Введение к работе
Актуальность работы. Современный научно-технический прогресс требует создания новых материалов, обладающих заданными физико-механическими свойствами и обеспечивающих стойкость различных конструкций, оборудования и узлов к постоянно возрастающим нагрузкам и агрессивным воздействиям рабочих и окружающих сред. Для режущих инструментов с композиционной режущей частью актуальна задача экономичности при одновременном обеспечении высокой прочности и износостойкости. Чем меньшую стоимость будет иметь армированная режущая часть, тем эффективнее её применение. С другой стороны, необходимо отметить, что при высокой стоимости содержащих вольфрам материалов режущий материал в применяемых инструментах используется нерационально. Эффективное решение этой задачи возможно путём разработки безвольфрамовых твёрдых сплавов, для которого характерны высокий уровень прочностных свойств, относительно низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость, а также низкая стоимость карбида титана. Диссертационная работа посвящена решению проблемы разработки составов и технологии изготовления твердосплавного материала на основе карбида титана с никелидом титана при содержании связующей матрицы в пределах 5-30 % масс.
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 первую очередь, необходимо изучение процессов фазообразования и структурообразования исходного сырья, процессов преобразования структуры и фазового состава на всех стадиях технологического процесса.
Для решения отмеченной проблемы предложена методология исследования и последовательность этапов разработки технологии получения твердых сплавов с заданными физико-механическими и служебными свойствами, которая основывается на контроле регулируемой величины в процессе изготовления. Исследования структуры и свойств твердого сплава целесообразно проводить с учетом структурночувствительных характеристик, а оценку эксплуатационных качеств образцов и деталей при различных видах нагружения осуществлять с использованием критериев конструктивной прочности.
Диссертационная работа выполнялась 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 1.3.2.5 (номер гос. регистрации 01.0.097959), 1.3.2.3 (номер гос. регистрации 01.0.097957), 1.3.2.1 (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». Работа также выполнялась в соответствии с тематическим планом Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» и межвузовской научно-технической программой «Поисковые прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники».
Целью работы является исследование основных закономерностей формирования состава, структуры и свойств твердосплавного материала на основе карбида титана в зависимости от различных технологических факторов изготовления и разработка эффективных процессов получения твердосплавного материала 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 твердосплавного материала на основе карбида титана.
-
Изучить влияние титана и нестехиометрического карбида титана на спекание, структуру, фазовый состав и свойства твердосплавного материала на основе карбида титана в широком интервале концентраций и температур.
-
Разработать эффективный процесс спекания твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» прямым пропусканием тока.
-
Изучить влияние частичной замены титана молибденом в карбиде титана на формирование структуры, фазовый состав композиционных материалов и их механические свойства.
-
Изучить влияние связующей фазы никелида титана на триботехни-ческие свойства твердосплавного материала системы «TiC-NiTi».
-
Провести испытания разработанных материалов для производства режущих пластин инструментов в тяжел онагру женных эксплуатационных условиях.
Научная новизна.
-
На основе структурных и механических характеристик установлено влияние температуры, давления и времени спекания на фазовый состав, который обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств при спекании твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» Наиболее высокий уровень механических свойств обеспечивается применением карбида титана нестехиометрического состава с отношением углерода к титану равным значению 0,65 (твёрдость и прочность на изгиб соответственно составляет 88 HRA и 1000 МПа).
-
Разработан способ спекания твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» прямым пропусканием тока, позволяющий сохранить мелкозернистую структуру исходного порошка, и получить спечённый материал с
более совершенной кристаллической структурой. Это обеспечивает повышение твердости до 91 HRA и прочности на изгиб до 1100 МПа. Наилучшее уплотнение (пористость менее 0,02 %) получено при затрачиваемой электрической мощности 2,25 кВт под давлением 23-43 МПа с быстрым нагревом до 1773 К и общей длительностью производственного цикла спекания 10 мин.
-
Металлографическими и рентгеноструктурными исследованиями установлено, что способ контроля связи между изменением микроструктуры, в том числе тонкой, а также между структурой и физико-механическими свойствами твердосплавного материала на основе карбида титана, заключается в контроле интегральной ширины рентгеновских линий на всех стадиях технологического процесса. Для осуществления эффективного процесса изготовления твердосплавного материала на основе карбида титана необходимо и достаточно, чтобы отношение ширины рентгеновских линий исходных порошков ТІС после размола с NiTi более чем в 5 раз превышало ширину рентгеновских линий исходных порошков карбида титана.
-
Экспериментально установлена роль легирования карбида титана молибденом. Методами структурного анализа показано, что при этом карбидные зёрна имеют более округлую форму, а твердость твердосплавного материала увеличивается до 93 HRA.
Значение полученных результатов для теории и практики.
-
В результате проведённых исследований структуры и физико-механических свойств твердосплавного материала на основе карбида титана с никелидом титана установлено, что использование карбида титана не-стехиометрического состава с оптимальным соотношением углерода к титану позволяет получить твёрдость до 88 HRA и прочность до 1000 МПа
-
Разработанный способ изготовления твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» пропусканием тока позволил:
-обеспечить снижение пористости до 0,02%;
-увеличить твердость до 91 HRA с сохранением высоких прочностных свойств на уровне 1100 МПа;
-создать новый твердосплавный материал на основе карбида титана, обладающий хорошим комплексом эксплуатационных свойств. Износостойкость которого при резании металлов, в том числе при циклических нагрузках, сопротивляемость к термоциклическим нагрузкам, адгезионному износу выше в 3 раза, чем у ТН или КНТ. Это позволяет рекомендовать использование твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» в сложных условиях эксплуатации в качестве режущего инструмента.
-
Результаты исследований показали, что управление процессами изменения структуры и физико-механическими свойствами твердосплавного материала на всех стадиях технологического процесса обеспечивается контролем ширины рентгеновских линий.
-
Разработанная на основании проведённых исследований технология изготовления композиционного инструментального материала системы
«TiC-NiTi» использована в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, ФГУП ПО «Новосибирский приборный завод», ОАО «Магнитогорском штамповочном заводе», ОАО «Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат», ОАО «Балтика» (г. Санкт-Петербург), ООО «Томск-водопроект», ОАО «Сибэнергосетьстрой» (г. Новосибирск), ОАО «Юргин-ский машзавод». Результаты проведенных исследований успешно используются в Томском политехническом университете при обучении студентов машиностроительных специальностей в течение нескольких лет.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследований, оборудования и стандартных методик определения структуры и свойств материалов, сопоставлением полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами других авторов, а также статистической обработкой результатов исследований и успешной реализацией разработанной технологии в производстве.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Исследование влияния химического, фазового состава и технологических параметров изготовления на свойства сплава системы «TiC-NiTi» при частичной замене титана молибденом в карбиде титана в области концентраций, обеспечивающих однофазное состояние никелида титана после спекания.
-
Способ получения инструментального твердосплавного материала системы «TiC-NiTi» с мелкозернистой структурой, оптимальными механическими и эксплуатационными свойствами.
-
Комплекс экспериментальных данных о процессах получения твердосплавного материала на основе карбида титана при жидкофазном спекании, горячем прессовании и спекании пропусканием тока, основанном на контроле интегральной ширины рентгеновских линий на всех стадиях технологического процесса изготовления.
-
Эффективные процессы и решения по получению «TiC-NiTi», 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 1986 г.), Всесоюзной конференции «Интенсификация процессов механической обработки» (Ленинград, 1986 г.), Всесоюзной конференции «Материалы на основе карбидов» (Херсон, 1987 г.), Республиканском семинаре «Проектирование и эксплуатация режущих инструментов в ГАП» (Свердловск, 1987 г.), Республиканская конференция «Интенсификация машиностроительного производства на основе применения прогрессивной технологии» (Ленинград, 1989 г.), Всесоюзной конференции «Материалы с эффектом памяти формы и их
применение» (Новгород, 1989 г.), Всесоюзной конференции «Современные проблемы физического материаловедения» (Киев, 1990 г.), III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1990 г.), Всесоюзной конференции «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (Ленинград, 1990 г.), Московская международная конференция по композитам (Москва, 1990 г.), II и V Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Сиань, 1994 г., Байкальск, 1999 г.), XIII Международной конференции по моделям механики сплошной среды (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международной конференции BEAMS'96 (Прага, 1996 г.), Международном симпозиуме «Славянтрибо - 4» и «Славянтрибо - 5» (Санкт-Петербург, 1997 г., 1999 г.), Международной конференции «СА-DAMT'97», Международной конференции «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (Киев, 1997 г.), V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2001 г.), Второй Международной конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред» (Барнаул, 2001 г.), XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.), 5-7 Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2007-2009 гг.), XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2008 г.), Международном научно-практическом форуме «Минерально-сырьевая база Сибири: история становления и перспективы», (Томск, 2008 г.), Научном симпозиуме «Неделя горняка-2009», (Москва, 2009 г.), Международном Форуме «Проблемы недропользования», (Санкт-Петербург, 2009 г.),
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 52 печатных работах, из них 9 в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 в центральном научном журнале, 2 монографии, 2 авторских свидетельства, 10 в рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией не относящихся к отрасли наук «машиностроение», 27 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.
