Введение к работе
Актуальность темы. Развитие промышленности связано с разработкой функциональных материалов с повышенной эксплуатационной надежностью. Использование методов инфильтрации является одним из направлений улучшения свойств порошковых материалов. В ЮРГТУ (НПИ) разработаны технологии получения инфильтрованных порошковых материалов (ИПМ), включающие предварительное формование основы, засыпку инфильтрата и доуплотнение биметаллической заготовки с последующим спеканием, совмещенным с инфильтрацией, обеспечивающие повышение физико-механических свойств ИПМ при снижении трудоемкости их изготовления.
В Государственном научно-производственном объединении порошковой металлургии, г. Минск, разработаны ИПМ на основе железа, легированного никелем. Инфильтрация сплавами меди существенно повышает физико-механические и триботехнические свойства ИПМ, что позволяет использовать их в качестве антифрикционных. Использование бронзы БрО10С1,5ЦФ в качестве инфильтрата для пропитки железного каркаса обеспечивает получение материала с повышенной прочностью.
Ранее проведенные в ЮРГТУ (НПИ) исследования материалов на основе механически активированных шихт установили наследственное влияние процессов диспергирования-агломерации порошковых частиц в высокоэнергетических мельницах (ВЭМ) на закономерности формования, спекания, формирования структуры спеченных и горячедеформированных материалов. Механическая активация в жидких средах приводит к агломерации частиц, их разрушению и формированию при спекании структуры, состоящей в основном из твердых растворов Fe-Ni с различным содержанием никеля. В результате исследований показано, что при активированном спекании порошковых материалов можно существенно снизить температуру и время образования твердых растворов.
Значительный вклад в создание и решение проблем совершенствования ИПМ внесли следующие ученые: Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский, И.М. Федорченко, В.Н. Анциферов, А.А. Шацов, П.А. Витязь, Л.Н. Дьячкова, Ю.В. Найдич, В.Г. Шатт, G. Stern, С. Durdaller и др.
Однако в исследованных работах не изучено влияние процессов, протекающих при обработке в высокоэнергетических мельницах порошковых шихт Fe-Ni, на закономерности формирования структуры и свойств инфильтрованных порошковых материалов. Таким образом, разработка и использование технологии получения ИПМ на основе механически обработанных порошковых шихт является актуальной научно-технической задачей.
Работа выполнена на кафедре “Материаловедение и технология материалов” Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в рамках научного направления ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ(НПИ)» - «Порошковые, композиционные материалы и изделия из них», госбюджетной темы 1.8.05 “Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов. Фундаментальное исследование”.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии получения ИПМ с повышенными физико-механическими свойствами на основе механически обработанных в ВЭМ порошковых шихт Fe-Ni и установление закономерностей влияния содержания никеля на процессы диспергирования-агломерации, инфильтрации, совмещенной со спеканием, формирования структуры и свойств ИПМ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести многокритериальную оптимизацию содержания никеля в шихте основы ИПМ.
-
Исследовать закономерности механической обработки в ВЭМ порошковых основ Fe-Ni ИПМ в режиме сухого размола (СР), размола в жидких средах (РЖС), а также механической активации в жидких средах (МАЖ).
-
Изучить процессы инфильтрации, совмещенной со спеканием, расплавом БрО10С1,5ЦФ тугоплавких каркасов на основе механически обработанных в ВЭМ порошковых шихт Fe-Ni.
-
Установить влияние содержания никеля на структуру и свойства инфильтрованных порошковых материалов на основе механически активированных в жидких средах порошковых шихт Fe-Ni.
-
Разработать опытную технологию получения ИПМ для опорной шайбы горнопроходческого комбайна.
Методы исследования и достоверность результатов. Для решения поставленных задач были использованы современные методы исследования фракционного состава, структуры и свойств материалов: ситовый анализ и метод перераспределения частиц по размерам (для оценки степени агломерации частиц определяли показатель агломерации (ПАГ), равный отношению средних размеров частиц после обработки в ВЭМ (d0) и ручной обработки в ступе (d1)); оптическая и электронная сканирующая микроскопия высокого разрешения; рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ; методы анализа твердости и микротвердости; испытания на срез, а также обработка экспериментальных данных с применением статистических методов анализа результатов и многокритериальной оптимизации.
Степень достоверности результатов подтверждается:
согласованностью полученных результатов с фундаментальными положениями порошкового материаловедения, а также соответствием экспериментальных данных и научных выводов с общепринятыми положениями, опубликованными в авторитетных изданиях;
использованием современных методов статистической обработки результатов экспериментальных исследований;
использованием в экспериментальных исследованиях современных методов испытаний с применением поверенного оборудования и стандартных методик в сочетании с комплексом методов исследований структуры и свойств;
поверкой основных экспериментальных исследований независимыми испытаниями, выполненными в ООО «Тоннельдорстрой», г. Сочи.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
многокритериальная оптимизация содержания никеля в шихте основы ИПМ;
закономерности механической обработки в высокоэнергетической мельнице в режимах сухого и жидкого размола, механической активации в жидких средах порошковых шихт Fe-Ni (0-2% мас.) в зависимости от содержания никеля;
наследственное влияние механической обработки в ВЭМ на процессы формования, спекания и инфильтрации;
результаты исследования структуры и свойств инфильтрованных порошковых материалов, полученных по разработанной технологии;
технология получения ИПМ на основе механически активированных в жидких средах порошковых шихт Fe-Ni (2% мас.), позволяющая получать материал с повышенными механическими свойствами и степенью консолидации поверхностных слоев.
Научная новизна. 1. Впервые, с учетом эмпирических зависимостей 0, 0(CNi), представленных в виде полиномов второй степени для сухого и жидкого размола и третьей степени для механической активации в жидких средах, построено модифицированное уравнение функции распределения частиц по размерам F(x; CNi), учитывающее содержание никеля (0-2% мас.) в порошковой шихте Fe-Ni
-
Установлены экспериментальные зависимости и построены 2D Spline модели влияния содержания никеля на процессы диспергирования-агломерации при обработке в ВЭМ порошковых шихт Fe-Ni (0-2% мас.). Выявлены экстремальные значения содержания никеля, обеспечивающие максимальную активность порошковой шихты Fe-Ni (1% мас.), полученную сухим размолом, переход к формированию агломератов частиц в порошковой шихте Fe-Ni (1,5% мас.) при размоле в жидких средах, формирование высокопрочных агломератов в процессе механической активации в жидких средах порошковой шихты Fe-Ni (2% мас.).
-
В отличие от ранее проведенных исследований, учитывающих связь между процессами диспергирования-агломерации и закономерностями уплотнения при спекании и горячей штамповке, установлено наследственное влияние процессов диспергирования-агломерации на закономерности уплотнения при инфильтрации и формирование механических свойств ИПМ на основе порошковых шихт Fe-Ni (0-2% мас.). Показано, что повышенные механические свойства и степень консолидации поверхностных слоев ИПМ обеспечиваются при использовании шихт с экстремальными значениями содержания никеля, полученных: а) сухим размолом (CNi=1% мас.) с максимальной активностью и значениями ПАГ<1; б) размолом в жидких средах (СNi=1,5% мас.), обеспечивающим переход от диспергирования к агломерации и значениями ПАГ>1; в) в процессе механической активации в жидких средах (СNi=2% мас.), характеризующейся формированием высокопрочных агломератов и значениями ПАГ=1.
Практическая ценность. 1. Разработана технология получения ИПМ, включающая: механическую активацию в жидких средах порошковой шихты Fe-Ni (2% мас.), при которой формируются высокопрочные агломераты; предварительное формование основы Fe-Ni, засыпку инфильтрата БрО10С1,5ЦФ и доуплотнение биметаллической формовки; инфильтрацию, совмещенную со спеканием. При этом обеспечивается повышение механических свойств материала поверхностного слоя, равномерное распределение никеля по объему ИПМ, поры которого заполнены сплавом Cu-Sn, легированным Ni и Fe.
2. Определено оптимальное содержание никеля в порошковой шихте Fe-Ni (0-2% мас.). Показано, что ИПМ на основе механически активированной шихты Fe-Ni (2% мас.) обладают повышенной прочностью поверхностных слоев по сравнению с шихтой, полученной сухим размолом (СNi=1% мас.) и размолом в жидких средах (СNi=1,5% мас.).
3. Практическая ценность и новизна подтверждается также тем, что на основе проведенных исследований предложена опытная технология получения ИПМ (Fe-Ni)-БрО10С1,5ЦФ (10% от массы шихты) на основе механически активированной шихты в жидких средах Fe-Ni (2% мас.) для опорной шайбы горнопроходческого комбайна, включающая: холодное прессование биметаллической формовки (инфильтрат (БрО10С1,5ЦФ) - основа (Fe-Ni)); инфильтрацию, совмещенную со спеканием, и холодную штамповку. Предложена технология формования основы заготовки в виде усеченного конуса с целью получения ИПМ с равными диаметрами верхней и нижней части заготовки.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических и исследовательских конференциях, проводимых в ЮРГТУ (НПИ): «Студенческая весна» (2007 - 2011г.), 59-я, 60-я научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области (2010 - 2011г.), а так же на Всероссийском смотре-конкурсе «Научно-технического творчества студентов высших учебных заведений» – «Эврика-2010», г. Новочеркасск (2010 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ общим объемом 1,68 п.л., в том числе 2 из которых выполнены без соавторов, 3 опубликованы в изданиях, отвечающих требованиям ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с общими выводами и списка литературы и изложена на 166 страницах машинописного текста, включает 51 рисунок, 26 таблиц, приложение на 20 страницах и список литературы из 111 наименований.
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки и техники РСФСР д.т.н., профессору Ю.Г. Дорофееву за обсуждения полученных результатов и помощь при работе над диссертацией.
