автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании

На правах рукописи

Рожкова Татьяна Владимировна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ С КАРБИДОМ КРЕМНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ СПЕКАНИИ

Специальности 05.02.01 —материаловедение (машиностроение) 05.16.06 — порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень-2004

Работа выполнена на кафедре «Общетехнические дисциплины» Тюменской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Кусков Виктор Николаевич кандидат технических наук, доцент Смолин Николай Иванович доктор технических наук, профессор Ивашко Александр Григорьевич кандитат технических наук, доцент Венедиктов Николай Леонидович ОАО «Тюменремдормаш»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится "28" декабря 2004 г. в 1000 на заседании диссертационного совета К 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу:

625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, аудитория 219.

Факс (3452) 25-08-52

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Автореферат разослан "_" ноября 2004 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка ресурсе- 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 (ЭКС) 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 металлической связи, что позволяет глубже понять фундаментальные соотношения между составом, структурой и характеристиками спеченного изделия.

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

Цель работы - разработка физико-механических процессов формирования структуры порошковых материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании.

Для осуществления цели поставлены следующие задачи:

1. Выявить особенности структуры и физико-механические характеристики электроспеченных порошковых материалов на медной основе с карбидом кремния. ________

РОС......

С

2. Определить оптимальное соотношение размеров металлических и упрочняющих частиц, которое обеспечивает качественное электроспекание.

3. Разработать модель формирования структуры материала с упрочните-лями в процессе электроконтактного спекания.

4. Выполнить математический анализ поведения спеченного порошкового материала с остаточной пористостью 1-6 % под внешней нагрузкой.

5. Разработать устройство для электроконтактного спекания металлических порошков с упрочнителями.

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 различным содержаниемкарбида кремния.

2. Установлено оптимальное сочетание размеров металлических и упрочняющих частиц для электроконтактного спекания. Металлические частицы не должны быть более 80 мкм, а упрочняющие от 'Л до Уг протяженности 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 ценность.

1. Результаты работы в виде рекомендаций по изготовлению втулки шатуна 01-0304 и втулки механизма газораспределения 01-0527-1 двигателя трак-

тора Т4 переданы для внедрения ЗАО «Тюменьагромаш» (акт внедрения от 12.04.04 г.). Результаты: научно-исследовательской работы используются в учебном процессе в Механико-технологического 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.).

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на конференции молодых ученых «Новый взгляд на проблемы в АПК» в г. ТЮМР-ни, 2002 г.; на регионально-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в г. Тюмени, 2003 г.; на Всероссийской научной конференции «Фракталы и их приложения в науке и технике» в г. Тюмени, 2003 г.; на конференции молодых ученых «Молодые ученые в решении проблем АПК» в г. Тюмени, 2003 г.; на Международной научно-практической конференции «Научные результаты - агропромышленному производству» в г. Кургане, 2004 г.; на конференции «АПК в XXI веке: действительность и перспективы» в г. Тюмени, 2004 г.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, приложения. Изложена на 124 страницах, содержит 20 таблиц и 38 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, указаны научная новизна, практическая значимость и методы исследования.

В первой главе освещено современное состояние вопроса, выполнен критический анализ литературных данных о применении электрического спекания для улучшения эксплуатационных характеристик деталей машин. Описаны технологии изготовления, структура и свойства электроспеченных порошковых и композиционных материалов. Особое внимание уделено специфике готовых изделий и уникальным возможностям метода по сравнению с традиционным способом изготовления. Сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены материалы и методы исследования, а также структура и свойства порошков, использованных для электроконтактного спекания.

Образцы изготовливали из порошков латуни, бронзы и меди с различным количеством зеленого карбида кремния (табл. 1).

Таблица 1

Составы порошковых композиций для электроконтактного спекания

№п/п Содержание компонентов, мае. %

Си | 81С Другие

1 100,0 — —

2 94,9 5,1 —

3 85,0 15,0

4 79,8 20,2 —

5 69,8 15,7 Ре 3,5; А1 8,5; № 2,5

б 59,2 -- Ъа 40,1

Образцы имели форму цилиндров высотой около 13 мм с диаметрами основания 5,7; 13,7 и 20,5 мм. Гранулометрический состав, размеры и форму исходных порошков, а также структуру продольных шлифов выявляли с помощью металлографического микроскопа МИМ-7.

Микротвердость НУ структурных составляющих образцов измеряли на микротвердомере ПМТ-ЗМ при нагрузке на индентор 1,96 Н по ГОСТ 9450-76. Среднюю микротвердость рассчитывали по результатам 5-10 замеров. Относи-

тельная ошибка измерений находилась в интервале 8,0-12,3 % при доверительной вероятности 0,95.

Испытания на сжатие проводили по ГОСТ 25.503-80 при скорости нагру-жения 2 мм/мин и контроле появляющихся на боковой поверхности трещин невооруженным глазом. Относительная ошибка измерений не превышала 7,6 % при доверительной вероятности 0,95.

Испытания на износ выполняли на машине трения СМТ-2 при нагрузке 98 Н по ГОСТ 23.224-86, используя схему «диск-колодка» без смазки. Скорость относительного движения составляла 7,9 м/мин. В качестве контр-тела применяли образцы из стали 45. Использовали метод измерения суммарного износа, взвешивая образцы до и после испытания на аналитических весах ВЛА-200М с точность до 0,1 мг.

Величину гидроабразивного износа определяли на специально сконструированной установке, используя водопроводную воду с добавлением песка Андреевского месторождения. Расход песка составлял 250 г/дм2, крупность достигала 0,8 мм, продолжительность испытаний - 87,5 часов.

Рентгеноструктурный фазовый анализ выполняли по стандартным методикам на дифрактометре ДРОН-2.0 в монохроматизированном излучении.

В третьей главе выполнено моделирование процесса формирования структуры порошкового материала на всех этапах ЭКС.

Выбор параметров спекания заготовок существенно влияет на пористость и физико-механические свойства спеченного материала. В нашем случае давление предварительного холодного прессования составило 35 МПа, горячего - 1015 МПа, напряжение на зажимах сварочной машины 3,34 В. Плотности тока для образцов различного диаметра и время спекания представлены в таблице 2. Температура спекания не превышала (1223 ± 25) К.

Для электроконтактного спекания сконструировано и запатентовано специальное приспособление с корундизовым корпусом, которое устанавливали в зажимы сварочной машины МРС-50. Использовали двустороннее прессование, в качестве смазки применили технический вазелин с дисульфидом молибдена, а

для предотвращения припекания заготовки к медным пуансонам-токоподводам между ними размещали разделительную прослойку из порошков графита и оксида алюминия толщиной ~ 2 мм.

Таблица 2

Параметры электроконтактного спекания

Диаметр образца, мм Содержание БЮ, мае. % Номинальная плотность тока, А/мм2 Время спекания, с

5,7 0 49,8 10

5,7 5,1 51,0 10

5,7 5,1 41,9 8

13,7 0 13,3 20* + 90

13,7 20,2 14,4 70* + 10

20,5 0 7,8 12

20,5 5,1 7,0 6

20,5 5,1 5,8 20**

* Предварительное спекание током 0,6-0,62 кА; ** Произошел выплеск металла иь пресс-формы

Для более плотной посадки пуансонов-токоподводов в корпус огнеупорной втулки устанавливали пластинки из слюды, что позволило устранить зазор и выплеск металла из пресс-формы. Приспособление упрощает технологию и значительно уменьшает объем подготовительных операций по подгонке сопряженных размеров рабочего инструмента и корундизового корпуса, а также облегчает извлечение спеченных изделий благодаря уменьшению трения между заготовкой и огнеупорной втулкой.

Моделирование структурных превращений в ходе электроконтактного спекания начали с оценки исходной пористости порошковой смеси, считая частицы меди сферическими одинакового размера. Расположение частиц в пресс-форме рассматривали аналогично расположению атомов в кристаллической решетке: максимальная пористость наблюдается в случае простой кубической упаковки (ПКУ) и составляет 46,7 %, а минимальная - в случае гексагональной плотной упаковки (ГПУ) - 27,1 %.

После засыпки в пресс-форму порошок подвергают двустороннему предварительному холодному прессованию. Под влиянием внешнего давления пористость изменяется. Рассчитали площадку контакта и пористость для указанных выше двух видов расположения частиц. При этом принимали, что величина плотности одинакова по всей длине заготовки. Для ПКУ упаковки после холодного прессования пористость составит 23,9 %, а для ГПУ упаковки - 15,8 %.

В результате деформации точки С\ и Сг, находящиеся на противоположных частях поры, соединятся в одну (рис. 1).

Тсг

v»Ki

Рис.1. Схема к расчету деформационного механизма

При этом сближение частиц будет прямо пропорционально изменению площадки единичного контакта Ski

Sk = Sk, N К,, cos<p„ (1)

где SK - суммарная площадь контактного сечения образца; N - общее число частиц прессовки; К„ - среднестатическое число взаимных контактов частиц; ср, - угол между осью z, совпадающей с направлением движения рабочего пуансона и линией, соединяющей центры частиц 1 и 2.

Изменение высоты прессовки h можно представить в виде

dh = m dhKi (cosq>, + sincp,), (2)

где hKl- толщина слоя; ш - число слоев прессовки. При этом

'V, N

ЗА 4г. '

N = Щ лг.

где Ne - общее число частиц в прессовке, которое определяется отношением объема матрицы к объему одной частицы; г,-радиус частицы порошка; N - среднее число частиц в слое прессовки; SM - площадь поперечного сечения матрицы; 0 = 1- П - относительная плотность порошковой заготовки.

Изменение высоты слоя в результате деформации частиц (с учетом предельного их сближения) может быть представлено в виде

_ dSKí(2cos(pl -1) dh^-—-. (4)

Площадь контакта с учетом пористости получится

_ 4S„ (3,10-2,20г-0,9) * (2 cos0>, -1)0 + tgq>,) u

В итоге давление холодного прессования с учетом трения пластичного материала о стенки матрицы будет иметь вид

(3,10- 2,7вг - 0,9^- (1+f,tg(pj) Г (2cosp,-l).(l' (Ь>

где /, — коэффициент трения; от - предел текучести материала деформируемых частиц.

Соотношение функций угла <р, находится из условия равенства элементарных работ внутренних и внешних сил (по расчетам величина <р, = 5°)

(cos q>, + sin ф,) cos ф, = 1 (7)

В начальный период спекания происходит разрушение оксидных пленок, возникших в результате воздействия воздушной среды на металлическую поверхность частиц. Максимальную толщину оксидной пленки SCu¡0, которую возможно пробить в условиях наших экспериментов, рассчитали как

j* U

^=-7—-, (8)

JpH3

где U - напряжение на зажимах сварочной машины; jP - реальная плотность тока; рэ - удельное электрическое сопротивление оксида меди Cu20 (рэ = 103 Ом • мм при комнатной температуре).

ю

Выполненные расчеты показали, что оксидная пленка разрушается в процессе спекания и способствует дополнительному выделению тепла в зоне контакта металлических частиц.

Электрический ток оказывает заметное воздействие на движение вакансий. При этом скорость залечивания поры будет прямо пропорциональна плотности потока вакансий и будет находиться в тесной зависимости от изменения их концентрации Му во времени t

(9)

Атомы будут перемещаться в сторону, обратную направлению движения вакансий, под действием трех факторов - движущих сил диффузии: концентрационного, электрического и температурного градиентов

Ш ВТ

(10)

где Ил = ----атомная доля; И¥=е "г - атомная доля равновесных вакан-

Пл+Пу

сий; Ър, - валентность перемещающихся вакансии и атома соответственно; Ьу, ЬА - коэффициенты взаимности вакансии и атома соответственно; е — заряд электрона; Е - напряженность электрического поля; (?у, Ра - количество перенесенной теплоты; Ну - изменение энтальпии вследствие появления моля вакансий; Пу, пА - количество вакансий и атомов в единице объема соответственно.

Равновесная концентрация вакансий при различных температурах претерпевает небольшие изменения. После преобразований и подстановки

)А = —- +2\еЕ~— ■ ^ л А дх А Т дх

(П)

2

где 2\ = 2а(1м —) - эффективная валентность атомов;

<2л = ОЛ^ и + ки ) " эффективная теплота переноса.

Q^

Используя выражение (11) и литературные данные, установили, что под влиянием электрического тока коэффициент диффузии меди увеличился на два порядка и составил 2,2 • 107 см2/с, что ускоряет залечивание пор.

В четвертой главе рассмотрены структура и определены физико-механические свойства электроспеченных материалов. В частности, оценено влияние диаметра заготовок на процесс спекания, изучен тепловой баланс при электроконтактном спекании, а также проведено моделирование внешней нагрузки при эксплуатации спеченного изделия с малой остаточной пористостью.

Реальную плотность тока рассчитывали по формуле

(12)

где 5 - сила тока; Зн - номинальная плотность тока (см. табл. 2); Бе - площадь поперечного сечения заготовки с учетом пор и включений (частиц карбида кремния); интегральная плотность заготовки (с учетом пор и включений).

Реальная плотность тока увеличивается с уменьшением номинального диаметра пресс-формы. Установлено также обратно пропорциональное влияние интегральной пористости прессовки, причем более интенсивно возрастает с повышением концентрации карбида кремния в исходной прессовке, и может превысить номинальное значение в 1,4-3,6 раза.

В результате предварительного холодного прессования в зоне контакта происходит тепловыделение (механическая энергия превращается в тепловую). При этом температура увеличивается приблизительно на 10 К. С учетом этого была рассчитана величина площадки контакта в зависимости от ее расположения относительно направления действия внешней силы. Полученные данные использованы при анализе тепловыделения в различных участках порошковой смеси под действием электрического тока. Учитывали непосредственный контакт двух частиц с оксидными пленками, собственно медные частицы, разделительную прослойку из графита с оксидом алюминия, пуансоны-токоподводы, пресс-форму и элементы сварочной машины.

Количество теплоты, выделяющейся при прохождении тока, рассчитывали по формуле

0 - ОР ' Яобщ I,

(13)

_ Л ~ Ме

где Кобщ= "общ - активное сопротивление всей пористои прессовки;

I - продолжительность спекания; ращ - удельное электросопротивление пористой прессовки; СМе - длина металлической части заготовки после предварительного холодного прессования.

Проводимость смеси порошков рассчитывали как

<т = сг,

3 а,.-ас

(14)

где о0, сгу - электропроводимость основной и включенной фаз соответственно; Су — объемное содержание включений (пор и частиц карбида кремния).

Полученные результаты показали, что при меньшем диаметре пресс-формы выделяется большее количество теплоты, необходимой для спекания заготовки. Это связано с увеличением активного сопротивления изделия. В то же время для всех исследованных диаметров образцов наибольшее тепловыделение наблюдается в прослойке, состоящей из графита и оксида алюминия, обладающей значительным электросопротивлением.

Рис.2. Микрофотографии шлифов чистой меди, полученных электроконтактным спеканием, х 90: а - в центре образца; б - на периферийных участках

На рис. 2 представлены микрофотографии чистой меди в центральных и периферийных участках образца. Принципиальных различий между этими участками не установлено, то есть сплавление достаточно качественное.

Металлографический анализ спеченных образцов показал, что кристаллы карбида кремния распределены равномерно по всему объему спеченного материала и не имеют видимых следов разрушения (рис.3). В композиции БрА9ЖЗЛ с SiC наблюдаются несплавления вблизи крупных частиц. Это связано с применением исходных порошков с меньшей дисперсностью, что заметно ухудшает качество спеченного материала.

Рис.3. Распределение кристаллов карбида кремния (20,2 мае. %) в медных образцах диаметром 13,7 мм. х 90

Для сравнения были изготовлены аналогичные образцы из псевдосплавов, полученные традиционным методом - спеканием в металлургической печи. В результате комплекса испытаний установлено, что изделия, полученные методом электроконтактного спекания, имеют преимущества по сравнению с заготовками, спеченными традиционным методом по всем показателям (табл.3). В частности, величина износа уменьшилась на 24-30 %.

Моделирование внешней нагрузки при эксплуатации спеченного изделия с малой остаточной пористостью выполнили с учетом результатов металлографических исследований, которые показали, что медный спеченный материал имеет достаточно однородную структуру с равномерно распределенными по-

рами, по форме близкими к сферической, с диаметрами в большинстве случаев 2 мкм.

Таблица 3

Физико-механические характеристики материалов на основе меди

Состав порошкового материала, мае. % Пористость, % Предел прочности, МПа Средняя микротвердость, ГПа Износ, мг/ч Удельн. скор, из-наш., 10~7 г/мм2 • ч

метал, основы при наличии SiC

Си 4 87,7 0,85 - 17,3 9,97

Си+5,1 % SiC 3 96,3 0,97 4,96 14,4 7,34

Си + 20,2 % SiC 1 106,2 1,10 5,89 13,3 6,58

БрА9ЖЗЛ +15,7 % SiC 6 129,3 1,88 7,35 12,1 4,40

Латунь Л59 15 - 1,22 - - -

(Си+20,2 % SiC)* 24 68,1 0,96 - - 8,31

(БрА9ЖЗЛ +16,0 % SiC)* 33 70,5 1,04 6,40 - 6,25

* Материалы получены традиционным методом порошковой металлургии

Рассмотрено решение для случая малой сферической полости. В результате наложения на поле простого растяжения величиной S системы нормальных и касательных напряжений, компоненты которых равны по величине и противоположны по направлению и в итоге обращаются в нуль на бесконечности

0r = S cos2 \|/, (15)

TRv, = -S siny -cosy. (16)

Соответствующие напряжения, действующие по сферической поверхности радиуса «я» (рис.4), могут быть представлены в виде , 2(l + y)A( 5-v 2

* v

2(1 + v)A .

—-—j sin V cos 1С.

В

Г

тЦг = 0 (в силу симметрии).

(17)

(18)

(19)

(20)

< = '^(1-3«, «V);

а

ш 24С . Г^ = —5-5111 ((/СОв

.111

(22)

где А, В, С - постоянные, подлежащие определению, V - коэффициент Пуассона.

Полное напряжение с учетом действия равномерного растяжения Б будет иметь вид

Таким образом, поведение материала адекватно упругопластичному изотропному материалу, что подтверждают испытания на сжатие спеченных образцов.

В пятой главе приведены результаты апробации электроконтактного спекания на стандартных деталях тракторов. Выявлена необходимость сортировки исходных порошков перед спеканием. Установлено, что для более равномерного распределения упрочняющего компонента в металлической матрице размеры частиц карбида кремния должны составлять протяженности

металлических фракций, которые, в свою очередь, не должны превышать 80 мкм. Это позволило проводить электроконтактное спекание в одну стадию плотностью тока 5,5-51,9 А/мм2 под давлением 5-10 МПа (положительное решение на изобретение от 24.06.04 г. по заявке № 2003128614/02 от 23.09.03 г.).

(23)

Ро

Рис.4. Распределение напряжений в пористом материале

Результаты испытаний изделий, полученных методом электроконтактного спекания, показали снижение износа в 1,4-1,6 раза по сравнению с деталями, полученными традиционным способом. Экономический эффект составляет 37 400 руб/год (акт внедрения на ЗАО «Тюменьагромаш» от 12.04.04 г.).

Разработан способ электроконтактного нанесения многослойного покрытия для подшипников скольжения (положительное решение на изобретение от 25.06.04 г. по заявке № 2003128615/02 от 23.09.03 г.). Покрытие состоит из слоя меди с добавлением 15-23 мае. % карбида кремния и приработочного слоя меди толщиной 150-300 мкм. Для предотвращения припекания покрытия к токопод-водящему ролику между ними наносят разделительный слой из смеси порошков графита и оксида алюминия. Износ предложенного покрытия после приработки составил менее 12 мг/ч (рис.5).

Результаты проведенных исследований нашли свое применение в учебном процессе в Механико-технологическом институте Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (акт внедрения от 20.05.04 г.).

1. Разработано устройство для двустороннего прессования и спекания металлических порошков с упрочнителями, на которое получен патент на полезную модель № 37955 РФ. Уточнены режимы электроконтактного спекания

Дш/т, мг/ч 2"

Рис.5. Зависимость износа покрытия от времени

о

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

медных материалов с добавками карбида кремния. Продолжительность спекания составила от 6 до 110 с.

2. Исследованы особенности структуры и физико-механические свойства полученных материалов: пористость, предел прочности, микротвердость, величина сухого и гидроабразивного износа. Показано, что электроконтактное спекание не только упрощает технологию и значительно повышает производительность изготовления материалов, но и улучшает их прочностные и износостойкие характеристики. Разрушение зеленого карбида кремния в ходе спекания не обнаружено.

3- Максимальный размер металлических частиц для электроконтактного спекания не должен превышать 80 мкм, а размер упрочняющих частиц должен составлять от V* до 'А размера металлических частиц.

4. Выполнено моделирование процесса формирования структуры порошкового материала при электроконтактном спекании с учетом исходной пористости смеси, наличия оксидной пленки на поверхности частиц, предварительного холодного прессования и прохождения электрического тока при горячем прессовании. Коэффициент диффузии меди под воздействием электрического тока увеличился на два порядка и достиг величины 2,2-10"' см2/с.

5. Математически проанализировано распределение нагрузки в спеченном материале с остаточной пористостью (1- 6 %) вблизи и на удалении от поры в период эксплуатации и установлено, что материал можно считать изотропным.

6. Результаты работы в виде рекомендаций по изготовлению втулки шатуна и втулки механизма газораспределения двигателя трактора Т4 переданы для внедрения ЗАО «Тюменьагромаш» (акт внедрения от 12.04. 2004 г.). Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 37 400 рублей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Рожкова Т.В. Повышение надежности порошковых материалов на основе меди с добавлением карбида кремния, полученных электроконтактным спеканием // Новый взгляд на проблемы АПК: Матер, конф. молодых ученых -Тюмень: ТюмГСХА, т.1. 2002. - С. 137-141.

2. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Моделирование процесса залечивания пор при одновременном прессовании и спекании порошка за счет пропускания электротока // Молодые ученые в решении проблем АПК: Матер. конф. молодых ученых - Тюмень: ТюмГСХА, ч.2.2003. - С. 233-235.

3. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Изменение фрактальной микро- и мезоструктуры при электроконтактном спекании порошков //Фракталы и их приложения в науке и технике: Тр. всерос. научн. конф. - Тюмень: ТюмГНУ, 2003.-С. 157-158.

4. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Повышение надежности и прочности порошковых изделий на медной основе с карбидэм крег/ния // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер, регион, научн.-практ. конф. - Тюмень: ТюмНГУ, 2003. - С. 110-114.

5. Кусков В.Н., Смолин Н.И., Рожкова Т.В. Специфика электроконтактного спекания медных и железных порошковых материалов с карбидом кремния // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб. научн. тр. - Тюмень: ТюмНГУ, 2003. - С. 40-49.

6. Кусков В.Н., Рожкова Т.В., Смолин Н.И. Структура и свойства медных порошковых материалов с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием // Научные результаты - агропромышленному производству: Матер, междун.- практ. конф. - Курган: ГИПП «Зауралье», 2004. - С. 429-433.

7. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Формирование структуры порошковых материалов на основе меди с карбидом кремния в процессе электроконтактного спекания // АПК в XXI веке: действительность и перспективы:

124729

Сб. матер, конф. молодых ученых, посвящ. 45-летию ТюмГСХА и 60-летию Тюм. области - Тюмень: ТюмГСХА, 2004. - С. 173-176.

8. Патент на полезную модель РФ № 37955, В 22 Б 3/105, 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.

9. Положительное решение от 24.06.2004 о выдаче патента на изобретение «Способ электроконтактного спекания порошков с упрочнителями», заявка № 2003128614/02 от 23.09.2003 / Кусков В.Н., Рожкова Т.В., Смолин Н.И., Моргун И.Д. (РФ).

10. Положительное решение от 25.06.2004 о выдаче патента на изобретение «Способ термического многослойного покрытия», заявка № 2003128615/02 от 23.09.2003 / Кусков В.Н., Рожкова Т.В., Смолин Н.И. (РФ).

Подписано в печать 22.11.04. Формат 60x84*/,^. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Тираж 100 экз. Заказ 1989

Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского аграрного академического союза 625001, г Тюмень, уп Республики, 7

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.

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.).

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).

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.