Введение к работе
Актуальность работы. Непрерывное обновление и совершенствование машин и приборов, применяемых в современном машиностроении, требует создания материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Особая роль в их разработке отводится методам порошковой металлургии, которые являются энерго- и ресурсосберегающими. Во многих случаях они могут обеспечивать уникальные свойства за счет возможности соединения различных компонентов композиционных материалов (КМ), обладающих разными физико-механическими свойствами.
Наиболее широко применяются КМ из спеченных железных порошков. Повышение плотности и механических свойств изделий из спеченных порошковых КМ достигается за счет применения высоких давлений уплотнения, легирования матрицы КМ, прессования с применением специальных способов получения материалов и изделий (горячее статическое и динамическое прессование, повторное прессование и т.д.) Однако эти методы повышают энергоемкость процессов, а значительная часть получаемых материалов и изделий характеризуется большей или меньшей остаточной пористостью. Применение жидкой фазы, образующейся в прессованном изделии в результате плавления более легкоплавкой составляющей или контактного плавления легирующих добавок между собой (или в паре с основным компонентом при нагреве и последующем жидкофазном спекании), не позволяет получать изделия с минимальной усадкой.
Увеличение плотности прессовки может быть достигнуто инфильтрацией предварительно спеченного каркаса более легкоплавким компонентом (пропитывающим сплавом). Композиционные материалы, полученные методом пропитки сплавами определенного химического состава и последующего жидкофазного спекания, могут обеспечить высокие эксплуатационные свойства изделий.
Повышение конкурентоспособности продукции литейного производства требует создания новых материалов для постоянных форм, обладающих высоким уровнем окалиностойкости, термостойкости и высоким сопротивлением термомеханической усталости, а также новых, более совершенных способов получения постоянных форм.
Важную роль в решении этой задачи играют армированные КМ со спеченной металлической порошковой матрицей, имеющие высокое сопротивление усталостному разрушению. При получении материалов, армированных металлическими волокнами, необходимо обеспечить прочную связь на границе раздела фаз «волокно – матрица», обеспечивающую передачу нагрузки на волокна. При жидкофазном спекании создаются условия для сближения поверхностей частиц пропитывающего сплава с поверхностью волокон на достаточно малые расстояния и образования химической связи между этими фазами.
Совершенство гетерогенной структуры материалов, определяющее термомеханическую стабильность КМ, может быть достигнуто за счет совмещения процессов пропитки и легирования компонентов КМ при жидкофазном спекании. Поэтому проблема создания КМ на основе спеченной железной матрицы, имеющих высокие механические и теплофизические свойства, является актуальной и представляется важной в теоретическом и практическом отношениях.
В диссертационной работе представлено одно из возможных решений указанной проблемы, которое базируется на предложенной идее применения в качестве пропитывающих материалов борсодержащих сплавов эвтектического состава на основе железа, никеля и кобальта, обладающих высокой жидкотекучестью, низким поверхностным натяжением и высоким уровнем физико-механических свойств.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии со следующими программами: целевой программой Академии наук СССР (Постановление АН СССР №642 от 21. 05. 1986 г. разделы 1. 3. 2. 1, 1. 3. 2. 3, 1. 3. 2. 5); программой «Сибирь», (Постановление ГК НТ СССР и АН СССР №385/96 от 13.07.1984 г., раздел 03.03; межвузовской инновационной научно-технической программой «Исследования в области порошковой технологии» на 1994–1996 г.г.; аналитической целевой программой министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009–2010 г.г.» (проекты 2.1.2/5431 и 2.1.2/4037).
Цель работы – разработка КМ на основе железа и технологии их получения методом пропитки борсодержащими сплавами эвтектического состава и последующего жидкофазного спекания на основе структурно-энергетического подхода к определению состава и технологических режимов, обеспечивающих получение гетерогенной структуры с высокими механическими и теплофизическими свойствами.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать известные методы получения КМ на основе порошковых компонентов и выявить основные принципы формирования гетерогенной структуры композитов с высокой термодинамической стабильностью структурообразующих фаз.
2. С учетом анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований в области создания КМ на основе железа и термодинамики процессов пропитки с последующим их жидкофазным спеканием, обосновать основные требования к свойствам и составу пропитывающих сплавов, обеспечивающих высокий уровень межфазного взаимодействия компонентов КМ.
3. Изучить влияние легирующих элементов на термодинамические характеристики и вид формирующейся структуры КМ; установить характер распределения легирующих элементов в пропитывающих сплавах и матричном материале, а также зависимость физико-механических свойств КМ от концентрации легирующих элементов и технологических режимов спекания.
4. Обосновать состав и технологические режимы получения борсодержащих композиционных материалов (БКМ) на основе железа с пропиткой борсодержащими сплавами эвтектического состава. Исследовать влияние ультрадисперсных порошков (УДП) на механические свойства и окалиностойкость БКМ.
5. Исследовать влияние химического состава БКМ и технологических режимов на окалиностойкость и термостойкость.
6. Разработать армированный БКМ, получаемый методом пропитки пористой железной матрицы и упрочняющих элементов в виде молибденовой проволоки с целью повышения сопротивления термомеханической усталости БКМ.
7. Обосновать принципы проектирования технологии получения постоянных литейных форм с применением разработанных материалов.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы:
1. Раскрыт механизм структурообразования КМ на основе порошкообразного железа в условиях жидкофазного синтеза с борсодержащими пропитывающими эвтектическими сплавами систем: Fe–B, Ni–B, Co–B, включающий следующие термодинамические процессы:
– плавление пропитывающего сплава (фазовый переход в жидкое состояние), сопровождающееся резким изменением энтальпии системы;
– проникновение пропитывающего сплава в поры железной матрицы под действием капиллярных сил, сопровождающееся выделением тепла;
– адгезионное взаимодествие контактирующих фаз, взаимная диффузия элементов матричного порошка и пропитывающих сплавов, приводящие к снижению уровня свободной энергии системы.
2. Установлены зависимости физико-механических свойств БКМ от состава пропитывающих сплавов. Определены оптимальные составы пропитывающих сплавов для получения БКМ методом пропитки пористой железной прессовки. Выявлено, что БКМ, полученные пропиткой сплавом состава Fe+3,8% B имеют временное сопротивление в = 260 МПа; сплавом состава Ni+4%B – в = 420 МПа, а сплавом состава Co+4% B – в = 380 МПа.
3. На основе анализа результатов проведенных структурных и физико-механических исследований установлены наиболее эффективные температурно-временные режимы жидкофазного спекания БКМ, обеспечивающие наиболее высокий уровень их физико-механических свойств: температура спекания 1180…1190 оС, время спекания 12...15 мин.
4. Определены параметры технологического процесса получения БКМ на основе ферробора марки ФБ 20 (а. с. № 587172 «Сплав на основе железа»): температура спекания 1190…1200 оС, время спекания 12…15 мин.
5. Изучено влияние легирующих элементов (молибдена, вольфрама, ниобия) на физико-механические свойства БКМ и установлено, что наиболее высоким уровнем механических свойств обладает композиция состава Fe + 3,8%B + 1,2%Nb + 4,2% Mo.
6. Установлено, что применение пропитывающих борсодержащих сплавов эвтектического состава позволяет получать БКМ, армированные молибденовой проволокой, с сопротивлением термомеханической усталости в 10…15 раз выше по сравнению со сталью 20.
7. Показано, что введение в пропитывающие сплавы УДП тугоплавкого соединения TiCN приводит к тому, что в порах прессовки формируется структура с более компактной формой боридов, что обеспечивает повышение физико-механических свойств и окалиностойкости полученных материалов на 10–15 %.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных методов и аттестованных технических средств; сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, а также оценкой погрешности эксперимента статистическими методами и успешным внедрением технологий в производство.
На защиту выносятся
1. Механизм структурообразования КМ на основе порошкообразного железа в условиях жидкофазного синтеза с борсодержащими пропитывающими эвтектическими сплавами систем: Fe–B, Ni–B, Co–B.
2. Комплекс экспериментальных и расчетных данных о процессах синтеза БКМ на основе железа методом пропитки борсодержащими сплавами эвтектического состава и последующего жидкофазного спекания, полученных на основе структурно-энергетического подхода к определению состава и технологических режимов получения БКМ.
3. Качественная и количественная зависимости силы связи (межфазного взаимодействия) на границе «металлическая матрица – пропитывающий сплав» от состава пропитывающих сплавов и пропитываемой металлической матрицы, полученные в результате термодинамического анализа процесса пропитки железной матрицы борсодержащими сплавами эвтектического состава на основе железа, кобальта, никеля и последующего жидкофазного спекания.
4. Зависимости физико-механических свойств БКМ от концентрации и способа введения легирующих элементов (W, Mo, Nb).
5. Параметры технологического процесса получения БКМ с использованием борсодержащего пропитывающего сплава на основе ферробора марки ФБ 20, обеспечивающие значительное снижение стоимости железоборидных материалов без снижения уровня их механических свойств.
6. Результаты экспериментальных исследований влияния малых добавок УДП тугоплавких соединений в пропитывающие сплавы на структурно-фазовое состояние, обеспечивающих значительное повышение физико-механических свойств БКМ.
7. Результаты экспериментальных исследований сопротивления термомеханической усталости армированных железоборидных материалов, полученных методом пропитки железоборидным, кобальтборидным и никельборидным сплавами пористой железной матрицы с помещенными в ней упрочняющими элементами в виде молибденовой проволоки.
Значение полученных результатов для теории и практики
1. Раскрытый механизм процессов структурообразования БКМ и результаты термодинамического анализа процесса пропитки железной матрицы борсодержащими сплавами эвтектического состава на основе железа, кобальта, никеля позволяют дать качественную и количественную оценку межфазного взаимодействия на границе «металлическая матрица – пропитывающий сплав», а также прогнозировать изменение механических свойств в зависимости от состава пропитывающих сплавов.
2. Определённые в результате проведённых исследований эффективные режимы жидкофазного спекания материалов позволили получить высокий уровень физико-механических свойств для БКМ с пропитывающим сплавом состава Fe+3,8% B +1,2 % Nb + 4,2 % Mo: в = 520 МПа, = 1,3 %; термостойкость 21 тыс. циклов до разрушения образца; окалиностойкость при выдержке на воздухе 800 часов при температуре 740…750 оС в 10 выше, чем у стали 20.
3. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические процессы изготовления:
- постоянных форм из борсодержащих композиционных материалов на ЗАО «Омский завод специальных изделий» для получения отливок из алюминиевых, бронзовых сплавов и чугуна;
- отливок деталей «Гильза» с применением модифицирования хромоникелевых чугунов УДП на ФГУП «Омское машиностроительное объединение им. П.И. Баранова»;
- коронок зубьев рыхлителей для мерзлых песчаных грунтов в филиале № 4 ГП «Северавтодор».
4. Результаты работы используются в ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет» и ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) при обучении студентов машиностроительных и механических специальностей.
Апробация работы Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах: II Республиканская научно-техническая конференция литейщиков (г. Чебоксары, 1986 г.); Республиканская научно-техническая конференция «Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном производстве» (г. Орджоникидзе, 1988 г.); Республиканский семинар «Конструкционные, инструментальные, порошковые и композиционные материалы» (г. Ленинград, 1991 г.); Республиканская научно-техническая конференция «Современные технологические процессы получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлургии» (г. Чебоксары, 1989 г.); XVI Всесоюзная научно-техническая конференция «Теория и технология порошковых материалов» (г. Свердловск, 1989 г.); Республиканская научно-техническая конференция «Порошковые материалы и покрытия» (г. Барнаул, 1990 г.); Республиканская научно-техническая конференция «Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции» (г. Пермь, 1994 г.); 30-я научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов «Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования» (г. Омск, 1994 г.); Научно-техническая конференция «Новые технологические процессы в литейном производстве» (г. Омск, 1997 г.); 2-я Международная конференция, посвященная 55-летию Омского государственного технического университета (г. Омск, 1997 г.); III Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 1999 г.); II Международный технологический конгресс «Развитие оборонно-промышленного комплекса» (г. Омск, 2003 г.); XXXIII Уральский семинар на механике и процесса управления (г. Миасс, 2003 г.); 59-я Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров «Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск, 2007 г.); IV Международная научно-практическая конференция «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, эксплуатация и боевая эффективность, наука и образование». (г. Омск, 2008); Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI века» (г. Омск, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 94 работы; в том числе работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией – 9; авторских свидетельств на изобретения – 4. Общий объем публикаций составляет 12 печатных листов. Авторский вклад 70 %. Основные 47 публикаций приведены в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 261 странице машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, приложений, содержит 20 таблиц, 82 рисунка и список литературы из 291 наименования.
