Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Рожкова, Татьяна Владимировна

• Рожкова, Татьяна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рожкова, Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.Л

1 .ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА УПЛОТНЕНИЕ И СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ.

1.1 .Перспективы применения спеченных материалов в машиностроении?

1.2.Поведение порошков под действием электротока.

1.3.Применение электротока для спекания металлических порошков

1.3.1 .Спекание «сопротивлением»,.

1.3.2.Электроразрядное спекание.

1.3.3.Электроимпульсное спекание.

1.4.Структура и свойства электроспеченных материалов.

1.4.1 .Материалы на основе железа.

1.4.2.Материалы на основе цветных металлов.

1.4.3. Материалы на основе тугоплавких металлов и их соединений

1.5.Краткая характеристика карбида кремния.

1.6.Постановка задач исследования.

2.МЕТОДИКИ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1.Металлографические методы исследования.

2.2.Механические испытания.;.

2.3.Рентгеноструктурный фазовый анализ.

2.4.Порошки, использованные для электроконтактного спекания.

3 .МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ СПЕКАНИИ.

3.1.Основные параметры электроконтактного спекания материалов на основе меди с карбидом кремния.

3.2.Исходная пористость порошковой смеси.

3.3.Влияние предварительного холодного прессования на уплотнение материала.

3.4.Влияние электрического тока на процесс горячего прессования.

4. СТРУКТУР А И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОСПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 4.1.Исследование технологии электроконтактного спекания материалов, содержащих упрочнители с малой проводимостью.

4.1.1.Влияние диаметра заготовок на процесс спекания.

4.1.2.Тепловой баланс при электроконтактном спекании.

4.2.0собенности структуры электроспеченных материалов на медной основе.

4.3.Физико-механические характеристики материалов на медной основе с карбидом кремния.

4.4.Моделирование внешней нагрузки при эксплуатации спеченного изделия с малой остаточной пористостью.

5.АПРОБАЦЙЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

5.1.Разработки, используемые в производстве.

5.2.Применение результатов работы в учебном процессе.

5.3.Разработки, предлагаемые к использованию на производстве.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании»

Актуальность. Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий и материалов имеет огромное значение для машиностроения. Одним из аспектов этой проблемы является повышение долговечности и работоспособности деталей и узлов, работающих в условиях трения. Введение в состав материалов износостойких добавок позволяет решить поставленную задачу. Но получение качественных изделий не возможно без определения количества и соотношения размеров применяемых компонентов порошковой смеси, тем более при исследовании электроконтактного спекания, активно реагирующего на величину электрического сопротивления исходной заготовки.

Метод электроконтактного спекания начали осваивать еще в первой половине XX века, и с тех пор он привлекает к себе все большее внимание простотой, дешевизной и значительным сокращением продолжительности выдержки при высоких температурах. Различные сочетания исходных компонентов позволяют получать новые материалы, работающие в экстремальных условиях без нежелательного взаимодействия между компонентами порошковой смеси в ходе изготовления материала. Влияние электрического тока на физико-химические свойства вытекают из самой природы металлических связей, что позволяет глубже понять фундаментальные соотношения между составом, структурой и характеристиками спеченного изделия.

Медь всегда результативно использовали для производства подшипников скольжения благодаря ее высоким теплопроводности и прирабаты-ваемости, и в то же время ее прочность не высока. Введение карбида кремния - недорогого, недефицитного и обладающего высокими прочностью и твердостью материала - позволяет существенно повысить твердость и износостойкость изделия. Однако проводимости этих компонентов сильно различаются. Возможность их сочетания при непосредственном пропускании электрического тока через заготовку не очевидна.

Поэтому работа имеет актуальность как с практической, так и с научной точки зрения.

Методы исследования. В процессе исследований были использованы металлографический метод, рентгеноструктурный анализ, метод измерения микротвердости, испытания на износ и гидроабразивный износ.

Научная новизна. ^

1. Выявлены особенности структуры и определены физико-механические свойства электроспеченных порошковых материалов на медной основе с карбидом кремния.

2. Установлено оптимальное соотношение размеров металлических и упрочняющих частиц для электроконтактного спекания. Металлические частицы не должны быть более 80 мкм, а упрочняющие - от V* до Уг пр о-тяженности металлических.

3. Выполнено моделирование процесса формирования структуры спеченного материала с учетом изменения пористости и наличия оксидной поверхностной пленки на исходных частицах.

4. Установлено, что поведение спеченного материала с остаточной пористостью 1- 6 % под внешней нагрузкой адекватно упругопластичному изотропному материалу. Максимальное локальное напряжение в 2 раза превышает приложенное растягивающее напряжение, причем на удалении от поры, равном двукратному диаметру дефекта, практически сравнивается с приложенным.

Практическая значимость.

1. Результаты работы в виде рекомендаций по изготовлению втулки шатуна 01-0304 и втулки механизма газораспределения 01-0527-1 двигателя трактора Т4 преданы для внедрения ЗАО «Тюменьагромаш» (акт внедрения от 12.04.04 г.). Результаты научно-исследовательской работы используются в учебном процессе в Механико-технологическом институте

Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (акт внедрения от 20.05.04 г.).

2. Разработано устройство для электроконтактного спекания металлических порошков с упрочнителями, на которое получен патент РФ на полезную модель (№ 37955 от 20.05.04 г.).

3. Разработаны способ электроконтактного спекания порошковых материалов с упрочнителями и способ нанесения термического многослойного покрытия, на которые получены положительные решения на выдачу патентов на изобретения (заявка № 2003128614/02 от 23.09.03 г. и заявка № 2003128615/02 от 23.09.03 г.).

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Рожкова, Татьяна Владимировна

6. Результаты работы в виде рекомендаций по изготовлению втулки шатуна и втулки механизма газораспределения двигателя трактора Т4 переданы для внедрения ЗАО «Тюменьагромаш» (имеется акт внедрения от

12.04.2004 г.). Ожидаемый годовой экономический эффект составит тридцать семь тысяч четыреста (37 400) рублей.

7. Разработаны способ электроконтактного спекания порошковых материалов с упрочнителями и способ нанесения термического многослойного покрытия, на которые получены положительные решения на выдачу патентов на изобретения (заявка № 2003128614/02 от 23.09.2003 и заявка № 2003128615/02 от 23.09.2003).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рожкова, Татьяна Владимировна, 2004 год

1. Шацов А. А. Механические свойства пористых материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. №12. - С. 8-12.

2. Актуальные проблемы порошковой металлургии // Под ред. О.В. Романа, B.C. Аруначалама М: Металлургия, 1990, - 232 с.

3. Кулик О.П. Состояние и тенденции развития порошковой металлургии за рубежом // Порошковая металлургия. 1994. № 3-4. С. 111-118.

4. Гуляев А.П. Основы металловедения порошковых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 11. С. 32-39.

5. Пат. № 1896854, США / И.Тейлор. Опубл. 1933г. (цитировано по 6.).

6. Райченко А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электротока. М: Металлургия, 1987. - 128 с.

7. Андрущик Л.О., Балакшина О.Н., Корнюшин Ю.В. О движущих силах и кинетике диффузионных процессов при спекании металлических порошков // Металлофизика. 1987. № 2. С. 32-37.

8. Структура и свойства сплавов на основе железа, спеченных методом электроконтактного нагрева / Л.О. Андрущик, Э. Дудрова, С.П. Ошкаде-ров, М. Кабатова // Порошковая металлургия. 1993. № 1. С.33-41.

9. Райченко А.И. Введение в фотометрию металлических порошков. Киев: Наукова думка, 1973, - 174 с.

10. Электроконтактное спекание порошков меди и алюминия / И.М. Фе-дорченко, Г.Л. Буренков, А.И. Райченко и др.// ДАН СССР. 1977. Т. 236. № 3. С. 585-588.

11. Эксплуатационные характеристики алмазных хонинговальных брусков, изготовляемых методом электроразрядного спекания / В.И. Лещинский, Я.Ф. Моцак, И.А. Лавриенко и др. // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1978. Вып. 6. С. 2- 4.

12. Влияние различных способов нагрева на формирование пористой структуры при спекании железа / В. Гермель, Л.О. Андрущик, СЛ. Оппса-деров и др. // Порошковая металлургия. 1987. №1. С. 40-45.

13. Патент 31803. Япония. 1973 г. (цитировано по 6.).

14. Crivelli V.I. // Metallurgia italiana. 1974. V. 66. № 11. P. 636-644.

15. Рыморов E.B., Коган B.M., Радомысельский И.Д. // Порошковая металлургия. 1974. № 7. С. 84-87.

16. Богданченко А.Н. Электроимпульсное спекание порошка быстрорежущей стали // Горячее прессование в порошковой металлургии: Тр. IV Все-союзн. научно-техн. конф. (Новочеркасск, июнь 1979). Новочеркасск: НПИ, 1981. С. 26-32.

17. Калашникова О.Ю. Особенности разрушения сталей из частично-легированных порошков. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 4. С. 19-23.

18. Масленников Н.Н., Латыпов М.Г., Шацов А.А. Карбидостали с повышенной трещиностойкостью // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. № 8. С. 28-31.

19. Ворошнин Л.Г., Дьячкова Л.Н., Фрайман Л.И. Диффузионные покрытия на порошковых материалах для работы в условиях гидроабразивного изнашивания // Металловедение и термическая обработка металлов. 1991. №8. С. 34-37.

20. Райченко А.И., Морозов А.С., Попов В.П. Особенности изготовления деталей из металлической стружки пропусканием электротока // Порошковая металлургия. 1986. № 2. С. 41- 44.

21. Бандин А.С. Электробрикетирование металлической стружки на прессах системы М.Т. Васильева. М.: Наркомат средн. машиностр. ЦДТ. 1941.-43 с.

22. Колачев Б.А., Ливанов Б.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. -416 с.

23. Crivelli V.I., Esposito Е., Mele G.e.a. // Metallurgia Italiana. 1973. V. 65. № 11.-P. 611-618.

24. Кирейцев M.B. Реологическое поведение и прочность композиционных систем типа "алюминий и или его сплав (полимер) оксидокерамика -карбид хрома" // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76. №1. - С. 151.

25. Материаловедение и технология металлов. / Г.П. Фетисов, М.Г. Карп-ман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. М.: Высшая школа, 2001.-638 с.

26. Goetzel C.G., de Marchi V.S. // Powder Met. Int. 1971. V. 3. № 3. P. 134136.

27. Goetzel C.G., de Marchi V.S. // Powder Met. Int. 1971. V. 3. № 2. P. 80-87.

28. Hara Z., Akechi K. // J. Japan. Soc. Pownder and Powder Met. 1977. V. 24. № 2. P. 48 - 54.

29. Hara Z., Akechi K. // In: Titanium 80, Sci. and Technol. Proc. 4. Int. Conf. (Kyoto, May 19-22, 1980), N.-Y. 1980. V, 3. - P. 2265-2274.

30. Нага Z., Akechi K. // J. Japan. Soc. Powder and Powder Met. 1977. V. 24. № 3.-P. 71-75.

31. Райченко А.И., Попов В.П., Морозов A.C. Механические характеристики электроспеченных материалов, прессованных из латунной стружки // Автомобильное производство. 1985. № 10. С. 7-9.

32. Формирование структуры материала медь-алюминий / И.М. Федорчен-ко, Г.Л. Буренков, А.И. Райченко и др. // ДАН СССР. 1977. Т. 236. № 3. С. 585-588.

33. Райченко А.И. Диффузионные расчеты для порошковых смесей. Киев: Наукова думка, 1969. - 104с.

34. Электроразрядное спекание медно-никелиевых порошковых материалов / А.И. Райченко, Г.Л. Буренков, А.Ф. Хриенко и др. // Порошковая металлургия. 1976. № 7. С.25-30.

35. Спекание тугоплавких материалов / В.Д. Андреев, В.П. Бондаренко,

36. A.M. Бараковский и др. Порошковая металлургия. 1983 № 3. - С. 43-45. 39.Shepard L.A., Croft W.J. // Powder Met. Int. 1975. V. 7. № 1. - P. 33-38.

37. Патент № 3882. Япония. 1974 г. (цитировано по 6.).

38. Курочкина В.П., Романовский М.В., Пупынин В.П. // Спеченные конструкционные материалы: Тр. Всесоюзн. семинара по спеч. конструкц. матер. (Киев, апрель 1975). Киев: ИПМ АН УССР. 1976. С. 45-50.

39. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. М.: Металлургия, 1977. -216 с.

40. Конструкционные карбидокремниевые материалы / А.П. Гаршин,

41. B.В.Кармин, Г.С.Олейник, В.И.Островерхов.- JL: Машиностроение, 1975.152 с.

42. Исследование новых способов инициирования пробоя газоразрядных промежутков // Отчет по НИР / Научн. рук. Хромой Ю.Д. № ГР 01830066835 - Петрозаводск, 1984. - 87 с.

43. Францевич И.Н. Карбид кремния. Свойства и области применения. -Киев: Наукова думка, 1975. 250 с.

44. A1-Hassani S.T.S. // Wire ind. 1979. V. 46. № 551. P. 809-816.

45. Патент № 2103113 РФ, МКИ В22 F 3/105, 3/14. Способ горячего прессования электропроводящих порошков / В.Н. Кусков, А.И. Макаров (РФ) // Изобретения. 1997. № 32 от 20.11.1997.

46. Патент на полезную модель РФ № 37955, В 22 F 3/14. Устройство для двустороннего прессования и спекания порошков из электропроводящих материалов / Рожкова Т.В. (РФ), Кусков В.Н. (РФ) // Бюл. № 14 от 20.05.2004.

47. Порошковая металлургия и напыленные покрытия // Под ред. Б.С. Митина М.: Металлургия, 1984. - 792 с.

48. Уманский A.M. Прессование порошковых материалов. М.: Металлургия, 1981. - 80 с.

49. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков М.: Металлургия, 1969. - 264 с.

50. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б.Д. Орлова. -М.: Машиностроение, 1975. 536 с.

51. Структура и механические свойства спеченного электроконтактным нагревом железа / Л.О.Андрущик, О.Н.Балакшина, В.Гермель и др. // Порошковая металлургия. 1991. № 1. С. 17-22.

52. Кабанов Н.С., Слипак Э.Ш. Технология стыковой контактной сварки -М.: Машиностроение, 1970. 263 с.

53. Ивенсен В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории -М.: Металлургия, 1985. 246 с.

54. Корнюшин Ю.В. Явление переноса в реальных кристаллах во внешних полях Киев: Наукова думка, 1981. - 180 с.

55. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах М.: Металлургия, 1978. - 240с.

56. Физическое металловедение // Под ред. Р.У.Кан, П.Хаазен М.: Металлургия, 1987. Т.2. - 624 с.

57. Кочергин К.А. Контактная сварка Л.: Машиностроение. 1977. - 240 с.

58. Ковенский И.М., Кусков В.Н., Прохоров Н.Н. Структурные превращения в металлах и сплавах при электротермическом воздействии Тюмень, ТюмГНГУ. 2001.-С. 214.

59. Физико-химические свойства элементов: Справочник. / Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Наукова думка, 1965. - 807 с.

60. Миркин Л.И. Ренттеноструктурный контроль машиностроительных материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1979.- 134 с.

61. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости / Под ред. Г.С. Шапиро -М.: Наука, 1979. 560с.

62. Рожкова Т.В. Повышение надежности и прочности порошковых изделий на медной основе с карбидом кремния // Новый взгляд на проблемы АПК: Матер, конф. молодых ученых Тюмень: ТюмГСХА. 2002.Т.2. - С. 137-139.

63. Способ электроконтактного спекания порошков с упрочнителями / Кусков В.Н., Рожкова Т.В., Смолин Н.И., Моргун И.Д. // Решение о выдаче патента на изобретение от 24.06.2004 // Заявка № 2003128614/02 (030534) от 23.09.2003.