Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной науки и промышленного производства обусловило постановку задачи создания новых материалов, способных работать в сложных условиях внешнего воздействия, в том числе при высоких градиентах температур, в агрессивных средах, при интенсивных ударных нагрузках, тяжелых режимах трения и изнашивания В подобных условиях эксплуатируются рабочие органы дорожно-строительных машин, особенно при работе в районах Сибири и Крайнего Севера В жестких условиях динамического нагружения и трения также работают режущие и штам-повые инструменты Эффективное решение этой задачи возможно путем разработки специальных композиционных материалов К ним можно отнести и материалы инструментального назначения, в первую очередь твердые сплавы, широко применяемые в современном машиностроении
В качестве недостатков, характерных для традиционных твердых сплавов, следует отметить дефицит кобальта, используемого в качестве матричного материала и его относительно ограниченные возможности релаксации внутренних напряжений Дефицитным и дорогостоящим является также и присутствующий в больших количествах в твердых сплавах вольфрам Таким образом, одной из актуальных задач современного материаловедения является замена карбидовольфрамовых твердых сплавов безвольфрамовыми, позволяющая обеспечить значительную экономию дефицитных вольфрама и кобальта Диссертационная работа посвящена решению проблемы разработки составов и технологии спекания безвольфрамовых твердых сплавов с повышенными вязкоупругими свойствами
Применяемые в большинстве современных твердых сплавах связующие материалы обладают ограниченной релаксационной способностью, необходимой для эффективного снижения внутренних напряжений Для связующих металлов эти способности ограничены уровнем предельной деформации
Для решения отмеченной проблемы была предложена идея применения в качестве матрицы материала с высокими релаксационными и демпфирующими свойствами, проявляющимися в процессе нагружения объекта за счет структурно-фазовых превращений В качестве такого материала в работе был использован никелид титана, для которого характерны высокая релаксационная и демпфирующая способность, высокий уровень прочностных свойств, относительно низкая плотность, высокая коррозионная стойкость и жаростойкость Применение такого типа матричного материала позволило использовать в качестве упрочняющей фазы карбида титана и отказаться от применения дефицитного карбида вольфрама
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с целевой программой Академии наук СССР (Постановление АН СССР № 642 от 21 05 1986 г, разделы 13 2 5, 1323, 1321), программой АН СССР «Повышение надежности системы «машина - человек - среда», (раздел 4 3.1
МНТК «Порошковая металлургия»), программой ГКНТ СССР 0 08 17 (Постановление ГКНТ № 535 от 31 12 1985 г), программой «Сибирь», (Постановление ГКНТ СССР и АН СССР № 385/96 от 13 07 1984 г раздел 03 03) и в рамках темы «Создание научных основ и разработка новых композиционных материалов и сплавов с демпфирующей структурой на металлической основе с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами» Работа также выполнялась в соответствии с тематическим планом СибАДИ и межвузовской научно-технической программой «Поисковые прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники» (1993-1999 гг), а также в соответствии с федеральной научно-технической программой ФЦНТП «Исследование и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» на 2002—2006 гг (Исследование инновационного потенциала Омской области с целью развития и поддержания системы центров трансфера технологий)
Цель работы. Разработка состава и технологии спекания новых дисперсно-упрочненных твердых сплавов «карбид титана — никелид титана» с повышенными вязкоупругими свойствами на основе механизма формирования структуры композиционного материала системы «TiC-TiNi»
В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи
На основе анализа результатов экспериментальных исследований в области разработки безвольфрамовых твердых сплавов и термодинамики жидкофазного спекания системы «TiC—TiNi» определить основные требования к компонентам и обосновать качественный и количественный состав твердосплавного композиционного материала (ТСКМ), проанализировать известные геометрические модели компонентов микроструктурных элементов композиционных материалов с позиции структурно-энергетического подхода и с учетом структурной неустойчивости связующей фазы TiNi, разработать физическую модель, адекватно описывающую термодинамический процесс формирования структуры ТСКМ системы «TiC-TiNi»
Изучить влияние бора и титана на термодинамические характеристики (свободную поверхностную энергию, энергию активации фазовых переходов процесса жидкофазного спекания) и характер формирующейся структуры твердосплавных композиционных материалов, выявить зависимость фазового состава, параметров структуры, физико-механических, три-ботехнических свойств твердосплавных композиционных материалов от концентрации связующей фазы TiNi и технологических режимов процесса спекания
Исследовать упругие и пластические свойства разработанных твердосплавных композиционных материалов, а также получить зависимости этих свойств от состава композиционного материала
4. Провести экспериментальные исследования теплоемкости, теплопроводности и теплостойкости твердосплавных композиционных материалов со связующей фазой TiNi, находящейся в мартенситном состоянии
5 Исследовать триботехнические свойства разработанных ТСКМ при различных условиях изнашивания в зависимости от состава, технологических режимов и метода термопластического упрочнения, предложить рекомендации по применению разработанных материалов для производства инструментов и деталей узлов трения, работающих в условиях интенсивных динамических нагрузок в агрессивных средах
Научная новизна
Определен состав твердосплавных композиционных материалов на основе TiC, установлена зависимость важнейших механических и триботех-нических свойств КМ системы «TiC—T1N1» от содержания связующей матрицы. Показано, что повьппение вязкоупругих свойств материала достигается при содержании никелида титана в пределах 40 60 об %
Металлографическими и фрактографическими исследованиями установлено, что снижение механических свойств композиционного материала при концентрации TiNi более 60 об % связано с увеличением закрытой пористости, при содержании TiNi менее 40 об % в результате твердофазного спекания формируется неоднородная структура с большим количеством неравномерно расположенных скоплений зерен фаз TiC и TiNi различного размера
Предложенная физическая модель позволяет определить механизм формирования структуры твердосплавного композиционного материала системы «TiC- TiNi» на основе структурно-энергетического подхода, раскрывает влияние синергетического эффекта основных стадий формирования структуры от содержания связующей фазы TiNi и легирующих элементов в условиях жидкофазного спекания
На основе анализа проведенных структурных и физико-механических исследований установлены наиболее эффективные темцера-турно-временные режимы спекания композиционного материала «TjC-TjiNi» Наиболее высокий уровень физико-механических свойств материала (пористость менее 1 %, твердость 87 HRA, предел прочности на изгиб 1700 МПа, ударная вязкость 30 кДж/м2, трещиностойкость Кю =17 МПа м'/2)обеспечива-ется в условиях кратковременного спекания (1 15 мин) при минимальном повышении температуры нагрева плавления никелида титана Эти свойства существенно повышают комплекс механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов типа ТН и КНТ, широко используемых в промышленности
Установлено существенное влияние бора и титана на процессы структурообразования композиционных материалов «TiC-TiNi» Методами структурного анализа показано, что это влияние обусловлено измельчением карбидной фазы, изменеяием характера межфазного взаимодействия, связанного с дисперсным упрочнением присутствующих в сплаве фаз. Полученные представления легли в основу разработки нового КМ с добавкой 2 % бора, обладающего повышенным комплексом механических свойств
6 Показано, что в условиях структурно-фазовых превращений коэффициент затухания ультразвука для дисперсно-упрочненного композиционного материала «TiC-TiNi» с повышенными вязкоупругими, механическими и триботехническими свойствами в три раза выше Высокий коэффициент затухания ультразвука 2500 2800 Дб/м в разработанных сплавах связан со структурным превращением связывающей фазы TiNi
Научная и практическая ценность работы
Результаты исследования упругих модулей и коэффициента затухания ультразвуковых колебаний в ТСКМ позволяют прогнозировать изменение вязкоупругих и триботехнических свойств композиционных материалов (КМ) в зависимости от их химического состава и структурно-фазовых превращений в матрице TiNi
В результате анализа проведенных исследований структуры и физико-механических свойств КМ, определены эффективные режимы жидкофаз-ного спекания твердосплавного KM «TiC-TiNi» медленный нагрев в течение 120 мин композиции в вакууме с остаточным давлением не ниже 0,1 Па до температуры 1100 С для удаления газов, затем быстрый нагрев в течение 5 мин до 1350 С с выдержкой 1 15 с последующим быстрым охлаждением
На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований разработаны технологии получения композиционных материалов «TiC—TtNi», которые используются на заводе «Электроточприбор» г Омск при изготовлении кондукторов для сверления отверстий в деталях, ЗАО «Дорожник» (г Слюдянка, Иркутская область) для изготовления рабочих бил измельчительной установки, на машиностроительном объединении им. П И Баранова г Омск для обработки металлов давлением в качестве вырубных штампов В Омском пассажирском вагонном депо твердосплавный композиционный материал используется в качестве режущих элементов инструмента Для очистки поверхности кузовов вагона под покраску Результаты проведенных исследований в течение нескольких лет успешно используются в Омском государственном техническом университете и Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии при обучении студентов машиностроительных и механических специальностей
Разработанные KM «TiC-TiNi» имеют прочность в 1,3 раза, ударную вязкость в 3 раза выше, чем у известных безвольфрамовых сплавов ТН-20, КНТ-16 и могут применяться в жестких условиях эксплуатации Сибири и Крайнего Севера
Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов, а также оценкой погрешности эксперимента статистическими методами и успешной реализации разработки технологии в производстве, применением отработанных методов и технических средств
На защиту выносятся
1 Комплекс экспериментальных и расчетных данных о процессах получения твердосплавного композита на основе карбида титана при жидко-фазном спекании, базирующихся на структурно-энергетическом подходе и принципах синергетики
2. Физическая модель формирования твердосплавного композиционного материала, раскрывающая механизм влияния концентрации и структурно-фазовых превращений связующей фазы TiNi на процесс синтеза мелких частиц карбидов титана из пересыщенного по титану и углероду жидкого раствора TiNi, и дисперсного упрочнения полученного материала
Результаты экспериментальных исследований влияния малых добавок бора и титана на процессы структурообразования и структурно-фазовых превращений в твердом сплаве «TiC-TiNi», являющиеся основой получения нового безвольфрамового композиционного материала
Концентрационные зависимости вязкоупругих и триботехнических свойств твердых сплавов хорошо коррелирующие с концентрационной зависимостью коэффициента затухания ультразвука и отражающие монотонное повышение этих свойств с увеличением концентрации связующей фазы, что указывает на возможность получения жидкофазным спеканием частиц карбидов титана размером 3 5 мкм из пересыщенного жидкого раствора матрицы TiNi
Температурные зависимости теплоемкости твердых сплавов «TiC— TiNi», имеющие экстремальный характер с минимальной удельной теплоемкостью при 320 К, что связано с мартенситными превращениями в данных сплавах, зависимости теплостойкости и твердости ТСКМ при нагревании и играющие значительную роль при эксплуатации материала при трении об абразив, резании мерзлого грунта
Результаты экспериментальных исследований влияния термомеханического упрочнения композиционных материалов «TiC-TiNi» обкаткой твердосплавным инструментом показали повышение твердости, износостойкости за счет измельчения карбидных частиц
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде конференций, симпозиумов, семинаров, школ
- Всесоюзная конференция «Порошковая металлургия» (г Свердловск,
1989 г),
Республиканский семинар «Конструкционные, инструментальные, порошковые и композиционные материалы» (г Ленинград, 1991 г ),
Республиканская научно-техническая конференция «Современные проблемы порошковой металлургии, керамики, композиционных материалов» (г Киев, 1990 г),
- Межреспубликанская научно-техническая конференция «Прогрессив
ные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повы-
шающих долговечность деталей машин» (г Волгоград, 1992 г ),
— П Международная научно-техническая конференция «Автомобиль
ные дороги Сибири» (г Омск, 1998 г ),
Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию образования Сибирской автомобильно-дорожной академии, «Машины и процессы в строительстве» (г Омск, 2000 г ),
Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (г Екатеринбург, 2001 г ),
-Международная научно-техническая конференция «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (г Омск, 2003 г ),
— ХХХШ Уральский семинар по механике и процессам управления (г
Миасс, 2003 г ),
— Международная научно-техническая конференция «Качество, инно
вации, наука, образование» (г Омск, 2005 г ),
Международная двадцать пятая конференция «Композиционные материалы в промышленности» (г Ялта, Крым, 2005 г ),
Конференция-семинар Ассоциации автомобильных инженеров «Значение технических регламентов в решении проблем создания и эксплуатации автомобилей в условиях Сибири и Крайнего Севера» (г Омск - Сургут, 2005 г),
_ - International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying Novosibirsk, july 3-6,2006 г
Публикации По теме диссертации опубликовано 74 работы в виде научных статей, трудов, материалов, докладов В том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, опубликовано 20 работ 4 статьи переведены на английский язык. 63 работы опубликованы в соавторстве, 11 работ опубликовано лично автором, что составляет 10 печатных листов, получено 1 авторское свидетельство Автор является обладателем международной автобиографической номинации-«Кто есть кто» в области инженерной технологии 2006— 2007 г г. Основные^О публикаций приведены в конце автореферата
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 313 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, приложения, содержит 31 таблицу, 123 рисунка и список литературы из 313 наименований
