Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы с заданным комплексом функциональных свойств для машиностроения, приборостроения, электротехники, электроники и др. находя7- всё более широкое применение в узлах машин и механизмов. Их рациональное проектирование с точки зрения обеспечения контролируемой взаимосвязи подбираемого состава (композиционное), структуры, механических, физических и функциональных свойств открывает новые возможности и области практического использования. Прикладное материаловедение, характеризующееся на современном этапе наличием эффективных высокоразрешающих методов оценки изменений и целевого формирования свойств материалов при различных внешних воздействиях, например, деформации, термообработке, дополнительном легировании, указывает на возможность экономичного достижения новых уровней свойств традиционных материалов, каковыми являются композиционные материалы на основе железных порошков - безуглеродистые псевдосплавы и спеченные стали для изготовления конструкционных, электротехнических, магнитных и др. функциональных изделий.
Композиционные материалы общемашиностроительного
назначения на основе железных и стальных порошков находят широкое применение в различных узлах машин и механизмов, взамен традиционных литых и прокатанных. Достаточная доступность введения в состав композиционного порошкового материала легирующих компонентов - меди, графита, фосфора, серы и др. позволяет расширить области практического использования этих материалов для разнообразных условий не только как замену традиционным компактным материалам, но и часто как единственно работоспособным в определенных режимах эксплуатации.
Технология композитов, представителями которых являются
порошковые материалы, открывает широкие возможности для создания
материалов, обеспечивающих надежную работу узлов в самых
разнообразных условиях. Это становится возможным за счет создания
«адаптированного, приспособленного» материала для конкретного
объекта и его условий работы. Успешное продвижение в создании новых
композиционных материалов и обеспечении оптимальных условий их
эксплуатации зависят от достаточно четкого понимания условий и
механизма формирования его функциональных свойств в зависимости от
сформированной макро- и микроструктуры на поверхности и в объеме
материала, пористости - её вида и характера распределения, плотности,
и как конечный результат - достигнутых механических и функциональных
свойств - прочности, пластичности, электросопротивления, магнитных
свойств и т.п. Именно решению такой задачи посвящена представленная
работа. і
і рс ИЛЦИОИАЛЪНЛЯ /
З I БИБЛИОТЕКА I
Исследования выполнены в Донском государственном техническом университета (ДПГУ, г. Ростов-на-Дону) в соответствии с планами НИР по выполнению заданий подпрограммы «Новые материалы» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники» по разделу «Функциональные порошковые материалы» (проект 202.05.01.026) за 2001-2004г.г.; отдельные исследования структуры и физических и технологических свойств выполнены в лабораторных условиях Венского технического университета (Австрия) в ходе годичной научной стажировки и отдельных поездок. Промышленные испытания и апробация результатов выполненных исследований проведены на опытном производстве Института проблем материаловедения НАН Украины (г.Киев).
Цель и задачи исследования.
Целью работы является создание нового метода конструирования многокомпонентных композиционных материалов машиностроительного назначения на основе управления их составом и структурообразованием в зависимости от требуемого уровня функциональных свойств.
Для достижения цели определены следующие задачи.
-
Комплексное металлофизическое исследование структуры и свойств низкопористого железного композита в зависимости от состава композиции, ее гранулометрического состава, легирующего влияния компонентов, режимов термической обработки, а также технологических факторов консолидации.
-
Определение основных закономерностей формирования структуры и свойств композита с разработкой математической модели и алгоритма конструирования композиционного материала на основе железа, реализующего заданный уровень свойств в изделиях разнообразного назначения
-
Обоснование и технологическая реализация принципиальной возможности получения высококачественных композиционных материалов разнообразного назначения путем использования тривиальной технологии однократного прессования и спекания порошковой шихты на основе железа.
-
Практическая апробация разработанных методов конструирования композиционного материала на основе железа, реализующего заданный уровень физических, механических, электрических и других свойств в изделиях конструкционного и электротехнического назначения.
Научная новизна.
создан оригинальный метод компьютерного конструирования струкгуры композиционных материалов, в основе которого лежит математическая и графическая интерпретация на симплексных диэграммах «состав-свойства», а также система оценок (шкала желательности) совокупности характеристик, обеспечивающих получение требуемого комплекса физических и механических свойств проектируемых материалов;
на основе комплексных металлофизических исследований структуры и свойств низкопористых композиционных материалов, полученных однократным прессованием и спеканием, сформирован банк данных (библиотека) вариантов их структурной организации в зависимости от структурообразующих факторов в широком диапазоне значений;
для реализации разработанной математической модели конструирования структуры и свойств материала созданы оригинальные зарегистрированные программные продукты и предложен алгоритм вариационного решения частных задач по подбору состава, организации структуры и прогнозированию свойств композитов на основе железа.
Практическая ценность.
Реализация результатов работы.
Разработаны рекомендации по получению машиностроительных изделий разработанным методом, обеспечивающим требуемый уровень механических и функциональных свойств:
- проведены лабораторные и промышленные испытания разработанных
композиционных материалов на основе промышленных железных
порошков с 0,5% графита (спеченные стали) широкой номенклатуры
конструкционных изделий повышенной плотности и прочности: шестерни,
блоки зубчатых колёс, муфты переключения и др. с гарантированно
достижимыми показателями: плотность 7,1-7,2 кг/см3, твердость HV -120,
прочность на изгиб 750 МПа, ударная вязкость 30 Дж/см2;
- испытаны и переданы для использования при создании
электротехнических элементов (статоры и роторы электродвигателей
малой мощности для бытовой техники, полюсные наконечники,
магнитопроводы) композиционные магнитно-мягкие материалы с
высоким уровнем функциональных свойств: потери на
перемагничивание 3-4 Вт/кг против 8-12 Вт/кг у аналогов, снижение
эквивалентной массы элементов на 10%.
Созданы и использованы два объекта интеллектуальной собственности, зарегистрированные в реестре Роспатента-ФИПС: №2005611223 «Проектирование многокомпонентных порошковых материалов по симплекс-диаграммам и оптимизация их свойств», №2005611224 «Компьютерное моделирование функциональных характеристик многокомпонентных материалов по симплекс-диаграммам "состав-свойство".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на российских и международных конгрессах, конференциях, семинарах, представлялись на специализированных выставках:
Новые материалы и технологии НМТ- 2002//Всерос. науч.-техн. конф: Москва (2002г.);
Технологическое управление качеством поверхности деталей машин Межд.н.- техн. Конф., Киев ( 2003г.);
Всемирный конгресс по порошковой металлургии,\Л/ог1с1 Congress -РМ-2004, Вена, Австрия, 17-22 октября (2004 г.);
Теория и технология процессов пластической деформации // Межд. науч.-техн. конф. МИСиС. - Москва (2004г);
Европейский конгресс по порошковой металлургии РМ-2005, Прага,Чехия (2005 г.);
Планзее-Семинар по прогрессивным порошковым материалам. Plansee-Seminar-2005. High Performance Materials. Ройте, Тироль, Австрия (2005 г.)
Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. // Науч.-техн. Сем. г.Йошкар-Ола (2005)
Международный симпозиум «Прогрессивные процессы порошковой металлургии, г.Минск ( 2005 г.)
«Металлургия, металлообработка, машиностроение» //Межд. специализированная выставка и научно-практ. конф., ВЦ «Роствертол», г.Ростов-н/Д., 2003-2005 Г.г.;
Ежегодных Международных научно-технических конференциях г. Свалява-Киев, Ялта-Киев (2004-2005г. г.);
Научно-технических конференциях Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, 2001-2005г.г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений; содержит 198 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 19 таблиц, список литературы (147 наименований ) и 3 приложения.
