Введение к работе
Актуальность темы. Динамичнее развитие большинства отраслей промыилонного производства естественно связано с созданием новых и улучшением свойств существующие конструкционных материалов, ' а также с расширением сферы их использования, поскольку они в существенной мере, определяют уровень технических, эстетических и экономических характеристик изготовляемой продукции. Повышение технических и экономических требований к современной технике обуславливает расширение исследований материалов тугоплавких соединений, являющихся во многих случаях наиболее эффективными, а иногда единственно возможными средствами решения сложных научных и практических задач. Захную роль в получении и обработке таких материалов могут играть методу порошковой металлургии и, в частности, импульсное прессование и дробление путем высокоскоростного нагру-жения с использованием бризантных взрывчатых веществ СВЗ).
Характер воздєйсте.ія высокоскоростного кагружения на керамические материалы весьма разнопланоз, а порой и противоречив в силу большой индивидуальности - природы - каздого материала. Поэтому изучение особенностей взрывной обработки порошков тугоплавких соединений, исследование закономерностей процессов, проходящих при их высокоскоростной обработке для определения и создания механизма управления свойствами получаемых материалов и образцов -- одна из приоритетных задач технического прогресса.
Актуальность поставленных задач подтверждается выполнением работы в составе Межвузовской научно - технической программы "Фундаментальные исследования в_^ области порошковой технологии11, утвержденной-Министерством науки, высшей школы и технической ^политики Российской Федерации (Приказ W от 13.02.1992г.).
Цель работы. Исследование закономерностей и особенностей ударно - волновой обработки'порошков тугоплавких соединений, установление зависимостей структуры и свойств от параметров, условий-' кагружения и напряженного состояния и разработка технических решений получения керамических изделий на основе циркониевого электрокорунда при взрывном прессовании.
На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований структуры и свойств порошка карбида кремния при различных напряженных состояниях, реализуемых в материале при высокоскоростном нагрузкэнии; характер влияния напряженного сосго-
яния на процессы дробления и прессования хрупкого порошка*, .способ ззрывного комельчения пороака; результаты исследований процессов, проходящих при ударно - волновой обработке порошкообразного циркониевого электрокорунда (Щ); установленные экспериментальна;.! путем зависимости качества получаемых прессовок из порошков ЭЦ от параметров нагружешя, исходного состояния материала и размера частиц порошков; эффективность использования взрывного прессования порошков Щ для получения качественных образцов прессовок высокого уровня плотности, различных формообразований; экспериментальные данные по взрывному контактированию неиспользуемых отходов производства ЬЦ с целью их утилизации; разработанные с учетом особенностей ударно - волнового воздействия технические решения пера -циональньм исходным условиям и параметрам взрывного прессования различных изделий на основе Щ,
Обгекты и методы исследования. При проведении экспериментов'
и исследований процессов, проходящих при ударно - волновой обра -
ботке (дробление, прессование, структурные изменения) в качестве
основных объектов исследования были выбрана порошки тугоплавких
соединений карбида кремния и циркониевого электрокорунда, имеющие
существенные различия физико - технических характеристик. Выбор
этих искусственных абразивных материалов продиктован комплексом
присущих км ценных свойств и реальной возможностью расширения об
ластей их применения з современной технике, перспективой использо
вания в будущем. ' .
Ударно - волновая обраб отка пороаков осуществлялась с использованием известных схем и технологических приемов. В качестве основных схем натру аеиия были выбрана ампульные схемы с равномерши и неравномерным обжатием по окружности злпулы, как наиболее эффек- явные прг решении поставленных задач.
Методы исследования, используемые в работе,выбирались с условием наиболее полного контроля поведения и состояния изучаемого материал-і при ударно - волновом нагружении.
С целью выявления изменений структуры материалов после нагру-жения проводились рентгенострукгуркый (определение физического уши-рения, характеристик тонкой структуры , качественный и количественный фазовые анализн), металлографический, электронномикроскопичес-кий анализы. При определении фракционного состава порошков применялся оедиментационный метод. Проводились измерения плотности,' прочности, твердости получаемых образцов. Для оптимизации резуль-
тагов по ударно - волновому нагрухешпз исследуемых материалов использовался факторные анализ с применением ПЭВМ при расчетах и графических построений зависимостей.
Научная нозизка. Новыми научными положениями работы являются ьиявленныо в результате исследований, я экспериментов закономерности и особенности поведения пороыкообразных материалов тугоплавких соединений при их ударно - волновом иагруженич.
Раскрыта суиественная роль напрятанного состояния, создаваемого в хрупком порошке при высокоскоростном нагрукснии в формировании конечной структуры и свойстз получаемых образцов. Показано, что управляя напряженный состоянием, можно изменять и контролировать качественно и количественно состав физических явлений- и механизмов их реализации. На зїой основе усовершенствована существующая фізико - механическая модель взрывного обжатия хрупких порошков, в которую введен элемент, отвечающий за пластическую де -формацию и задействован временной фактор. Модель отображает поведение поропков при нагруженки как по сущности проходящих физических явлений, гак и по их последовательности и. во взаимосвязи.
'Установлено, что при малых уровнях удельной энергии обкатия и высокое уровне касательных напряжений, создаваемых в порошке карбида кремния при нагрухении, раздробленные частицы кмзвт преимущественно иеизокетричну» форму. С ростом удельной энергии обжатия-и снижением уровня касательных напряжений возрастает число направлений, по которым осуцествляется процесс разруиения отдельной порошинки, появляются частица с очень развитой поверхностью, происходит интенсивный рост внутренней энергии раздробленных частиц.
Выявлено, что процессы дробления и прессования хрулкого порошка . рбида кремния при висскоскоростком нагрукении .характери -зувтея корреляцией соответственно между результатами изменения гранулометрического состава и плотностью получаемых прессовок, уровнем касательных напряйений и элементами тонкой структуры. Установлено, что процесс прессования имеет три характерные зони, ъ каждой из которых действует свой -определясция фактор.
Получена математическая модель зависимости плотности прессовок карбида кремния от удельной энергии обкатил и деформации при различной динамической жесткости среды, передавшей давление при нагрухении.
- Ц
Впервые'установлена реальная возможность взрывного прессования порошков циркониевого электрокорунда () различных фракций без применения связок и повченій высокоплотных образцов. Спреде-лен характер зависимости плотности получаемых прессовок и коэффициента усадки порошка от исходных условий и параметров, нагружения Выявлена диапазоны параметров высокоскоростного нагружениа для грех основная групп - типов образцов, получаемых по ачпульной схе ме с равномерным обжатием, структура и основные свойства которых илеют характерные различия.
Установлено, что при высокоскоростном нагружении происходит неполное тетрагонально - моноклинное превращение диоксида цирко -ніш в циркониевом электрокорунде, степень полноты которого зави -сит от скорости взрывного обжатия.
экспериментально установлена пластическая деформация ЗЦ в исследуемом диапазоне параметров нагружения. Доказана.принципиальная возможность получения взрывным прессованием порошка качественных образцов высокого уровня плотности без операции спекания.
Отдельные технологические разработки выполнена на уровне изо ретений.
Практическая ценность. Полученные результаты исследований открывают возможность, управляя напряженным состоянием, создававши в хрупком порошке при высокоскоростном нагружении: - управлять размером частиц и выходам основной - заданной - фракции порошка; - получать порошки с требуемой формой частиц и степенью, его дефектности; - получать высокоплотныз прессовки при меньших энергетических затратах»
Разработал3 экспериментальная методика измельчения хруп -кого порошка при высокоскоростном нагружении в системах с секторными, зарядами и различными величинами углов противолежащих сев-торов с Bd, позволяющая получать химически более чистые порошки с болео высоким уровнем равномерности распределения гранулометрического состава по фракции и увеличивать выход гр*.оуемых мелких частиц. Разработки защищены авторским свидетельством № І445001.
Предложен вариант ачпульной схамы с секторным размещением зарядов с различными величинами углов противолежащих секторов с ВВ, позволяющий аффективно исследовать влияние напряженного состояния на процессы,, проходящие в хрупких порошках при высокоскоростном нагружении.
Разработана методика расчета удельной еиергш обжатия, учи-
гысгющая особенности схем нагружения.
Разработаны и отлажены программы расчета математической модели зависимости плотности прессовок карбида крекнкя от удельной энергии обжаткч и деформации и построения контурних кривых псстояг .якого уровня, Получеки диаграммы, позволяющие обоснованно назиа -чать рєждаа нагруяения для получения образцов прессовок заданной плотности.
Определены рациональные режима ударно - волновой обработки порошков їзЦ, обеспечивающие получение без связки качественных прессовок различных $орі.;ообразований с плотностью 70...99 % от'тео- ретичзской плотности материала. Положительно результати взравно-го кокпактирования циклонной пыли и пыли с еР обеспечивают, воз -можкость ударно - волновой обработки всей гаїляї фракций порошков 5Ц для практических целей.
Разработали технические решения (ТР) по рациональным исходным условиям и параметра?.! взрывного прессования, представленное в качестве научно - технической основи для проектирования рабочей технологии, позволяющие повысить эффективность и расширить сферу ' использования Щ за счет получения дополнительной номенклатуры оригинальных керамических изделий и организации специализирован -ного практически безотходного производства ка основа циркониевого электрокорувда, Приложенный к ТР состав "Приоритетных направлений и целевых НИР последующих этапов разработки проблемы" могут быть использованы в качестве основополагающих для системной работы исследований и поэтапной реализации их результатов.
Результаты исследований использованы при изготовлении взрывным прессованием порошка Щ партии экспериментальных образцов -- представителей технологической оснастки для ВолжскВНИйШ ( г. Волжский) и при проработке вопросоз организации безотходного производства на основе ЭЦ -для ЧАЛО (г. Челябинск). Сйвдаешй годо -вой экошишческий зрфект от внедрения результатов исследований-по ЗЦ на предприятиях ЧАПО составляет 759,7 тыс. руб. (в ценах по состоянию на 01.08.91г.) при суіцесгвешои улучшении экологической .обстановки в зона производства. Доля автора - 50%.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и об -суждались на: У Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высокш давлением" (йинск, IS8?r.); УУ1 Всесоюзной научно - технической конференции "Пороговая металлургия" (Свердловск, 1989г.); Ш Всесоюзной конференции "Физика прочности и ллас-
- б -
тичносги металлов и сплавов" (Куйбышев, І9В9г.); УІ1І Всесоюзной научно - технической конференции "Сварка, резка и обработка взрывом металлоконструкций" (.Минск, 19&Ог.); Всесоюзной межвузовски! научно - технической конференции "Порошковая металлургия"' (Минск, 1991г.); межреспубликанской научно - технической конференции, "Применение імпульсних методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1990г., Волгоград, 1991г.); иежреспубликанской научі
технической конференции "Прогрессивные метода получения KOHCTpj кционных материалов и покрытий, повыыаюцих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1992г.); Российской республиканской научно -
технической конференции "Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий, композиционных материале и покрытий" (Волгоград, 1992г.); Российской республиканской на>
чно - технической конференции "Проблемы современных материалов і технологий, производство наукоемкой продукции" (Пермь, 1993г.); ежегодных научно - технических конференциях Волгоградского, полите хнического института (Волгоград, І9&5 - 1993гг.); йаучных семиш pax кафедры "Металловедение и термическая обработка металлов" ВолгПИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных pad получено I авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения, списка литературы (135 наименований) и пру . ложения. Сбідий обьзи работы 237 страниц, из которых текстовая чаете 228 , рисунков 75, таблиц 15, приложений 2 .
