференції, 22–23 квітня 2021 р. Дніпро. С. 243.
Chabak Yu. G., Golinskyi M. A., Zurnadzhy V. I., Efremenko B. V., Efremenko V. G. Мodelling of crystallization of multi-component high-boron alloy. Нові сталі та сплави і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів : матеріали ХV Міжнародної науково-технічної конференції, 08-09 листопада 2022 р. Запоріжжя. С. 141.
Чабак Ю. Г., Пастухова Т. В., Федун В. И., Булавка А. А. Микроструктура и износостойкость стали 75Г, модифицированной плазменным импульсом. Проблеми довговічності матеріалів, покриттів та конструкцій : матеріали V-ої Міжнародної інтернет-конференції, 1 - 2 грудня 2017 р. Вінниця. С. 16.
Спосіб імпульсно-плазмової обробки металевої поверхні : патент 114678 Україна : С23С 14/22, С23С 14/34, С23С 14/56, С23С 4/06, H01J 37/317. № u 2016 02566 ; Єфременко В. Г., Чабак Ю. Г., Федун В. І., Єфременко Б. В., Волосенко І. А. заяв. 16.03.2016 ; опубл. 10.07.2017, Бюл. № 13. 3 с.
Спосіб поверхневої плазмової модифікації високолегованих чавунів : патент 114978 Україна : С21D 1/06, C21D 1/09, C21D 1/78, C21D 9/28. № а 2016 03504 ; Єфременко В. Г., Чабак Ю. Г., Федун В. І., Зурнаджі В. І., Білозерцева Н. М. заяв від 04.04.2016 ; опубл. 28.08.2017, Бюл. № 16. 4 с.
Спосіб комбінованої обробки металевих поверхонь : патент 119082 Україна : C23C 14/48, C23C 4/10, C23C 4/134, C23C 14/56. № u 2017 05646 ; Чабак Ю. Г., Єфременко В. Г., Пастухова Т. В., Федун В. І., Зурнаджі В. І. заяв. від 07.06.2017 ; опубл. 25.04.2019, Бюл. № 8. 4 c.
Аксіальний електрод для імпульсно-плазмового нанесення покриття : патент 119011 Україна : H05H 1/34, H05H 1/54, C23C 16/513, C23C 16/515. № u 2017 10850 ; Чабак Ю. Г., Єфременко В. Г., Зурнаджі В. І., Федун В. І., Пастухова Т. В. заяв. від 06.11.2017; опубл. 10.04.2019, Бюл. № 7. 4 c.
Спосіб імпульсно-плазмової обробки металевої поверхні : патент 121045 Україна : C23C 16/513, C23C 16/515, H05H 1/34, C23C 16/32, B22F 9/14. № a 2017 10851 ; Єфременко В. Г.; Чабак Ю. Г.; Пастухова Т. В.; Федун В. І.; Зурнаджі В. І.; Єфременко Б. В. заяв. від 06.11.2017 ; опубл. 25.03.2020, Бюл. № 6. 4c.
Vasily Efremenko, Oleksandr Cheiliakh, Oleksandr Azarkhov, Bohdan Efremenko, Yuliia Chabak, Vadym Zurnadzhy. State-of-the-art and innovative approaches in biomaterials and surface treatments for artificial implants. In Teaching and subjects on bio-medical engineering. Approaches and experiences from the BIOART-project. Ed. by Peter Arras and David Luengo. Acco cv, Leuven (Belgium), 2021, pp. 301-342.
Єфременко Б. В., Білик О. Г., Єфременко В. Г., Чабак Ю. Г., Чігарьов В. В. Структуроутворення в Fe-Cr-Nі-C покриттях, призначених для експлуатації в умовах абразивного та абразивно-ерозійного зношування. Монографія. Маріуполь: ПДТУ. 2020. 235 с. ISBN 978-966-604-241-8.
Файли
Схожі дисертації
0423U100094
Романенко Ярослав Михайлович
Формування за високого тиску PCBN композитів інструментального призначення з однорідною структурою та підвищеною демпферною здатністю
0523U100002
Тростянчин Андрій Миколайович
Концепція застосування водневої обробки для удосконалення структурно-фазового стану та властивостей функціональних матеріалів на основі сплавів рідкісноземельних та перехідних металів
0421U103868
Волошина Людмила Володимирівна
Підвищення зносостійкості масляних шестеренних насосів тракторних дизельних двигунів
0521U102025
Рибалко Іван Миколайович
Експериментальні, теоретичні і технологічні основи зміцнення виробів з використанням модифікуючих домішок
0421U103750
Лалаянц Олександр Іванович
Отримання сцинтиляційних кристалів селеніду цинку для сучасних томографічних систем та кріогенних детекторів