автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Механизм и кинетика процессов высокотемпературного окисления твердых сплавов с целью получения заданных поверхностей

ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ ■ЛЬВШСЬКА ПОЛПЕХН1КА"

со

<У1

СП »

г>-

С-? ПЕЛЕХ ТАРАС МИРОНОВИЧ

УДК 621.762.8(088.8)

МЕХАН13М ТА К1НЕТИКА ПРОЦЕС1Б ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ТВЕРДИХ СПЛАВ1В 3 МЕТОЮ ОДЕРЖАННЯ ЗАДАНИХ ПОВЕРХОНЬ

>05.05.13'- м а и! ип и та апарати замрганх виробшщтв

АВТОРЕФЕРАТ дисертащ! на здобуття еаукового ступеня кандидата техтчних наук

Льв1в - 1998

Дисертагрею е рукопис.

Робота виконана на кафедр1 хиично! шженерп та промислово! екологЛ Державного университету "Льв^вська пол^технжа"

Науковий кер1вник: доктор техшчних наук, професор

ГУМНИЦЬКИЙ Ярослав Михайлович

Держанний уншерситет "Львшська пол^технжа", зав1дувач кафедр] хшпчно! шженерп та проыислово! екологп

Оф1цШш оповенти: доктор техшчних наук, професор РАДЧЕНКО ЛеовЁд Борисович Нацюнальний техшчний университет "Кишсъкий псштехшчний шститут",

професор кафедри "Машини та апарати х1шчних виробництв"

доктор техшчних наук, сглаук.сп1вр. ПАШЕЧКО Михайло 1ванович

Держанний уншерситет " Львгвська полиехнжа" професор кафедр! "Физика ыетал'ш та матер1ало-анавство"

Провщва установи Украгнський державний лкотехшчний уюверситет, м.Льв1в

Захист В1дбудеться "_ с/ерезмл-_ 1998р. о /4* на

засщанш спец5огизовано1 вчено! ради Д35.052.09 при Державному ун1верситет! "Льв^вська шштехнжа" за адресою: 290646, Льв1в-13, пл. Св.Юра 3/4, корпус 9, ауд. 214.

3 дисертац1ею можна ознайомитись в науково-техшчнш б^блютещ Державного университету "Льв^вська пол1технша" (вул. ПрофесорськаД).

Автореферат роз1слано " " О?С) 1998р.

Вчений севретар

спед1ал130вано! вчено! ради Д85.052.09

Вахула Я1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1стъ роботи. Застосування твердих сплав 1в у якост! шструментальних та конструкцдйних матер!ал1в деталей машин та апаратхв х1м1чних виробництв (апарати високого тиеку, подр1бнк>вачь дробарки, штампи для пере робки полшерких материалы та гнгш важконавантажеш елементи) вимагае вщ них високо! мщност}, високого опору зношуванню при терт1 до метал 1чиих та неметал1чних поверхонь та шших експлуатацшних характеристик. Важливим завданням е пок-ращення властивостей вже ¡снуючих твердих сплавав, отримання на виробах 5з твердих сплашв складних фаеонних поверхонь, оекмьки роз-роблення нових композицш 1 технолопчних процес1в вимагае знавших матер1альних затрат.

Шдвихцений штерес до досл5дження властивостей твердих сплав ¡в пов'язаний насамперед Аз 1х високою цдною та використанням !х на в-1д-повщальних дмшнках технологичного обладнання. Ефектившеть застосування твердого сплаву в проыисловост! може бути шдвгацена головним чином шляхом покращеяня 1х якост1 шел я виготовлення. У великотонажних галузях промисловост! (хам1чнш, цементнш, вупльнш, прничш, харчовш, идрометалурги) одним и основних процесш е подр1бнения . Передчасний вих!д з ладу робочих елемент'ш пртодить до зростання соб1вартост1 продукци.

Таким чином створення високояшених твердосплавних вузл1в та деталей х!М1чного обладнання висувае першочергову задачу удосконалення вщомих 1 впровадження нових методов обробки матер1ал5в . При цьому нов! метода обробки повиган не тигьки покращувати експлуатацЫш властивост1 виробзв, але 1 забезпечити бьлын широк! можливос™ для мехашзацп продесу !х обробки, шдвищення його продуктивное™ 1 економ1чно! ефективност]. Вивчення ыехашчних характеристик, а також розробка нових бшьш ефективних методов обробки, е актуальною задачею сучасно! технолог! 5 виготовлення твердосплавних вироб^в.

Значний штерес представляе при цьому Д0СЛ1ДЖення можливост1 покращення якост! 1 шдвищення експлуатацдйно! стшкост! твердосплавних виробхв.

Дисертацгйна робота виконувалась зпдно плану науково-досл5дно1 роботи кафедри х!М1чно1 шженерн та промислово! екологП Державного университету "Львшська псиптехнша" з проблеми "Еколопчно чиста енергетика та ресурсозбер^гаюч! технологи" у в1ДПов1дност1 з науково-техшчною програмою Мппстерства ОСВ1ТИ Украши (№ держреестраци 0194X1029586).

Мета / задач/ лосл'шження. Розробка методов керування технолопчним процесом високотемпературного окисления для

отримання наперед заданих експлуатацдиних характеристик твердоеплашшх вироб1в елемент1в х1м!Чного обладнання як у всьому об'ем1, так 1 в будь-якдо його частиш.

Задач! досл1джекня:

- розробити науков! основи отримання твердосплавних вироб1в з наперед заданный властивостяыи методом високотемлературного окислениям;

- досуидити кшетику процесу окисления 1 отримати константи швидкостей Х1М1ЧНИХ реакцш складових сплаву;

- отримати р^вняння для розрахунку величини шару, що зншаеться з поверхш виробу при оки слеши;

провести металограф1чний, рентгенофазовий, електрон-номшроскотчний анал!з структур твердосплавних вироб!в;

- досл1дити вплив високотемлературного окисления на експлуа-тацшш1 ф1зичш характеристики сплаву;

- розробити математичну модель для теоретичного визначення розподьлу температур в твердому тш1 при поверхневому джерел) тепла;

- отримати залежшсть В1дносного коефкцента термодифузи вдд температури середовища, яка дозволяе прогнозувати розподзл концентраци кобальтовое фази в твердосплавному вирой;

- провести дослвдкення вддносно розподолу концентраций кобальту в твердому сплав], та його вплив на експлуатащйш характеристики;

- розробити технолойчш процеси високотемлературного окисления для отримання твердосплавних виробш з наперед заданими експлуатацшними характеристиками.

- вивчити мехашзм та кшетику високотемлературного окисления окремих складових сплаву типу ВК 1 на 5х основ1 отримати значения констант швидкостей окисления кобальту Со 1 карб1ду вольфраму необх1дних для розрахунку режим 1в термоокислення 1 регулювання складу поверхневих шар1в.

Наукова новизна олержаних результатов. На основ1 теоретичного та експериментального дослщження впливу високотемлературного окисления на мехашчш характеристики твердосплавних вироб!в отримана залежшсть В1Дносного коефццента термодифузи, яка дозволяе вианачити режими термоокислення, що забезпечують в заданих об'емах 1 поверхнях виробу отримання наперед заданих експлуатацшних властивостей.

Досл1дження фазового складу поверхневих, приповерхневих та дентральних шарш твердосплавного виробу, отриманих при р1зних режимах термоокислення, дозволило створити технологио неоднор1дно1 змши властивостей в будь-якш частиш об'ему виробу.

Практичне значения олержаних результат. Розроблеш нов! технолопчш процеси для отримання палыцв 1 пластин дезштегратор1в 1 дисмембраторш, зубк1в бурових дол1т, витотовлених 1з спеченого твердосплавного ыатер1алу типу ВК8ВК, що мають неоднорддш

властивост!. Врахування р1знищ швидкостей окисления окремих складових сплаву внаслвдок явища термодифузп, яке виникае при екзотеры1Чнш реакцн на поверхт виробу, дозволне керувати розподшом складових виробу на його поверхт 1 в об'еш, а В1ДП0В)ДН0 1 мщшсн! характеристики та експлуатацшну довгов1чшсть инструменту, деталей машин та апаратдв х]м!чних виробництв. ■

Керування розподогом складових в об'ем! виробу через термоокислення дае моясливкть отримати високу твердость приповерхневих шар1в 1 пружшсть центральних шарш, що особливо важливо для виробав, якл лрацюють в р1зкодинагнчних уыовах, наприклад, зубки бурових дол1т, палыц 1 пластини дезштегратор1в 1 дисмембратор1в, камери апаратгв високого тиску.

Особистий внесок здобувача полягае в тому, що вш приймав активну участь у постанови проблеми, в розробдз та опрацюванш методик експериментальних доошджень, у виконагаи всдх експериментальних. досл]джень, в обробщ одержаних даних та в теоретичному обгрунтуванш результат1В досунджень.

Апробац1я результате лисертацП. Основш положения дисертацшно! роботи викладеш на М1жнародному кoнгpeci з х1М1чно! та процесно! шженерп "СНГвА^б" (Прага), Мшському ьпжнародному форум1 з тепло- та масообмшу (1996), Пауков 1Й конференцп з хдмЬшоз та процеснол шженерп (Гданськ, 1995), МЪкнародш симпоздуми украшських шженер1в-механж1в у Львов1 (1995, 1997), МЬкнародшй конференцп "Конструкции! та функцюналъш матер^али" (Льв1в, 1993), КонференцН "Автоматизация техиолопчних процеов" (Вшницл, 1994), М5жнародшй конференцп з проблем хорози (Льв^в, 1996), засздакш Сербського Хгшчного Товариства (Белград, 1996).

Публ1кацП. Основний змкт роботи викладений у шести статтях, п'яти публжац1ях матер1ал1в конференций та семи тезах допов1дей.

Структура та об'ем роботи. Дисертагря складаеться з ветупу, семи роздинв, загальних висиовкш, списку використано! лдтератури та додатк1в.

Матер1али дисертащйно-1 роботи викладеш на 164 сторшках машинописного тексту, ¡люетрацл включають 32 рисунки та 10 таблиць. В бзблюграфи приведено 109 дасерел. Додатки складають 13 сторшок.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

Вступ

Обгрунтовано актуальтсть проблеми покращення якост! твердосплавних вироб1в, дощлъшсть використання високотемлера-турного окисления, мета та задача досл5дження, наукова новизна та практичне значения одержаних результат!в. Наведено основну

шформаццо про апробацио робоги, публшацп, структуру та" задач! досл1дження.

Стан питань досл!дження впливу високотемпературного окисления на функц1оиальш власти восгп твердосплавних вироб!в

Приведено огляд лдтератури з анашзу впливу термообробки та високотемпературного окисления на структуру з ф1зико-механ!чш властивост1 твердосплавних виробш. Проанал1зовано основш законом1рност1 процеыв високотемпературного окисления твердосплавних матер!ал1в. Сформульоваш мета та завдання досл!джень.

Об'ект досл!джень та методики проведения експеримент1в

Приведено опис об'екту досл1джень, установки та методик проведения експеримент1в.

Досупдження впливу температури та тривалосто нагр1вання в атмосфер! поштря на змшу властивостей твердих сплавдв 1 форм вироб1в проводили на установи, яка скл а далась з шахтно! печ! СШОЛ-1.01.6/12, обладиано! системою для автоматичного шдтримування задано! температури й атмосфери печ1 \ анал1тично! ваги з точшстю вим!рювання ±0.00001 г. Вивчення кшетики продесу високотемпературного окисления проводили шляхом неперервного зважування зразка в процес1 окисления, який тдвшлувався до одного плеча анал!ТИчно! ваги. Тривал1сть нагр1ву фжсувалась секундомером. Температури окисления становили взд 973 до 1273 К через кожт 100 К. Час витримки при кожнш з температур становив 600, 1200, 1800 с.

Для вивчення випливу високотемпературного окисления на власти-вост1 твердого сплаву використаш 1 описан! так1 методики: металогра-ф!чний, рентгенофазовий, електронномжроскошчний анал1зи, визначения мшротвердост!, мщност! на згин, ударно! в'язкост!, магн^тних властивостей з допомогою в1брацшного магштоыетра.

Механ:зм I юнетика процесу високотемпературного окисления металокерамчних твердосплавних могер|ал1в

Подано досл!дження механизму та кшетики процесу високотемпературного окисления металокерашчних твердосплавних вироб1в. Вольфрамов1 твердосплавш вироби складаготься з двох фаз -карб1ду вольфраму WC 1 цементуючо! Со-фази, тому окисления 1х проходить окремо по компонентах зидно основних реакщй:

WC+2>502=W0з4-C02 (1)

Со+0,5О2=СоО. (2)

В результат! перебету зазначених реакцгй на вироб! утворюються оксидш пл1вки, через яю до поверхш взаемодп повинен дифундувати кисень. Мехашзм процесу окисления можна розглядати як такии, що

екладаеться з двох стадай: дифузп кисню через норове середовище та х]м!чних реакцш (1) 1 (2) и а поверхш матер!алу.

На рис. 1 показана схема розподолу концентраций кисню у процеа окисления твердосплавного виробу. За певний пром!Жок часу т сплав окислюеться на величину ЛЬ, при цьому утворюеться пористий шар оксиду висотою К На поверхш оксиду кондентрахця кисню дор1внюс його концентраци в середовищ] С0, а в М1СЦ1 контакту окислювача з поверхнею зразка, концентрация набувае значения Ср

У стацюнарних умовах масовий потш кисню через пористе середовище доршнюе масовому потоку кисню, який вступив у Х1м1чну взаемодно:

£■ и

(3)

ь

де Ср,С0-концентрахц1 кисню на поверхш зразка I в середовищ1,кг/м3; £ - пористгсть шару; О* — коефиуент дифузп кисню у пористому середовипц, м2/с; к— коеф!щснт швидкост! х1М1Чно! реакцп, м/с.

Досл1дження кшетики окремого окисления карб1ду вольфраму показало, що на кривих температурное залежност! константи окисления е три характер!» долянки. В штервал! 973...1123 К чизша лшшна залежшсть приросту маси АМ В1д часу витримки т. При цих температурах продес проходить в кшетичнш област1 й швидшсть його перебп-у контролюеться х!м1чною реакщею. При температур! вшцш 1363 К окисления проходить в дифузшнш облает] 1 швидшсть процесу вианачаеться дифуззею реагент1в (дифузшна область), 1 супроводжуеться самогальмуванням: з потовщенням оксидно! плавки швидшсть дифузп через не! реагентов , а В1ДП0В]ДН0 1 швидшсть корозшного процесу зменшуеть-ся. Основний ошр , проникнешпо киенго чинить порова шпвка оксиду, яка росте зпдно парабол!чного закону \ величина Ь « л/г. В штервал! 1123...1363 К швидкють процесу залежить як В)Д кшетики х1м1чио! реакцп, так 1 швидкост! дифузп компонентов до поверхш реакцп. Експериментальне досл!Дження окисления кобальту у вказаному штервал1 температур показало, що даний продес протжае в кшетичнш облает!, про що св!дчить прямолштшеть залежност]

Iх

Рис. 1 Розподгл концентрацгй окислювача в процесг термоокисления торцевог поверхнг (1- контейнер,2-зразок, З-оксид).

Представления залежност1 1п к як функцп обернено! температури (рис. 2, (а),(б)) дозволило визначити величини констант швидкостей окисления WC 1 Со в штерваш температур 973...1223 К.

Змша кута нахилу на рис. 2(а) вказуе на змшу мехашзму окйслення С, а залежшсть, що описуе кшетичну область мае вигляд:

= 8,35-104 ■ ехр(-1,77- 104/г). (4)

¿71

-8

ч

8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 , 1/Т-1СГ _ 1/Т104

а) б) V

Рис. 2. Залежнгстъ констант шеидкостг окисления карбгду вольфраму (а) та кобальту (б) вгд температури

Значения константи швидкосй для реакцп (2) визначено зпдно експериментальним даним:

к2 = 99,5' ехр(-1,52' /Т) (5)

Порпшяння залежностей (4) 1 (5) показуе, що константа швидкост! окисления у 38 разщ вища за константу швидкосй окисления Со.

Результата експериментальних дослщжень кшетики окисления 1¥С та Со шдтвердили, що на поверхш виробу з часом зростае концентрация Со, оскшэки окисления WC проходить штенсивнгше. Збшьшення поверхнево! концентрацп Со влливас на покращення експлуатацгйних характеристик деталей Х1мзчного обладнання, як! контактують мЬк собою.

3 метою визначения впливу високотемпературного окисления на структуру кристал1чно1 будови, симетрш та параметри кристал1ЧНо! гратки твердих сплав1в був проведений рентгенофазовий анал1а Отри-маиа дифракцШна картина мктила шформацпо про склад речовин у твердому сплав1. Шсля окисления при температур! 1273 К у сплав!, внаслщок внутрппнього окисления, зявляються оксиди WO^ та VI¿цО$$ .

азг> 2200

Вихгдний зразок

1400

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2

Середки! рогмгр зерен карбтдног фаги., дм

Рис. 3. Граница мщност{ при тръох-точюоеому поперечному згинг сплаву ВК8ВК в залежностг тд середнъого розмгру зерна карбгднсп фази при кшнатнш температург

н.

2,0

24

20

16

12

4 0.0

—а— 263 к —ф— 973 к —о— 1073 к —ф— 1173 к

—

—&- 12 73 к

Г"1

ч. * 1 \

к. Г -—,

1—! -------<1

0.2 0.4

0.6 0.8 I -10 3,

1.0 м

Рис. 4. Змгна мгкротеердостг сплаву на егдстанг 1мм вгд поверхнл зразпа при ргзних температурах

Остльки оксиди характери-зуються високою крихкдстю, то окисления при температур! вище 1273 К лриз-водить до зниження меха-шчних характеристик.

Досл]дження мшро-структури з допомогою електронного мжроскопа в осьовому перер131 твердосплавного зубка показали рзз-нохарактершсть стану ргзних його зон. На мжрошл!-фах твердосплавних вироб!в до окисления зерна мають форму багатогранни-ка з гострими кутами. ЕПсля окисления гостр1 кути заокруглюються 1 розшри зерен зменшуються.

На рис. 3 показано змз-ни границ! мщност] при зги-Н1 в залежност1 В1Д середнъого розьпру карб1дних зерен, як1 залежать в1д режи-м1в високотемпературного окисления та часу обробки. Встановлено, що дана амша структури спричиняе шд-вищення гранищ мщност1 при згиш твердосплавних вироб1в.

Вплив високотемпературного окисления на меха-н1чн! характеристики

Досл1джено вплив високотемпературного окисления на мехашчш характеристики тверди х сплашв.

Для визначення факто-р1в, що впливають на експ-луатащйш характеристики твердосплавних виробзв, бу-ло визначено як змшюетъся

12 16 20 МО3, м

Рис. 5. Мтротвердгстъ по довжинг зразгав, гцо нагрггався у вакуумг при ргзних температурах.

Ъг.

1801

160(

140(

ф 600 с Д 1200 с —▲— 1800 с

973

1073 1173 Т,К

Рис. 6. Залежнгетъ гранищ мщност( при поперечному ггинг вгд температуры. окисления при ргзнга трива-яостг еитрилки.

мжратвердость, граница мщно-ст1 при згиш та ударна в'яз-К1сть у залежност! В1д режи-ы1в . високотемпературного окисления. Результата! експе-римент1В представлен! на рис. 4 у вигляда залежност! вели-чини мжротвердост1 по дов-жиш осьового с!чення зразка, при температурах окисления В1д 973 до 1273 К, через кожш 100 К.

Отримаш результата дозволяють стверджувати, що в приповерхневих шарах мжротвердкть сплаву теля окисления при температур! 1173 К вища вщ мжротвер-дост! вихздного сплаву, а при температурах окисления ниж-чих 1 вищих В1Д 1173 К, вона дор1внюе вих1Дному стану. Таким чином мшяючи час витримки при оки сленш можна мшяти мшротвердость в об'емь Як видно з рис.4 в приповерхневих шарах мж-ротвердкть дор1Внюе вих!д-нш, а в подалыыих В1д поверхш шарах вона спадае. Подалыш досл1дження показали, що мжротвердгсть зрос-тае в середшх шарах, набли-жаючись до вихлдно1, знову спадае 1 зростае в приповерхневих шарах.

Для пор1вняння впливу температури на структуру сплаву, а В1ДП0В1ДН0 1 на його мжротверддсть, зразки нагрг-вались у вакуумнш установщ при температурах 1073 1 1173 К протягом 1800 с. На рис. 5. показана залежшсть мжро-твердосп по довжиш зразка

а-10* Дж/м

. « 1 1 1 ф Вта ■ф— 1073 К -Йг— 1173 К -Лг— 1273 К

/ / Л

/ г

* э ■

у

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 32

Середтй розлп'р зерен карбгдног фаги, мкм.

Рис. 7. Змта ударког в'язкостпг в залежпостг вгд середнъого розмгру зерна кобалътовог фази при ргзкш температург г триеалостг окисления.

Н, А/м 10000

9500

9000

8500

8000

7500

—Щ— 300 с —ф— 600 с А " 1200 с

. 1 У 1

0 973 1073 1173 Т, К Рис.8. Змгна коерцитпивнт сили в залежпостг тд температуры та часу окисления

при натршанш у вакуум!. Цим досотдженням було встановлено, що нагр1В у вакуум! приводить до однаково! зыши структури ! м5кротвердост! по всьому об'емё.

Таким чином, впливаючи на структурно змши регулю-емо, як в окремих частинах, так 1 в щлому об'ем1 мшро-твердасть виробу.

Внаслщок вёдносно висо-ко1 крихкост1 твердих сплавдв оцшку МЩНОСт! 1 в'язкост! проводили шляхом випробувань призматичних зразшв на згин.

3 шдвигценнлм темлера-тури 1 тривалост1 окисления границя мщност1 при поперечному згиш зростае. На рис. 6. показши результати випробувань на згин.

Здойснено динам!чш вип-робування сплаву на ударний згин (визначення ударно! в'яз-кост!). Встановлено, що змен-шення розм1ру зерен карбиду вольфраму в процес! високоте-мпературного окисления дае можлив1еть п!двищити плас-тичшсть 1 в'язк!сть сплав!в. На рис, 7 показан! залежност! зм1-ни ударно! в'язкост1 вщ серед-нього розм1ру прошарку коба-льтово! фази при р!зних температурах 1 тривалост! окисления. Встановлено, що внасл1-док швидко! деформаци при випробуваннях на ударну в'яз-к!сть "в!дпочинок" кобальтово! фази не встигае вщбутися ! сплав руйнуеться крихко.

Отже з цде! причини вели-тана ударно! в'язкост! менше залежить вщ степен! блокува-

и

ння цих прошаркш 1 змшюеться пропорцшно загальнш кшькост! коба-льтово"] фази.

Вплив високотемпераггурного окисления на ф1зичж характеристики

Показано вплив високотемпературного окисления на фдзичш характеристики твердосплавних виробдв. Вивченню структури металокераш-чних твердих сплавав суттево сприяють експериментальш Д0ел1Дзкення магштиих властивостей в постшних 1 змшних полях р!зно] частота, як1 дуже чутлив! до особливостей будови гетерогенних систем, в яких одна з фаз феромагштна. Зале5кшсть коерцитивно5 сили сплаву ВЕ8ВК вщ температури 1 часу окисления показана на рис.8. Анал1з отриманих величин говорить про те, що температура 1 час обробки змшюють коерцитивну силу твердого сплаву. Встановлено, що спад коерцитивно! сили пояснюеться зняттям напружень в кристал1чнш гратщ нагр1вом твердих сплав ¿в шсля сшкання, а шдвшцення Нс викликане зменшенням зерна .

На рис. 9, показана залежшсть питомо! иамагшчеиост1 сг, вщ часу 1 температури окисления 0",=/(т, Т). Збшынення часу окисления викликае додаткове розчинення ^С в кобальта, що приводить до зниження питомо1 намагшченоет!.

Таким чином, змщнення твердих сплав 1В теля високотемпературного окисления обу-мовлено: подр1бненням блоков мозаши зерен карбдду вольфраму з 310 А до 205 А для дослщ-жуваного сплаву, змшою фазового складу кобальтового твердого розчину з видаленням WC фази 1 покращенням якостд по-верхн!.

Математичне моделювання теплопереносу при термоокисленн1 твердих сплав!в

Подано математичиу модель теплопереносу при термо-окисленш твердих сплав ¿в.

Процес термоокисления твердих сплавав вщбуваеться на поверил виробу. В результат! ек-зотерм!чно1 х1Мдчно! реакци

А-м?/кг

13.2

12.8

12.4

12.0

11.6

11.2

(— 1273 К И73К I— 1073 К

400

800

1200 Т, С

Рис. 9. Залежнктъ питомсп намагнг-ченостг а2 егд часу г температури окисления

окисления на цилшдричши поверхн1 твердого сплаву шдвигцуеться температура Виникають два потоки тепла: одна частина шляхом теплопровдаост! нагр!вас вир5б, а друга методом конвекцп та теплового випромшювання в!дводиться у навколишне середовище. Змша температури виробу, як було вказано вшце, приводить до змши його мехашчних властивостей. Тому необх1дно знайти розподдл температури в середин! цилшдра в довшьний момент часу, а також температуру середовища як функщю часу. Розглядався твердии сплав у вигляда ци-лгндричного т1ла радаусом Д з початковою температурою Т0, яке знахо-диться у середовипц з идею самою температурою.

Вихддним е р1вняння теплопров1дност1 разом ¡з крайовими 1 початковими умовами, доповненими р1внянням теплового балансу:

¿Т 1 <?Г) . лп

!к = Лй7 + г'~дгГ > <Г> )! Т(г,0) = То;Г^ = 0) = Го;

со, (6)

а-

{к^&^яКНт = м"со(Т, - Т0) + МтСт(Т - То), де Т0~ початкова температура; К; Т}- температура середовища в результат! екзотерм1Чно! реакцп, К\ Т - б]жуча температура, К; Т -сере дня температура виробу, К; ?С{- константа швидкост1 хдм1чно1 реакцп, м/с\ К - радоус виробу, М', г - б1жучий радоус виробу, м; Н -висота виробу, м\ С0- концентрация кисто в пови-р!, кг/м3; С& - питома теплоемшсть пов]трп, кДж/кг-К; Спитома теплоемшсть сплаву кДж/кг-К) Мс \ Мт=лЕ2Нрг - маса пов)тря 1 сплаву в1дпов]дно, кг; фд-теплота реакцп, Дж/кг; X - коефццент теплопровдаост!, Вт/м-К; р? -густина сплаву, кг/м3', а - коефодент температуропров1дност1, м2/с\ а -коефщент теплов1Дцач1, Вт/л2 К; х - час окисления, с.

Рппення системи р1внянь (6) проводилось операщйним методом, основании на перетворенн! Лапласа. У результат! ркиення отримали р1вняшт для визначення розподалу температури в твердому вироГи Т( <р, Ро) з джерелом тепла на його поверхш:

^=т„+- 2ШТ1(Ш;2>+

" Вг(/2 + 2) ВНР + 2) [В г О? + 2)^

♦Е—

2Т'(2В{ - & • /3)10(/2п<р)егр\-игпРо\

T, К 1500

1400

1300

1200

1100

1000

12' '3 К

11 ГО г

К 73 1*

де ßn, n=l,2,3>._ -KopeHi хярак-

o- г

теристичного р1вняння; Fo =

Яг2Т*

-1.0 -05 ОД 0.5 1.0

r/R

Рис. 10 Графгш роз nodiny температур в твердому mini в залежпостг eid температури окислюючого середовища при г -1800 с.

8г,

кг/м3'К

12

10 8

_ , а-R

- число фур е; Вг= —-— - число

Л

Bio;' Ij - функщя Бесселя першого порядку; <p=r/R;ß= M0C0/MjCr.

При р= 1 отримаемо вираз для визначення температури на поверхш твердого Tina, У дисертаци приведено р!вняння для визначення температури середовища. На рис.10 приведено графжи розподолу температур в твердому Tini при термоокисленш.

Одержат р^вняння дають можлив5еть точного визначення констант швидкоеп реакцп та коефицент!в дифузп в залежностд в1д температури i таким чином

прогнозувати розподап концентра-цп кобальтово! фази в твердосплавному вироб] при термоокисленш.

Р1зниця температур М1Ж поверхнею твердосплавного виробу i його центральною частиною викликае перерозподол концентраций Со внасл!док термодифузп. У протилежному напрямку проходить мсшекулярна дифуз^я. Сумарний потж визначаеться принципом Онзагера:

ndC „ dT

dr

ЗГ1ДН0

(8)

1050 1100 1150 1200 1250 1300

Рис. 11. Залежмстъ егдносного коефгщенту термодифузп eid температури середовища.

де j - густина масового потоку, кг/м2с; D - коефнцент молеку-лярно5 дифузп при дифузйшому потощ, мг/ с; Dt - коефпцент термодифузп при термодифузшно-му потощ, кг/м-с-К) С - концентра-щя кобальтово! фази, кг/м5.

Оск1льки у центр! концентращя

кобальту бшьша, ник'на поверхш Сц>Сц, то термодифузшний потш е переважаючим над чисто дифузшним на початку лроцесу. Для вианачення коефкренту термодифузи при термодифузшному потощ В-р необидно знати коефццент молекулярной дифузп при дифузшному потоц! И. Приймався линйний розподол концентрацп Со у твердому тип 1 визначався в1дносний коефвдент термодифузп <5^, що представляе собою вёдношення Пр до О:

о тп-тц

Представлен! на рис.11 даш локазують, що 13 збшьшенняы температури величина ¿5г зменшуеться. Це означас, що вплив температури на коефщдент молекулярно! дифузи е значно больший, тж на коефщдент термо дифузи. Одержан! значения Зр, визначеш за залежшстю (9), а також теоретичш залежност! температур на поверхш 1 в середиш твердого тша (7) дозволять прогнозувати розподол концентрацш кобальтово! фази в твердосплавному вироб! при його термоокисленш.

Технолопя отримання металокерам'шних твердоспловних виробш э новими функцюналькими характеристиками методом високотемпературного окисления

Розроблено технологию отримання металокерам1чних твердоспловних вироб^в з новими функщональними характеристиками методом високотемпературного окисления. Розглянуто способи змщнення твердо-сплавних виробёв, так! як об'емне та поверхневе змщнення в жорстких метал1чних касетах \ обмазках, в засипках, в киплячому шар!. Визначе-но способи шдвищення над1Йноет! ! стшкос-п ударних елёмент1в подрдб-нювач!в-дробарок та зубкш бурових дол1т.

висновки

1. Тверда сплави вольфрамокобальтово! групи володноть високою працездатшстю в резнях умовах експлуатацп, однак !х висока твердость стае причиною розтрккування та викришування. Тому постае проблема шдвищення мехашчних характеристик твердосплавних вироб1в при одночасному збереженш вже кнуючих. ---------

2. Розроблена методика визначення параметров режиму технолопчного процесу високотемпературного окисления. Визначеш констаити швидкостей х1м5чних реакций окремих складових твердого сплаву 1 показано, що окисления карбдду вольфраму протжае у 38 раз'ш швидше, шж окисления кобальту.

3. Металограф1чний I електронномжроскошчний анал1зи дали можлив1Сть виявити структуры! змши в результат високотемпературного окисления. Магштометричний 1 рентгенофазовий анал!зи падтвердили результата металографдчного 1 електронномжроскошчного анал!31в 1 ви явили додатков1 змши в структур], так! як подр!бнення зерен WCJ додаткове розчинення WC 1 Со один в одному, а також утворення штерметашдов.

4. Спос1б високотемпературно! окислювально! обробки, на в1дмшу В1Д терм1чно! об'емно! обробки, дозволяе змшювати структуру як на окремих частинах поверхш, так 1 в об'ем1, шляхом дп окислювального середовища на оброблювану частину поверхш при 1залящ1 поверхонь, що запиши лися за допомогою спещальиих покрить.

5. Визначено вплив високотемпературного окисления на мехашчн! 1 ф!зичш властивост! твердого сплаву. МЬсротвердють в приповерхневих шарах шдвищуеться, а в центральних знижуеться. Регулюючи температуру 1 час термоокислення можна змшювати мжротвердкть. Час 1 температура мають вплив на величину границ] мщноеп при згиш 1 ударну в'язк!сть. Границя мщност! сплаву ВК8ВК при поперечному згиш зростае на 44%, ударна в'язшсть в середньому на 76% 5 мшротвердлсть в приповерхневих шарах на 43%.

6. Диференщальний терм]чний анал!з дав можлив'гстъ визначити змши приросту маси, температури I швидккть окисления в результат] хдм1Чно! реакци на поверхш виробу. Це дозволило встановити мехашзм ] енергпо активацп при термоокислеиш.

7. Змша магштних властивостей сплаву, обробленого високотемпературним окислениям подтвердили явище подр1бнення зерен 1 додаткового розчинення WC у Со.

8. Розроблена математична модель тепломасопереносу при високотемпературному окислешн твердих сплавав ! знайдено теоретичш залежност1 для визиачення температур на поверхш ! в середин! твердого тма \ в!даосного коефццента термодифузп , як! дозволяють прогнозувати розподол концентрацш кобальтовое фази в твердосплавному вироб:.

9. Причинами змши мехашчних характеристик сплаву WC-Co при високотемпературному окисленш е перероаподол кобальтово! фази як на поверхш в результат) р1зних швидкостей окисления окремих складових сплаву, так ] в об'еш за рахунок явигца термодифузп, а також подр!бнення зерен карб1ду вольфраму, що визначено металограф^чним, електронномжроскошчним 1 рентгеноструктурним анализом структури 1 фазового складу сплавав.

10. Пор1вняльш промислов! випробувания дезштегратор]в, як! армоваш твердосплавними пальцами теля високотемпературного окисления 1 цийфування показали, що вщносна стшшсть палыцв в результат! 1х змщнення зросла в 3.87 разш, а проходка бурових доли1,

як] армованих твердосплавними окисленими зубками шдвищилась на 30% у пор1внянн1 i3 еерайними.

11. Розроблено технолопчний процес зм^цнення твердосплавних вироб1в високотемпературним окислениям. Результате передай) для впровадження досл!дному заводу "Прх^мпром" j ВАТ "Дрогобицький долотний завод",

Основний зм1ст дисертац1йно1 роботи викладений в наступних публ1'кац!ях:

1. Гумницький Я.М., Пелех Т.М., Мбова Д. П Кшетика високотемпературного окисления кобальту // Вкник "Хшзя i технология речовин та 1х використання", Львёв, 1096. - С. 104-106.

2. Гумницький Я.М., Пелех Т.М., Горбаль О. М. Вплив високотемпературного окисления на поверхню твердосплавних виробев // В1сник "XiMin i технолопя речовин та ix використання", Льв1в, 1997. - С. 153155.

3. Гумницький Я.М., Пелех Т.М. Вплив високотемпературного окисления на поверхнев1 шари твердосплавних вироб1в // Bicrncc ДУ "Льв1вська полгеехшка", "0птим1зац1я виробничих процес1в i техшчний контроль у машинобудуванш i приладобудуванш", м. Льв1в, №303, 1696. - С. 32-34.

4. Гумницький Я.М., Пелех Т.М., Пелех М.П. Високотемпературне окисления твердосплавних виробт при регульованш подач! окислювача до поверхн1 взаемодп // Республшанський м^жвщомчий науково-технь чний зб^рник "Автоматизация виробничих процес ¡в в машинобудувашп та приладобудуванш". "Cbit", Льв1в, вип. 32, 1995. - С. 69-72.

5. Пелех Т.М. Вплив високотемпературного окисления на коерци-тивну силу твердого сплаву ВК8ВК // Bichhk ДУ "Лыпвсъка пол1технша", "0птим1защя виробничих прюцест i техшчний контроль у машинобудувашп i приладобудуванш", м. Львёв, №303, 1996. - С. 100101.

6. Пелех Т.М., Гумницький Я.М., Пелех М.П. Шдвищення мщност1 при зги1п сплаву ВК8ВК високотемпературним окислениям // Bicrons ДУ "Льв1вська пол1техшка", "0птим1зац1Я виробничих процес1в i техшчний контроль у машинобудуванш i приладобудуванш", м. Льв1в, №303, 1996. - С. 97-100.

7. Гумницький Я.М. Пелех Т.М. Mass transfer in thermaloxidation of hard alloys // XV ogolnopolska konferencja naukowa inzenierii chemicznej i procesowej. Materialy konferencyjne. 1995. - P. 112-117.

8. Гумницький Я.М., Пелех T.M., Пелех МЛ Вплив високотемпературного окисления на макроструктуру твердих сплав!®// Матер^али Ш М1жнародно1 конференци виставки "Проблеми корозп та протикорозшного захисту конструкщйних матер^ашв", м. Льв1в, 1996 р. -С. 352-353.

9. Гумницький Я.М. Пелех Т.М. Математична модель термоокислен-ня твердих сплав 1в з метою одержання материалib з функцюнальними властивостями //Перша мджнародна конференщя "Конструкцшш та функщональш матераали". Тези доповщей, Льв1в. 199S. - С. 187-188.

10. Гумницький Я.М. Пелех Т.М. Масообм1н в процесд високотемпе-ратурного окисления твердих сплавав // Конференщя "Автоматизащя технолопчних процесш". Тези доповддей. Вшниця, 1994. - С. 144.

,11. Гумницький Я.М. Пелех Т.М. Масообмш при одержанш матер1а-Л1в з новими функцюнальтши властивостями // 2-й ьшкнародпии симпоз1ум украшських шженер1в-механш1в у Львов!. Тези доповдДей, 1995. - С. 153.

12.Гумницький Я.М., Пелех Т.М., Юрим IM. Mass transfer at the system with solid phase accompanied by evolution of gaseous phase// 12th International Congress of Chemical and Process Engineering "CHISAW. Prague, Czech Republic, 1996. - P. 157-162.

13. Пелех T.M. Тепломасообмш в процесах високотемпературного окисления // Тези доповщей IX млжнародно! конференцп "Удоскона-лення процесзв та апарат!в х!М1чних, харчових та нафтохипчнйх вироб-ництв", м.Одеса, 1996. - С. 64.

14. Пелех Т.М. Гумницький Я.М. Вплив високотемпературного окисления на експлуатацшш характеристики твердих сплавдв// 3-й мджнародний симпозиум украшських шженер!в-механпс1в у Львовд. Тези доповддей, 1997. - С. 168-169.

15. Пелех Т.М., Гумницький Я.М., Тальян К Heat and Mass-Transfer during Hightemperature Oxidation of Hard Alloys. 5th European Conference on Advanced Materials, Processes and Applications, proceedings volume "Metals and Composites", Maastricht, The Netherlands, 1997. - P. 178-182.

16. Пелех Т.М. Використания високотемпературного окисления для покращення властивостей твердого сплаву ВК8ВК. Зб1рник наукових праць шосто! науковод конференцп "Львдвськ! xiMi4Hi читання-97", м. Львгв, 1997. - С. 187.

17. Пелех Т.М., Кондир А.1,Борисюк А.К., Пелех М.П Змша магштних характеристик твердого сплаву шд ддею високотемпературного окисления. //Друга м5жнародна конференщя "Конструкции! та функцюнальш матердали". Тези доповщей, Льв1в. 1997.-С. 152.

18. Пелех Т.М., Гумницький Я.М, Мединський LH Математична модель теплопереносу при термоокисленш твердих сплав ib. //Друга mi-жнародна конференщя "Конструкцией та функцюнальш матер^али". Тези доповщей, jibbib. 1997. - С. 153.

Пелех Т.М. Мехашзм 1 кшетика процес1в писокотемпературного окислення твердих сплав ¿в з метою отримання заданих поверхонь. -Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеню кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.05.13 - Машини та апарати х!мЬших виробництв. - Державний университет "Льв1вська пол!технжа", Львго, 1698 р.

Захищаеться гшстнаддять роб1т, в яких розглянут! питания отримання заданих поверхонь твердих сплавш шляхом високотемпературного окислення. Представлен! результата досл1ДОкення кшетики продесу високотемпературного окислетш твердих сплав1в. Встановлен! анал1тичн1 залежност! для розрахунку режиму обробки при отриманш вироб1в 13 заданими властивостями. Вказаш переваги використання методу високотемпературного окислення в пор!внянш з традицшними методами обробки.

Розроблена технолоия отримання твердосплавних вироб1в з разними властивостями.

Ключов! слова: виеокотемпературне окислення, кшетика, термодифуз!я, механ1ЧИ1 характеристики, тверд! сплави.

Пелех Т.М. Маханизм и кинетика процессов высокотемпературного окисления твердых сплавов з целью получения заданных поверхностей. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13. - Машины и аппараты химических производств.- Государственный университет "Львовская политехника". Львов, 1998г.

Защищается шестнадцать работ, в которых рассмотрены вопросы получения заданных поверхностей твердых сплавов путем высокотемпературного окисления. Представлены результаты исследования кинетики процесса высокотемпературного окисления твердых сплавов. Установлены аналитические зависимости для расчета режима оброботки при получении изделий с заданными свойствами. Указаны преимущества использования метода высокотемпературного окисления в сравнении с традиционными методами обработки.

Разработана технология получения твердосплавных изделий с различными свойствами.

Ключевые слова: високотемпературное окисление, кинетика, термодифузия, механические характеристики, твердые сплавы.

Pelekh T.M. The mechanism and kinetics of processes of hightemperature oxidation of hard alloys with purpose of getting determined surfaces.

The thesis for Cand. Tech. Sci. degree by specialisation 05.05.13 -Machines and apparatus of chemical productions, State university "Lviv polytechnic", Lviv, 1998.

We present sixteen articles where the theoretical and experimental investigation questions of getting determined surfaces by means of hightemperature oxidation. The results of investigation of process and kinetics of hightemperature oxidation of hard alloys. The analytical dependencies for calculation of treatment regime for samples with determined properties are presented. The advantages of hightemperature oxidation method using are specified in comparison with traditional treatment methods.

The technology of getting of hard alloy samples with different properties is worked out.

Key words: hightemperature oxidation, kinetics, thermal diffusion, mechanical characteristics, hard alloys.