Введение к работе
Актуальность работы. Развитие техники неразрывно связано с исследованиями в области производства сешетокерамических материалов (СКМ). Интерес к ним обусловлен широкими функциональными возможностями, высокой надёжностью н тенденцией х миниатюризации агрегатов и узлов, созданных на их основ;. Объемы производства, номенклатура СКМ и области их применения постоянно расширяются.
Даїздьіе материалы обладают повышенной структурной чувствительностью, з связи с чем ice свойства, регламентируемые государственным стандартом, разбиты па фугты в зависимости от технологии получения. Это связано с тем, что основные эксплуатационные характеристики имеют тєндєіщию к улуч-піеіпао своих показателей по мере понижения пористости, измельчения зерна, создания определенного стехиометрического и фазового составов. Комплексная реализация данной задачи является трудноосуществимон в рамках существую-щ;к технических решений.
Перспективной в связи с этим является технология взрывного прессова-игл. Исследования последшк десятилетий ряда отечественных и зарубежных иентроз по ударно-волновой'обработке материалов привели к существенным сотпгхекиям в данном направлении. Тем не менее, высокая скоротечность крнішого погружения, действия мнопїх факторов и связанные с этим сложности при описании происходящих процессов, привели к тому, что эта область материаловедения осталась наименее изученной. Особенно это касается взрывного ;:эмпгкткровакия СКМ, где путь от получения порошкового материала до гото-сого изделия включает 9 самостоятельных технологических циклов. Ударно-еолновоє нагружение потребовало трансформирования всех стадий технологического процесса.
Ограниченность научных знашгй о связи параметров взрывного нагружения со структурой и эксплуатационными свойствами существенно сдерживает применение- данной технолопш. Слабо разработан математический аппарат, описывающий ударно-волновые процессы, происходящие при уплотнении ударными волнами. Это создаёт немало сложностей при проектировании схем и выборе технологических параметров. Для решения дашгых вопросов методически гажно проведение комплексного исследования с целью выработки научно-обос-кованных рекомендаций по оптимизации режимов обработки.
Настоящая работа была выполнена в рамках Целевой комплексной научно-технической программы ОЦ.ОП ГКНТ СМ СССР, научно-технической программы "Порошковая металлургия" Минвуза СССР по заданию 02.01.18, комплексной научно-техігаческой межвузовской программы министерства высшей пколы ц технической политики РФ (приказ № 48 от13.02.92), 2-х грантов и 7
хозяйственных договоров с предприятиями АО ЛОМО (г.С.-Петербург), НИИ физических измерений (г.Пенза), СКБ "Виброприбор" (г.Таганрог), ВНИИ рас-ходометрии (г.Казань), АО "Аврора" (г.Волгоград) и др.
Целью работы являлось разработка и внедрение научно-обоснованньга технологических процессов взрывного прессования и формирования структура. сегнетокерамических материалов с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, повышающих механическую и метрологическую надёжность изделий ответственного назначения.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие теоретические и практические задачи:
проанализировать существующие схемы взрывного прессования и удар но-волновой активации, разработать новые, применительно к рассматриваемы* материалам и изделиям;
установить связь между физическими и технологическими параметрам! взрьгоного прессования и их влияние на структуру и свойства получаемых ззго товок;
выявить возможные механизмы взрывного прессования и создать мате матическую модель процесса для определения оптимальных параметров натру жекия;
выявить особенности кинетики спекания порошковых заготовок, полу ченных по технологии взрывного прессования и ударно-волновой активации;
исследовать связь между параметрами взрывного прессования, спекай» ем, фазовым составом и свойствами изделий;
разработать технологии взрывного прессования и ударно-волновой акти вации для получения изделий из СКМ с повышенными эксплуатационными хг рактеристикамн;
- внедрить разработанные технологии в производство.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Создана математическая модель взрывного прессования скользяще ударной волной, адекватно описывающая физические явления процесса уплої неиия и позволяющая выявить основные факторы, ответственные за формиров; ние плотности и характер её распределения по сечению заготовок, что позволяе управлять данным процессом с помощью технологических параметров взрывш го нагружения.
-
На основе выявленных количественных связей между энергетическим параметрами процесса взрывного нагружения и состоянием структуры матери ла впервые установлена принципиальная возможность управления грануломе рическим составом, несовершенствами атомно-кристаллического строения, ст пенью развитости физического контакта между порошковыми частицами вары
рогаїшем параметрами ударно-волновой обработки с целью получения заготовок с заранее заданными свойствами.
-
Выполнено разделение факторов реологической наследственности порошкового материала (несовершенства атомно-кристаллического строения, фрагмєїггация частиц и степень развитости их контактной зоны), влияющих на кинетику спекания заготовок и впервые произведена колзгчественная оценка кинетических констант для различных способов прессования.. Показано, что процессу :пггенсификации спекания в большей степени способствуют дефектность агомио-христаллического строения и наличие развитых физических контактов между частицами, образовавшихся на стадии уплотнения.
-
Впервые показана возможность управления фазовым составом сегнето-хершических материалов систем цирконат-титанат свинца и цирконат-титанат-/іагиий-киобат епшща без изменения ік стехиометрических составов за счёт смещения ыорфотропной области, что достигается- варьированием параметрами взрывного нагружения и режимами спекания.
-
Создана концепция управления конечной структурой и свойствами сег-«ггекерр.мическях материалов, прошедших ударно-волновую обработку, путём применения специальных режимов спекания и поляризации, обеспечивающих нолышеиие их механических, злектрофизіиескнх и эксплуатационных характеристик за счет реализации низкой пористости, оптимального фазового состава, мелкозернистой структуры, отсутствия стеклофаз на границе зёрен.
На защиту выносятся:
-
Математігческая модель, описывающая динамику процесса уплотнения при ударно-волновой обработке порошковых материалов по плоской.и змпуль-кой схемам нагружешія и устанавливающая связь между энергетическими ха-ргхтерветикамя процесса, плотностью и распределением ее по сечению заготовок.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния энергии падающей и отраженной волн на физико-механические свойства прессуемых заготовок, размер порошковых частиц, состояние ыежчастнчных контактов и дефектность атомно-кристаллического строения материала. Критерии оптимизации процесса взрывного прессования и ударно-волновой активации порошковых заготовок.
3.Положение об определяющем влиянии факторов реологической наследственности порошкового материала (несовершенства атомно-кристаллического строения, фрагментация частиц и степень развитости их контактной зоны) на кинетику спекания заготовок, полученных методами взрывного прессования, ударно-волновой активации и статического прессования.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния взрывного ка-груженкя, режимов спекания, поляризации и стабилизации на механические. электрофизические и эксплуатационные характеристики изделий из СКМ.
-
Методы управления величиной плотности, зерновым и фазовым составами, межзёренной связью и состоянием атомно-кристаллического строения материала.
-
Технология взрывного прессования и ударно-волновой активации для производства изделий из СКМ.
Практическая ценность работы:
1. Создана концепция управления структурой и свойствами сегнетокера-
мичсских материалов, которая положена в основу технологического процессг
взрывного прессования и ударно-волновой активации для получения изделий,
обладающих высокой механической и метрологической надёжностью. Внедре
ние данной технологии в НИИ физических измерений (г. Пенза), на ПО Старт (г.
Заречный), а также выпуск опытно-промышленных партий изделий для АС
ЛОМО (г.С.-Петербург), НИИ Расходометрии (г. Казань), СКБ Виброприбор (г.
Таганрог) и др. позволило в период с 1985 по 1991 годы получить экономиче
ский эффект в сумме 530 тыс. рублей ( в ценах 1991 года ), а в период с 1992 пс
1998 годы - в сумме более 2,5 миллионов динаминированных рублей ( в ценоз
1998 года).
-
Создана автоматизированная система расчета, включающая пакета прикладных программ и автоматизированные базы данных, интегрированные с экспертной системой элементами искусственного интеллекта, описывающая физические процессы уплотнения цорошковои заготовки в ударной и отраженно* волнах и позволяющая производить расчет технологических параметров взрыз-ного нагружения порошкового тела для обеспечения заданной плотности керамических заготовок с равномерным распределением плотности по толщине, г также создания оптимальной структуры материала.
-
Технологические режимы, устройства и способы получения изделий представленные в работе, являются новыми техническими решениями, защищенными 5 авторскими свидетельствами и патентами.
Методы исследований выбирали, исходя из возможности получения наиболее полной информации об изменении структуры и свойств материала после взрывного нагружения, спекания и поляризации изделий. При выполнении исследований была осуществлена рентгеноимпульсная съемка процесса взрывногс прессования для плоских и ампульной схем нагружения, применены рентгеност-руктурный, рентгенографический, дериватографический, ультразвуковой, металлографический, электронно-микроскопический и дилатометрический анализы. В ходе работы проводили измерения механической и электрической прочно- ста, трещиностойкооти, диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических г
сегнетоупрупгх характеристик изделий. Теоретическая часть работы базируется ка применении математического и компьютерного моделирования. Обработку лученных данных к реализацию программной части работы проводили с использованием ГОМ-соЕместимых ПЭВМ семейств Pentium II.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных симпозиумах и конференциях (Калуга, 1995 г.; Ростов-на-Дону, 1996 г.; Волгоград, 1996 - 1993 г.г.; Пенза, 1997 г.), Всесоюзных научно-технических совещаниях и конференциях (Рига, 1986 г.; Москва, 1986, 1990 г.г.; Минск 1991 г.; Пенза, 1993, 1994, 1993 г.г.), Республиканских семинарах к совещаниях (Волгоград, 1991, 1992 г.г.; Селигорск, 1992 г.; Курск, 1992 г.; Вологда, 1996 г.; Мосгаг 1597 г.; Пенза, 1935, 1987, 1988, 1990, 1996, 1997 г.г.), на ежегодных на-уэто-техпэтесгая конференциях в Пензенском государственном университете.
Материалы диссертации обсуждались на расширенных заседаниях департамента "Материаловедение и технология обработки материалов" Российского государственного технологического университета (МАТИ), кафедры "Материаловедение и технология материалов" Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), ассоциации металловедов России.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 58 работ, получено 4 авторских свидетельства и 1 решение о выдаче патента Российской Федерации.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, ебщ.чх выводов, списка литературы, включающего 207 наименований и приложений на 47 страницах. Основная часть работы содержит 345 страниц текста (компьютерный набор), 46 таблицы, 149 рисунка. В приложении приведены листинги расчетной ч-.г-ти пакета прикладных программ, копии актов внедрения результатов работы : расчеты экономического эффекта.
