автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование закономерностей и особенностей ударно-волновой обработки порошков тугоплавких соединений и разработка технических решений получения керамических изделий на основе циркониевого электрокорунда при взрывном прессовании

РГ6 ОД \ 4 « 1993

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ' ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Смирнова Светлана Зикторавна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И_ ОСОБЕННОСТЕЙ УДАРНО - ВОЛНОЗОл ОБРАБОТКИ П0Р0ККСЗ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОЛУЧЕНИИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИй НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЕВОГО ЭЛЕКТРОКОРУНДА ПРИ ВЗРЫВНОМ ПРЕССОВАНИИ .

Специальность 05.02.01 "Материаловедение в машиностроении"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на^к

Волгоград - 1993

Работа выполнена на кафедре "Легалловедение и тер;лическая обработка металлов" Волгоградского ордена Трудового Красного знамени пол технического института.

Научные руководители

Заслуженной деятель науки' и техники PC'-íCP, доктор технических наук, профессор

Пайков Петр Сскпович|

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- кандидат технических наук, доцент

Гелунова Зоя Максимовна

- Член-корреспондент Российской А Анциферов Владимир Никитович

- кандидат технических наук, доцент

Соннов Александр Петрович

- ¿олжсюШ 14.1а (г. Волжский)

Направляй.1,: Вам для ознакомления автореферат диссертации научного сотрудника Смирновой C.B. Просил Вас и сотрудников Вашего учреждения, интересующихся темой диссертации, принять участие з заседании специализированного совета или прислать свой отзкв в од^ом экземпляре, заверенный печатью, rio адресу: 40Ü06Ó, г. Волгоград, лр.им. о.й.Ленина, 2d, ученому секретарю специализированного совета К 053.76,03.

Защита состоится "26" LtCO ИЛ, 1993г. »¡Очзйоъ на заседании специализированного совета К 063.70« 03 в Волгоградском политехническом институте.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - техншбской библиотеке института.

Автореферат разослан $*¿\4.Ú.J{ 1993г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук, доцент

В.И.Лысак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР ИСТИНА РАБОТН

Актуальность темы. Динамичнее развитие большинства отраслей промыиленного производства естественно связано с созданием новых и улучшенном свойств существующие конструкционных материалов, ' а также с расширением сферы их использования, поскольку они в существенной мере, определяют уровень технических, эстетических и экономических характеристик изготовляемой продукции. Повышение технических и экономических требований к современной технике обуславливает расширение исследований материалов тугоплавких соединений, являющихся во многих случаях наиболее эффективными, а иногда единственно возможными средствами решения сложных научных и практических задач. Захнук роль в получении и обработке таких материалов могут играть методу порошковой металлургии и, в частности, импульсное прессование и дробление путем высокоскоростного нагру-жения с использованием бризантных взрывчатых веществ СВВ).

Характер воздействия высокоскоростного нагружения на керамические материалы весьма разнспланоз, а порой и противоречив в силу 6ол£сой индивидуальности - природы - каздого материала. Поэтому изучение особенностей взрывной обработки порошков тугоплавких соединений, исследование закономерностей процессов, проходящих при их высокоскоростной обработке для определения и создания механизма управления свойствами получаемых материалов и образцов -- одна из приоритетных задач технического прогресса.

Актуальность поставленных задач подтверждается выполнением работы в составе Межвузовской научно - технической программы "Фундаментальные исследования области порошковой технологии11, утвержденной-Министерством науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации (Приказ £ И от 13.02.1992г.).

Цель работы. Исследование закономерностей и особенностей ударно - еолновоя обработки'порошков тугоплавких соединений, установление зависимостей структуры и свойств от параметров, условий-' нзгружения и напряженного состояния и разработка технических решений получения керамических изделий на основе циркониевого электрокорунда при взрывном прессовании.

На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований структуры и свойств порошка карбида кремния при различных напряженных состояниях, реализуемых в материале при высокоскоростном нагрузкении; характер влияния напряженного сосго-

-г -

яния на процессы дробления и прессования хрупкого порошка;.способ ззравкого исмельчения пороака; результаты исследований процессов, проходящих при ударно - волновой обработке порошкообразного циркониевого элекгрокорунда (Щ); установленные экспериментальна;.! путем зависимости качества получаемых прессовок из порошков ЕЦ от параметров нагружешя, исходного состояния материала и размера частиц порошков; эффективность использования взрывного прессования порошков оЦ для получения качественных образцов прессовок высокого уровня плотности, различных формообразований; экспериментальные данные по взрывному контактированию неиспользуемых отходов производства оЦ с целью их утилизации; разработанные с учетом особенностей ударно - волнового воздействия технические решения по'ра -циональным исходным условиям и параметра« взрывного прессования различных изделий на основе Щ,

Объекты и методы исследования. При проведении экспериментов' и исследований процессов, проходящих при ударно - волновой обра -ботке (дробление, прессование, структурные изменения) в качестве основных объектов исследования были выбраны порошки тугоплавких соединений карбида кремния и циркониевого электрокорунда, имеющие существенные различия физико - технических характеристик. Выбор этих исьусственных абразивных материалов продиктован комплексом присущих км ценных свойств и реальной возможностью расширения областей их применения з современной технике, перспективой использования в будущем. ' .

Ударно - волновая обраб отка пороаг.ов осуществлялась с использованием кзвеотых схем и технологических приемов. В качестве основных схем натруаекия были выбрана ачпульше схемы с равномерна и неравномерным обжатием по окружности ампулы, как наиболее, эфрек-слвнае прг решении поставленных задач.

истода исследования, используемые в рабсге,выбирались с условием наиболее полного контроля поведения и состояния изучаемого материала при ударно - волновом нагружении.

С целью выявления изменений структуры материалов после нагру-жения проводились рентгеноструктурный (определение физического уши-рения, характеристик тонкой структуры , качественный и количественный фазовые анализн), металлографический, элекгронноминроскопичес-кий анализы. При определении фракционного состава порошков применялся седиментационшй метод. Проводились измерения плотности,' прочности, твердости получаемых образцов. Для оптимизации резуль-

тагов по ударно - волновому нагрукении исследуемых материалов использовался факторинг анализ с применением ПЭВМ при р^.сч^тах и графических построения зависимостей.

Научная нозизка. Новыми научныма положениями работы являются ьиявленные в результате исследований и экспериментов закономерности и особенности поведения пороакообразных материалов тугоплавких соединений при их ударно - волновом иагруженич.

Раскрыта существенная роль напрятанного состояния, создаваемого в хрупком порошке при высокоскоростном нагрукснии в формировании конечной структуры и свойстз получаемых образцов. Показано, что управляя напряженный состоянием, можно изменять и контролировать качественно ц количественно состав физических явлений- и механизмов их реализации. На Эх-ой оснозэ усовершенствована существующая фпзнко - механическая модель взрывного сбжатия хрупких порошков, в которую введен элемент, отвечающий за пластическую де -формацию и задействован временной фактор. Модель огооракаег поведение поропков при нагружении как по сущности проходящих физических явлений, гак и по их последовательности и. во взаимосвязи.

•'Установлено, что при малых уровнях удельной энергии обкатия и высокой уровне касательных напряжений, создаваемых в порошке карбида кремния при нагрухеншт, раздробленные частицы имеет преимущественно иеизокетричну» форму. С ростом удельной энергии обжатия и снижением уровня касательных напряжений возрастает число направлений, по которым осуцествляется процесс разрушения отдельной порошинки, появляются частица с очень развитой поверхностью, происходит интенсивный рост внутренней энергии раздробленных частиц.

Выявлено, что процессы дробления и прессования хрулкого порошка . рбида кремния при виоскоскоростном нагрукении характера -зувтся корреляцией соответственно между результатами изменения гранулометрического состава и плотностью получаемых прессовок, уровнем касательных напряжений и элементами тонкой структуры. Установлено, что процесс прессования имеет три характерные зони, в каждой из которых действует свой определясиий фактор.

Получена математическая модель зависимости плотности прессовок карбида кремния от удельной энергии обкатил и деформации при различной динамической жесткости среды, передавшей давление при нагружении.

- ц

Впервые1 установлена реальная возможность взрывного прессования порошков циркониевого электрокорунда СЬЦ) различных фракций без применения связок и поучения высокоплотшх образцов, (-пределен характер зависимости плотности получаемых прессовок и коэффициента усадки порошка от исходных условий и параметров, нагружения Выявлены диапазоны параметров высокоскоростного нагруженш для трех основная групп - типов образцов, получаемых по ачпульной схе ме с равномерным обжатием, структура и основные свойства которых илеют характерные различия.

Остановлено, что при высокоскоростном нагружении происходит неполное тетрагонально - моноклинное превращение диоксида цирко -ния в циркониевом электрокорунде, степень полноты которого зави -сит от скорости взрывного обжагкя.

экспериментально установлена пластическая деформация SU в исследуемом диапазоне параметров нагружения. Доказана.принципиальная возможность получения взрывным прессованием порошка качественных образцов высокого уровня плотности без операции спекания.

Отдельные технологические разработки выполнены на уровне изо ретений.

Практическая ценность. Полученные результаты исследований отбывает возможность, управляя напряженным состоянием, создававши в хрупком порошке при высокоскоростном нагружении: - управлять размером чаегщ и выходом основной - заданной - фракции порошка; - подучать порошей с требуемой формой частиц и степенью, его дефектности; - подучать высокоплотныа прессовки при меньших энергетических затратах»

Разработан3 экспериментальная методика измельчения хруп -кого порошка при высокоскоростном нагружении в системах с секторными зарядами и различными .величинами углов противолежащих секторов с Bd, позволяющая получать химически более чистые порошки с болео высоким уровнем равномерности распределения гранулометрического состава по фракции г. увеличивать выход тр^оуемых мелких частиц. Разработки защищены авторским свидетельством № 1445001.

Предложен вариант ампульной схема с секторным размещением зарядов с различными величинам и углов противолежащих секторов с ВВ, позволяющий аффективно исследовать влияние напряженного состояния на процессы, проходящие в хрупких порошках при высокоскоростном нагружении.

Разработана методика расчета удельной энергии обжатия, учи-

¡•ысггщая особенности схем нагружения.

Разработаны и отлажены прогрьмды расчета математической модели зависимости плотности прессовок карбида крешкя от удельной энергии обжатия и деформации и построения контурных х:риьых постоянного уровня, Получеш диаграмм, позволяйте обоснованно назна -чать реапоа нагруяения для под/чения образцов прессовок заданной плотности.

Определены рациональные режимы ударно - волновой обработки порошков сЦ, обеспечивающие получение без связки качественных прессовок различите $ор!.;ообразовакий с плотностью 70...99 54 от'тео- ■ ретической плотности материала. Положительные результаты взрывного компактирования циклонной пыли и пыли с сГЙ обеспечивают, воз -можкость ударно - волновой обработки всей гаглгы фракций порошков 5Ц для практических целей.

Разработали технические решения (ТР) по "рациональным исходным условиям и параметрам взрнвмого прессования, представленные в качестве каучне - технической основы для проектирования рабочей технология, поззолящие повысить эффективность и расширить сферу ' использования Щ за счет поучения дополнительной номенклатура оригинальных керамических изделий и организации специализиропан -ного практически безотходного производства ка основе циркониевого • электрокорунда, Приложенный к ТР состав "Приоритетных направлений и целевых НИР последующих этапов разработки проблема" могут быть использованы в качестве основсполагахзщх для системной работы исследований и поэтапной реализации их результатов.

Результаты исследований использованы при изготовлении взрывным прессованием, порошка Щ партии экспериментальных образцов -- представителей технологической оснастки для ВолжскЫШйШ ( г. Волжский) и при проработке вопросоз организации безотходного производства на основе ЭЦ -для ОД!О (г. Челябинск). Сйвдаемый годо -вой экономический эрфект от внедрения результатов исследований по ЭЦ на предприятиях ЧАЛО составляет 759,7 тыс, руб. (в ценах по ' состоянию на 01.08.Sir./ при суи^сгвешои улучшении экологической .обстановки в зона производства. Доля автора - 50%.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и об -суждались на: У Всесоюзной конференции "Ло.чучение и обработка материалов высотам давлением" (йинск, 1987г. ); УУ1 Всесоюзной научно - технической конференции "Пороговая металлургия" (Свердловск, 1989г.); 30 Всесоюзной конференции "Физика прочности и плас-

- б -

тичности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1969г.); УШ Всесоюзной научно - технической конференции "Сварка, резка и обработка взрывом металлоконструкций" (»Минск, 1990г.); Всесоюзной межвузовское н.аучно - технической конференции "Порошковая металлургия"' (Минск, 1991г.); межреспубликанской научно - технической конференции. "Применение импульсных методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1990г., Волгоград, 1991г,); иежреспубдиианской науч!

- технической конференции "Прогрессивные методы поучения констдо кционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1992г.); Российской республиканской научно -

- технической конференции "Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий, композиционных материале и покрытий" (Волгоград, 1992г.); Российской республиканской на^ чно - технической конференции "Проблемы современных материалов I технологий, производство наукоемкой продукции" (Пермь, 1993г.); ежегодных научно - технических конференциях Волгоградского, полите хнического института (Волгоград, 19&5 - 1993гг.); йаучных сейте рах кафедры "Металловедение и термическая обработка металлов" ВолгПИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных рас подучено I авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения, списка литературы (136 наименований) и пру ложения. Общий обьзм работы 237 страниц, из которых текстовая част с 228 , рисунков 75, таблиц 15, приложений 2 .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - ' '

ц первой главе рассмотрены особенности ударно - волновой обработки порошкообразных материалов. Ударно - вольная обработка порошкоз тугоплавких соединений является наиболее эффективным, а -.часто единственно возможным технологическим приемом, позволяющим существенно расширить сферу использования этих оригинальных материалов при решении многих, научных и практических задач. С покоим взрывного нагружзния в сжимаемом веществе можно создавать состоя

широко р&глич&сщиеся по соотношению давлений-V температур. £ результате прохождения ударных волн по порошкообразному материалу происходит его дробление, уплотнение, осуцествляется разогрев ве-

шеотза и создастся условия для физько - химических превращений. Такие превращения, а таксе другие сопутствуйте явления, вызываем ыз висскосхэростннм нагруженном, представляют научный и практический интерес, поскольку могут приводить к изменению свойств и состояния Еецества.

Для порошков различных тугоплавких соединений результаты воздействия ударных волн дакс при одинаковых параметрах нагру -жения, как правило, не равнозначны или даже противоположны по содержанию, ото определяется индивидуальностью свойств каждого обрабатываемого вес;естза, его исходным состоянием. Схема взрывного нагружения и характер деформации материала также весьма существенно влияют ча формирование конечной структуры и свойств вещества.

Из аналитического обзора шдпе, что сведения о дпнамичес -кой сжимаемости хрупких порошков весьма ограничены и разрозненны, а для многих керамических материалов практически отсутствуй! В настоящее время не создано достаточно полной целостной теории, позволяющей проследит^ четкую езязь мвкду параметрами азрывного нагружения и протекающими в материале структурными и фазовыми превращениями, другими изменениями реальной структуры вещества. Накопленный экспериментальный материал разкоплаков и не система^ гизирозан в качестве методической основы для исследований. При планировании многих исследований главными задачами ставились накопление и анализ экспериментальных результатов. Можно отметить, что у работ, з которнх использовались математические методы ис -следований уровень теоретических к практических результатов су- • кественно выше.

Литературные источники не содержат описания роли напряженного состояния при ударно - волновом нагрукении ка процессы дробления и прессования многих известных хрупких порошков керами -ческих материалов.

Не выявлено данных об ударно - волновой обработке порошка ЭЦ. Известный метод статического прессования, применяемый при изготовлении абразивны;; кругов, допускает использование отсср -тирозаннаго шлифзэрна размером не менее 1250 мкм и только с »р-ганической связкой. Порошки фракций меньших размеров являются малоиспользуемыми отходами производства и в основной массе своей скапливаются в завалах ла предприятии - изготовителе. Очевидно, что ограниченные технические возможности традиционного метода значительно сужвют сферу и сникают эффективность использо-

аання ЗЦ, обуславливает знсикую долю отходов, усугублягт экологическую обстановку в зоио производства.

3 целом г,ти-обстоятельства затрудняют разработку технологических пвиемор и практически сдорыгпзют развитие методов взрыъ-кс:: обработки хрупких пороикоз.тугоплавких соединений, сникают Э'^сктивнооть научны)' исследований.

На оинс.заып: аналитического обзора литературных источни -. г.огз с позиций схохивовхся представлений определены следугзпэ задач;! настоящей работы.

I. ¿седедование поведения поровиов тугоялиакьх соединения • прч ударно - волновой оОрабогке.

с. изучение роли и влияния напряженного состояния при вы -сох-оскоростном нагрухеьии на процессы дробления и прессования хрупких порсскоз тугоплавких соединений.

3. кспольооьанпс методов математического моделирования • в исследованиях процессов, проходящих в поросках тугоплавких соединений при ударно - волновой обработке.

Лзследоааниз возможности взрывного прессования хрупких" порошков гугоплазких соединении, традиционно^обрабативаемых статическими методами. Определение областей применения и разработка научно - технических решений - рекомендации по эффективному использованию результатов исследований в науке и промышленности на примере циркониевого электрокорунда. ■' .

Зо второй главе рассмотрены особенности поведения хрупкого пороэкй карбида кремния при высокоскоростном нагружении. Представлены результаты исследований процессов, .проходящих при высокоскоростном нагружении пороака карбида кремния без связки.

Разработанная экспериментальная методика измельчения хрупкого поромк.й карбида кремния при высокоскоростном нагружении в системах с секторными зарядами 33 поззеляет получать химически более чистке порошки высокого уровня равномерности ра^пределе -ния гранулометрического состава по фракциям и увеличить выход мелких частиц нкм и менее) по сравнению с традиционными

методами дробления в шаровых мельницах.

Экспериментально показано, что регулируя режимы ударно -- волновой обработки за счет изменения угла сектора с ВЗ и материала забойки (динамической жесткости среды, передающей давление), моино управлять размером получаемых частиц и выходом' •основной - заданной - фракции порошка (рис. I).

Гранулометрический состав образцов карбида кремния до и после высокоскоростного шгруяения

' VI

ЗГ . «о

I

: 60

го

О 1

I - исходный; - обжатие равномерное; 3 - обжатие' неравномерное, система с воздухом; 4 - обяатие неравномерное, система с водой.

Рис. I.

Разработана физико - механическая модель взрывного обжатия хрупких порошков (рис.2), отображающая поведение порошка при высокоскоростном нагружении как по сущности проходящих физичес- ■ ких явлений, гак и по их последовательности и во взаимосвязи, учитывая тем самым временной фактор. В модели отражено задействование в процессе взрывного обжатия хрупких порошков пластической деформации (элемент 4 рис. 2). В работе проведена оценка работоспособности модели и степени задействования её элементов при раз -личных.параметрах и условиях высокоскоростного кагружения.

.Анализ процессов дробления и прессования порошков хрупких ' материалов при высокоскоростном нагружении показал, что управляя 'напряженным состоянием, создаваемая в порошке при нагружении можно изменять и контролировать качественно и количественно состав физических явлений и механизмов их реализации.

Использование графического подхода при анализе функциональных эагчсихостей позволило установить, что процессы дробления и пре-

ссоьания порошка карбида кремния при высокоскоростном нагрузке -ник характеризуется корреляцией соответственно между результа -тами 'изменения гранулометрического состава и плотностью получаемых ооразиив, уровнем касательных напряжении, создаваемых в порошке при нагружении и элементами тонкоа структуры ^.физичес -мм ужирониэм и напряжениями второго рода) в исследуемом диапазоне изменения удельной энергии обкатик.

Различие в физических явлениях и механизмах их реализации при' ударно - волновой обработке порошка карбида кремния находит своё отражение и в формах получаемых частиц. При малых уровнях удельной энергии обжатия и высоком уровне касательных напряжений, создаваемых в порошке при нагружении, раздробленные частицы имеют преимущественно неиземетричнув форму (.че-тицы угловатые, продолговатые) вплоть до гонких клинообразных кристаллов, разрушенных- по кристаллографическим плоскостям. С ростом удельной энергии обжа-

гиэико - механическая модель взрывного обжатия хрупких порошков

I- упругие деформации и напряжения; 2 - заполнение пор (захлопывание); 3 - дробление (.рост микротреьин); 4 - пластическая деформации; 5 - вязкая деформация.

Рис. 2.

- и -

тия и снижением урозня касательных напряжений возрастает число наг празлений, по которым осуществляется процесс разрушения, отдельной порошинки, появляются частиц« с очень развитой поверхностью, "ёжики"происходит интенсивный рост внутренней энергии реэдроб -ленных частиц. Экспериментально подтверждено, что управляя напряженным состоянием, создаваема в хрупком порошке при высокоскоростном нагружении, можно получать порошки с требуемой формой час -гид и степенью его дефектности.

Предложен вариант схемы с секторным размещением зарядов с различными величинами углов противолзжасих секторов с ¡33, позво - • ляккий эффективно проводить исследование влияния напряженного состояния на процессы, проходящие в хрупких пороиках при высокоскоростном нагружении при постоянных величинах удельной энергии ойг.атия и динамической жесткости среды, передающей давление, за счет варьирования углами с секторами с.33. С учетом особенностей применяемых схем-нагрукения с секторным размещением зарядов ЗВ разработана и использована методика расчета удельной энергии обжатия.

( Экспериментально показана большая роль и влияние напряженного состояния, создаваемого в хрупком порозке пру высокоскоростном нагружении на структуру и свойства получаемых прессовок. Практи -чески установлено, что управляя напряженным состоянием можно получать высоколлотнне образцы прессовок при меньших энергетических затратах.

Результаты проведенных исследований позволяют утверждать - о существовании в процессе высокоскоростного прессования хрупкого порошка карбида кремния трех характерных зон - стадий уплотнения, то есть можно говорить об условном разделении процесса0прессова -ния на три зоны: I - до 250 1ж/г, где рост плотности прессовок сопровождается дроблением частиц порошка, ростом концентрации структурных изменений; 2 - от 250 до 350 Длс/г, где наблюдается у-леньшекие^плотности прессовок, снижение скорости роста концентт рации структурных изменений; З-свыше 350 Ях/г,где происходит стабилизация плотности и дальнейший рост концентрации структурных изменений.

Разработана схема зависимости прироста удельной энергии в порошинках карбида кремния от скорости обжатия для различных систем нагружения, представлявшая по сути своей графическое описание главных физических явлений в порошинках при нагружении, охваченных физико - механической моделью взрывного обжатия хрупких порошков.

Схэме позволяет наглядно представить влияние напряденного состояния на ирецзссь, прохоцяыио в хру.пких пороп'ках при высокоскоростном нагружякии, о .высокой степенью надежности оценивать и плани -розать результаты ударно - волновой обработки.

Представлены результаты исследований по получению•математиче-. скогс описания' зависимости плотности прессовок из порошка карсЧка кремния от удельной ¿нергии обгатия и деформации для соответствующей жесткости средь, передающей давление при высокоскоростном наг-ружении. Разработаны и отлажены программы расчета математической . модели и построения контурных кривих постоянного уровня для ПЭВМ. Представлены расчетные уравнения. Изучаемая зависимость в выбранных пределах псследуемух факторов лиьейна для систем с воздухом и песков'и квадратична для систем с водой. Получены диаграммы контурных кривых постоянного уровня, позволяющие обоснованно назначать режимы (параметры и условия) нагружения для получения образцов прессовок заданной плотности.

3 третьей главе приведены теоретические и экспериментальные исследования згрывного прессования циркониевого электрокорунда.

Циркониевый элр.ктрокорунд - доэатзктический сплав (состава ^ 75 масс. ^ЯЕг^а + *** 25 касс. % 2г0г ) получают плавкой ши-' хты 'в электропечах. Этот материал способен противостоять высоким давлениям прижима, обладает высокой вязкостью и теплостойкостью. . Однако,оЗлео'5Ь приме кзния ЗЦ ограничена практическим использованием в'качестве абразивного материала для изготовления инструмента силового обдирочного* милования. Главная причина этого ограничения в отсутствии современных техйологических решений обработки ЗЦ.

Полученные данные позволили выявить основные закономерности процессов', определить характер и степень зависимости результатов взрывного обжатия ЗЦ от величин параметров и схемы нагружения, исходного'состояния материала к размера частиц порошков.

Экспериментально показана возможность получения без связки при высокоскоростном нагружении прессовок плотностью, равной 70...

92 $ от .теоретической плотности ЗЦ. Исследовано влияние параметров'нагружения на коэффициент упадки порошка и на плотность получаемых ббраэцов прессовок. Показано, что с ростом скорости детонации величина коэффициента усадки порошка монотонно возрастает. Полученные данные позволяли выявить экстремальный характер измене-неник плотности зависимости рг^Д) , рис. 3.

Определена общая тенденция роста плотности прессовок с ростом размер« частиц исходного порошка. Отмечено наличие фракций ЭЦ с

Зависимость плотности проссоиоь^ от скорости детонация 33 О для порошка 311

юо о гооо юво ком э

М/С'

Рис■ 3.

оптимальными грекулокеграчеокики составами, для которых-возможно при высокоскоростной нагружении получение качественных внсокоп -логних прессовок.

Экперипентально показано, что при одних и тех же значениях скорости детонации усадка порошка ЭЦ для аипульнсй'схемы с неравномерным обхап.ем по окружности ампулы существенно больше, чем с равномерным. ■ ' •

• Показано, что при взрывном нагрукении при скоростях детонации 33 от до 5200 м/с и давлениях ка стенки ампулы от О,'* до 5,3 ГПа получаемое из порошков ЭЦ по ампульной схеме с.рав ~ номерным обмагием образцы прессовок можно разделить на три 'характерные группы.

Первая группа. Обпззца с низкой обшей плотностью по отношению к теоретической плотности ЭЦ и с неравномерном распределением . плотности в поперечном сечении. Для образцов этой группы харак -терно наличие центральной зоны различной степени недопрессопания.

Зторая группа. Образцы высокоплотныз, качественные, с равномерным распределением плотности в поперечном сечении.

Третья группа. Образца'высокоплотные с неравномерным распре-

д-злону.еы плотности в поперечном сеченчи. для образцов этой группы характерно наличие центральной зоны: - с большей плотностью йЦ, чем на периферии; - с переплавленным ЬЦ; с разрыхлением материала или с образованием голого канала.

. Экспериментально установлена пластическая деформация 5Ц в исследуемом, диапазоне параметров наложения. доказана принципиа-льнаявозножиосгьголучзйия взрывным прэссозанкем порошка качественны:: образцов высокого уровня плотности без операции спекания.

Известно, что на физико - механические свойства получаемого материала существенно влияет количественное соотношение модификаций дчоксида циркония в структуре ЬЦ. При поиске, путей управления качеством подучаеш/ изделий на стадии их формообразования проведена оценка влияния параметров нагр/жения' на фазовый состав ЗД. Установлено, что при высокоскоростном нагружении происходит неполное тетрагонально - моноклинное превращение диоксада'циркония в ЭЦ, степень полноты которого зависит от скорости взрывного обжатия. Высокие скорости препятствуют полному превращению. Выявлено ■ выравнивание фазового состава диоксида циркония в ЗД при одинаковых условиях кагружения, независимо от исходных фазового состава и размера частиц порошка.

Металлографический гнэдиз показал, что на зернах корунда имеются трепаны, количество которых з существенной мере определяется параметрами нагружения. На эвтектической структуре отмечено двойшшоваяие.

При определении возможности взрывного прессования всей гаы-ш' неиспользуемых отходов были подучены плотные прессовки из самых иалых Фракций сЦ, включая пыль с ЕГ£ и циклошуо пыль.

Положительное результаты позволили разработать технические решения по рациональным исходным условиям и параметрам взрывного прессования, представленные в качестве научно - технической ос -новы для премирования рабочей технологии,- позволяющей повысить эффективность и расширить сферу использования ¿ц за счет получения дополнительной номенклатуры оригинальных керамических изде -лий к организации специализированного практически безотходного производства на основе циркониевого злектрокэрунда. Представ -лены "Приоритетные направления последапщих этапов научных исследований и целевых Н№ по проблеме сЦ", которые могут быть использованы в качестве основополагающих для систешой работы .исследований и поэтапной реализации их результатов.

Результаты исследований использованы при изготовлении взры-зным прессованием порошка ЭЦ партии экспериментальных обчазцов-- представителей технологической оснастки для ВолжскВНИМАШ (г. Волжский) и при проработке вопросов организации безотходного производства на основе ЭЦ для ЧАЛО (.г. Челябинск). Ожидаемый годовой экономический эффект на предприятии 4АП0 составляет 759,7 г«с. рублей ценах по состоянию на 01.03.91г.) при существенном улучшении экологической обстановки в зоне производства. Доля автора - 50$.

ОСНОЗНЫЕ ЗЮОДЫ

1. Разработана йизико - механическая модель взрывного обжатия хрупких пороиков, отображающая поведение порошка при высокоскоростном нагружении как по суцности проходящих Физических явлений, так и по их последовательности и во взаимосвязи, учитывая тем самым временной фактор. В модели отражено задействование механизмов пластической деформации.

2. Анализ процессов дробления и прессования порошков хрупких4" материалов при высокоскоростном нагружении показал, что управляя напряженным состоянием, создаваемым в порошке при нагру-. кении, монно изменять и контролировать количественно и качественно состав физических явлений и механизмов их реализации. Разра-" ботана схема зависимости прироста удельной энергии в порошинках от скорости обжатия, позволяющая представить влияние напряженного состояния на процессы, проходяаке в хрупких порошках при высокоскоростном нагружении, оценивать и планировать результаты ударно - волновой обработки. Экспериментально установлено, что управляя напряженным состоянием можно: - изменять размер частиц и выход основной - заданной - фракции порошка; - получать порошки с требуемой формой частиц и степень» его дефектности; - получать Еысокопло^ые образцы прессовок при меньших энергетических, затратах.

3. Разработана экспериментальная методика измельчения хрупкого порошка карбида кремния при высокоскоростном нагружении в системах с секторными зарядами ВЗ, позволявшая получать химически более чистые порошки с более высоким уровнем равномерности распределения гранулометрического состава по фракции и увеличить выход требуемых мелких частиц по сравнении с традиционными методами дробления в шаровых мельницах мелкого помола. На раз -

рабстаншй способ измельчения порспка порчено авторское с виде -тельствс № 1445001.

4. Экспериментально установлено, что процессы дроблены! и прессования хрупкого порошка карбида кремния при высокоскоростном нагружении характеризуются коррекцией соответственно между результатами изменения гранулометрического состава и плотностью получэвшх прессовок, уровнем касательных напряжений, создавае -ыых в пореже при нагружении и элементами тонкой структуры (физические уширением и напряжениями ьторого рода) в исследуемом диапазоне изменения удельной энергии обжатия. Выявлено, что процесс прессования имеет три характерные зоны, в каждой из которых действует свой определяющий фактор.

5. Впервые установлена реальная возможность взрывного прессования порошков циркониевого зле стро корунда различных фракций без применения связок и получены высокоплстные образцы-. Спреде -лен характер зависимости плотности получаемых прессовок и коэф -фициента усадки порошка от исходных условий и параметров-нагру •• жения, Выявлена диапазона параметров высокоскоростного нагруае -ния для трох основных груш - типов - образцов, получаемых по анпульной схеме с равномерным обжатием, структура и основные свойства которых имеаг характерные различия.

■ о. Установлено, что при высокоскоростном нагружении проис -ходит неполное тетрагонально - моноклинное превращение диоксида циркония з циркониевое элекгрокорун.це, степень полноты которого зависит от скорости взрывного обкатил. Высокие скорости препятствуют полному превращению. Выявлено выравнивание .разового состава диоксида циркония Щ при одинаковых условиях нагруженш, независимо от исходных фазового состава и размера частиц пороака.

7.Экспериментально установлена пластическая деформация ЬЦ . в исследуемом диапазоне параметров нагружения. доказана принципиальная возможность поучения взрывши прессованием пороска ЕЦ качественных образцов высокого урозня плотности без операции спекания.

8. Разработана технические решения по рациональным исходным условиям и параметрам взрывного прессования, представленные в качестве научно - технической основы для проектирования рабочей технологии, позволяющие повысить эффективность и расыирпть ореру использования ЗЦ за счет получения дополнительной номенклатуры оригинальных керамических изделий и организации специализирован-

- Г? -

ного практически безотходного производства на основе циркошево-го элекгрокору ада. Сжздаешй годовой экономический эффект от вне-' дрения результатов исследований по ЭЦ на предариятиях ЧЛПО ( г. Челябинск) составляет 759,7 тыс. труб, (в ценах: по состоянию на 01.08.91 г.) при существенном улучшении экологической обстановки з зоне производства. Доля автора - 50%. .

Осндрные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

I. Роль напряженного состояния при высокоскоростном обжатии и дроблении хрупкого порошка / Гелунова З.М., Адаменко Б.Г., Лебедев В.В., Смирнова С.Б., Щепотько A.B. // Тезисы докладов У Всесоюзно* конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением". - и!шск, 1987. - С. 30.

И. ГеД/нова 3.;,!., Смирнова С.3., Лебедев В.В. Исследование напряженного я деформированного состояния при высокоскоростном нагружении на прессование и дробление карбида кремния //-Пороа-ковая металлургия. Тезисы докладов ХУ1 Всесоюзной научно - технической конференции. Часть И. Теория и технология композиционных материалов. - Свердловск, 1989. - С. 10.

3. Исследование напряженного и деформируемого состояния • и формоизменения тугоплавких порошков при высокоскоростном нагружении / Пааков И.О., Гедунова З.М., Лебедев В.В., Смирнова С. Е. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов". - Куйбыг.з, 1989. - С. 54 - 55.

4. Исследование роли напряженного состояния при высокого- -ростном-прессовании карбида кремния / Гелунова З.М., Гришина Л.Д., Лебедев В.В., Смирнова C.B. // Металловедение и прочность материалов: Труда / ВолгЛИ. - Волгоград, 1989. - С. 117 - 125.

5. Исследование роли напряженного состояния при высокоскоростном .хатии и дроблении хрупкого пороака / Гелунова З-.М., Адаменко Б.Г., Лебедев В.В., Смирнова C.B., 1Депотько A.B. // Металловедение и прочность материалов: Труда / ВолгЯИ. - Волгоград, 1988. - С. 10? - 112.

6. Исследование тонкой структуры материала порошка карбида кремния после высокоскоростного натру женил / Пашков И.О., Гелунова З.М., Смирнова C.B. // А{еталловедение и прочность матери -алов: Труда/ВолгПИВолгоград, 1990 - С. 16-23.

7. Гелунова З.М., Смирнова C.B., Абрамов Е.В. Матшатичес-

кое планирование эксперимента с использованием ¿Ш при исследовании процесса прессования карбида кремния при высокоскоростном на-гружзшш // Металловедение к прочность материалов: Труды / ВодгШ

- Волгоград,, 1990. - С. 75 - 81.

8. Гелунова 3.Ü., Лебедев В.В., Смирнова С.Ь. Исследование структуры и свойств тугоплавких порошков после высокоскоростного нагр/жения // Тезисы Ленресиубликанской научно - технической конференции "Применение шпульешх методов и обработки давлением длг производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий". - Волгоград, 1990. - С. 17 - IS.

9. Авторское свидетельство № I445CÓI (СССР). Способ измель ■ чения порошка / Адаменко Б,Г., Гедунова 3.Í.Í., Смирнова C.B., -Кра-сногоров А.П., Галошина Т.К., Русанова З.М., - Заявлено ¿9.01,87 S» 4186342.

10. Смирнова С,й. Исследование тонкой структуры прессовок карбида кремния после высокоскоростного нагружения // Металловедение и прочность материалов. - Волгоград, 1991 С. 20-27.

11. Гелунова З.л1., Смирнова C.B., Абрамов Е.В. Исследование тонкой структуры и свойств карбида кремния прч высокоскоростном нагру.жении // Тезисы докладов Межреспубликанской научно - технической конференции "Применение импульсных методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, ко;,позиционных материалов и покрытип". - Волгоград, 1991. - С. 54 - 56.

12. Гелунова З.М., Смирнова С,В, Взрывное прессование порой-кообразного циркониевого алектрокорунда // Тезисы докладов Все • союзной межвузовской научно - технической конференции "Порошкоаа* металлургия", Минск, 25 - 2Е ноября L99I. - Минск, 1991. - С.15-1

13. Гелунова З.М., Смирнова C.B. Исследование процесса прессования циркониевого электрокерунда при высокоскоростном гагруже-нии // .Металловедение и прочность материалов: Труды / ВолгПЙ. -

- Волг.град, 1993. - С. 15 - 23.

14. Гедунова З.М., Смирнова C.B., Сурков В.А. Влияние buco -коскоростного нагружения на процессы прессования циркониевого элекгр о корунда // Тезисы Российской Республиканской научно - toxj ческой конференции "Прогрессивные технологии производства, структура, и свойства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий". - Волгоград, 1992. - С. 89 - 90

15. Гелунова З.М., Смирнова C.B. Исследование фазового сося; циркониевого элекгрокорунда после высокоскоростного погружения

- D -

// Тезисы i/'ежреспубликансксй научно - технической конференции "Прогрессивные метода! получения конструкционных материалов и пок-' рытий, повьплаюцих долговечность деталей машин". - Волгоград, 199Л. -С. - 43.

16, Гелунэва 3.;.!., Смирнова С.В., Сурков В.Л. Исследование ударно - волновой обработки циркониевого олектрокорунда при получении изделий взрывнчм прессованием с использованием отходов производства (I Тезисы докладов нсучно - технической конференции "Проблемы современных материалов и технологии, производство наукоёмкой продукции". Часть I. - Пермь, 1993. - С. 122 - 123.

Личный вклад автора. В работах /I 4/ , выполненных з соав-герегэе, соискатель показал больпую роль и влияш.з объемного напряженного состояния при вгсокоскоростнсм нагружении на процессы дробления и прессования хрупкого пороика карбида кремния. В рабо-та::/5,9/ и>! вьивленн особенности процесса дробления хрупкого по -рошка пря ударно - волново! нагруяенпи на примере карбида, кремния. В работах / 5,8 / соискатель показал с помощью рент гене структур -ного и электронно",¡икроскопического анализов особенности поведения тонкой структуры порошка карбида кремния при высокоскоростном нагружении, Б работе / 7 / км разработана в соавторстве математи -ческая модель зависимости свойств получаемых образцов от параметров нагруженкя и деформации с применением HcBí/i в исследовании процесса прессования карбида кремния при высокоскоростном натру -жении. В работах / 10, II / им выявлена корреляция между плотностью прессовок, получаемых из порошка карбида кремния при buco -коскоростном нагружении, и элементами гонкой структуры. Установлено, что процесс прессования хрупкого порс-дка карбида кремния имеет три характерные зоны, в каждой из которых действует свой опреде -ляыщий фактор. В работах / 12... 16 / автором установлена возможность прессования порошка.циркониевого электрокорун^.а без связки и получения образцов высоколлотнах прессовок при высокоскоростном нагружении, Ьыявлены некоторые зависимости и особенности поведен;« Щ при нагружении. Спределена перспектива реального использования этходоз производства сЦ. Автор непосредственно участвовал в прове-;ении экспериментов и исследований по ударно - волновой обработке юрошков тугоплавких соеди> знйй.