Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ННТЕРМЕТАЛЛИД
НЫХ ПОКРЫТИЙ 11
1.1. Анализ способов получения интерметаляидных покры
тий //
Реактивная диффузия как процесс образования ннтерметаллидных соединений на границе разнородных металлов 18
Применение сварки взрывом для получения ннтерметаллидных покрытий 27
Цели и задачи диссертационного исследования 40
ГЛАВА Н МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1. Характеристика исследуемых материалов 43
Методы исследования структуры, фазового состава и свойств формируемых покрытий 50
Статистические методы обработки экспериментальных данных и
методы их анализа 57
Выводы к главе 11 60
ГЛАВА III ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
НА ГРАНИЦЕ СВАРЕННЫХ ВЗРЫВОМ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНО
РОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ 61
Исследование диффузионных процессов, протекающих на границе титана со сталью 61
Исследование кинетики диффузионных процессов при контактном плавлении титана и меди в композите титан-медь-сталь 65
Крашенинников СВ. Кандидатская диссертация Содержание
3.3. Исследование процесса контактного плавления в композите ти-
тан-никелъ-сталь 83
Выводы к главе III 87
ГЛАВА IV ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ПОКРЫТИЙ ... 88
Фазовый состав покрытий системы Ti-Cu, полученных контактным плавлением 88
Исследование свойств интерметаллидных покрытий системы титан-медь 100
Выводы к главе IV 104
ГЛАВА V ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИСЛЕДОВАНИЙ 105
Разработка метода получения интерметаллидных покрытий па стальных деталях
Формирование интерметаллидных покрытий на элементах стальных форм, предназначенных для производства силикатных изделий 108
Разработка способа получения соединения пермендюра с титаном в магнитострищионпом преобразователе с применением явления контактного плавления 111
Выводы к главе V 114
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 115
ЛИТЕРАТУРА 117
ПРИЛОЖЕНИЕ 127
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
Введение к работе
Увеличение срока службы деталей машин, работающих в условиях комплексного воздействия таких факторов, как износ, температура и коррозия, всегда являлось актуальной задачей для машиностроительных отраслей промышленности. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является применение покрытий на основе иптерметаллидных соединений. Разработке новых методов получения таких покрытий и исследованию их свойств посвящены работы Н.Н. Фролова, Л.И. Тушинского, ИМ. Корнилова, В.М. Власова, В.Н. Анциферова, В.А. Неугшина, С.А. Шелухи, В.Е. Оттер, А.Г. Кобелева, Е.И. Тескера, Н.В. Рогова, КС. Гельтмана, Sagawara Akira, Напа Yshitaki, М. Salehi, R. Hosseini u др. [2, 21, 23, 26, 28, 29, 31, 35-37] u др., анализ которых показал, что кроме непосредственного формирования интерметалл и дных покрытий плазменно-дуговыми методами в последнее время для их получения все чаще применяют комбинированные технологии, включающие операцию предварительного нанесения на поверхность детали слоя металла, способного образовывать с металлом основы ин-терметаллидные соединения, и диффузионный отжиг полученной композиции.
Применение сварки взрывом в такой технологии обосновывается рядом преимуществ данного метода получения соединения разнородных металлов, основным из которых является возможность создания многослойной композиции с прочно-плотно соединенными слоями требуемых толщин [57-61, 63, 65, 66, 72 и др.]. Изучению кинетики диффузионных процессов, протекающих на границе металлов в полученных сваркой взрывом соединениях, посвящены работы B.C. Седыха, В.И. Лысака, ЮМ. Трыкова, А.Г. Кобелева, Н.Н. Казак, Е.Б. Сахновской [79, 80, 83, 87] и др. В них исследованы темпе-ратурно-временные условия образования иптерметаллидных фаз и определены режимы «безопасных» нагревов композиционных материалов, для которых появление иптерметаллидных прослоек в диффузионной зоне является недопустимым. Однако интерметалл ид ные соединения, обладающие рядом
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
полезных свойств, привлекли внимание исследователей и побудили их к поиску технических и технологических решений, направленных на создание нового класса конструкционных материалов - слоистых иитерметаллидных композитов {ЮЛ. Трыков, ВТ. Шморгун и др. [84-86]), что определило необходимость углубленного изучения вопросов оптимизации режимов диффузионного отжига и раскрытия механизмов интенсификации процессов диффузии, необходимых для «выращивания» иитерметаллидных прослоек требуемых толщин и фазовых составов.
Согласно данным работ Д.Д. Саратовкииа, П.А. Савинцева, В.В. Позднякова, А.П. Семенова, Л.К. Савицкой, Н.Ф. Лашко, Л.Б. Крапоишной и др. [49-51, 53-56] значительного повышения интенсивности диффузионного взаимодействия между разнородными металлами можно добиться реализацией на границе металлов явления контактного плавления, представляющего собой процесс перехода в жидкое состояние контактирующих разнородных твердых веществ при температурах ниже их точек плавления. Однако в литературе практически отсутствуют сведения, касающиеся исследований этого процесса в сваренных взрывом композитах.
В связи с изложенным, изучение особенностей протекания процесса контактного плавления на границе полученных сваркой взрывом соединений металлов, а также разработка нового метода получения иитерметаллидных покрытий являются актуальными научно-техническими задачами.
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках гранта по программе «Фундаментальные исследования в области технических наук» 2001 года.
Целью диссертационного исследования является разработка метода формирования иитерметаллидных покрытий систем ТІ-Cu и Ti-Ni на основе изучения особенностей протекания процесса контактного плавления на границе разнородных металлов в сваренных взрывом композитах.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
Определены условия протекания процесса контактного плавления в соединениях разнородных металлов, полученных сваркой взрывом.
Исследована кинетика диффузионных процессов при контактном эвтектическом плавлении металлов, образующих при взаимодействии интерметалл идные фазы.
Исследована структура и фазовый состав диффузионных зон, образующихся в результате контактного плавления и реактивной диффузии.
На основе результатов проведенных исследований разработан новый метод получения интерметаллидных покрытий на поверхностях стальных деталей.
Исследованы структура и свойства покрытий систем Ti-Cu и Ti-Ni, полученных данным методом.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей протекания процесса контактного плавления в сваренных взрывом соединениях разнородных металлов.
Установлено, что на начальной стадии контактного плавления концентрация компонентов в жидкой фазе после ее образования в результате твердофазного диффузионного взаимодействия резко изменяется от равновесной при данной температуре нагрева до концентрации той эвтектики (или эвтектик) данной системы, температура плавления которой ниже температуры нагрева.
Доказано, что на стадии интенсивного роста диффузионной зоны происходит растворение взаимодействующих металлов в жидкой фазе в эвтектическом соотношении. Впервые установлено, что скорость контактного плавления существенно зависит от фазового состава диффузионной зоны, сформированной при температурах нагрева ниже температуры начала процесса контактного плавления. Скорость процесса резко снижается, если при предшествующем твердофазном взаимодействии образовался сплошной слой интерметаллидной фазы, температура плавления которой выше температуры начала контактного плавления в данной системе металлов.
Крашенинников С, В. Кандидатская диссертация Введение
3. Установлено, что на завершающей стадии процесса контактного плавления, наступающей при полном растворении в диффузионной зоне одного из взаимодействующих металлов, происходит кристаллизация жидкой фазы за счет увеличения концентрации второй компоненты и соответствующего изменению этой концентрации повышения температуры плавления системы.
Для изучения структуры и фазового состава диффузионных зон применялись рентгеновские методы исследования. Микрорентгеноспектральный анализ проводили на микроанализаторе Superprobe JEOL JXA-8100, оснащенном энергодисперсиопньш спектрометром Inca (г. Москва, ВИМС). Для проведения качественного фазового анализа использовали универсальный дифрактометр «ДРОН-3».
Изучение микроструктуры проводили с помощью металлографического комплекса на базе микроскопа «OLYMPUS» ВХ 61 и инвертированного микроскопа «Axiovert» 40 МАТ.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволили разработать новый способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных деталей (патент РФ № 2202456).
Разработан технологический процесс формирования интерметалл ид-ного покрытия системы Ti-Cu на элементах стальных форм, предназначенных для производства силикатных изделий. Проведенные на ОАО «Биотех» испытания опытной партии изготовленных по данной технологии деталей показали, что применение интерметаллидных покрытий позволяет в два раза увеличить срок их службы.
Результаты исследований процесса контактного плавления позволили разработать новый способ получения соединения пакета пермендюра с титановым волноводом в магнитострикционном преобразователе.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях Волгоградского государственного технического университета 2001-2006 гг. и международных конференциях «Современные мате-
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
риалы и технологии - 2002» (г. Пенза), «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. ОТТОМ-4» (г. Харьков, 2003 г.), «Композиты - в народное хозяйство России. Композит - 02» (г. Барнаул), «Слоистые композиционные материалы -2001» (г, Волгоград), «Новые перспективные материалы и технологии их производства - 2004» (г. Волгоград).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 3 статьи в центральных периодических научно-технических журналах, 5 статей в сборниках научных трудов международных научно-технических конференций, 5 тезисов докладов на всероссийских и региональных конференциях, а также получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 126 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 21 таблицу.
В первой главе проведен краткий анализ существующих способов получения интерметаллидных покрытий. Рассмотрены основные закономерности протекания диффузионных процессов на границе металлов, способных образовывать интерметаллидные соединения. Проанализированы литературные данные, касающиеся исследования процесса контактного плавления. Кратко рассмотрен процесс сварки взрывом как наиболее перспективный способ получения многослойных композитов. Сформулирована цель диссертационного исследования и определены его задачи.
Во второй главе обоснован выбор материалов и методов исследования. Определен и обоснован состав исследуемых композиций, выявлены особенности диаграмм состояния входящих в них систем металлов. Кратко рассмотрены металлографические и рентгеновские методы исследования, а также методы исследования прочностных и износостойких свойств.
Третья глава посвящена исследованию особенностей диффузионных процессов, протекающих на границе полученных сваркой взрывом соединений титан-сталь, титан-медь-сталь, титан-никель-сталь при контактном плавлении. Подробно рассмотрен процесс перехода твердофазного взаимодейст-
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
вия в жидкофазное при температурах ниже температуры плавления компонентов. Детально изучены структуры полученных диффузионных зон. Установлены количественные зависимости между режимами нагрева и интенсивностью диффузионных процессов.
В четвертой главе представлены результаты исследований фазового состава интерметаллидных покрытий системы титан-медь. Приведены результаты измерения микротвердости покрытий. Представлены результаты исследований зависимости относительной износостойкости от фазового состава покрытий. Проведен сравнительный анализ структуры интерметалл идных покрытий, полученных контактным плавлением и струйно-плазменным методом.
Пятая глава посвящена практическому применению полученных результатов исследования и разработке технологического процесса формирования интерметалл ид ного покрытия на элементах стальных форм для ОАО «Биотех». Предложен способ получения соединения пакета пермендюра с титановым волноводом в магнитострикционном преобразователе с использованием явления контактного плавления.
Диссертационную работу завершают основные выводы.
В приложении к работе приведены копии патента на изобретение и акта испытаний, подтверждающие практическую ценность данного исследования.
Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства».
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору В,И. Лысаку, определившему направление данной работы, научному консультанту, кандидату технических наук, доценту СВ. Кузьмину за ценные советы и замечания по материалам диссертации, кандидату технических наук В.Н. Арисовой и сотруднику Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья, кандидату геолого-
Крашенинников С. В. Кандидатская диссертация Введение
минералогических наук Н.И. Чистяковой за помощь в проведении рентгено-структурного и микрорентгеноспектралыюго анализов, старшему научному сотруднику ЮТ. Долгому за помощь при разработке технологического процесса получения покрытий, а также всем сотрудникам кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», принимавшим участие в проведении исследований и обсуждении полученных результатов.
Крашенинников СВ. Кандидатская диссертация Глава I
