Введение к работе
Актуальность темы
Чрезвычайно острой проблемой в народном хозяйстве является установление правильного соотношения между ресурсодобывающими, перерабатывающими и потребляющими отраслями. Но развить добычу сырья и топлива все труднее, поэтому более рациональным является внедрение ресурсосберегающих технологий. Эту задачу может успешно решить порошковая металлургия, в большей мере применительно к получению композиционных материалов (далее по тексту - КМ). Применение КМ позволят резко снизить массу изделий, повысить их эксплуатационные характеристики, создать новые конструкции.
Расширение использования армированных КМ в технике во многом тормозится большими затратами на изготовление из них изделий. Поэтому актуальным является поиск эффективных направлений использования; дешевых матричных и армирующих материалов; технологических приемов, обеспечивающих возможность применения КМ для конкретных деталей, и оптимальных их параметров.
В связи с этим особого внимания заслуживает разработка КМ на основе, представляющей собой обычный конструкционный порошковый материал, упрочненный структурными элементами, химический состав которых подобен материалу матрицы. Перспективным представляется использование КМ на стальной основе, армированный стальной проволочной сеткой, для восстановления изношенных деталей или изготовления новых с рабочим слоем из этого материала.
Специальные исследования, актуальность проведения которых следует из проведенного анализа, были осуществлены на кафедре «Материаловедение и технологии материалов» ЮРГТУ (НПИ). Работа была выполнена в соответствии с заданиями межвузовской инновационной научно-технической программы Российской Федерации «Исследования в области порошковой технологии» (темы 94/16Т и 95/5И), межвузовской научно-технической программы «Перспективные материалы» (тема 95/I7I-T) и госбюджетной темы 49/94 « Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их формирования при горячей обработки давлением» на 1994-2000 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка КМ с стальной порошковой матрицей, армированной стальной проволокой, и технологии производства изделий с их использованием. Для достижения этой цели были поставлены п решены следующие задачи:
на основе анализа напряженно-деформированного состояния приконтакгаых слоев деталей, подверженных периодическому ударному нагружению, предложить рациональную схему армирования КМ и формирования этих слоев;
изучить особенности уплотнения композиционных порошковых материалов, армированных стальными сетками (КПМ АСС);
изучить свойства КМ на стальной основе, армированных стальной сеткой, в зависимости от технологических параметров их получения, определить оптимальные значения этих параметров;
разработать технологию изготовления деталей с рабочими слоями из разработанного КМ и направления их наиболее эффективного использования.
Научная новизна. Показана возможность армирования композиционных материалов однородным с матрицей материалом. Эффект упрочнения обеспечивается за счет деформированной структуры материала проволоки сетчатой арматуры, обладающей повышенными механическими свойствами и создания условий для сохранения свойств в процессе формирования KIHV1 АСС: воедение высокоактивных углеродсодержащих компонентов и оптимизация температурно-временных параметров при высокотемпературной обработке.
Выявлен механизм явлений, приводящих к уменьшению бокового давления и поперечной деформации рабочих слоев изделий, армированных стальной сеткой при холодном формовании, вплоть до значений, позволяющих исключить необходимость применения в этих зонах специального инструмента. Это становится возможным за счет внедрения порошковых частиц в ячейки сетки на ранних стадиях холодного прессования и возникновения между ними достаточно прочных связей.
Установлен эффект сдерживания радиальной деформации поверхностного рабочего слоя КПМ АСС при ударно-фрикционном воздействии, вызванный армированием стальной сеткой как при минимальном, так и при максимальном комплексном параметре температурно-временного воздействия, из-за повышения качества сращивания на границе «матрица - арматура».
; Введение комплексного температурно-временного параметра (Ктв), учитывающего температурно-временное воздействие на структуру и свойства получаемых композиционных материалов, позволяет при разных сочетаниях температуры и времени получить идентичные результаты диффузионных, кристаллизационных, окислительно-восстановительных и других процессов, а также представить экспериментальные данные в виде трехмерных графиков зависимости взамен сложных «четырехмерных». Например, хср (Ктв, Ссаяз) вместо тср (Тн, tH> СМя,).
Основные научные положения выносимые на защиту.
1. Использование КПМ АСС, в котором материал стальной порошковой матрицы подобен материалу волокон арматуры для восстановления изношенных деталей или изготовления новых с рабочим слоем из этого материала является весьма перспективным направлением, обеспечивающим повышение эксплуатационных характеристик изделий, снижение их массы. Сохранение эффекта упрочнения материала армирующей сетки обеспечивалось за счет уменьшения температурно-временных параметров нагрева заготовок при проведении их горячей допрессовки и использования активных углеродсодержащих компонентов для матрицы.
2. Анализ влияния условий заполнения ячеек сетки частицами
порошка и изменения условий уплотнения в различных зонах формовки с
увеличением давления прессования позволил определить зависимость
характеристик пористости КПМ АСС от числа армирующих сеток и давления
прессования, а также влияния давления прессования и числа сеток на
распределение пористости по высоте формовок.
3. Введение комплексного температурно-временного параметра (Kw)
позволяет установить взаимное воздействие температуры нагретых заготовок и
времени выдержки перед горячей допрессовкои на структуру и свойства
получаемых КПМ АСС, получить идентичные результаты диффузионных,
кристаллизационных, окислительно-восстановительных и других процессов, а
также представить экспериментальные данные в виде трехмерных графиков.
4. При армировании стальной сеткой порошкового материала при
минимальном и максимальном Ктв был выявлен эффект сдерживания
радиальной деформации поверхностного рабочего слоя КПМ АСС при ударно-
фрикционном воздействии.
Практическая ценность. Использование предложенных материалов и технологии изготовления позволяет получать относительно дешевый с требуемыми эксплуатационными характеристиками биметаллический материал с порошковой или компактной основой и поверхностным слоем из КПМ АСС, а также восстанавливать поверхностные разрушенные рабочие слои деталей машин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены па семинарах кафедры М и ТМ ЮРГТУ; научно-технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ (1999); международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы - 98» (Волгоград, 1998г.)
