Введение к работе
Актуальность работы. Современный научно-технический прогресс іре-бует создания новых материалов, обладающих заданными физико-механическими свойствами и обеспечивающих стойкость различных конструкций, оборудования и узлов к постоянно возрастающем нагрузкам и агрессивным воздействиям рабочих и окружающих сред Одним из основных путей в этом направлении является применение принципиально новых методов формирования и регулирования свойств материалов, основывающихся на современных представлениях о роли структуры в повышении прочности и износостойкости (демпфирование внешних нагрузок релаксацией концентраторов напряжений, диссипация энергии структурными превращениями и т п) и использовании быстропротекающих и высокознерге-тических воздействий В большинстве случаев, как показывает опыт, наибольший эффект может быть достигнут в случае комбинирования указанных методов или их сочетания с уже освоенными в практике Таким образом, существует необходимость интенсификации исследований как в об-тасти традиционных научных направлений - физики конденсированных сред, металло-, материаловедении и теплофизики, обеспечивающих основы создания и развития прогрессивных материалов и технологий производства твердых сплавов, так и новых - синергетики, физики ультрадисперсных сред, материаловедения быстрозакаленных металлов и сплавов, физической мезомеханики материалов
Работы по улучшению существующих твердых сплавов ведутся различными путями изменением структуры твердых сплавов, заменой полностью и ти некоторой части карбидной составляющей сплавов новыми твердыми составляющими, повышением жаропрочности цементирующей составляющей твердых сплавов
Проблема определения связи между структурой и свойствами материалов строится на выборе тех или иных характеристик, соответствующих изучаемым свойствам Естественно, наибольший интерес представляют структурночувствительные характеристики - прочность, твердость, микротвердость и пористость, уровень значений которых определяется различными элементами структуры
В целом можно констатировать, что рассматриваемый круг проблем связанных с получением твердых сплавов, улучшением их свойств и расширением области их применения, может быть решен только путем проведения комплекса исследований охватывающих всю цепочку процессы — структура — свойства - эксплуатационные качества В первую очередь, необходимо изучение процессов фазообразования и структурообразования исходного сырья, процессов преобразования структуры и фазового состава на всех стадиях технологического процесса Исследования структуры и свойств твердого сплава целесообразно проводить с учетом структурно-чувствительных характеристик, а оценку эксплуатационных качеств образцов и деталей при различных видах нагружения осуществлять с использо-
ванием критериев конструктивной прочности В свою очередь, результаты этих исследований позволят научно обосновать технологические решения по созданию твердых сплавов с требуемыми (необходимыми) свойствами Методология исследования и последовательность этапов разработки технологии получения твердых сплавов с заданными физико-механическими и служебными свойствами основывается на физическом подходе, сориентированном на структурные исследования твердых сплавов
Диссертационная работа выполнялась в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ № 535, утвержденной ГКНТ 31 12 85 г и постановлением АН СССР № 642 от 21 05 86 г по разделам 13 2 5 (номер гос регистрации 01 0 097959), 13 2 3 (номер гос регистрации 01 0 097957), 13 2 1 (номер гос регистрации 011 0 097958), Программа АН СССР «Повышение надежности системы «машина - человек — среда», Программа КП НТП СЭВ, раздел 4 3 1 МНТК «Порошковая металлургия», Региональная научно-техническая программа «Сибирь», раздел 03 03 (Постановление ГКНТ СССР и АН СССР №385/96 от 13 07 84 г), Программа РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создание новых технологий» и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томском политехническом университете»
Целью работы является установить, с учетом определяющей роли субструктуры твердых частиц, основные закономерности формирования состава, структуры и свойств композиционного материала на основе карбида титана в зависимости от различных технологических факторов изготовления И на основе полученных результатов и данных о напряженно-деформированном состоянии при нагружении разработать эффективные процессы получения композиционного материала на основе карбида титана для ответственных и высоконагруженных деталей
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи
-
Изучить влияние технологических процессов порошковой металлургии на структуру, фазовый состав и свойства композиционного материала на основе карбида титана
-
Изучить влияние Ті и достехиометрического ТіС на спекание, структуру, фазовый состав и свойства композиционного материала на основе карбида титана в широком интервале концентраций и температур Определить свойства композиционного материала
-
Разработать эффективный процесс спекания прямым пропусканием тока композиционного материала TiC-NiTi Определить свойства композиционного материала на основе карбида титана
-
Изучить влияние частичной замены Ті - Mo в ТіС на формирование структуры, фазовый состав композитов и их механические свойства
-
Построить математическую модель, описывающую напряженно-деформированное состояние нагруженного материала и определить в об-
ласти контакта стружки с резцом максимальные напряжения
-
Изучить влияние связующей фазы композита на триботехнические параметры
-
Провести испытания разработанных материалов в тяжелонагруженных условиях эксплуатации
Научная новизна
Методами структурного анализа изучено влияние легирования исходных порошков и термокинетических факторов на формирование структуры, которая обеспечивает высокие физико-механические свойства и эксплуатационные качества композиционного материала Полученные данные легли в основу развития способов регулирования структуры, свойств и эксплуатационных качеств композиционного материала TiC - NiTi на различных стадиях технологического процесса Физический подход к изучению ачияния легирования исходных порошков и термокинетических факторов технологических процессов позволил выделить способ контроля связи между изменением микроструктуры, б том числе тонкой, а также между структурой и физико-механическими свойствами композиционного материала TiC — NiTi, заключающийся в контроле интегральной ширины рентгеновских линий на всех стадиях технологического процесса
На основании систематического исследования взаимодействия карбида титана со сплавом NiTi, детального анализа химического и фазового состава, влияния термической обработки установлены температура, давление и время спекания системы TiC - NiTi, приводящие к получению плотного твердого сплава с образованием трех двухфазных областей TiC+Ni3Ti, TiC+NiTi, TiC+Ti2Ni Определены граничные соотношения С/Т і двухфазных областей Изучена взаимосвязь фазового состава, структуры и свойств при спекании композиционного материала TiC-NiTi
Разработан способ спекания прямым пропусканием тока, позволяющий реализовать получение мелкозернистой матричной структуры композиционного материала TiC — NiTi Установлено, что влияние этого способа заключается в сохранении мелкозернистой структуры, заданной исходным размером и более совершенной кристаллической структурой порошка Это обеспечивает повышение механических свойств сплава, твердость которых составляет 91 HRA, а прочность на изгиб 1100 МПа Определен интервал режимов спекания прямым пропусканием тока, обеспечивающий оптимальные уровни прочности и твердости
Экспериментально исследована роль молибдена при частичной замене гитана в карбиде титана Механические свойства композиционного материала на основе карбида титана при легировании Мо составляют твердость
- 92 HRA, прочность на изгиб - 1100 МПа
- Методами математического моделирования определено напряженно-
деформированное состояние обрабатываемого материала и стружки в про
цессе врезания Установлено, что при врезании величина контактных на-
грузок в 1,5 раза превышает контактные нагрузки между обрабатываемым материалом и резцом на стадии стружкообразования
- Проведены комплексные испытания по оценке работоспособности
композиционного материала на основе карбида титана, сочетающие стан
дартное определение стойкости и специальные тесты Установлена связь
между показателями и механизмами изнашивания, структурой, прочностью
и твердостью Спекание прямым пропусканием тока композиционного ма
териала TiC—NiTi повышает износостойкость инструмента
Научная и практическая значимость выполненных исследований и разработок состоит в том, что полученные в настоящей работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дают новые, более глубокие представления о процессе формирования композиционного материала, его структуре, составе, свойствах и влиянии технологических процессов порошковой металлургии на свойства композиционного материала Это позволяет более целенаправленно подходить к формированию композиционного материала с заданной кристаллической структурой и физико-механическими свойствами Разработанные способы и методы порошковой металлургии позволили
обеспечить снижение пористости,
увеличить твердость с сохранением высоких прочностных свойств,
- создать новый композиционный материал на основе карбида титана,
обладающий хорошим комплексом эксплуатационных свойств
Результаты комплексных стойкостных испытаний и специальных тестов показывают стойкость композиционного материала TiC-NiTi к механическим силовым нагрузкам, в том числе циклическим Сопротивляемость к термоциклическим нагрузкам, адгезионному и диффузионному износу Это позволяет рекомендовать использование композиционного материала TiC-NiTi в сложных условиях внешних воздействий
Технологии и рекомендации по применению разработанного композиционного материала TiC-NiTi, использованы в различных отраслях промышленности
Высокие свойства композиционного материала TiC-NiTi, степень научной проработки технических решений позволяют предлагать данные разработки как коммерческий продукт на рынок высоких технологий Результаты проведенных исследований успешно используются в Томском политехническом университете при обучении студентов машиностроительных специальностей в течение нескольких лет
Основные положения, выносимые на защиту
1 Направленное формирование мелкозернистой структуры матричного типа, свойств и эксплуатационных качеств композиционного материала на основе карбида титана в зависимости от режимов получения композиционного материала и основанное на контроле интегральной ширины рентгеновских линий на всех стадиях технологического процесса изготовления
-
Способ получения композиционного материала на основе TiC—NiTi с динамическим нагружением и быстрым нагревом, с целью получения мелкозернистой структуры матричного типа
-
Экспериментальное доказательство повышения свойств сплава TiC—NiTi при частичной замене титана молибденом в карбиде титана в области концентраций, обеспечивающих однофазное состояние никелида титана после спекания, защищенное авторским свидетельством
-
Результаты численного моделирования, показывающие, что при врезании инструмента величина контактных нагрузок в 1,5 раза превышает контактные нагрузки между обрабатываемым материалом и резцом на установившейся стадии процесса резания, значения которых для стали 1100 МПа, латуни - 700 МПа, а также результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния обрабатываемого изделия и стружки в зависимости от скорости резания и трения
-
Эффективные процессы и решения по получению сплава TiC-NiTi повышенной эффективности, подтвержденные результатами промышленных испытаний и специальными тестами для инструментального материала
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах Всесоюзной конференции «Практика разработки и внедрения новых прогрессивных методов порошковой металлургии» (Челябинск 1986г), Всесоюзной конференции «Интенсификация процессов механической обработки» (Ленинград, 1986г), Всесоюзной конференции «Материалы на основе карбидов» (Херсон, 1987г), Республиканском семинаре «Проектирование и эксплуатация режущих инструментов в ГАП» (Свердловск, 1987г), Республиканская конференция «Интенсификация машиностроительного производства на основе применения прогрессивной технологии» (Ленинград, 1989г), Всесоюзной конференции «Материалы с эффектом памяти формы и их применение» (Новгород, 1989г ), Всесоюзной конференции «Современные проблемы физического материаловедения» (Киев, 1990г), III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1990г), Всесоюзной конференции «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (Ленинград, 1990г ), Московская международная конференция по композитам (Москва, 1990г), II и V Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Сиань, 1994г , Байкальск, 1999г), XIII Международной конференции по моделям механики сплошной среды (Санкт-Петербург, 1995г) Международной конференции BEAMS'96 (Прага, 1996), Международном симпозиуме «Славянтрибо - 4» и «Славянтрибо -5» (Санкт-Петербург, 1997, 1999), Международной конференции «CADAMT97», Международной конференции «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (Киев, 1997г), V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2001г), Второй Международной конференции «Экспериментальные мето-
ды в физике структурно-неоднородных конденсированных сред» (Барнаул, 2001г), XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003г)
Публикации Основное содержание диссертации отражено в 42 печатных работах, из них 12 в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 в центральном научном журнале, 1 монография, 2 авторских свидетельства, 25 в сборниках и трудах конференций
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения Содержание изложено на 348 страницах основного текста, включая 156 рисунков, 29 таблиц и 333 наименований библиографических ссылок
