Введение к работе
Настоящая работа посвящена решению важной проблемы - разработк метода электроимпульсного спекания (ЭИС) для создания новы технологических процессов получения пористых изделий из порошко тугоплавких металлов с повышенными структурными, гидродинамическими физико-механическими свойствами. Для оптимизации параметров процесса ЭИ( теоретически и экспериментально изучена их взаимосвязь с основным свойствами получаемых пористых порошковых материалов (ППМ). Проведенны исследования позволили разработать технологические процессы, создат оборудование, средства технологического оснащения и освоить промышленно производство ППМ из порошков тугоплавких металлов и изделий на их основ для различных областей техники.
Фактический экономический эффект от использования выполненны разработок составил 376,4 млн. рублей, новизна проведенных исследовани подтверждена 35 авторскими свидетельствами на изобретение по тем диссертации.
Актуальность темы диссертации. Порошковая металлургия - одна v.
наиболее прогрессивных технологий, монопольным преимуществом которо
является возможность изготавливать ППМ для использования в качесп
фильтров, катализаторов, электродов, элементов смесителей, огнепреградителеі
вставок для плазмотронов, объемно-пористых анодов конденсаторов. Сред
многообразия таких материалов и изделий особое место занимают ПШ
изготавливаемые из порошков тугоплавких металлов, которые обладаю
уникальными свойствами по жаропрочности, твердости, коррозионно
стойкости, биологической совместимости, огнеупорности и находят широке
применение во многих отраслях народного хозяйства Республики Беларус:
машиностроении, энергетике, электронике, металлургии, биологии, медицин
Применяемые в производстве в настоящее время технологии получения ППМ I
порошков тугоплавких металлов, заключающиеся в высокотемпературно
спекании сформованных с использованием связующих материалов пористь:
заготовок или активированном спекании с введением в порошок легкоплавкі'
добавок, имеют низкую производительность, требуют применені
дорогостоящей оснастки, а химическая чистота получаемых изделий і позволяет их использовать для нужд медицины и биологии. В этой свя: получение ППМ из порошков тугоплавких металлов методом ЭИС являет< предпочтительным, так как позволяет значительно снизить энергозатрат! упростить технологию изготовления и обеспечить высокие структурнь (пористость, размер пор, удельная поверхность), гидродинамическі (коэффициент проницаемости, локальная проницаемость) и физию механические (электропроводность, прочность) свойства. Вместе с те практически вся информация по получению ППМ из порошков тугоплавкі металлов методом ЭИС, как правило, посвящена решению частных вопрос* технологии получения и экспериментального определения каких- либо свойств, зачастую носит рекламный характер. Отсутствуют теоретические модєі процесса ЭИС, позволяющие описать изменение параметров электрическо
2 іазряда в процессе спекания; не установлена взаимосвязь между арактеристиками процесса контактообразования и значениями разрядного тока, тпряжения и активного сопротивления порошкового образца; не изучен процесс еплообмена в зоне контакта частиц порошка; не исследованы физические іроцессьі, происходящие в контакте частиц порошка; отсутствует технологическое >борудование и оснастка. В связи с этим проведение комплексного исследования, гаправленного на разработку теоретических и технологических основ получения 1ПМ из порошков тугоплавких металлов методом ЭИС с повышенными труктурными, гидродинамическими и физико-механическими свойствами, шляется важным и актуальным.
Связь работы с научными программами, темами. Научные исследования га теме диссертации проводились в соответствии с:
заданием 06.02 целевой научно-технической программы Р.Ц.011 на 981-1985 гг., утверждённой ГКНТ, Госпланом СССР, Академией'наук СССР приложение №1 к постановлению от 12.12.1980 г. № 474/250/132);
заданием 03.06.Т целевой комплексной научно-технической программы 1.08.17 (roc. per. № 01860069264) на 1986-1990 гг. в области порошковой іеталлургии, утверждённой постановлением ГКНТ и АН СССР от 10 ноября 985 г. №-573/173;
государственной научно-технической программой "Технологии, машины г производства будущего", утвержденной постановлением ГКНТ СССР от І.03.1990г. № 164 на 1990-1991 гг.;
заданием 04.05 на 1992-1995 гг., утвержденным Совмином РБ 08.04.92г. протокол №3/114), и заданиями 03.01 и 03.07 от 13.12.96 № 51204-496 на 1996-998 гг. и на 1999-2000 гг., утвержденной приказом ГКНТ РБ от 05.03.99 г. № 26, іаучно-технической программой "Стоматология и челюстно-лицевая хирургия";
заданием 1.04 научно-технической программы ^'Инструмент" на 1993-995 гг.;
заданием 126/2.07 научно-технической программы "Сварка" на 1993-995 гг.,
заданиями № 91.93.Р (1993-1995г.г.) и № 166.97.Р (1997-1998 гг.) научно-ехнической программы "Новые материалы и технологии";
проектом Т94-236 Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь на 1995-1997 гг..
Цель и задачи исследований.' Целью настоящей работы является еоретическое и экспериментальное изучение закономерностей ЭИС порошков угоплавких металлов, разработка на этой основе новых технологических процессов юлучения НИМ с повышенными структурными, гидродинамическими, физико-іеханическими свойствами, создание оборудования и средств технологического снащения для промышленного производства изделий из этих материалов. Для реализации цели в работе поставлены следующие задачи: 1. Разработать модель контактообразования при ЭИС и вывести уравнение, шисывающее кинетику изменения величины межчастичных контактов в ависимости от характеристик исходных порошков и параметров импульса
электрического тока. Установить условия устойчивости межчастичного контакі в зависимости от силовых параметров процесса ЭИС.
-
Разработать модель теплообмена в зоне контакта частиц порошка и к границе компактного и порошкового металлов при ЭИС, рассчитать скорост нагрева и охлаждения металла в зоне контакта.
-
Исследовать механизм контактообразования между частицами порой» при ЭИС и кинетику роста межчастичных контактов при последующе термической обработке.
4. Исследовать основные закономерности формирования структурны:
гидродинамических и физико-механических свойств ППМ в зависимости с
технологических режимов и параметров процесса ЭИС.
5. Теоретически и экспериментально определить оптимальное соотношеж
между геометрическими размерами спекаемых методом ЭИС длинномерны
пористых порошковых материалов (ДППМ) в зависимости от характерне
исходных порошков.
6. Разработать новые технологические процессы, создать оборудовани
средства технологического оснащения для получения ППМ из порошке
тугоплавких металлов методом ЭИС и освоить промышленное производсті
изделий на их основе.
- Объект и предмет исследования. Объектом исследований является ЭИ порошков тугоплавких . металлов. Предметом исследований являете теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей ЭИС порошке титана, тантала, ниобия с целью разработки на этой основе эффективнь: технологических процессов создания ППМ.
Гипотеза. В работе сформулировано научное предположение о том, что процессе ЭИС основное количество тепла выделяется в области межчастичнь: контактов частиц порошка, при этом размер зон расплавления мал по сравнени: с диаметром частиц, а процессы теплообмена в отдельных контактных зош можно считать независимыми. Такой подход позволил установить взаимосвя между основными технологическими параметрами ЭИС и свойствами получаемь ППМ. Результаты математического моделирования и последующая опыта экспериментальная проверка подтвердила правильность гипотезы. Это позволит разработать научные и технологические основы получения ППМ методом ЭИС.
Методология и методы проведенного исследования. При выполнена работы проведено комплексное исследование процесса ЭИС с использование теорий капиллярности, теплопроводности, электропроводности и современно! математического аппарата. Для достижения поставленной цели в качест) методов исследования применялись металлографический, электронно-микросю пический, фрактографический, микрорентгеноспектральный и другі стандартные методы анализа состава, структуры и физико-механических свойс-ППМ. Измерение электрического разрядного тока осуществлялось ' использованием пояса Роговского, а определение значений напряжения длительности импульса производилось по осциллограммам, полученным і двухлучевом запоминающем осциллографе.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Разработана гория ЭИС металлических порошков, устанавливающая взаимосвязь между арактеристиками процесса контактообразования и значениями разрядных тока, апряжения и активного сопротивления порошкового образца. На основе данной гории разработаны методы расчета процесса формирования межчастичных онтактов и изменения структуры ГШМ в зависимости от параметров ЭИС. [оказано, что зависимость падения напряжения на порошковом образце от эемени в процессе разряда представляет собой затухающую периодическую ункцию. При этом установлено, что формирование основных свойств орошкового материала практически завершается после одного полупериода элебаний напряжения. Теоретически доказана и экспериментально одтверждена анизотропия свойств получаемых изделий, возникающая из-за гравномерного распределения тока и давления по различным направлениям в іекаемой заготовке. В результате изучения закономерности влияния еханического давления, капиллярных и электромагнитных сил на форму и л-ойчивость жидкометаллического контакта показано, что если силы тутреннего гидростатического давления жидкого металла превосходят церживающие капиллярные и электромагнитные силы, то происходит лтекание жидкого металла из контактной зоны на поверхность частицы эрошка, вследствие чего уменьшается площадь межчастичного контакта и еханическая прочность спеченного материала.
Разработана математическая модель процесса теплообмена и выведены эавнения для расчёта размера области расплавления и скорости охлаждения ісплава. Разработан алгоритм и программа численного расчета на ЭВМ для тределения технологических параметров процесса ЭИС в зависимости от >ебуемых размеров контакта между частицами спекаемого порошка. Показано, го скорость охлаждения расплава в зоне контакта частиц непосредственно после сончания разряда может достигать 108 К/с, что свидетельствует о возможности 5разования при ЭЙС металлического порошка аморфной фазы. Расчёт :мпературного поля при образования контакта компактного и порошкового ітериала при электрическом разряде показал, что глубина зоны расплавления шпаклюй подложки зависит от энергии разряда и значительно меньше іубиньї зоны расплавления частицы порошка. Разработана теоретическая эдель распределения электромагнитного поля при ЭИС и получены отношения для расчёта технологических режимов, обеспечивающих заданную щиальную усадку с учётом влияния пинч- и скин- эффектов.
В результате экспериментальных исследований зависимости пористости, гханической прочности, проницаемости, удельной поверхности, размера пор, (ельного электросопротивления от давления подпрессовки, энергии и длительности шульса электрического тока определены оптимальные значения параметров юцесса ЭИС, обеспечивающие заданную прочность и пористость: для порошков юбия, тантала, титанового сплава ВТ-9, давление подпрессовки - 10-20 МПа; стельность - 30-50 мкс; удельная энергия импульса электрического тока,
5 соответственно, 4,6-11; 3,6-9; 1,1-2,5 КДж/см3, удельное электросопротивление порошков при этом составляет 10"' -10"3 Омм.
Выявлен механизм контактообразования между частицами порошка ВТ-9 при ЭИС и установлено, что происходит образование прочного контакта, составляющего 0,1-0,2 диаметра частицы порошка, а в связи с высокой скоростью нагрева и охлаждения частиц порошка в процессе ЭИС возникают большие термические напряжения, приводящие к образованию полигональной субструктуры и метастабильной а' - и а- структуры. Установлено, что в результате образования метастабильной суб- и микроструктуры происходит уменьшение температуры рекристаллизации при последующем вакуумном допекании, что соответственно снижает температуру спекания на 100-150С по сравнению с вакуумным спеканием ППМ со свободной насыпкой. Доказано, что при ЭИС сохраняется химический состав и зёренная структура исходных порошков.
Выведены уравнения распределения давления по высоте пресс-формы при симметричном двустороннем уплотнении порошка, учитывающие трение порошка о её стенки. Получены соотношения для расчёта распределения удельного электросопротивления по объёму спекаемого порошка, учитывающие неоднородность распределения плотности порошкового материала и площади межчастичного контакта. Теоретически и экспериментально определена величина оптимального значения отношения длины к диаметру (толщине) спекаемой методом ЭИС части изделия ДППМ, которая не должна превышать 15:1. Применение схемы последовательного ЭИС с последующим вакуумным спеканием при получении ДППМ позволило увеличить предел прочности при поперечном изгибе и снизить удельное электросопротивление в 1,1-1,2 раза и повысить в 1,5-2 раза равномерность распределения локальной проницаемости, размер пор, повысить коэффициент проницаемости на 25-45%.
Методами математического планирования установлена функциональная зависимость пористости, предела прочности от давления подпрессовки, энергии и длительности импульса электрического тока.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. На основании выполненного теоретического и экспериментального изучения закономерностей ЭИС ППМ из порошков тугоплавких металлов разработаны и внедрены новые технологические процессы, оборудование и средства технологического оснащения для их промышленного производства. По разработанным технологическим процессам изготовлены и поставлены различным предприятиям СНГ: объёмно-пористые аноды конденсаторов (ГП №№01165.00117; 01165.01374; 01265.00799) заводу «Эпсилон», г. Одесса; ПО «Оксид», г. Новосибирск; ПО «Элитан», г. Харьков; ОАО «Элеконд», г. Сарапул; пористые вольфрамовые катоды газоразрядных ламп (ТП №01165.01386) ОАО «Лисма-ВНИИС», г.Саранск; пористые длинномерные пластины дивертора опытного термоядерного реактора (ТП №01265.00848) НИИ электрофизической аппаратуры г.Санкт-Петербург; пористые электродные матрицы для клеточных биосенсоров (ТП № 01165.01530) ВНИИ микробиологических производств, г. Минск.
Разработаны, прошли медико-биологические, клинические испытания и «дрены в ряде ведущих клиник СНГ пористые изделия из сферических зрошков титановых сплавов марки ВТ: электрокардиостимуляторы с пористой штактной головкой (ТП №01265.01882), дентальные (ТП №01265.01674) и глюстно-лицевые имплантаты (ТП №01265.01673) в институте сердечно->судистой хирургии АН Украины, г. Киев; НИИ трансплантации и искусственных >ганов АМН России, г. Москва; в институте хирургии им. А.В. Вишневского АМН юсш, г. Москва; на кафедрах челюстно-лицевой и сердечно-сосудистой хирургии гдицинских институтов г. Москвы, Твери, Днепропетровска, Алма-Аты и др. и Республике Беларусь (НИИ кардиологии г. Минск; 4-ой и 9-ой клинических шьницах г. Минска; областных больницах в г. Витебске, Гомеле, Бресте; истины для эндопротезирования нижней челюсти (ТП №01265.01980) - в НИИ ікологии и медицинской радиологии, г. Минск; пористые вставки эндопротеза зобедренного сустава (ТП №01265.01934) - в НИИ травматологии и ортопедии, Минск. Электрокардиостимуляторы с пористой контактной головкой серийно шускаются (под маркой ПЭЭД) на предприятии АО СКБ медицинской хняки, г. Каменец-Подольский, остальные изделия медицинского назначения іпускаются на опытно-промышленном участке НИИ ПМ. Применение зработанных изделий позволяет сократить на 3-5 дней послеоперационный ок реабилитации больных и уменьшить травматичность операций за счёт их ^жизненной имплантации, продлить на 30% срок работы ектрокардиостнмуляторов. Сконструированы, изготовлены и внедрены с пользованием метода ЭИС: автоматизированная установка для получения ъёмно-пористых анодов производительностью 1000-1200 штук/ч (КД .258.00.000); опытно-промышленная установка для получения длинномерных ристых пластин производительностью 1200 мм/ч (КД 85.35.45.00.000); гановка для получения пористых контактных головок провода-электрода гктрокардиостимулятора (КД 48.351.00.000); установка для получения нтальных и челюстно-лицевых имплантатов (КД 48.347.00.000). Разработаны и готовлены устройства ЭИС (А.с. №№ 1142980, 1195766, 1252044, 1338207), зволяющие получать ДППМ различного назначения - трубчатые, постоянного переменного профиля, с покрытиями на внутренней поверхности, полос, стов, дисков, крупногабаритных изделий и изделий сложной формы.
Разработанные способы, устройства, установки и технологические процессы пучения ППМ методом ЭИС позволили: сократить потребление дефицитных оплавких материалов на 20-60%; увеличить предел прочности при поперечном ибе в 1,1-1,2 раза; повысить равномерность распределения локальной жицаемости и размера пор в 1,5-2 раза; повысить коэффициент проницаемости на 45%; увеличить удельную поверхность на 30-80%; сократить ряд трудоемких нологических операций.
Показаны перспективы применения метода ЭИС для получения ППМ из эрфных материалов и ППМ с переменным порораспределением, которые іадают повышенной проницаемостью, грязеёмкостью и ресурсом работы. тод ЭИС используется для упрочнения деталей путём нанесения на их зерхность износостойких порошковых покрытий. Совмещая метод
7 высокоскоростного прессования с ЭИС, получены высокоплотные изделия из порошков вольфрама, тантала, молибдена. Продолжаются работы по применению ППМ из сферических порошков титанового сплава ВТ для медицины. Разработаны, проходят клинические испытания дентальные имплантаты, имеющие форму корня зуба, и минипластины для лечения переломов костей лицевого скелета. Использование таких имплантатов позволяет устанавливать их в лунку удалённого зуба, в результате чего значительно уменьшается травматичность операции и период вживления. Применение разработанных минипластин улучшает процесс остеоинтеграции.
Разработки защищены 35 авторскими свидетельствами, разработаны 31 технологический процесс и 25 комплектов конструкторской документации. Отдельные технологические процессы и оборудование ЭИС ППМ внедрены в Индийском центре порошковой металлургии в г. Хайдерабаде.
В результате повышения срока службы ППМ, экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов суммарный экономический эффект за период 1986-1999 гг. составил 376,4 млн. рублей (в ценах на 01.01.2000г.). В качестве коммерческого продукта могут быть реализованы изложенные в диссертации разработки и технические решения по новым технологическим процессам и оборудованию, позволяющие получать изделия высокого качества.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Теоретическая модель процесса контактообразования, позволяющая
описывать кинетику изменения величины межчастичных контактов и учитывать
характеристики порошков и параметры импульса электрического тока.
2. Теоретическая модель и программные средства для расчета процесса
теплообмена в частицах порошка и на границе компактного и порошкового
материала при ЭИС.
3. Теоретическое и экспериментальное определение оптимального
соотношения между геометрическими размерами спекаемых методом ЭИС
ДППМ в зависимости от характеристик исходных порошков.
4. Закономерности формирования структуры и свойств ППМ при ЭИС и
последующем спекании в вакууме.
5. Результаты экспериментальных исследований структурных,
гидродинамических и физико-механических свойств ППМ в зависимости от
параметров процесса ЭИС и режимов термической обработки.
6. Новые технологические процессы и оборудование для получения ППМ из
порошков тугоплавких металлов методом ЭИС.
Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично и в соавторстве. В опубликованных работах автор осуществлял постановку задач по моделированию процесса ЭИС, предлагая направления решения научных проблем повышения эффективности получаемых ППМ, участвовал в теоретических и экспериментальных исследованиях. Автором лично предложены и разработаны: модель процесса ЭИС; расчётная зависимость распределения давления и удельного электросопротивления при симметричном двустороннем уплотнении порошка; расчет процесса теплообмена в зоне контакта частиц порошка при ЭИС; механизм контактообразования при ЭИС;
8 ависимости структурных, гидродинамических и фюико-механических свойств ІПМ от технологических параметров процесса ЭИС; новые способы и іборудование получения ППМ методом ЭИС.
Основными соавторами по опубликованным работам являются: академик ІАН Б Д.Т.Н., профессор П.А. Витязь, д.т.н., профессор В.К. Шелег, д.т.н., фофессор В.М. Капцевич, к.т.н., ведущий научный сотрудник Д.В. Минько, с :оторым автор выполнял ряд совместных исследований.
В 1997 году автор удостоен премии НАН Беларуси в области науки и техники а монографию «Теория и практика электроимпульсного спекания пористых юрошковых материалов».
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы ;оложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции Достижение науки и техники в области ресурсосбережения и экологии", г. омель, 1989г.; Научной сессии ВМЕИ, г. София, Болгария, 1989 г.; 1 Научно-ехнической конференции "Поверхностные термические технологии", г. Варна, юлгария, 1989г.; X Международной конференции по высокоэнергетической бработке материалов, г. Любляна, Югославия, 1989 г.; Международной конференции :о порошковой металлургии, г. Лондон, Англия, 1990 г.; Международной конференции о титану, Флорида, США, 1990 г.; Международной конференции по стоматологии, г. братов, 1993 г.; IV Европейской конференции Восток-Запад по материалам и роцессам, г. Санкт-Петербург, 1993 г.; I Международной научно-технической онференции по титану стран СНГ, г. Москва, 1994 г.; I и II Международной аучно-технической конференции "Актуальные вопросы стоматологической мплантации", г. Минск, 1996 и 1998 гг.; III Международной конференции елюстно-лицевых хирургов и стоматологов, г. Санкт-Петербург, 1998 г.; Іировом конгрессе по порошковой металлургии, г. Гранада, Испания, 1998 г.; Іеждународном семинаре МНТЦ-Беларусь-99, г. Минск, 1999 г.; 9 Всемирной онференции по титану, г. Санкт-Петербург, 1999 г.; II Всесоюзной конференции Импульсные источники энергии для термоядерных исследований и ромышленной технологии", г. Верхняя Пышма, 1985 г.; II и III Всесоюзной онференции по металлургии гранул, г. Москва, 1987 г. и 1991 гг.; Всесоюзной онференции "Применение аппаратов порошковой технологии и процессов грмосинтеза в народном хозяйстве", г. Томск, 1987 г.; II Всесоюзной конференции Ресурсосберегающие технологические процессы обработки титановых сплавов и их гходов", г. Днепропетровск, 1987 г.; I Всесоюзной конференции "Действие кектромагнитных сил на пластичность и прочность металлов и сплавов", г. Зрмала, 1987 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и ромышленная реализация новых механических и физико-химических методов бработки", г. Москва, 1988г.; IV Всесоюзной научно-технической конференции Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности", г. [иколаев, 1988 г.; VII Всесоюзной конференции "Горячее прессование в орошковой металлургии", г. Новочеркасск, 1988 г.; II Всесоюзной конференции Физико-химия ультрадисперсных систем", г. Юрмала, 1989 г.; XVI, XVII сесоюзной конференции по порошковой металлургии, г. Свердловск, 1989 г., г. лев, 1991 г.; Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по
9 порошковой металлургии, г. Минск, 1991 г.; Ш, IV, V, VI Республиканских научно технических семинарах "Электрофизические технологии в порошковой металлургии' г.Рига, 1986, г. ІСиев 1989 и 1992 гг., г. Москва 1990 г.; I Республиканской научно практической конференции по сердечно-сосудистой хирургии, г. Минск, 1994 г.; I Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы і технологии", г. Минск, 1996 г.
Опубликованность результатов. Основное содержание диссертациі опубликовано в 96 научных работах, в том числе в двух монографиях, одноі брошюре, 35 статьях в журналах и сборниках, 23 тезисах докладов н конференциях. Новизна технических решений подтверждена 35 авторским] свидетельствами. Общее количество страниц опубликованных материалов- 627.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общеі характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованны; источников и приложения. Полный объём диссертации 301 стр. Работа содержи 183 стр. машинописного текста, 162 рисунка на 38 стр., 13 таблиц на 6 стр., -приложения на 51 стр. и список используемых источников в количестве 30 наименования на 23 стр.