Введение к работе
Актуальность. Нанесение покрытий на рабочие поверхности деталей позволяет экономить дефицитные материалы, значительно повысить эксплуатационные показатели машин, продлить срок агужбы новых и восстановленных деталей. Во всем многообразии существующих методов нанесения покрытий, детонационно-газовое напыление является универсальным, технологичным процессом и обладает комплексом свойств, которые с точки зрения эксплуатации, делают его весьма эффективным. Высокое качество, простота технологии, возможность нанесения покрытия с минимальными термическими воздействиями на материал, получение практически беспористых слоев покрытия значительной толщины на детали различной конфигурации и габаритов позволяют эффективно использовать этот метод в различных областях техники.
В качестве материалов для получения покрытий используют металлы и их сплавы, твердые сплавы, оксиды металлов и композиционные порошки. Наибольшей износостойкостью обладают твердые сплавы, состоящие из металлической матрицы (или связки) с равномерно распределенными в объеме твердыми включениями. Основой применяемых в промышленности твердых сплавов, наряду с вольфрамовыми материалами, является карбид титана (ТІС). Карбид титана - материал с уникальными свойствами, к которым относится высокая температура плавления, твердость, стойкость к агрессивным средам и к абразивному износу. Применение карбида титана в качестве материала покрытия для детопационно-газового напыления затруднено, прежде всего, из-за высокой твердости его частиц. За рубежом известны способы получения композиционных порошков для нанесения покрытий методами механической активационной обработки (МА), получившие марку Mechanomade. Технология получения композиционных порошков является «ноу-хау» фирмы MBN Nanomaterialia.
Одним из основных путей решения проблемы создания безвольфрамовых твердых сплавов на основе ТІС с мелкозеренной структурой является применение принципиально новых методов формировашія и регулирования свойств материалов, использование быстропротекающих и высокоэнергетических воздействий.
Большие возможности для получения карбида титана имеет разработанный в нашей стране метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который был открыт академиком РАН Мержановым А. Г. и ею научной школой. Метод основан на использовании внутренней химической энергии исходных реагентов, выделяющейся в процессе образования продуктов реакции. В настоящее время методом СВС получают широкий спектр порошков, материалов и изделий, которые находят применение в ряде отраслей промышленности. Одной из проблем получения ТІС методом СВС являются высокие температуры синтеза, достигающие 1600 С и требующие применения специальной оснастки.
В ряде работ, появившихся в печати в последнее время, рассматривается проведение СВС в механоактивированных системах, что позволяет значительно снизить температуру синтеза. Кроме того, профессором Корчагиным М. А.
(ИХТТИМ СО РАН г. Новосибирск) показан перспективный СВС-метод получения композиционных порошковых материалов в предварительно механоак-тивированной порошковой смеси реагентов с металлической матрицей. Предварительная механоактивационная обработка реагентов с металлической матрицей может дать возможность эффективного управления реакциями синтеза и получения композитов с требуемыми микроструктурой и свойствами, в частности, при использовании этих материалов для получения защитных покрытий.
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время далеко не все возможности сочетания механической активации и СВС исследованы и использованы при разработке новых технологий. Следовательно, проведение исследований по определению параметров механоактивационной обработки материалов на основе карбида титана с различной степенью разбавления реагентов металлической матрицей, проведение синтеза в новой системе и получение покрытий, обладающих заданными физико-механическими свойствами и обеспечивающих эксплуатационную стойкость деталей, являются актуальными.
Актуальность диссертационной работы подтверждается и тем, что она выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» по проекту №2.2.1.1/4799.
Цель работы. Разработка способа управления физико-механическими свойствами износостойких защитных покрытий из карбида титана, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом в механоактиви-рованной шихте с различной степенью разбавления реагентов металлической матрицей, нанесенных детонационно-газовым напылением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Установить закономерности влияния времени механоактивации и состава компонентов композиционных порошков на макрокинетические характеристики процесса горения, структуру и фазовый состав полученных материалов на основе карбида титана.
-
Исследовать структуру, фазовый состав детонационных покрытий из композиционных материалов на основе карбида титана.
-
Установить закономерности влияния разбавления карбидной составляющей металлической матрицей на эксплуатационные свойства напыленного слоя (когезионную прочность, микротвердость, износостойкость).
-
Разработать технологические рекомендации по получению износостойких детонационных покрытий из механоактивированного композита на основе карбида титана и внедрить результаты в производство.
Методы исследования. Работа выполнена с применением: рентгенострук-турного анализа, металлографического анализа и электронной микроскопии, методов определения механических свойств, а также трибологических испытаний, численных методов математической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Достоверность результатов и обоснованность выводов диссертационной работы подтверясдается использованием современного оборудования и мето-
дик исследований, достаточным количеством экспериментального материала, применением статистических методов обработки данных. Научная новизна.
1. Экспериментально установлена зависимость скорости и максимальной
температуры фронта горения от содержания металлической матрицы в механо-
активировашюй шихте и времени активации компонентов:
при содержании металлической матрицы в механокомпозите от 10 до 20 масс.% в результате реакции синтезируется стехиометрический карбид титана в металлической матрице. Дальнейшее увеличение содержания металлической матрицы в композите (более 20 масс.%) приводит к уменьшению скорости и температуры фронта горения;
при времени предварительной механической активации в интервале от 3 до 10 минут, происходит увеличение скорости и температуры реакции, дальнейшее увеличение времени механоактивацнонной обработки не увеличивает реакциошгую способность шихты.
2. Исследована структура, фазовый состав детонационных покрытий из
композиционных материалов на основе карбида титана. Установлено, что:
- детонационное покрытие из СВС-механокомпозита имеет сложную
структуру, состоящую из скоплений зерен ТІС, локализованных в областях, ко
торые распределены в объеме покрытия;
- в процессе напыления СВС-механокомпозита фазовый состав нанесенно
го покрытия соответствует фазовому составу исходного порошка.
3. Установлено влияние разбавления карбидной фазы металлической мат
рицей на эксплуатационные свойства напыленного слоя:
- распределение значений микротвердости для композиционного покры
тия, состоящего из карбида титана и металлической матрицы, подчиняется
нормальному закону и носит двухмодальный характер. Закон распределения
микротвердости в материале покрытия един для любого содержания компонен
тов в покрытии;
- увеличение содержания металлической матрицы в композите от
20 масс.% до 50 масс.% приводит к увеличению прочности сцепления детона
ционного покрытия с основой в 1,5 раза;
- с увеличением процентного содержания металлической матрицы от 20 до
60 масс.% в покрытии весовой износ в условиях сухого трения при нагрузке в
950 Н увеличивается почти в 2 раза.
Значение полученных результатов для теории и практики.
-
Полученные в данной работе результаты исследований дают новые, более глубокие представления о процессе синтеза механоактивированного карбида титана с металлической матрицей на основе никель-хромового сплава для нанесения детонационных покрытий, управления физико-механическими и эксплуатационными свойствами напыленного материала.
-
Проведённые исследования по определению критических условий высокотемпературного синтеза карбида титана в зависимости от режимов механоактивацнонной обработки смеси и степени разбавления инертным компонентом
(матрицы) карбидной фазы для послойного горения позволили выявить граничные условия проведения реакции СВС.
-
Результаты исследования физико-механических свойств детонационно-газовых покрытий для различного содержания металлического компонента в порошковой смеси и выявленные корреляционные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между микротвердостью нанесенного покрытия, прочностью сцепления покрытия с основой, износом и соотношением фазовых составляющих композиционного материала дают возможность прогнозировать свойства получаемых материалов на этапе проектирования технологического процесса.
-
На основе анализа результатов исследования разработаны технологические рекомендации по получению износостойких детонационных покрытий из механоактивированного композита на основе карбида титана. Технология нанесения износостойких покрытий детонационно-газовым способом на поверхность узла загрузки-выгрузки грохота, принята к внедрению в ТОО «Satpayevsk Titanium Mines Ltd» г. Усть-Каменогорск.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методика совместной предварительной механоактивации порошковой смеси, включающей реагенты и металлическую матрицу для последующего проведения высокотемпературного синтеза.
-
Результаты экспериментальных исследований по определению температуры и скорости СВС-реакции в режиме фронтального горения в предварительно механоактивированной порошковой смеси с различной степенью разбавления металлической матрицы.
-
Результаты анализа экспериментальных исследований по определению микротвердости, износостойкости и прочности сцепления детонационных покрытий из СВС - механокомпозитов с различной степенью разбавления.
-
Технологические рекомендации по применению механокомпозитов с различной степенью разбавления для нанесения покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Ядерная и радиационная физика», 2007 г. (г. Алматы, Казахстан), I Международной научной конференции Казахстан-Россия-Япония «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», 2008 г. (г. Усть-Каменогорск), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», 2009 г. (г. Юрга, ТПУ), 5-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 2009 г. (г. Барнаул), Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 50-летию Бийского технологического института «Инновационные технологии: производство, экономика, образование», 2009 г. (г. Бийск, БТИ), 67-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ, 2009 г. (г. Барнаул, АлтГТУ). Результаты диссертации докладывались на объединенном физическом семинаре АлтГТУ
(г. Барнаул) в 2007-2009 годах и совместных научных семинарах кафедр «Сельскохозяйственное машиностроение», «Общая технология машиностроения» и ПНИЛ СВС-материаловедение (АлтГТУ, г. Барнаул) в 2008-2009 г.г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах. В том числе 6 статей, из них 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 тезиса докладов, 2 патента на изобретение. Личный вклад автора составляет 70 %.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 123 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 135 наименований. Общий объем - 193 страницы.
