Формирование пористой структуры в изделиях на основе железа и титана с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами

Актуальность работы. В последние годы наблюдается резкое увеличение доли металлических композиционных материалов в конструкциях перспективных изделий авиационной, космической, энергетической и другой техники. Интегральное снижение эксплуатационных расходов, которое дает достижение нового уровня потребительских характеристик, перекрывает издержки на разработку и изготовление этих материалов. В общем технологическом процессе изготовления металлических композиционных материалов заслуживают процессы получения различного рода изделий, изготовленных методом малоотходной технологии (порошковая металлургия, литье и др.), которые требуют постоянного совершенствования и разработки новых наиболее эффективных и экономически выгодных технологических процессов их осуществления.

Развитие нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности невозможно без использования пористых фильтров из спеченных материалов, которые по сравнению с имеющими широкое распространение тканевыми, картонными и другими, более прочны, выдерживают повышенные температуры и их резкие колебания, не загрязняют очищаемую среду материалом фильтра, обеспечивают высокую тонкость фильтрации, позволяют фильтровать кислоты, щелочи, высокотемпературные агрессивные газы, горючие и смазочные материалы, жидкие металлы и т. д.

Пористые материалы находят также широкое применение и в других отраслях промышленности (текстильная, кондитерская, фармацевтическая). Например, внедрение в промышленную практику не требующих смазки пористых подшипников скольжения с уникальными физико-механическими свойствами вообще недостижимо традиционными методами изготовления. Изготовление тугоплавких порошков с особыми свойствами, например, нитридов титана из отходов ГЛР титана и его сплава.

В области создания пористых изделий можно выделить работы отечественных и зарубежных учёных: Федорченко Н. М., Андриевского Р. А., Джонс В., Раковского B.C., Кипарисова С. С., Либенсона Г. А., Шатта В. И. и др. Из них наиболее перспективными является исследования создания композиционных материалов методом диффузионной сварки в твердофазном состоянии, но эти процессы весьма длительны, требуют создания определенного давления и заданной температуры, существуют ограничения из-за сложности формы детали. Заслуживают внимания процессы активизирования диффузионного взаимодействия путем предварительного окисления порошковых материалов. Поверхностная диффузия усиливается при восстановлении оксида на 2−3 порядка и ускоряет образование и рост контактов и сфероидизацию пор.

Таким образом, актуальным направлением исследования является повышение качества готовых изделий за счет управления их пористым строением, физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, технологическими параметрами процесса формообразования, которые до настоящего времени наименее изучены, что и послужило основанием для выполнения данной диссертационной работы.

Цель работы: Комплексное исследование влияние закономерностей формирования пористой структуры в изделиях на основе железа и титана с заданными физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами путем активирования диффузионного твердофазного взаимодействия порошковых материалов и внедрение их результатов в производство.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

— проанализировать известные методы и средства создания пористости в изделиях на основе титана и железа, управление их физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами и на их основе обосновать выбор направления исследования;

— оценить технологические возможности изготовления порошковых изделий и обосновать выбор материалов, разработку методик и оснастки для получения и исследования свойств изделий с заданной пористостью;

— исследовать взаимодействие атмосферы сухого воздуха с поверхностью сталей и сплавов на основе железа и титана в изолированном объеме;

— исследовать влияния факторов активирования процесса твердофазного диффузионного взаимодействия порошковых металлов: холодным прессованиемнагреванием в автономном вакууме в защитной среде и в вакууме на структуру и свойства традиционных и пористых изделий на основе железа и титана;

— анализ физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и структуры полученных пористых изделий на основе титана и железа;

— разработать технологию изготовления сложных деталей комбинированных из листа и порошковых заготовок на основе титана;

— исследовать состав, структуру и свойства порошковых отходов ГЛР титановых сплавов;

— провести опытно-промышленную отработку и внедрение в производство технологических процессов получения изделий с заданной пористостью, физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Методы исследования. При выполнении данной диссертационной работы применялись как общеизвестные методики исследования свойств пористых материалов и изделий, так и специально разработанные с участием автора. Из числа известных использовали методы определения прочности на разрыв, плотности гидростатическим взвешиванием, твердости по Бринеллю, коэффициента трения, металлографические и рентгеноструктурные исследования, электронная микроскопия и другие экспериментально-аналитические методы.

Для исследований макро и микроструктуры, химического состава использовались приборы: большой металлографический микроскоп «Neophot-21», металлографический комплекс фирмы «Карл Цейс», растровый электронный микроскоп «JEOL» JSM 5600 с энергодисперсионным микроанализатором «ENERGY»,. дифрактометр рентгеновский «ДРОН-6», машина для испытания материалов на износ «МИ» и другое оборудование.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены условия взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью металлов в обычной атмосферных условиях и изолированном объеме. Защитные свойства окисной пленки на поверхности титановых сплавов сохраняются: а) при нагреве в обычных атмосферных условиях: в течении 1 часа при нагреве в электропечи до 650 °C, — 30 мин. при ЭКН до 900 °C,-5 мин. при ЭКН до 1000°Сб) в герметичном контейнере неограниченное время за счет автономного вакуумирования гетерами, что позволяет вести нагрев сплавов на основе титана и железа. Патенты: № 2 020 187- № 2 021 058- № 2 076 029.

2. Уточнены особенности формирования структуры пористых изделий на основе титана и железа в зависимости от условий активирования диффузионных процессовустановлена зависимость параметров пористости и физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств сплавов на основе титана и железа от температуры и времени спекания. Активирование процесса спекания путем скоростного нагрева и предварительного окисления холоднопрессованных заготовок с последующим восстановлением автономным вакуумированием с температур 700−800°С гетерами позволяет увеличить плотность спеченных заготовок более чем на 19% по сравнению с традиционным вакуумным спеканием. Кроме того позволяет снизить удельное.

О О давлении прессования с 13т/см до 8-Ют/см". Выведена эмпирическая зависимость электропроводности от пористости заготовок из сплава 2М2А. Патент № 1 784 006.

3. Разработаны новые антифрикционные материалыЖГр1,2Х1Н0,8Д2-Т0,7 + 2%Mo2S, ЖГр1,5Х1Н0,9ДЗТ0,5 +2% Mo2S для которых установлена их зависимость коэффициента трения от давления. Патент № 2 068 021.

4. Для порошковых отходов ГЛР титановых сплавов установлены состав, структура и свойства частиц в зависимости от вида используемого вспомогательного газа. Патент № 2 247 070.

Практическая значимость. Разработаны новые пористые материалы, новизна которых подтверждена патентами. Отработаны оптимальные технологические режимы процессов получения изделий на основе железа и титана с заданной пористостью, внедренные в производство на КнААПО с общим экономическим эффектом более 180 000 рублей по ценам до 1991 г, что подтверждено соответствующими актами внедрения. На основе ресурсных испытаний корпусов замков и гермошайб была разработаны и внедрены отраслевые технологические рекомендации TP 1.2.271−82 по изготовлению деталей из спеченного материала 2М2А. Отработаны и внедрены в производство серийные технологии по изготовлению колец припоя из сплава ВПР-16, позволившие производить монтажную пайку титанового трубопровода в агрегатно-сборочных цехах, фильтров системы вооружения JIA и деталей велосипеда «Космос».

Результаты работы в виде методик и исследований пористости и оснастки внедрены в учебный процесс на кафедре «МИТНМ» КнАГТУ, а также используются при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— условия взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью металлов в изолированном объеме;

— исследования пористой структуры материалов и изделий;

1 9.

— особенности активирования диффузионного взаимодействия порошковых заготовок и закономерности формирования пористой структуры в изделиях на основе железа и титана;

— закономерности влияния структуры и свойств изделий с заданной пористостью на их физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства;

— технологические параметры и режимы операций при получении изделий с заданной пористостью;

— особенности формирования структуры частиц (порошковых отходов) при ГЛР титановых сплавов.

Личный вклад автора состоит в оценке технологических возможностей изготовления порошковых изделий из титановых сплавованализе литературных источниковв проведении экспериментов с последующим анализом и обработкой полученных данныхв проведении оптических, металлографических, физико-механических и др. исследований.

Данная работа выполнялась в соответствии с программой ОАО «КнААПО» «Глубокая модернизация и разработка новых технологий производства изделий на уровне вхождения в международную систему разделения труда на 2001;2006гг.».

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом статистических и экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов. ^.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научнотехнической конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (г. Хабаровск, 1984 г.) — на 7-мом международном конгрессе «Термическая обработка МОТО VII» (г. Москва, 1990 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и в металлургии» (г. Новокузнецк, 1991 г.) — на международной научно-технической и методической конференции «Технические средства, методы расчета прочностных характеристик, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций новых материалов в машиностроительной промышленности» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1992 г.) — на международном научно-техническом семинаре «Наукоемкие технологии, проблемы их внедрения на предприятиях Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1994 г.) — на III Собрании металловедов России (г. Рязань, 1996г) — на всероссийской научно-технической конференции «Стратегия технического прогресса технологий производства XXI века» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.) — 4-ой международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.) — Международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединении: достижение и проблемы» (г. Киев, 2008) — 4-ой международной конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2008 г.) — XV международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2009) — на научной технической конференции студентов и аспирантов (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 статьях, 6 изобретениях, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемой литературы из 74 наименований и приложений. Объём диссертации составляет 141 стр. машинописного текста, включает 59 рисунков, 19 таблиц и 7 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Определены научно обоснованные (закономерности) условия взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью сплавов на основе титана и железа в обычных атмосферных условиях и изолированном объеме:

— при нагреве в атмосфере сухого воздуха: в обычных атмосферных условиях защитные свойства окисной пленки на поверхности титановых сплавов сохраняются: а) при нагреве в обычных атмосферных условиях: в течении 1 часа при нагреве в электропечи до 650 °C,-30 мин. при ЭКН до 900 °C,-5 мин. при ЭКН до 1000°Сб) в герметичном контейнере неограниченное время за счет автономного вакуумирования гетерами, что позволяет вести нагрев сплавов на основе титана и железа;

— для порошковых отходов ГЛР титановых сплавов установлены состав, структура и свойства частиц в зависимости от вида используемого вспомогательного газа.

2. Установлены закономерности влияния условий активирования формования процессов взаимодействия порошковых частиц при холодном прессовании и последующим спекании на формирование структуры и свойств деталей из сплавов на основе железа (2М2А и Жгр1) :

— активирование процессов спекания путем скоростного нагрева и предварительного окисления холоднопрессованных заготовок с последующим автономным вакуммированием с температур 700−800°С гетерами позволяет увеличить плотность более чем на 19% по сравнению с классическим холодным формованием и спеканием. У образцов изготовленных по предложенному технологическому процессу максимум плотности, временного сопротивления разрыву, твердости ударной вязкости;

— удельное давление прессования при активированном формообразовании деталей из титанового сплава 2М2А должна быть не менее 13 т/см, автономное вакуумирование при спекании позволяет снизить удельное давление прессования до 8-Ют/см2 и значительно увеличить стойкость прессовой оснастки;

— кинетика процесса формирования плотности холоднопрессованных заготовок из сплава 2М2А при спекании в автономной вакуммированой гетерами атмосфере сухого воздуха подчиняется экспоненциальному закону, а температурная — параболическому закону;

— выведена эмпирическая зависимость электропроводности от пористости заготовок из сплава 2М2А: а = сг0 — 4,2л[в .

3. Разработан технологический процесс активированного прессования и спекания гермошайб, обеспечивающий высокую плотность и стабильность размеров. Установлено, что прочность шайб при работе в сборе более чем в 2,5 раза выше прочности болта, то есть, во всех случаях в соединениях при эксплуатации происходит разрушение болта.

4. Разработан оптимальный состав материала на основе титана и внедрен техпроцесс изготовления корпуса замка путем активирования процесса спекания в автовакууме. Показано, что использование металлических титановых сплавов Ti+2%Mo+2%Al и типа ВТЗ-1, позволяет получить следующие механические свойства: ств=700 МПа, 5= 6%, ?= 12%, что позволяет снизить трудоемкость в 8 раз и увеличить коэффициент использования металлов до 90%.

5. Разработана технология активированного спекания детали «бегунок» путем скоростного нагрева и предварительного окисления холоднопрессованных заготовок с последующим восстановлением автономным вакуумированием с температур 700−800°С геттерами, внедрение которой позволило уменьшить себестоимость ее изготовления, сократить технологический цикл их изготовления, повысить производительность труда.

6. Установлены особенности формирования структуры порошковых сталей, легированных медью, титаном, хромом, никелем и добавками дисульфида молибдена, для изготовления подшипников скольжения, которые обладают необходимыми механическими и антифрикционными свойствами, износостойкостью, что позволило использовать их в качестве подшипников скольжения вместо литых сплавов типа баббитов и бронз. Патент № 2 068 021.

7. На основе ресурсных испытаний корпусов замков и гермошайб была разработаны и внедрены отраслевые технологические рекомендации TP 1.2.271−82 по изготовлению деталей из спеченного материала 2М2А. Отработаны и внедрены в производство серийные технологии по изготовлению колец припоя из сплав ВПР-16, позволившие производить монтажную пайку титанового трубопровода в агрегатно-сборочных цехах, фильтров системы вооружения JIA и деталей велосипеда «Космос» с экономическим эффектом в 180 ООО рублей.