Введение к работе
Актуальность проблемы: Порошковая металлургия как прогрессивная область науки и техники изначально декларирует свои преимущества ресурсо- и энергосбережения при создании новых материалов. Развитие рыночных отношений высветило эти преимущества в новых аспектах, одним из которых является возможность обеспечения необходимых эксплуатационных свойств изделий мобильным и целенаправленным варьированием составом (компознционностью) материалов и технологическими параметрами их получения. -
Собственно порошкообразное состояние исходных материалов - базовых порошков, легирующих присадок, твердых смазок, связок и др. -предопределяет такую возможность, и зйдача состоит в рациональном выборе технологических приемов "консолидации элементарных порошковых тел" в конечный порошковый материал или изделие. Синергетический подход к проблеме, правомерность которого к порошковой металлургии уже показана, позволяет обоснованно перераспределить подводимую совокупную энергию на этапах технологического процесса, экономя ее на энергонапряженных переделах. С этой точки зрения имеется определенный резерв формирования свойств порошковых материалов за счет использования композиционных порошков и шихт экономно легированных и рационально подобранных составов. В этой связи представляет научный и практический интерес использование порошков, частицы которых представляют собой агрегат, слиток, конгломерат, связанную композицию составляющих компонентов. Применительно к низколегированным композициям их структурно-морфологический вид мог бы представлять собой ядро (сердцевину) основного материала (железо, медь и их сплавы, минералы, керамика).с поверхностными включениями (точками, пятнами, оболочкой) легирующих компонентов (меди, фосфора, серы, бора, железа). Автором выдвинута гипотеза, что именно такие порошки для разнообразных целей -спеченных материалов, напыления, наплавки - можно получать и подготавливать к переработке методом термообработки основы в вибрирующем слое с обеспечением в реакторе контролируемой паро-газовой фазы. Физико-химические процессы, проходящие в таком реакторе, могут обеспечить рафинирование основы (ядра) от нежелательных примесей (оксидов, углерода), осаждение, поверхностных присадок (одной или нескольких), формирование морфологии поверхности частиц и зоны соединения компонентов. Этим создаются условия для реализации зависимости-"режим обработки -характеристики композиционного порошка - свойства порошковых изделий", которые позволяют целенаправленно решать задачу рационального
построения технологического процесса получения материалов и деталей машин заданного качества на основе анализа и синтеза требований к ним, моделирования и оптимизации, оценки и выбора благоприятных технологических факторов, обеспечивающих технико-экономическую целесообразность производства продукции.
Такой подход к проблеме определил необходимость разработки новых способов и оборудования (экспериментального и опытно-промышленного), постановки специальных методик исследований композиционных порошков и изделий из них. Это дало возможность получить новые научные результаты, расширяющие область имеющихся знаний и позволившие существенно увеличить круг деталей машин, переводимых на изготовление методами порошковой металлургии.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами комплексных научно-технических программ ГКНТ СССР О.Ц.ОП на 1981-85 гг.; МНТК "Порошковая металлургия" на 1986^90; 91 гг.; Минвуза РСФСР "Порошковая металлургия" на 1986-90 гг.; ГоскомВУЗа РФ "Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция" на 1992-93 гг.; "Трансферные технологии, оборудование и комплексы" на 1994, 1995-97 гг. (тема 95/1Т, № гос. регистрации 01.95.0006883)
Цель работы - разработка физико-химических основ и создание технологии получения и формирования свойств чистых и композиционных порошков типа "матрица + присадка" при их синтезе в процессе кратковременной (5-30 мин) термообработки в вибрирующем слое, как основы создания порошковых материалов и изделий заданного качества.
Достижение цели осуществлялось решением следующих задач:
-
Анализ тенденции получения и использования композиционных порошков в производстве порошковых материалов и выбор рационального метода подготовки порошков к переработке.
-
Разработка оригинального способа, оптимизация и табулирование параметров кратковременной термообработки порошков в вибрирующем слое.,
-
Разработка научной концепции формирования свойств композиционных порошков, моделирование физико-химических процессов в зоне формирования морфологии и структуры индивидуальных частиц, кинетические исследования взаимодействия "газ - твердое тело", оптимизация прикладных решений.
-
Комплексные научные исследования физико-химических, технологических, эксплуатационных характеристик композиционних порошков и порошковых изделий из них.
-
Построение критериальных зависимостей в ряду "режим термооб-
работки - характеристики порошка - режимы переработки (прессование-спекание) - свойства изделий" с возможностью решения проектной и адаптационной задачи прогнозирования и диагностики порошковых материалов в зависимости от^конкретных условий применения.
-
Разработка технологических процессов получения порошковых материалов и изделий из синтезированных композиционных порошков с рациональным использованием выявленной взаимосвязи "характеристики порошков - свойства изделий", обеспечивающих технико-экономический эффект.
-
Создание опытно-промышленного и экспериментального оборудования для термообработки порошков в вибрирующем слое при реализации найденных решений и проведения научного поиска по перспективным направлениям разработанной технологии.
Научная новизна. Предложена и подтверждена научная концепция и найдены научно-обоснованные технические и технологические решения, развивающие новое направление получения чистых и композиционных порошков терморафинированием и термосинтезом компонентов в псевдо-ожиженном состоянии - вибрирующем слое. Показана необходимость и доказана возможность придания индивидуальной частице порошка свойств Системы синтезируемых компонентов в процессе кратковременной (5-30 мин.) термообработки в вибрирующем слое. Выявлены и раскрыты основные физико-химические закономерности нового способа получения композиционных порошков с заданными свойствами. Создана обобщенная физико-математическая модель формирования индивидуальной частицы композиционного порошка, отражающая совокупность адсорбционной, диффузионной и кинетической стадий взаимодействия, в условиях газового потока, несущего легирующую фазу. Определены необходимые и достаточные условия локализации процесса в пределах лимитирующей стадии.
Получены частные аналитические зависимости кинетики взаимодействия, описывающие процесс на поверхности раздела "газ-твердое тело" при обработке разнообразных систем материалов.
Выведены комплексные критерии взаимосвязи режимов получения порошков, их характеристик-и свойств получаемых изделий, на основе чего разработан алгоритм рационального построения технологического процесса изготовления порошковых изделий, обеспечивающих как повышенный уровень свойств и рационализацию традиционных порошковых композиций, так и прогнозирование и реализацию новых порошковых систем. Предложены и апробированы многбфакторные модели (полиномиальное описание на симплексе; построение обобщенного, критерия желательности) порошковых систем, являющиеся основой для диагностики и прогнозиро-
вания свойств получаемых порошков и материалов.
Теоретически обоснована, выявлена экспериментально и воплощена в практику возможность низкотемпературного и зонального спекания композиционных порошков с металлоидами (фосфором, бором) с получением градиентной структуры материалов благодаря целенаправленному формированию строения и морфологии частиц плакированных порошков.
Практическая ценность и реализация результатов. Выполненные исследования позволили дать практические рекомендации по построению комплексного технологического процесса получения композиционных порошков и порошковых изделий различного назначения, включающие:
набор требований (физико-механических, экономических, экологических и др.) в оценке порошкового изделия, композиционного порошка для него и технологических режимов его переработки;
технологическое описание способов и табулированные режимы создания вибрирующего слоя порошков;
конструкции установок для термообработки порошков в вибрирующем слое, технологические режимы их эксплуатации;
адаптационные модели процесса термообработки порошков по рациональным режимам;
алгоритм выбора технологических приемов переработки порошков и их отдельных параметров;
технико-экономический анализ производственной ситуации и подбор или корректировка технологического решения.
При непосредственном участии автора в ДГТУ создан учебно-научно-производственный участок малотоннажной и мелкосерийной продукции, освоивший за три года выпуск более сорока наименований порошковых изделий с объемом переработки четырех-пяти тонн ежегодно в количестве 200-250 тыс. шт. на сумму ~ 31,5 млн.руб. в 1994 г., ~ 60 млн.руб. в 1995 г. Ряд изделий является оригинальными разработками как их конструкции, так и технология изготовления благодаря применению нетрадиционных композиционных порошков и приемов.
Отдельные разработки внедрены на ряде предприятий, использующих технологию порошковой металлургии и порошковые изделия: Армавирском электротехническом заводе, Сулинском металлургическом заводе, опытном заводе НИИТОП Минэлектроники (АО "Микротехника"), АО "Ростсельмаш", Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) с экономическим эффектом - 700 тыс. руб. (в ценах 1993 г.).
В настоящее время продукция на основе выполненных исследований выпускается малым научно-производственным предприятием "МАТЕК" (г. Ростов-на-Дону), АО "Южэнергопром" (г. Черкесск).
Технические решения защищены шестью авторскими свидетельствами и патентом РФ.
Ца. зашиту выносятся:
научная концепция, технические и технологические решения по новому направлению получения порошков с заданными свойствами, заключающиеся в придании индивидуальной частице порошка характеристик системы необходимых компонентов в условиях термообработки в вибрирующем слое;
новые технологические приемы и результаты исследования по созданию управляемого вибрирующего слоя технически важных порошков и гранул за счет наложения на реактор, направленных двухкомпонеитных вибраций, обеспечивающих непрерывное целенаправленное перемещение массы порошка в ограниченном объеме без его спекания и сегрегации (а.с. №784986,1046018);
обобщенная гипотетическая модель взаимодействия " индивидуальная частица - газ", описывающая совокупный цикл адсорбционно-диффузио-кинети-ческих стадий взаимодействия на границе раздела и позволяющая выявить лимитурующую стадию процесса по численным значениям подбираемых коэффициентов;
результаты исследований кинетики и физико-химических превращений порошков железа, меди, молибдена и их сплавов, раскрывающие механизм их терморафинирования и термосинтеза композиций;
частные кинетические уравнения термообработки в вибрирующем слое более двадцати систем порошковых и гранулированных компонентов;
- результаты исследований химических и физико-технологических
свойств полученных порошков, позволивших создать методику построения
обобщенного численного психолого-физического критерия качества полу
чаемых композиционных порошков и материалов на их основе;
комплексный технологический процесс изготовления разнообразных порошковых материалов и изделий (реализовано более 40 видов), позволяющий оптимизировать прикладные решения за счет использования "целевых" композиционных порошков и рациональных приемов их переработки;
частные модели формирования технологических свойств композиционных порошков и семейств порошковых материалов из них как средство рационализации техпроцесса изготовления изделий;
оригинальные приемы переработки получаемых порошков в изделия, обусловленные учетом наследственного влияния формируемой структуры и морфологии поверхности порошковых частиц, в частности, создание материалов с градиентной структурой (патент РФ №2026368);
- новые виды и типы экспериментальных устройств, пилотных установок и опытно-промышленных печей (а.с. №499097, 545847, 603823, 703740), на основе которых созданы мобильные компактные системы для термообработки порошков в вибрирующем слое.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, где автором лично сделано более 30 сообщений:
Всемирном конгрессе по порошковой металлургии, ПМ-94. Париж, 1994 г.;
VHI конференции по порошковой металлургии в ЧСФР; Писчаны, 1992;
IX конференции по порошковой металлургии в ГДР; Дрезден, 1989;
ежегодном собрании "Немецкого общества материаловедов", DGM-91; Австрия, Грац, 1991;
III Международном конгрессе по дисперсно-упрочненным материалам, Чебоксары, 1993;
семинаре при международной выставке 'Экспо-ПМ-93", Минск, 1993;
- семинаре ООН "Новые материалы для машиностроения", Киев, 1992;
XVI и XVII Всесоюзных н.-техн.конф. по порошковой металлургии;
Свердловск, 1989; Киев, 1991;
IV-VIII Всесоюзных н.-техн.конф. по горячему прессованию; Новочеркасск, 1979; 1982, 1985; 1988,1991;
Республиканских и региональных конференциях и семинарах по порошковой металлургии: фильтровым материалам {Минск, 1989, 1991); магнитным материалам (Пенза, 1985; 1987; 1989), конструкционным и антифрикционным изделиям (Оренбург, 1980, Киев, 1982; Чебоксары*, 1988, 1990); надежности машин и оборудования (Москва, 1993; Ростов н/Д, 1994), пластической и термической обработке (С.-Петербург, 1995);
итоговых совещаниях по выполнению научно-технических программ в г.г, Кр.Сулин (1987); Киев (1991); Адлер (1993); Пермь (1993; 1995);
а также были представлены отдельными положениями на международных конференциях по порошковой технологии в Германии (Дрезден, 1993), по спеканию (Китай, Хайкон, 1995); Европейском конгрессе ПМ-95 (Бирмингем, 1995); порошковые изделия в автомобилестроении "ПМ-Авто-96", (Иран, Исхафан, 1996).
В полном объеме работа докладывалась на объединенном заседании кафедры "Технология конструкционных материалов" и.научно-исследовательского отдела "Износостойких покрытий и порошковой металлургии" в ДГТУ и декабре 1995 г.
Материалы работы демонстрировались на ВДН5< СССР (1992 г.),
Международной выставке "Высшая школа - народному хозяйству" (Берлин, 1993 г.)
По тематике настоящей работы и под научным руководством автора выполнена и защищена кандидатская диссертация, обучаются три аспиранта. Отдельные методические положения и результаты выполненной работы используются л учебном процессе ДГТУ при изучении курса "Технология конструкционных материалов".
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 104 работы, в том числе б авторских свидетельств и патент РФ, две брошюры, 7 научно-технических отчетов по НИР.
Структура и объем работы: Диссертация содержит введение. 7 глав, заключение и общие выводы, библиографический список из 273 наименований, приложение; изложена па 274 стр. машинописного текста, содержит 78 рис. и 12 табл. В приложении содержатся документы о практической реализации результатов работы.