Введение к работе
Актуальность работы. Современное машиностроительное производство тесно связано с обработкой титана и его сплавов, которые находят широкое применение в различных отраслях благодаря таким преимуществам, как высокая удельная прочность, стойкость против агрессивных сред высокая технологичность. Однако, использование титана в промышленности сдерживается его высокой стоимостью, а также низким коэффициентом использования. При этом на машиностроительных предприятиях общее количество отходов (прежде всего в виде стружки) достигает 65% ог веса производимого гитана. В этой связи весьма важней проблемой современного машиностроительного производства является утипизадия отходов титана и его сплавов. Наиболее распространенным методом решения этой проблемы остается вакуумно-дугевой переплав. При этом, кондиционные отходы машиностроительного производства, которые составляют не более 50%, вовлекаются в шихту при выплавке серийных сплавов, а из некондиционных (т.е. не вовлекаемых в шихту) получают вторичные титановые сплавы. Однако, переплав является энергоемким процессом, имеющим низкую эффективность, когда стоимость слитков из отходов мало отличается от стоимости слитков первичной. Вместе с тем, вторичные сплавы кмеют повышенное содержание примесей и легирующих элементов, что снижает их механические и технологические свойства.
Ряд технологий машиностроения по переработке стружковых отходов титанового производства, описанных в работах, ряда отечественных (Канюк А.И., Олесов Ю.Г., Шевченко В.В.) и зарубежных (Boracier S.A.) исследователей включает в себя операцию горячего компактирования стружки, когда брикетирование стружки из титановых сплавов при повышенных температурах проводится с целью облегчения транспортировки стружкового материала для' последующего переплава. Аналогичную задачу решали и при создании участка по брикетированию титановой стружки на предприятии ВСМПО (г.Верхняя Салда) совместно с Днепропетровским университетом.
Настоящая работа посвящена исследованию процессов и разработке технологии получения титановых материалов методами деформационного компактирования стружечных отходов машиностроительного производства, используя склонность титановых сплавов к интенсивной сварке в твердой фазе в процессе горячей деформации. Разрабатываемая технология позволяет не только повысить коэффициент использования титановых сплавов в машиностроении, но и значительно снизить себестоимость изделий, не несущих особых нагрузок, путем замены дорогостоящего титана материалами из его отходов.
Кроме того, использование интенсивной пластической деформации при комаактировании порошков, получаемых дроблением стружки, позволяет не только получать плотные компакты, но и обеспечивать в них формирование ультрамелкозернистой (субмикро- и нанокристаллнческой) структуры, следствием чего является значительное повышение прочностных свойств. Возможность подвергать компактированшо не только металлические порошки определенного сплава, но и различные смеси их, например, с керамикой, открывает перспективы создания новых композиционных материалов.
Целью работы является разработка технологии получения вторичных титановых материалов и юделиа из стружечных отходов машиностроительного производства методами деформационного компактирования на основе комплексных исследований процессов структурообразования, происходящих в компактах на различных стадиях их формирования.
В консолидированных, материалах микроструктура, а следовательно, к свойства существенно зависят как от характеристик исходных материалов, так и от условий компактирования. Таким образом, на микроструктуру материала можно влиять на всех стадиях технологического цикла - от получения исходных материалов до изменения режимов компактирования и последующих термомеханических обработок. Данный подход был. вмгользовая и в настоящей работе.
В работе решались следующие задачи:
-
Технико-экономическое обоснование эффективности применения деформационного компактирования титановой стружки по сравнению с традиционными методами ее переработки.
-
Исследование влияния технологических параметров деформационного компактирования (исходного размера частиц стружки, Бремепи нагрева, температуры и скорости деформации, удельного давления, времени выдержки под давлением) на процессы консолидации стружечных отходов- технически частого титана (ВТ1-0) и сплава ВТ9с целью обеспечения в компактируемых материалах полной плотности и необходимой структуры.
-
Выбор режимов последующей термичесхой и термомеханической обработок получаемых компактов, обеспечивающих в них структуру и свойства, максимально приближенные по показателям к структуре и свойствам соответствующих стандартных сплавов.
-
Оценка коррозионной стойкости и обрабатываемости давлением и резанием получаемых материалов с целью изготовления из них изделий для машиностроения, а также, других отраслей народного хозяйства.
з 5. Исследование влияния шггенсивной пластической деформации на структуру и свойства комгшхтируемых го порошков титана материале». Получение и исследование металлокерамических наноструктурных композитов на основе титана. Положения и результаты, выносимые на зашиту.
-
Основы новой ресурсосберегающей технологии получения вторичных титановых материалов из машиностроительной стружки, разработанной на базе типового технологического процесса переработки стружковых отходов с заменой операции переплава стружки ка ее горячее деформационное хомпактнрсвание.
-
Установленные закономерности влияния технологических параметров горачего компактирования стружки технически чистого титана и сплава ВТ9 (температуры, давления, времени выдержки под давлением, давления среды в камере, размера частиц стружки после дробления) на процессы консолидация п фор:.;ироваане структуры полуфабрикатов и изделий.
-
Режимы последующих термической и термомехаиической обработок, обеспечивающие в компактируемых материалах структуру и свойства, максимально приближенные по показателям к структуре и свойствам соответствующих стандартных сплавов, следствием чего является возможность их обработки давлением и резанием по стандартным режимам при изготовлении различных изделий.
-
Принципы и метод получения нанокриеталлической структуры в титановых материалах, используя деформационное компактирование порошков.
Научная новизна. Разработанная технология переработки титановой стружки предполагает замену дорогостоящей операции переплава на стадии получения полуфабрикатов типового технологического процесса переработки стружковых отходов (ГОСТ 18978-73) на операцию горячего прессования стружки в вакууме. На примере стружки технически чистого титана (ВТ1-0) и высоколегированного промышленного сплава ВТ9, впервые исследованы основные закономерности процесса деформационного формирования компактов и влияние технологических факторов (давления, температуры, скорости деформации и др.) на структуру и механические свойства компактируемых материалов; определены технологические параметры компактирования стружки титана ВТ1-0 и сплава ВТ9, обеспечивающие максимальную плотность компактов. Определены режимы дополнительной термической и термомехаиической обработок, позволяющих получать из компактируемых материалов изделия со структурой и свойствами, близкими к структуре и свойствам изделий из соответствующих сплавов, получаемых по традиционной технологии.
Показано, что использование метода интенсивной пластической деформации кручением для консолидации порошков титана и их смеси с дисперсными порошками керамики, позволяет получать образцы с высокой плотностью, а также, обеспечивает формирование в компактируемых материалах нанокристашшческой структуры. Установлено, что титановые компакты обладают высокой прочностью и твердостью, а добавление керамики не только повышает прочностные характеристики, но и обеспечивает повышенную термостабильность наноструктуры компактов.
Практическая значимость. Проведенные исследования по разработке основ технологии и технологических процессов деформационного компактирования татзловой стружки были использованы при проектировании в СКТБ "Тантал" при УГАТУ автоматизированной линии по переработке отходов в виде стружки, а также, при организации производства полуфабрикатов из отходов машиностроительного производства на предприятии "Тантал-ДТД".
Показана возможность создания новых наноструктурньгх титановых сплавов и их композитов с керамикой путем консолидации порошков методом интенсивной пластической деформации.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 4-й Европейской Конференции и выставке материалов и технологий "Восток-Запад" (Ст-Петербург, 1993), Международной конференции по титану (Москва, 1994), Международной конференции "ISMANAM-95" (Квебек, Канада, 1995), XIV Международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995), научном семинаре института CSIC Национального Исследовательского Центра Металлургии (Мадрид, Испания, 1996), VII Международного ссмикапа "Структура, дефекты и снойстка нанокпйсталдичеейих, ультрадисперсних и мультислойных материалов (Екатеринбург, 1996), Международном Симпозиуме со аэрозолям IAS-3 (Москва, 1997), научном семинаре института LTPCM (Гренобль, Франция, 1997), Международной школы NATO IAS (Ст-Петербург, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения и 5 глав, изложена на 191 машинописной странице, содержит 64 рисунка, 13 таблиц, библиографический список аз 214 наименований и 6 приложений.
