Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Научно-технический прогресс основывается на разработке новых технологических процессах, к которым относится порошковая металлургия (ПМ), характеризующаяся возможностью создавать материалы с уникальным сочетанием свойств, разрабатывать экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии, снижением материальных и энергетических затрат на производство единицы продукции, уменьшением или полным исключением механической обработки. Традиционные методы ПМ, основанные на сочетании операций прессования и спекания, остаются в настоящее время достаточно перспективными для производства порошковых деталей, эксплуатация которых основана на сохранении в структуре материала значительной остаточной пористости. Однако повышение скоростно-силовых характеристик эксплуатации детали машин, наблюдаемое во многих отраслях промышленности, требует применение новых материалов с высоким уровнем механических свойств. Для их производства наиболее эффективны методы ПМ, основанные на горячей деформации порошковых и композиционных заготовок, обеспечивающей минимальное значение остаточной пористости. Наиболее перспективным методом получения высокоплотных порошковых материалов и изделий является горячая обработка давлением пористых заготовок (ГОДПЗ).
Многочисленные исследования, проводимые в последние десятилетия, посвящены выявлению зависимостей между составом исходной шихты, параметрами технологии, структурой и свойствам. Осмысление полученных результатов заложило фундамент научных основ ГОДПЗ, учитывающих отличие явлений, сопровождающих формирование горячедеформируемого порошкового материала (ГДПМ), от наблюдаемых при аналогичной обработке монолитных материалов и большинства технологических процессов ПМ.
Одним из основополагающих процессов формирования ГДПМ являет-
' ся сращивание материала частиц на уже имеющихся и вновь образующихся
контактных поверхностях. Роль сращивания особенно велика при производстве материалов, работающих в нагруженных условиях. Очевидно, что какая бы ни была структура в объеме материала, окруженном бывшей поверхностью частицы порошка, до определенного уровня сращивания свойства порошкового материала будут определяться не морфологическими структурными особенностями, а качеством сращивания.
Поэтому исследование межчастичного сращивания при формировании ГДПМ остается актуальной задачей порошкового материаловедения
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработать научные основы межчастичного сращивания при формировании горячедеформированных порошковых материалов и принципы выбора технологических параметров их получения.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Пвтер6урГу/п 09 Ш uaffc'iV
тішіч » — ——***********
В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи:
-
Исследовать процессы образования и залечивания микро- и субмикродефектов при формировании структуры зоны сращивания.
-
Исследовать распределение атомов примесей и легирующих элементов в зоне сращивания, определить роль концентрационных флуктуации в формировании структуры зоны сращивания.
-
Определить влияние морфологических особенностей структуры зоны сращивания на характер разрушения ГДПМ.
-
Установить физическую природу сращивания, проанализировать характер взаимодействия межчастичной поверхности со структурными составляющими зоны сращивания в условиях деформационной консолидации порошкового тела.
-
Исследовать и теоретически проанализировать кинетику формирования контактной поверхности при различных уровнях термодеформационного воздействия на технологических стадиях получения ГДПМ.
-
Разработать принципы оптимизации параметров технологии получения ГДПМ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем:
-
На основании комплексного исследования структурного состояния ГДПМ и теоретического анализа установлены механизмы формирования межчастичного сращивания на его различных технологических стадиях. Сформировавшаяся на бывших поверхностях физического раздела частиц межчастичная поверхность сращивания (МЧПС), являясь неотъемлемой структурной составляющей ГДПМ, подвержена трансформации в высокоугловую границу зерна в результате термодеформационного воздействия на уплотняемый материал, степень которого различается в зависимости от стадии, на которой произошло ее образование. В основе этой трансформации лежит характер ее взаимодействия с включениями второй фазы, к которым относятся субмикропоры, и с сегрегационной атмосферой. «?
-
Показано, что появление окисленных участков межчастичной поверхности сращивания происходит в результате соприкосновения поверхностей закрытых пор, окисленных кислородом захлопнутого в них воздуха. *
-
Установлено, что формирование структуры зоны сращивания сопровождается возникновением субмикропор, обусловленным естественной шероховатостью частиц порошка. Выявлены механизмы их образования и залечивания. Определены границы действия этих механизмов. Показана роль объемной и зернограничной диффузии в залечивании субмикропор. Преждевременный отрыв мигрирующей МЧПС от субмикропор приводит к смене механизма их залечивания и к замедлению этого процесса. На основе анализа активации диссоциации молекул азота и кислорода и взаимодействия атомов этих газов с металлической поверхностью определены энергетические характеристики механизмов залечивания субмикропор. Теоретически рассчитан и
экспериментально определен критический размер субмикропор, при достижении которого происходит их захлопывание под действием сил поверхностного натяжения.
4. Выявлено принципиальное различие между межкристаллитным и
внутрикристаллитным сращиванием, заключающееся в различном характере
взаимодействия МЧПС с расположенными на ней включениями и сегрегаци
онной атмосферой. При межкристаллитном сращивании МЧПС заблокиро
вана неметаллическими включениями, субмикропорами и сегрегирующими
атомами или при своей миграции увлекает их. Для внутрикристаллитного
сращивания характерна интенсивная миграция МЧПС, приводящая к ее от-
» рыву от зернограничных дефектов и трансформации в высокоугловую меж-
зеренную границу. Структурное различие в строении МЧПС объясняется различием в соотношении сил связи с ней зернограничных дефектов и движущей силы миграции.
-
На основании теоретического рассмотрения взаимодействия атомов легких элементов с металлической поверхностью адсорбата рассчитаны концентрации насыщения кристаллографических центров адсорбции на атомных плоскостях с малыми индексами.
-
Определено влияние сегрегационных скоплений на формирование внутрикристаллитного сращивания, которое проявляется в торможении миграции МЧПС. Показана роль легирования как средства управления миграцией МЧПС.
-
Предложена математическая модель уплотнения пористого тела, позволяющая определять относительную площадь контактного сечения. Определена зависимость обновления площади контактного сечения от пористости.
-
Выявлено различие в формировании межчастичного сращивания на контактных поверхностях, образовавшихся на различных стациях горячее доуплот нения. Определена зависимость критической степени пластической деформации, выражающей минимальную величину совместной пластической деформации приконтактных объемов порошкового материала, необходимую для формирования на этом участке контактной поверхности внутрикристаллитного сращивания, от температуры горячей допрессовки.
-
Разработаны принципы определения оптимальных технологических параметров получения ГДПМ порошковых материалов на основе железа.
-
Разработана автоматическая установка для горячей штамповки спеченных заготовок (Авторское свидетельство № 1320021), позволяющая управлять температурным режимом пористой заготовки и сформованной детали при их технологических транспортировках на операции горячей допрессовки.
-
Разработан способ изготовления беспористых порошковых изделий, предполагающий объемное деформирование порошкового материала на конечной стадии его уплотнения (Патент 2168392), что позволяет завершить
формирование внутрикристаллитного сращивания на неактивированных участках контактного сечения.
4. Разработан программный комплекс, позволяющий проводить количественный металлографический анализ на базе современной информационно-вычислительной техники.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы, составляющие основное содержание работы, докладывались и обсуждались более чем на 25 международных всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе: Новочеркасск, 1976, 1979, 1982, 1985, 1988; III-VII-ой Всесоюзных конференциях «Горячее прессование»; Киев, 1979, Всесоюзной конференции «Проблемы порошковой металлургии при производстве деталей в машиностроении»; Свердловск, 1989, XVI-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Порошковая металлургия»; Курск, 1992, Республиканской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии»; Севастополь, 1998, V-ой Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и системы машиностроения»; Пенза, 2000, Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении»; Новочеркасск, 20002, Международной научно-технической конференции «Порошковые и композиционные магериалы, структура, свойства, технологии получения»; Новочеркасск, 2003, Ш-ей Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» и др.
ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано свыше 70 работ, в том числе 1 монография, получено 3 авторских свидетельств и патентов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ: диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов. Основное содержание работы и выводы изложены на 266 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 110 рисунков и 56 таблиц. Список литературы включает 182 наименования.
