авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка технологии производства порошковых биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ефимов Артём Дмитриевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИЗНОСОСТОЙКИМ

РАБОЧИМ СЛОЕМ

05.16.06 – «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: доктор технический наук, профессор

Гасанов Бадрудин Гасанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кем Александр Юрьевич

кандидат технический наук, доцент

Егоров Николай Яковлевич

Ведущая организация: Волгоградский государственный

технический университет

Защита состоится 24 декабря 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу:

346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул.Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан «__» ________ 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

к.т.н., доцент Устименко В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Темпы научно-технического прогресса во многом определяются не только свойствами используемых и вновь создаваемых машин и механизмов, но и реализацией новых материалов и инновационных технологий. Создание техники, способной работать в экстремальных условиях, требует разработки новых надежных материалов, отвечающих высоким, порой, казалось бы, взаимопротиворечащим требованиям. Поэтому в последние годы интенсивно развиваются исследования в области создания биметаллических и многослойных порошковых материалов различного функционального назначения. Это обусловлено тем, что технология порошковой металлургии имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами изготовления слоистых материалов, в частности, позволяет варьировать в широких пределах состав и свойства деталей. Кроме того, методы порошковой металлургии позволяют экономить дорогостоящие стали и сплавы, за счет производства изделий, основной слой которых выполнен из менее дорогих порошков железа, а рабочий – из смеси с высоким содержанием карбидов, боридов, нитридов и других соединений.

Наиболее перспективными методами изготовления порошковых биметаллических изделий являются те, при которых слоистая заготовка формируется в процессе холодного прессования. Несмотря на расширение в последнее время применения спеченных биметаллических материалов, а также на увеличение количества публикаций в области теории и технологии производства многослойных ПМ, существуют определенные трудности, связанные с формированием заданной структуры легированного слоя и переходной зоны, в том числе появление при спекании межслойной пористости, а также обеспечением требуемого уровня механических, эксплуатационных и технологических свойств. Это связано с тем, что большинство работ посвящено исследованию технологии производства спеченных изделий, в которых изучается влияние вида и количества легирующих добавок, а также технологических параметров и режимов термомеханической обработки. Не достаточно исследована кинетика диффузионных процессов, определяющая структуру и свойства изделия, при изотермическом и неизотермическом спекании заготовок. Мало изучено влияние добавок ферросплавов, сродных легирующим соединениям, а также температурно-временных характеристик нагрева ТВЧ и последующей термической обработки на процессы структурообразования и свойства биметаллических и многослойных порошковых материалов.



Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005-2010 гг. (1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов»).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка энергосберегающей технологии получения биметаллических материалов и изделий с прогнозируемыми механическими и эксплуатационными свойствами износостойкого слоя при использовании двухступенчатого спекания.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование кинетики диффузии компонентов и процессов структурообразования биметаллических материалов при изотермическом и неизотермическом процессах спекания.

2. Разработка способа расчетного определения технологических параметров двухступенчатого спекания.

3. Исследование влияния состава и количества вводимых в рабочий слой легирующих добавок, пористости, гранулометрического состава шихты на свойства биметаллических материалов с износостойким слоем.

4. Исследование влияния параметров высокочастотного нагрева на второй ступени спекания на свойства биметаллических материалов.

5. Разработка технологии и составление рекомендаций по практическому применению двухступенчатого спекания для производства биметаллических изделий с износостойким рабочим слоем.

Научная новизна.

1. Составлены феноменологические уравнения диффузии компонентов в гетерогенных сплавах, отличающиеся от известных тем, что впервые учтено влияние градиента температуры на плотность и скорость диффузионных потоков в пористых системах. Это позволило рассчитать эффективные коэффициенты диффузии, концентрацию компонентов в переходных зонах межчастичных контактов и частиц порошков железа и карбида хрома, определить параметры высокочастотного нагрева износостойкого слоя спеченных на первой стадии заготовок.

2. Теоретически и экспериментально доказана эффективность новой технологии получения биметаллических изделий с заданными свойствами, отличающейся от известных тем, что на первой стадии печного изотермического спекания формируется структура основы изделия, а на второй стадии – при нагреве спеченной заготовки токами высокой частоты протекает контролируемый диффузионный массоперенос и структурные превращения только в наружном (износостойком) слое.

3. Впервые выявлено, что при циклическом термическом воздействии нагревом токами высокой частоты активируется массоперенос хрома из частиц карбида и феррохрома в частицы железа, что позволяет регулировать его концентрацию в -железе и обеспечить после закалки аустенитно-мартенситную структуру, с требуемым уровнем свойств износостойкого слоя.

Практическая значимость.

1. Экспериментально установлено, что добавление в шихту рабочего слоя, полученную из порошков железа и карбида хрома, порошка высокоуглеродистого феррохрома порядка 22-24% (масс.), приводит к формированию гетерогенной структуры с равномерно распределенными частицами карбидов в прочной и вязкой матрице, состоящей из мелкодисперсных выделений мартенсита в аустените, и улучшению механических и эксплуатационных свойств биметаллического материала.

2. На основе выявленных закономерностей формирования структуры и свойств биметаллических материалов, полученных двухступенчатым спеканием цельнопрессованных заготовок, предложена инновационная технология изготовления износостойких деталей с повышенной стойкостью против абразивного износа и вязкой нелегированной сердцевиной из порошков железа.

3. Разработанная технология позволяет совместить спекание на второй стадии и нагрев под закалку, снизить расход легирующих добавок, так как корпус деталей изготовляется из порошка железа, а рабочий слой из смеси порошков, что снижает себестоимость производства изделий при достижении требуемых механических и эксплуатационных свойств.

4. Разработана принципиальная конструктивная схема установки для высокотемпературного спекания ТВЧ тянущих роликов рубочных станков, позволяющая производить термообработку погружением в охлаждающую жидкость непосредственно с температуры нагрева после второй стадии спекания.

Автор защищает научно и экспериментально обоснованную новую технологию получения биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем, основной слой которых изготовлен из недорогих порошков железа, а рабочий легирован карбидом хрома и феррохромом. Теоретически и экспериментально обоснованные положения о механизме структурообразования в рабочем слое и межслойных границах, а также влиянии технологических факторов на свойства износостойких биметаллических изделий.

Апробация работы. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях и тезисах, а также по теме диссертации получен патент на полезную модель и положительное решение о выдаче патента по заявке на изобретение. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Международных конференциях: V Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010». 14-16 сентября 2010 г. г. Волгоград, Россия; Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем – 2009». 13-15 октября 2009 г. г. Волгоград, Россия; а также ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института): Студенческая весна 2008, 2009 и 2010; 59-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, изложена на 157 страницах, включая 57 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 113 наименований и приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность поставленной научно-технической проблемы, приведены основные результаты по ее решению с указанием новизны положений, защищаемых автором и практической ценности диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ результатов исследований структурообразования и технологии получения износостойких и многослойных материалов, проведённых за последние 15-20 лет. Он показывает, что проблема повышения механических и эксплуатационных свойств этих материалов, а также снижения себестоимости их изготовления далеко не полностью решена в теоретическом и практическом отношениях. Наиболее актуальны исследования по разработке технологии производства износостойких материалов легированных карбидом хрома, комплексно карбидом хрома и феррохромом и карбидом бора и феррохромом, отличающихся высоким уровнем требуемых свойств при относительно невысокой стоимости изготовления. Рассмотрены и проанализированы особенности и пути интенсификации индукционного нагрева спеченных материалов, применение которого позволит значительно сократить продолжительность технологических процессов изготовления изделий. На основании этих и других задач и трудностей, возникающих при разработке технологии получения износостойких биметаллических материалов, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена характеристика используемых порошковых материалов, технологического и исследовательского оборудования, методики проведения экспериментов и определения свойств изделий.

В качестве основных материалов для изготовления исследуемых образцов использовали железный порошок марки ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), порошок карбида хрома (ГОСТ 9586-84), карбида бора (ГОСТ 9668-85) и высокоуглеродистого феррохрома (ГОСТ 4557-91), стеарат цинка марки С (ТУ 6-09-17-316-96). Основной слой биметаллического материала выполнен из порошка железа, а рабочий – из смеси порошков железа с карбидами и феррохромом. Технология изготовления образцов в виде биметаллических колец с наружным диаметром 70 мм, высотой 10 мм, внутренним диаметром 40 мм и толщиной рабочего слоя 3 мм включала статическое холодное прессование в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе ПГ-125, спекание в камерной печи в среде диссоциированного аммиака при температуре 1150-11800С в течение 2 часов, высокотемпературное спекание наружного слоя ТВЧ на лабораторной установке в интервале 1250-14000С в течение 10-40 с последующей закалкой в охлаждающей жидкости.





В работе использовались классические методики исследования макро- и микроструктуры, электрономикроскопического и микрорентгеноспектрального анализа, рентгеновского качественного и количественного фазового анализа, определения твердости, микротвердости, предела прочности при радиальном сжатии и стойкости при абразивном износе. Для повышения достоверности экспериментальных данных использовались общепринятые методы статистической обработки.

В третьей главе показаны особенности феноменологического описания диффузионных процессов в гетерогенных системах и результаты исследования кинетики диффузии при двухступенчатом спекании в межслойных и межчастичных границах биметаллического материала, рабочий слой которого изготовлен из смеси порошков Fe-(Cr,Fe)7C3-Cr7C3.

Известно, что плотность диффузионного потока i-го компонента в многокомпонентной пористой системе определяется величиной градиента химического потенциала . Изменение химического потенциала обусловлено вариациями состава шихты порошкового материала, давления и температуры – . При высокочастотном нагреве спеченных заготовок на второй стадии спекания в рабочем слое, выделяется больше тепла, чем в основе материала, что способствует появлению некомпенсированного потока атомов из последней в направлении переходной зоны. На первой же стадии спекания влияние термодинамической силы, связанной с наличием градиента температуры, в виду изотермичности процесса можно не учитывать.

Для изотермического процесса спекания пористых гетерогенных систем плотность диффузионного потока и скорость диффузии соответственно равны:

. (1)

На основе анализа публикаций установлено, что градиент температуры по сечению слоистых изделий при высокочастотном нагреве определяется энтальпией i-го компонента , его температуропроводностью , геометрическими размерами заготовки и глубиной нагрева .

Используя известные положения, результаты анализа выполненных исследований и теоретических изысканий были получены выражения для оценки плотности и скорости диффузионного потока в пористых материалах при высокотемпературном нагреве ТВЧ:

(2)

где химический коэффициент объемной диффузии i-го компонента; кинетические коэффициенты диффузии в многокомпонентной системе; энтальпия i-го компонента.

В процессе исследования диффузионного массопереноса в трехкомпонентной пористой системе Fe-(Cr,Fe)7C3-Cr7C3 составлены феноменологические уравнения, позволяющие определить плотность и скорость диффузионного потока компонентов в зоне контакта разнородных частиц, имеющие следующий вид –

при изотермическом спекании (первая стадия):

(3)

(4)

при высокотемпературном спекании нагревом ТВЧ (вторая стадия):

 (5) (6) где i, j и n – компоненты пористой-16 (5)

 (6) где i, j и n – компоненты пористой-17 (6)

где i, j и n – компоненты пористой гетерогенной системы; масса атома i-го компонента; и коэффициенты объемной и поверхностной диффузии компонентов; и текущая и начальная относительная плотность материала; атомный объем i-го компонента; постоянная Больцмана; радиус кривизны пор в зоне межчастичных контактов ; и соответственно диагональные и недиагональные коэффициенты Онзагера.

На основе уравнений (1-6) предложена формула для расчета коэффициентов взаимной диффузии в гетерогенных пористых системах при нагреве рабочего слоя биметаллического материала токами высокой частоты:

(7)

Поскольку в литературных источниках не приведены величины коэффициентов поверхностной диффузии компонентов (), то в работе выполнены теоретические исследования, на основании которых получены математически обоснованные выражения, позволяющие определить коэффициент поверхностной диффузии на каждой стадии спекания следующего вида –

при изотермическом процессе: (8)

при неизотермическом процессе: (9)

где ; эффективный коэффициент термодиффузии.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.