Delist.ru

Разработка состава и технологии спекания дисперсно-упрочненных композиционных материалов TiC-TiNi с повышенными вязкоупругими свойствами (25.08.2007)

Автор: Акимов Валерий Викторович

4. Провести экспериментальные исследования теплоемкости, теплопроводности и теплостойкости твердосплавных композиционных материалов со связующей фазой TiNi, находящейся в мартенситном состоянии.

5. Исследовать триботехнические свойства разработанных ТСКМ при различных условиях изнашивания в зависимости от состава, технологических режимов и метода термопластического упрочнения; предложить рекомендации по применению разработанных материалов для производства инструментов и деталей узлов трения, работающих в условиях интенсивных динамических нагрузок в агрессивных средах.

Научная новизна

1. Определен состав твердосплавных композиционных материалов на основе TiC, установлена зависимость важнейших механических и триботехнических свойств КМ системы «TiC–TiNi» от содержания связующей матрицы. Показано, что повышение вязкоупругих свойств материала достигается при содержании никелида титана в пределах 40…60 об. %.

2. Металлографическими и фрактографическими исследованиями установлено, что снижение механических свойств композиционного материала при концентрации TiNi более 60 об. % связано с увеличением закрытой пористости; при содержании TiNi менее 40 об. % в результате твердофазного спекания формируется неоднородная структура с большим количеством неравномерно расположенных скоплений зерен фаз TiC и TiNi различного размера.

3. Предложенная физическая модель позволяет определить механизм формирования структуры твердосплавного композиционного материала системы «TiC– TiNi» на основе структурно-энергетического подхода, раскрывает влияние синергетического эффекта основных стадий формирования структуры от содержания связующей фазы TiNi и легирующих элементов в условиях жидкофазного спекания.

4. На основе анализа проведенных структурных и физико-механических исследований установлены наиболее эффективные температурно-временные режимы спекания композиционного материала «TiC–TiNi». Наиболее высокий уровень физико-механических свойств материала (пористость менее 1 %, твердость 87 HRA, предел прочности на изгиб 1700 МПа, ударная вязкость 30 кДж/м2, трещиностойкость КIC =17 МПа·м1/2) обеспечивается в условиях кратковременного спекания (1…15 мин) при минимальном повышении температуры нагрева плавления никелида титана. Эти свойства существенно повышают комплекс механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов типа ТН и КНТ, широко используемых в промышленности.

5. Установлено существенное влияние бора и титана на процессы структурообразования композиционных материалов «TiC–TiNi». Методами структурного анализа показано, что это влияние обусловлено измельчением карбидной фазы, изменением характера межфазного взаимодействия, связанного с дисперсным упрочнением присутствующих в сплаве фаз. Полученные представления легли в основу разработки нового КМ с добавкой 2 % бора, обладающего повышенным комплексом механических свойств.

6. Показано, что в условиях структурно-фазовых превращений коэффициент затухания ультразвука для дисперсно-упрочненного композиционного материала «TiC–TiNi» с повышенными вязкоупругими, механическими и триботехническими свойствами в три раза выше. Высокий коэффициент затухания ультразвука 2500…2800 Дб/м в разработанных сплавах связан со структурным превращением связывающей фазы TiNi.

Научная и практическая ценность работы

1. Результаты исследования упругих модулей и коэффициента затухания ультразвуковых колебаний в ТСКМ позволяют прогнозировать изменение вязкоупругих и триботехнических свойств композиционных материалов (КМ) в зависимости от их химического состава и структурно-фазовых превращений в матрице TiNi.

2. В результате анализа проведенных исследований структуры и физико-механических свойств КМ, определены эффективные режимы жидкофазного спекания твердосплавного композиционного материала «TiC–TiNi». Высокий уровень физико-механических и вязкоупругих свойств КМ (твердость 84…87 HRA, пористость менее 1 %, пределы прочности на изгиб и сжатие – 1700 МПа и 3550 МПа соответственно, ударная вязкость 25…30 кДж/м2, трещиностойкость 17 МПа·м1/2, модуль Юнга 390 ГПа) достигаетсякратковременным спеканием (1…15 мин) при минимальном повышении температуры нагрева плавления никелида титана до 1350 оС.

3. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований разработаны технологии получения композиционных материалов «TiC–TiNi», которые используются на заводе «Электроточприбор» г. Омск при изготовлении кондукторов для сверления отверстий в деталях, ЗАО «Дорожник» (г. Слюдянка, Иркутская область) для изготовления рабочих бил измельчительной установки, на машиностроительном объединении им. П. И. Баранова г. Омск для обработки металлов давлением в качестве вырубных штампов. В Омском пассажирском вагонном депо твердосплавный композиционный материал используется в качестве режущих элементов инструмента для очистки поверхности кузовов вагона под покраску. Результаты проведенных исследований в течение нескольких лет успешно используются в Омском государственном техническом университете и Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии при обучении студентов машиностроительных и механических специальностей.

4. Разработанные композиционные материалы «TiC–TiNi», имеющие прочность в 1,3 раза, ударную вязкость в 3 раза выше, чем у известных безвольфрамовых сплавов ТН-20, КНТ-16, могут применяться в жестких условиях эксплуатации Сибири и Крайнего Севера.

Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов, а также оценкой погрешности эксперимента статистическими методами и успешной реализации разработки технологии в производстве, применением отработанных методов и технических средств.

На защиту выносятся

1. Комплекс экспериментальных и расчетных данных о процессах получения твердосплавного композита на основе карбида титана при жидкофазном спекании, базирующихся на структурно-энергетическом подходе и принципах синергетики.

2. Физическая модель формирования твердосплавного композиционного материала, раскрывающая механизм влияния концентрации и структурно-фазовых превращений связующей фазы TiNi на процесс синтеза мелких частиц карбидов титана из пересыщенного по титану и углероду жидкого раствора TiNi, и дисперсного упрочнения полученного материала.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния малых добавок бора и титана на процессы структурообразования и структурно-фазовых превращений в твердом сплаве «TiC–TiNi», являющиеся основой получения нового безвольфрамового композиционного материала.

4. Концентрационные зависимости вязкоупругих и триботехнических свойств твердых сплавов хорошо коррелирующие с концентрационной зависимостью коэффициента затухания ультразвука и отражающие монотонное повышение этих свойств с увеличением концентрации связующей фазы, что указывает на возможность получения жидкофазным спеканием карбидов титана размером 3…5 мкм из пересыщенного жидкого раствора матрицы TiNi.

5. Температурные зависимости теплоемкости твердых сплавов «TiC–TiNi», имеющие экстремальный характер с минимальной удельной теплоёмкостью при 320 К, что связано с мартенситными превращениями в данных сплавах; зависимости теплостойкости и твердости ТСКМ при нагревании и играющие значительную роль при эксплуатации материала при трении об абразив, резании мерзлого грунта.

6. Результаты экспериментальных исследований влияния термомеханического упрочнения композиционных материалов «TiC–TiNi» обкаткой твердосплавным инструментом.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде конференций, симпозиумов, семинаров, школ:

– Всесоюзная конференция «Порошковая металлургия» (г. Свердловск, 1989 г.);

– Республиканский семинар «Конструкционные, инструментальные, порошковые и композиционные материалы» (г. Ленинград, 1991 г.);

– Республиканская научно-техническая конференция «Современные проблемы порошковой металлургии, керамики, композиционных материалов» (г. Киев, 1990 г.);

– Межреспубликанская научно-техническая конференция «Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» (г. Волгоград, 1992 г.);

– II Международная научно-техническая конференция «Автомобильные дороги Сибири» (г. Омск, 1998 г.);

– Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию образования Сибирской автомобильно-дорожной академии, «Машины и процессы в строительстве» (г. Омск, 2000 г.);

– Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2001 г.);

– Международная научно-техническая конференция «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г. Омск, 2003 г.);

– XXXIII Уральский семинар по механике и процессам управления (г. Миасс, 2003 г.);

– Международная научно-техническая конференция «Качество, инновации, наука, образование» (г. Омск, 2005 г.);

– Международная двадцать пятая конференция «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, Крым, 2005 г.);

– Конференция-семинар Ассоциации автомобильных инженеров «Значение технических регламентов в решении проблем создания и эксплуатации автомобилей в условиях Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск – Сургут, 2005 г.);

– International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying. Novosibirsk, july 3-6, 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы в виде научных статей, трудов, материалов, докладов. В том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, опубликовано 20 работ. 4 статьи переведены на английский язык. 63 работы опубликованы в соавторстве, 11 работ опубликовано лично автором, что составляет 10 печатных листов, получено 1 авторское свидетельство. Автор является обладателем международной автобиографической номинации «Кто есть кто» в области инженерной технологии 2006–2007 г.г. Основные 40 публикаций приведены в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 313 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, приложения, содержит 31 таблицу, 123 рисунка и список литературы из 313 наименований.

Основное содержание работы

Во введении дана краткая характеристика области исследования, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

загрузка...