Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. В связи с созданием объектов новой техники, узлы трения которых должны работать в таких тяжелых условиях, как космическое пространство, повышенные или пониженные температуры, высокие скорости скольжения и удельные нагрузки, агрессивные среды, сильная радиация и т.п., непрерывно усложняются, и повышаются требования к антифрикционным материалам. В наибольшей степени им удовлетворяют твердые сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов с металлической связкой, оптимально сочетающие твердость и высокое сопротивление схватыванию указанных карбидов с достаточно высокой вязкостью, обеспечиваемой присутствием в структуре сплава металлической фазы.
В настоящее время твердые сплавы изготавливают путем прессования исходных смесей порошков тугоплавких карбидов с металлами и последующего спекания, что накладывает ограничения на состав материалов и габаритные размеры изделий, связанные, прежде всего, с химической совместимостью компонентов сплавов и возможностями прессового оборудования, и не позволяет принципиально повысить их эксплуатационные свойства.
Взрывное компактирование является одним из перспективных видов импульсного прессования и существенно расширяет возможности технологий порошковой металлургии. Взрывная обработка порошков дает возможность одновременно достигать давлений, достаточных для равномерного уплотнения порошков до практически беспористого состояния, и температур, необходимых для консолидации (сварки) структурных компонентов порошкового материала в монолитный и нанесения его в виде покрытий на стальное основание. Кратковременность воздействия высоких давлений и температур предотвращает возможность вторичного химического взаимодействия между компонентами сплавов и роста зерна в их структуре.
Прессованию порошковых материалов взрывом было уделено большое внимание отечественных и зарубежных исследователей: Баканова А. А., Беляев В. И., Бондарь М. П., Букин В. М., Волчков В. М.Дремин А. Н., Каунов А. М., Крохалев А. В., Кузьмин Г. Е., Пай В. В., Рогозин В. Д., Роман О. В., Смирнов Г. В., Ставер А. М., Шамрей А. В., Штерцер А. А., Яковлев И. В., Pruemmer R. А., Hokamoto К., Lee J. S., Korth G. E., Williamson R. L., Mc CarterM. K., Shield J. E., Mamalis A. G.u др. Несмотря на несомненные успехи, в настоящее время отсутствуют до конца разработанные методики расчетной оценки физических условий сжатия реализуемых при взрывном нагружении порошков. Кроме того, остаются мало изученными процессы формирования твердых сплавов и покрытий из них на стальном основании.
* Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту А. В. Крохалеву и доктору технических наук, профессору С. В. Кузьмину за участие в формировании направления работы и неоценимую помощь в анализе результатов исследования.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках государственного контракта № 02.740.11.0809.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание научно обоснованной технологии нанесения порошковых покрытий взрывом на стальную подложку на базе изучения процесса формирования твердых сплавов при взрывном компактировании.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
Исследованы общие закономерности формирования твердых сплавов из смесей порошков Сг3С2 с Ті при взрывном нагружении.
-
Исследованы условия сохранения покрытий системы Cr3C2-Ti при плоском и скользящем нагружении.
-
Исследованы антифрикционные свойства и износостойкость полученных покрытий.
-
Усовершенствована расчетная методика определения физических параметров сжатия при взрывном нагружении порошков на металлической подложке.
Научная новизна состоит в выявлении основных закономерностей формирования твердых сплавов системы СГ3С2-ТІ и покрытий из них при взрывном прессовании смесей порошков на стальном основании.
Установлено, что формирование прочных поверхностей раздела между карбидом хрома Сг3С2 и титаном происходит при температуре разогрева порошковой смеси в результате ударно-волнового сжатия 500...600 С и давлениях 10... 15 ГПа. При этом химический состав компонентов сплава не претерпевает изменений, перераспределения элементов между фазами в макрообъемах не происходит, а свойства твердого сплава достигают максимального уровня.
Впервые показано, что образование прочной связи между частицами карбида хрома и титана обусловлено формированием граничной фазы толщиной 75... 100 нм с монотонным изменением химического состава в ее пределах.
Разогрев смеси порошков СГ3С2-ТІ свыше 1000 С в ударной волне с давлением на фронте более 15 ГПа приводит к интенсивному взаимодействию ее компонентов с кислородом воздуха и между собой, что является причиной «вспенивания» обрабатываемого материала и потери его служебных свойств.
Установлено, что введение между прессуемой смесью порошков и стальным основанием прослойки из титанового порошка и последующая термообработка (нагрев до 400 С, охлаждение на воздухе) позволяет увеличить прочность соединения на срез получаемого твердого сплава с основой до 120... 130 МПа (против 25... 40 МПа без прослойки и термообработки) за счет снижения уровня остаточных напряжений в зоне соединения.
Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической, электронной растровой и просвечивающей микроскопии, механических испытаний на срез, измерения твердости, а также разработанной новой оригинальной методики испытания на трение. Расчет фи-
зических условий сжатия при взрывном прессовании проводили с помощью специально разработанной программы, определение равновесного фазового состава, и математическая обработка полученных результатов осуществлялись с помощью специализированных пакетов прикладных программ.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволили разработать научно обоснованную технологию получения покрытия из твердого сплава системы СГ3С2-ТІ на рабочей поверхности торцового уплотнения насосов для перекачки перегретого дистиллята второго контура охлаждения реакторов АЭС, обоснованно подойти к назначению режимов взрывного прессования твердых сплавов; разработать технологические приемы для сохранения получаемого покрытия и увеличения прочности его соединения со стальным основанием; определить рациональное содержание компонентов с точки зрения достижения максимальных антифрикционных свойств и износостойкости; усовершенствовать методику расчета физических условий сжатия при взрывной обработке порошков и реализовать ее в виде специализированного программного модуля (свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010616142 от 17 сентября 2010 г.).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 9-ти международных (2009, 2010,2011 - г. Волгоград; 2009, 2010, 2011 - г. Москва; 2010 - г. Пенза; 2012 - Санкт-Петербург; 2012 - г. Прага, Чехия), всероссийских (2009, 2011 - г. Москва; 2009 - г. Новосибирск; 2010 - Санкт-Петербург; 2011 - г. Черноголовка), региональных конференциях молодых исследователей (2009, 2010, 2011, 2012 - г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 4 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одно свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 145 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 5 таблиц. Список использованной литературы включает 115 наименований.
