Введение к работе
Актуальность работы. Многие отрасли современной промышленности нуждаются в материалах, сохраняющих высокие механические характеристики при температурах 1000-1500 С и выше, устойчивых к тепловым ударам и изменению условий окружающей среды. Одним из перспективных материалов, удовлетворяющих этим требованиям, является композициошшй материал на основе диоксида циркония, стабилизированный оксидами редкоземельных металлов, который характеризуется высокими огнеупорностью, механической прочностью, трещиностойкостью, ударной вязкостью, стабильностью к окислению парами воды и углекислым газом, низкой теплопроводностью, а также рядом других ценных свойств.
Несмотря на большое количество работ в области синтеза нанопорошков, структура и фазовый состав ультрадисперсных порошков, особенно полученных в неравновесных условиях, изучены недостаточно.
В настоящее время актуальной становится разработка такой технологии получения ультрадисперсных порошков, которая позволила бы регулировать структуру и свойства получаемых материалов. Большой интерес представляет не только целеноправленный синтез дштьгх порошков, по и поиск новых областей их применения в промышленности, например, в качестве исходных реагентов и модифшпфующих добавок для повышения служебных характеристик электродных материалов из синтетических твердых инструментальных материалов марки СТИМ, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Цель работы. Исследование физико-химических основ золь-гель метода и разработка технологических условий производства порошковых нанокристал-лических композиционных материалов на основе ультрадисперсного диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттербия, с узким фракционным распределением, обладающих повышенными механическими свойствами; создание по технологии силового СВС - компактирования новых электродных композиционных материалов, модифицированных наяодисперсным стабилизированным диоксидом циркония, а также применение и промышленное опробование дан-
4 ных материалов в технологии электроискрового легирования (ЭИЛ) для создания износостойких покрытий.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-исследование кинетики и механизма выделения циркония из раствора при золь-гель синтезе и влияния химической природы стабилизатора на фазовый состав и дисперсность порошка диоксида циркония;
-оптимизация технологических параметров прессования и спекания ультрадисперсного стабилизировашюго диоксида циркония;
-исследование влияния добавки ультрадисперсных порошков стабилизированного диоксида циркония на структуру и свойства сплава СТИМ-ЗБ, полученного методом СВС;
-исследование структуры и свойств покрытий, полученных методом электроискрового легирования с использованием новых электродных СВС- материалов, модифицированных нанокристаллическим стабилизированным диоксидом циркония;
Научная новизна. Развиты представления о кинетике и механизме выделения циркония из раствора при золь-гель синтезе и предложена математическая модель, описывающая процессы кристаллизации частиц стабилизированного диоксида циркония с заданными свойствами. Создана математическая модель, позволяющая рассчитывать плотность прессовок из ультрадисперсных порошков с различной продолжительностью гелирования и оптимизировать параметры процесса прессования. Установлены неизвестные ранее закономерности фазообразования в процессе золь-гель синтеза и последующей термообработке в системе ZrOrYbaCh. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено положение о том, что введение добавки нанокристаллического порошка стабилизированного диоксида циркония уменьшает скорость и температуру горения СВС- процесса, получения композиционных материалов. Установлены закономерности структурообразования покрытий, полученных методом электроискрового легирования с использованием новых электродных СВС-
5 материалов, модифицированных нанокристаллическим стабилизированным диоксидом циркония.
Практическая значимость и реализация работы. Выполнены комплексные исследования физическо-механических свойств композиционных материалов на основе ультрадисперсного диоксида циркония, позволившие определить оптимальное содержание стабилизирующей добавки оксида иттербия, которое оказалось равным 2 мол.%. Разработаны технология и составы компо-зициошшх материалов и покрытий на основе ультрадисперсного порошка стабилизированного диоксида циркония, составы электродных СВС-материалов, модифицированных нанокристаллическим стабилизированным диоксидом циркония.
Проведены испытания режущего инструмента из композиционного материала ZrC>2-2% YD2O3 в лаборатории резания ВНИИТС и опыпгые испытания волок из данного материала на Московском электроламповом заводе. Результаты испытаний показали, что новый материал не уступает, а на некоторых операциях резания и волочения превосходит существующие аналоги.
По технологии силового СВС-компактирования получен новый материал на основе твердого сплава СТИМ-ЗБ с добавкой стабилизированного диоксида циркония, которая модифицирует структуру, существенно повышает физико-механические свойства и служебные характеристики электродного материала.
Разработан новый дисперсноупрочненньга электродный материал марки СТИМ-ЗБОКн, который успепшо прошел испытания на опьггно-промышлешгых участках НПО "Металл" и показал, что полученные из него покрытия по эксплуатационным свойствам превосходят существующие аналоги.
Апробация работы. Материал диссертации доложен и обсужден на международных и российских конференциях и симпозиумах: ЕРМА Powder Metallurgy Thesis Competition, England, 1998; ЕРМА Powder Metallurgy Summer School, Gothenburg, Sweden, 1999; международная молодежная научная конференция (XXV Гагаринские чтения), Москва, 1999; международная научная конференция «Проблемы ультрадисперсного состояния и фазообразования»,
Санкт-Петербург, 1999; международная научная конференция «Mass and Charge Transport in Inorganic Materials», Италия, 2000, международная научная конференция «JUNIOR EUROMAT», Швейцария, 2000, международная научная конференция «Euro-TECHMAT», Румыния, 2000.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 11 публикациях в виде статей в периодической печати, трудов и тезисов докладов конференций.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 208 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 14 таблиц, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 174 наименований и приложения.