Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
1Л Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - как перспективный
метод получения композиционных материалов 12
1ЛЛ Основы СВС-процесса 12
1.1-2 Химические классы СВС процессов , 13
1Л.З Механизм структурообразования продуктов синтеза в системе Ті -С 15
1Л.4 Механизм структурообразования продуктов синтеза в системе Ті-С-Me 16
1 Л,5 Механизм структурообразования продуктов синтеза в системе Ті-С-Cr-Ni 17
1.1.6 Основные технологические типы СВС- процессов. Технология силового СВС-
компактирования 18
Модифицирование структуры СВС материалов 4 22
Современные технологии обработки поверхности 23
Метод электроискрового легирования (ЗИЛ) , 26
1.4.1 Основные физические процессы, происходящие при формировании покрытий методом
электроискрового легирования ... 26
Ы.2 Электрическая эрозия 28
1АЗ Пробой межэлектродпого промежутка 31
Формирование вторичной структуры на аноде ,....32
Современная модель процесса ЭИЛ 33
Критерии создания электродных материалов 34
Применение метода ЭИЛ в промышленности 36
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
2,1 Получение и исследование новых дисперсно-упрочненных СВС- материалов 39
2.1 Л Исходные компоненты 39
2.1.2 Синтез дисперсно-упрочненных материалов 39
2Л.З Определение физико-механических свойств СВС- материалов 42
2Л А Методика рентгеноструктурного фазового анализа 43
2Л.5 Электронная микроскопия СВС-материалов 44
2.1.6 Исследование жаростойкости продуктов синтеза 44
2.2 Получение и исследование ЭИЛ-покрытий 44
2.2 Л Оборудование для ЭИЛ 44
Исследование кинетики массопереноса при ЭИЛ 45
Материалы катодов 48
Приготовление шлифов, металлографический анализ и электронная микроскопия ЭИЛ-
покрытий.,, , 48
Измерение микротвердости покрытий 49
Методика рептгеноструктурного фазового анализа ЭИЛ- покрытий 49
Методика триболошческих испытаний 50
Исследование жаростойкости ЭИЛ-покрытий 50
Исследование шероховатости покрытий 50
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51
ГЛАВА 3- АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНОГО КОМПОНЕНТА В ИСХОДНУЮ ШИХТУ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА
TiOCr3C2-Ni(CTHM-3E) 51
ГЛАВА 4. ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ СВС-МАТЕРИАЛЫ
СИСТЕМЫ TiC-Cr3C2-Ni (СТИМ-ЗВ) И ЭИЛ-ПОКРЫТИЯ ИЗ НИХ 56
4.1 Особенности влияния добавок наноднеперсных порошков на процесс горения,
структуру и свойства сплава TiC-Cr^-NL.,. 56
4.2 Исследование кинетики формирования, структуры и свойств электроискровых
покрытий из модифицированных электродных материалов па основе TiC-Cr3C2-Ni 64
4.3 Выводы 77
ГЛАВА 5, ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ СВС-МАТЕРИАЛЫ
СИСТЕМЫ ТІС-ХН70Ю (СТИМ-2/40НЖ) И ЭИЛ-ПОКРЫТИЯ ИЗ НИХ 79
5.1 Особенности влияния добавок наноднеперсных порошков на процесс горения,
структуру и свойства сплава ТЇС-ХН70Ю , 79
5.2 Исследование кинетики формирования, структуры и свойств электроискровых
покрытий из модифицированных электродных материалов на основе ТІС-ХН70Ю 87
5.3 Выводы 103
ГЛАВА 6. ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ СВС-МАТЕРИАЛЫ
СИСТЕМЫ ТКММіАІ (СТИМ-40НА) И ЭИЛ-ПОКРЫТИЯ ИЗ НИХ 104
6Л Особенности влияния добавок наноднеперсных порошков на процесс горения,
структуру и свойства сплава TiC-NiAl , 104
6.2 Исследование кинетики формирования, структуры и свойств электроискровых
покрытий из модифицированных электродных материалов па основе TiC-NiAl .„113
6.3 Выводы 126
ГЛАВА 7. ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ СВС-МАТЕРИАЛЫ
СИСТЕМЫ ТІС-ТЬАІС2 (СТИМ40ТА) И ЭИЛ-ПОКРЫТИЯ ИЗ НИХ 128
7Л Особенности влияния добавок наноднеперсных порошков на процесс горения,
структуру и свойства сплава TiC-Ti3AlC2 128
7.2 Исследование кинетики формирования, структуры и свойств электроискровых
покрытий из модифицированных электродных материалов на основе ТіС-ТізАІС2 138
7.3 Выводы 154
ГЛАВА 8. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕКТРОИСКРОВЫХ ПОКРЫТИЙ 155
ВЫВОДЫ 161
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 163
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт испытаний изделий «керн пустотообразующий», ООО «Производство
керамического кирпича на Закаменной» 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Б, Акт испытаний изделий «керн пустотообразующий». 000 «Производство
керамического кирпича на Закаменпой» 178
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт испытаний втулок, 000 «Высокие технологии» 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Г, Акт промышленных испытаний деталей «плита для закалки ленты»,
ЗАО «СПРИНТ-РИМ» 181
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акт испытаний отрезных алмазных сегментных кругов модели АОСК 350.
ЗАО «Фирма КЕРМЕТ» 182
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Акт испытаний алмазных сверл. ЗАО «Фирма КЕРМЕТ» 183
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт внедрения ЭИЛ- оборудования и СВС- электродных материалов,
ОАО НПО «Сатурн» 184
ПРИЛОЖЕНИЕ И. Акт внедрения ЭИЛ- оборудования и СВС- электродных материалов,
ОАО ПКО «Теплобмепник» 185
Введение к работе
Перспективы развития различных отраслей современного машиностроения напрямую зависят от уровня разработки и внедрения новых материалов со специальными свойствами, которые могли бы обеспечить необходимую эксплуатационную надежность деталей машин и инструментов, которые работают при все более возрастающих нагрузках, температурах, давлениях, в условиях агрессивных внешних сред. Обеспечение стабильных эксплуатационных характеристик изделий может быть достигнуто как путем создания новых конструкционных материалов, в том числе и с модифицированной структурой, так и путем нанесения на детали машин и инструмент защитных покрытий.
Наряду со сталями и вольфрамсодержащими твердыми сплавами в промышленности все больше находят применение безвольфрамовые твердые сплавы, получение которых возможно с помощью метода классической порошковой металлургии [1-4] (технология прессования -спекания, горячее прессование, прокатка порошковых материалов с последующим спеканием и т.д.). Существующие в настоящее время технологии порошковой металлургии для получения подобных материалов требуют сложного оборудования, больших энергетических затрат, высокой химической частоты используемого сырья и обладают длительными технологическими циклами. Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [5-7] практически лишена вышеперечисленных недостатков, и является одним из наиболее перспективных методов получения многих тугоплавких соединений и материалов, таких как иптерметаллиды, керамика, кермсты и твердые сплавы. Процесс СВС протекает с высокой скоростью. Высокие температуры горения способствуют самоочистке продуктов синтеза от адсорбированных на поверхности порошковых компонентов газов и легкоплавких примесей,
В настоящее время для нанесения защитных покрытий наиболее актуальны методы обработки материалов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (электронные и лазерные лучи, низкотемпературная плазма, импульсные разряды и т.д.)- К таким методам относится и электроискровое легирование (ЭИЛ) металлических поверхностей.
Метод ЭИЛ был разработан в 1943 году советскими учеными Е.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко [8,9]. Он основан на явлении электрической эрозии и полярного переноса материала анода (электрода) на катод (деталь-подложка) при протекании импульсных разрядов в газовой среде. Получаемые, в результате ЭИЛ обработки поверхностные слои имеют высокую прочность сцепления с основой (деталью-подложкой) и могут обеспечить [10,11]:
увеличение твердости, коррозионной стойкости, износостойко и жаростойкости;
снижение способности к схватыванию поверхностей при трении, особенно при высоких температурах или в вакууме;
получение стабильного коэффициента треиия в узлах, работающих в переменных условиях (переменные температуры, различные газовые среды и вакуум, режим многократных запусков и остановок и т.п.);
снижение коэффициента трения в парах, где непригодны обычные методы нанесения антифрикционных материалов;
восстановление геометрических размеров инструмента, различных деталей машин и механизмов;
- изменение электрических свойств контактирующих элементов и эмиссионных
способностей поверхности;
- проведение на обрабатываемой поверхности микрометаллургических процессов для
образования на ней необходимых химических соединений;
создание на рабочей поверхности переходных слоев с определенной шероховатостью;
нанесение радиоактивных изотопов на поверхность;
применение в декоративном искусстве.
К преимуществам технологии ЭИЛ можно отнести возможность локальной обработки поверхности, относительную простоту процесса, который не требует применения труда высоко квалифицированного персонала, отсутствие предварительной подготовки обрабатываемой поверхности, высокую надежность электроискрового оборудования. В настоящее время приобретает особую актуальность се экологичность.
К недостаткам метода при использовании традиционных твердосплавных электродных материалов относятся низкая производительность, ограниченная толщина формируемого слоя, его высокая шероховатость и пористость.
Традиционно в качестве электродных материалов в технологии ЭИЛ используют металлы и их сплавы, графит, а так же твердые сплавы, в основном па основе карбидов вольфрама, получаемые по технологии порошковой металлургии [12,13]. Однако такие твердые сплавы не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам, в связи с их высокой эрозионной стойкостью, низким коэффициентом переноса, низкой жаростойкостью карбида вольфрама и высокой стоимостью.
В связи с этим возникла потребность использования более прогрессивных твердосплавных электродных материалов на безвольфрамовой основе, которые должны обладать заданным комплексом свойств. Для изготовления подобных электродных материалов успешно применяется одна из модификаций метода СВС - технология силового СВС-компактировапия.
В настоящее время большое внимание уделяется композиционным материалам с мелкозернистой структурой. Одним из наиболее эффективных путей создания материалов с модифицированной структурой является использование небольших по количеству (до 10 %)
добавок нанодисперсных порошков, которые имеют большую реакционную поверхность и малые размеры, и тем самым оказывают позитивное влияние на служебные характеристики продуктов синтеза. Применительно к методу СВС, наиболее целесообразным является использование наноразмерных порошков тугоплавких соединений в качестве модифицирующих добавок, что связано с высокими температурами в процессе горения.
В связи с выше изложенным, целью настоящей работы явилось:
Создание новых дисперсноупрочпенных наночастицами СВС- электродных материалов на основе карбида титана для получения упрочняющих электроискровых покрытий с высокими эксплуатационными характерне гиками на подшжках из титанового и никелевого сплавов, и их внедрение на промышленных предприятиях России.
Для достижения поставленной цели основное внимание было сосредоточено па решении следующих задач:
разработка и синтез методом силового СВС- компактировапия дисперсноупрочпенных наночастицами электродных материалов на основе карбида титана;
изучение их структуры, фазового состава и физико-механических свойств;
установление влияния добавок нанодисперсных порошков различных тугоплавких соединений на параметры СВС процесса;
изучение кинетики массопереноса в процессе ЭИЛ при использовании новых дисперсноупрочпенных наночастицами электродных материалов;
- поиск оптимальных частотно-энергетических режимов ЭИЛ- обработки, для получения
наиболее качественных покрытий при использовании электродных материалов с
модифицированной структурой;
- исследование структуры, фазового состава и свойств (толщина, сплошность,
микротвердость, жаростойкость, коэффициент трения) полученных электроискровых покрытий;
-проведение опытно-промышленных и промышленных испытаний упрочненных изделий и внедрение новых электродных материалов и электроискрового оборудования на промышленных предприятиях России,
Работа выполнена в Научно-учебном центре СВС МИСиС - ИСМАН в соответствии с тематическими планами НИР в 2003- 2006 г.г, в том числе:
проектов ЕЗП;
гранта Рособразования по программе: «Развитие научного потенциала высшей школы», Подпрограмма: «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», Раздел 2.1: «Прикладные исследования», Направление работ: Новые материалы и химические технологии, в том числе паноматсриалы и нанотехнологии. Наименование проекта: «Разработка новых многофункциональных наноструктур! і ых пленок и покрытий, упрочненных
папочастицами її технологии их получения»;
проекта ИН-КП.3/001: «Разработка технологий получения новых функциональных градиентных материалов, в том числе алмазосодержащих и дисперсно-упрочненных наночастицами, и освоение их производства». Конкурс Роснауки по ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 - 2006 годы;
проекта «UPLETOOLS» Е! 2728: «Повышение качества инструмента из ледебуритных порошковых сталей» Европейской программы научно-технической интеграции «ЭВРИКА»;
проекта «PROSURFMET» Е! 3437: «Прогрессивные технологии обработки поверхности металлических материалов» Европейской программы научно-технической интеграции «ЭВРИКА»;
договора между ГОУ ВПО МГИСиС и ФГУП «НИИ Графит»: «Разработка технологии электроискрового упрочнения деталей двигательных установок 5-6 поколений»;
хозяйственным договорам с предприятиями, в том числе: с ФГУП ММПП «Салют» (г. Москва), ОАО НПО «Сатурн» {г, Рыбинск), ЗАО «Кермет» (г. Москва), ОАО ПКО «Теплообменник» (г. Нижний Новгород), ОАО «НИИ Стали» (г. Москва), ЗАО «Спринт-РИМ» (г. Москва).
В результате проведенных в данной работе исследований были получены следующие результаты:
- разработаны и изготовлены по технологии силового СВС- компактирования новые
материалы, легированные добавками нанодисперсных порошков ZiOi, AI2O3, NbC, W, WC, WC-
Co и SijN4, в следующих системах: TiC-Cr3C2-Ni, ТІС-ХН70ІО, TiC-NiAl, TiC-Ti3AIC2, изучены их
структура, фазовый состав и физико-механические свойства;
установлены закономерности влияния добавок нанодисперсных порошков па макрокинетику СВС- процесса, а также на структуру и свойства электродных материалов;
исследованы кинетика формирования, фазовый состав, структура и свойства многофункциональных ЗИЛ- покрытий, полученных при использовании модифицированных нанодисперсным компонентом электродных материалов в системах ТіС-СгзС2-№, ТІС-ХН70Ю, TiC-NiAl,TiC-Ti3AlC2;
найдены оптимальные частотно-энергетические режимы нанесения ЭИЛ- покрытий СВС-электроднымн материалами с модифицированной структурой па подложках из татанового и никелевого сплавов марок ОТ4-1 и ЭК-61, при использовании электроискровых установок «ALIER-METAL» и «ALIER-METAL 2002».
разработаны ниже следующие технологические инструкции на процесс нанесения функциональных покрытии:
ТИ 18-11301236-2002 изменение 1 «Технологическая инструкция на процесс упрочнения (восстановления) деталей авиационной техники из титановых сплавов методом электроискрового легирования»;
ТИ 20-11301236-2003 «Технологическая инструкция на процесс электроискровой обработки деталей авиационных двигателей методом электроискрового легирования»;
ТИ 27-11301236-2005 «Технологическая инструкция на процесс упрочнения деталей (клапанов газораспределения) двигателей внутреннего сгорания»,
- разработаны и зарегистрированы в ГОССТАНДАРТ России ниже следующие технические
условия на новые электродные материалы с модифицированной структурой:
ТУ 1984-012-11301236-01 изменение 1 «Электроды композиционные с нанокристаллическими добавками для электроискрового легирования» (внесены в реестр 05.02.2002 № 200/027189/01);
ТУ 1984-012-11301236-01 изменение 2 «Электроды композиционные с иаиокристаллическими добавками для электроискрового легирования» (внесены в реестр 29.11.2004 № 200/031765/02).
проведены опытно-промышленные и промышленные испытания деталей машин и инструмента, упрочненных новыми модифицированными СВС- электродными материалами.
осуществлены промышленные внедрения новых СВС- электродных материалов и элеюроискрового оборудования марки «ALIER-METAL» в инструментальное производство на ОАО НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) и ОАО ПКО «Теплообменник» (г. Нижний Новгород).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены закономерности влияния добавок нанодисперсных порошков Zr02, AI2O3, SbN4,
NbC, W, WC, WC-Co на макрокинетические параметры горения СВС- систем Ті-С-Сг-Ni, Ti-C-
ХН70Ю, Ti-C-Ni-AI, ТІ-С-А1 и их свойства, проявляющиеся в модифицировании структуры
сплавов за счет увеличения числа центров кристаллизации, способствующих гетерогенному
зародышеобразованию па стадии первичного структурообразования в волне горения,
Разработаны модифицированные нанодисперсным компонентом новые электродные материалы в системах TiC-Cr3C2-Ni, ТІС-ХН70Ю, TiC-NiAl, ТІС-ТІ3АІС2.
Экспериментально установлены кинетические закономерности формирования покрытий при варьировании значений частотно-энергетических параметров процесса ЭИЛ в широком диапазоне, что позволило оптимизировать режимы нанесения покрытий и повысить нх качество.
Установлен эффект роста эрозионной способности электродных материалов при их модифицировании иаподисперсным компонентом, выражающийся в увеличении массопсрсноса и скорости формирования ЭИЛ- покрытий.
Диссертационная работа состоит из введения, главы аналитического обзора литературы, главы материалы и методы исследования, пяти глав экспериментальной части, главы промышленное применение новых электродных материалов и электроискровых покрытий, списка
использованных источников и восьми приложении.
Полученные при решении поставленных задач научные результаты позволили сформулировать основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности влияния добавок нанодисперсных порошков на параметры горения СВС- систем
ТІ-C-Cr-Ni, ТІ-С-ХН70Ю, Ti-C-Ni-AI, Ti-C-Al;
структура и свойства модифицированных нанокомпонентом электродных материалов в системах: TiC-Cr3C2-Ni, ТІС-ХН70Ю, TiC-NiAl, ТІС-ТІ3А1С2;
кинетические зависимости массопереноса (суммарного привеса катода и суммарной эрозии анода) дисперспоупрочпеппых электродных материалов при варьировании частотно-энергетических параметров процесса электроискровой обработки титанового ОТФ-1 и никелевого ЭК-61 сплавов;
структура и свойства многофункциональных покрытий, полученных при использовании электродных материалов с модифицированной структурой.
Апробация работы. Развиваемые в диссертационной работе научные положения доложены и обсуждены на:
1-й всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых, ИСМРАН. Черноголовка, 2003 г.;
3-й конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России. Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике, г. Королев, 2004 г.;
2-й всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых, г, Черноголовка, ИСМАН, 2004 г.;
8-м Международном симпозиуме по функционально-градиентным материалам, г, Левен, Бельгия, 2004 г.;
- 7-й международной научно-практической конференции «Человек и космос», г.
Днепропетровск, Украина, 2005 г.;
- 8-м международном симпозиуме по самораспространяющемуся высокотемпературному
синтезу, г. Кальяри, Италия, 2005 г.;
международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Хабаровск, 2006 г,;
8-й международной практической конференции - выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», г. Санкт-Петербург, 2006 г.
Публикации, По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ в виде статей в периодической печати.
Материал диссертации изложен на 185 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц и 49 рисунков. Список использованных источников состоит из 174 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
