Введение к работе
Актуальность работы. Широкие функциональные возможности, которые открывают перед конструкторами и технологами современные тонкие керамики, определяют их ключевое , полокение в сфере новых технологий. Во всех развитых странах мира ведутся активные исследования, разработки, . а в наиболее передовых (США, Ярония) начато промышленное производство изделий и деталей машин из новых конструкционных керамических материалов. В связи с этим особую актуальность имеют исследования в области сверхпластической обработки этих керамик, поскольку технология, основанная на использовании эффекта сверхпластич-ности, является одним из наиболее перспективных способов получения изделий сложной формы с высокими эксплуатационными показателями и надежностью. Спектр керамических материалов, попадающих в сферу исследования сверхпластичности, постоянно расширяется.
Укрупненно технологический процесс получения изделий из керамических материалов можно разделить на 3 этапа: получение исходного порошка, консолидацию порошка в- заготовку, последующую обработку заготовки и контроль. Считается, что для получения высококачественных керамических изделий необходимы субмикронные сферические монодисперсные неагломерирующиеся порошки контролируемого состава. Порошки с такой структурой имеют все предпосылки для проявления эффекта сверхпластичности при условии сохранения субмнкронного зерна на всех этапах обработки. Для получения плотных заготовок требуется консолидация при повышенных темп ратурах со значительными временами выдержки, при этом рост зерен с ростом температуры также существенно интенсифицируется.
При всей важности процессов консолидации определяющую
~4~ роль играют процессы последующей обработки керамики и контроля, имеющие наибольшую долю в общем балансе стоимости керамического изделия. Учитывая, что обычные керамические материалы практически не способны к пластической деформации из-за высокой хрупкости, а механическая обработка этих материалов трудоемка и дорога, можно сделать вывод, что сверхпластическая деформация (СДЦ) является наиболее предпочтительным способом получения деталей сложной формы с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Однако, с технологической точки зрения сверхпластичность керамик изучена пока недостаточно. Практически отсутствуют данные по режимам СЦД для производимых в России керамических-материалов с ультрамелким зерном, не- исследованы проблемы формоизменения керамики в процессе-СПД с учетом ее реологических и структурных особенностей , отсутствуют технологические рекомендации по широкому спектру задач, решаемых традиционной обработкой металлов давлением на всех стадиях получения заготовки при производстве готовых изделий из керамики.
Решению части данных вопросов посвящена ' настоящая диссертационная работа, в которой содержится новое решение актуальной научно-технической задачи разработки технологии обработки давлением керамических материалов в состоянии сверхпластичности.
Настоящая работа является частью комплекса исследований по разработке основ теории и технологии процессов сверхпластического деформирования (СПД), проводимых Московским инсти-'тутом стали и сплавов в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы "Создание основ реологии перспективных конструкционных материалов в условиях сложного термомеха-нического воздействия".
Цель работы: на основе экспериментальных и теоретических исследований реологии сверхпластичного керамического материала на основе тетрагонального диоксида циркония с суОмикронным зерном разработать технологические рекомендации по рациональным рэжимам процессов получения заготовки и штамповки изделий режущего инструмента из керамики. .
При этом решались следующие основные задачи:
1.- Исследовать и количественно описать структурные характеристики и их изменение на всех стадиях получения заготовки из керамического материала на основе диоксида циркония с исходным суОмикронным зерном.
2. Разработать математическую модель расчета уплотнения керамических- материалов с ультрадисдерсной структурой в процессах ГИП и разработать на ее основе рациональные релммы получения плотных заготовок для последующей СПД.
3. Исследовать влияние структуры и температуры деформации на реологическое поведение диоксида циркония и количественно оценить это влияние на технологические параметры процессов сверхпластического формоизменения.
4. Разработать математическую модель формоизменения
сверхпластичной керамики в процессе СПД, учитывающую термо-
механические факторы, структурные параметры и плотность
материала.
5. Разработать рациональные режимы и технологические
рекомендации по процессам штамповки керамических материалов с
субмикронным зерном и дать технико-экономические оценки
эффективности этой технологии.
Научная новизна.
I. Получены новые данные о структурно-кинетических параметрах при отжиге, горячем изостатическом прессовании (ГШІ) и
"6"
СДД тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и определены аналитические зависимости, описывающие эволюцию структуры и ^реологические свойства этих материалов в широком диапазоне температур.
2. Разработана количественная реологическая модель
уплотнения керамических материалов с ультрадисперсной струк
турой в процессах ГИП и на ее основе определены рациональные
режимы получения плотных заготовок для последующей СПД.
3. На основе математического моделирования формоизме
нения при СДД керашческих материалов, учитывающего термо-
мэханические факторы, структурные параметры и плотность заго
товки, изучены основные закономерности и определены техноло-
гиче'ские режимы процессов штамповки сверхпластичной керамики
с субмикронным зерном.
Достоверность результатов обеспечена использованием Современных методов электронной микроскопии, рентгенострук-турного анализа, высокотемпературных испытаний, вычислительной техники с привлечением' математических и статистических методов обработки данных, и подтверждается также результатами опытной штамповки заготовки лезвия хирургического скальпеля из тетрагонального диоксида циркония.
Практическая значимость:
I.Разработаны рациональные режимы и технологические рекомендации по процессам штамповки в состоянии сверхпластично ти заготовок из конструкционной керамики на основе тетра-' гонального диоксида циркония, стабилизированного оксидом' иттрия, для получения лезвий хирургического скальпеля-и даны технико-экономические оценки эффективности этой технологии.
2. Разработаны технологические рекомендации по получению плотных исходных заготовок из тетрагонального диоксида цирко-
~7~ ния с субмикронным зерном для последующей СПД методами спекания и ГШ.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Б. Международной научно-технической конференции "Сверхпластичность перспективных материалов" ICSAM-94, Москва, 1994 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 печатные работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунка, таблиц, библиографический список из наименований и приложения.