автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Повышение качества твердосплавных и керамических спеченных материалов за счет применения ультрадисперсных порошков оксида алюминия

На правах рукописи

Абкарян Артур Карлосович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ ОКСИДА

АЛЮМИНИЯ

05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2006

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Гордеев Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Мамина Людмила Ивановна

кандидат технических наук, доцент

Зырянов Игорь Александрович

Ведущая организация: Институт вычислительного моделирования СО РАН

Защита состоится 25 мая 2006 г. в 14.00 часов в аудитории Г 2-22 на заседании диссертационного совета Д 212.098.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу:

660074, г. Красноярск, ул. акад. Киренского, 26.

тел (8-3912) 49-79-90; 49-76-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан 25 апреля 2006 г.

(г. Красноярск)

Ученый секретарь д.т.н., профессор

П. Н. Сильченко

200£ & 1&£гГ

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена исследованию структурного состояния и формированию свойств спеченных порошковых изделий, полученных из смесей порошковых частиц разного размера. Решение геометрической задачи расчета плотности упаковок частиц разного размера, разработка имитационных моделей, которые учитывают особенности процесса спекания, эволюцию микроструктуры гетерофазных композиционных порошковых материалов является сложной проблемой. Компьютерное моделирование процессов формирования структуры спеченного материала позволяет сократить объем натурных, экспериментальных исследований за счет прогнозирования и целенаправленного выбора оптимального соотношения размеров и объемных долей частиц. Механизмы и кинетика процессов консолидации порошковых материалов зависят не только от размеров частиц, но также от их энергетического потенциала, проявляющегося в процессе формирования. Использование ультрадисперсных порошков (УДГТ), обладающих уникальным сочетаниям физико-механических свойств является, как признают многие исследователи, перспективным направлением в области получения спеченных и композиционных материалов. Остаются не полностью ясными механизмы взаимодействия частиц, обладающих градиентом функциональных свойств, сочетающих частицы разного размера, поэтому разработка и использование численных методов расчета бимодальных структур сопряжено с необходимостью дополнительных экспериментальных исследований. В связи с этим задачи диссертационной работы являются актуальными, практически значимыми, и направлены на изучение закономерностей формирования структуры и свойств у относительно малоизученной группы порошковых спеченных материалов, получаемых из бимодальных смесей, содержащих наноразмерные частицы.

Цель работы: Теоретическое обоснование и разработка технологии

модифицирования ультрадисперсными частицами оксида алюминия

твердосплавньт: ^ке^амнческн^ иггов с целью пплт.ттсгупА^

БИБЛИОТЕКА лМойлэЦО

С.-Петербург 3 у>с10И1!'ЯИ9

О3^200 акл-У-^Э ЦУЧЧИ'УИОИ'ПУИ.'.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать геометрическую модель твердосплавных композитов, учитывающую влияние добавок УДП на структурные и прочностные характеристики твердосплавных композитов.

2. Разработать методику оценки структуры модифицированных твердосплавных композитов, учитывающую объемное содержание и размеры добавок УДП А1203.

3. Разработать способ повышения прочности твердого сплава, основанный на механическом воздействии на изделие с последующей термообработкой.

4. Разработать модель и методику расчета плотности керамических материалов из бимодальных смесей, основанную на учете соотношений размеров матричных и ультрадисперсных частиц и их фракционного состава.

5. Определить механизмы консолидации частиц в бимодальных керамиках на основе А13Оз.

6. Разработать пакет прикладных программ расчета свойств керамических и металлокерамических композитов, полученных из смесей на порядок и больше отличающихся по размерам частиц.

Научная новизна работы

1. Предложена модель твердосплавных композитов, содержащих в структуре улырадисперсные частицы Л120}, позволяющая оценивать их влияние на изменение прочности прослойки связующего и изделия в целом.

2. Разработана методика оценки структуры модифицированных твердосплавных композитов, учитывающая объемное содержание и размеры ультрадисперсных частиц А12Оз, позволяющая определять прочностные характеристики и прогнозировать конечные свойства материала на стадии "конструирования".

3. Разработан способ повышения прочностных свойств твердого сплава, основанйый на~ механическом воздействии на изделие с последующей

4

термообработкой, позволяющий уменьшить смежность границ между карбидными зернами и, как результат, повысить прочность материала.

4. Предложена модель и методика расчета плотности керамических материалов из бимодальных смесей, основанная на учете соотношений размеров матричных и ультрадисперсных частиц и их фракционного состава, что позволяет оценить физико-механические свойства конечных материалов.

5. Определены механизмы консолидации частиц в бимодальных керамиках на основе А12Оз, и технологические режимы, обеспечивающие повышение уровня их физико-механических и эксплуатационных свойств.

Практическая значимость

1. Разработано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее прогнозировать и обосновывать оптимальные области добавок УДП в твердосплавных и керамических порошковых материалах на стадиях технологической подготовки.

2. Разработаны составы порошковых композитов и технология изготовления твердосплавного инструмента различного назначения. Эксплуатационные испытания опытно-промышленных партий изделий подтвердили повышенную надежность, износостойкость и экономическую эффективность их использования.

Личный вклад автора заключается в участии по постановке и реализации задач исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрения полученных результатов в конструкциях прессового инструмента на ОАО «КраМЗ». Более 60% полученных результатов, отраженных в совместных публикациях, принадлежат соискателю.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй краевой научно-технической конференции «Совершенствование технологической базы ОМД и эффективность использования оборудования», Красноярск, 1988г.; Научно-технической конференции «Пути повышения

качества и надежности деталей из порошковых материалов», Барнаул, 1991г.; Международного научного семинара «Инновационные технологии - 2001», Красноярск, 2001г.; European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Nice, France, 2001; VI Всероссийской (международной) конференции «Физико-химия УДС», Москва, 2003г., European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Lausanne, Switzerland, 2002; Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (третьи ставеровские чтения)», Красноярск, 2003г.; World Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Vienna, Austria, 2004.

По результатам диссертационной работы в 2002 году был получен грант Красноярского краевого фонда науки по проекту 13G76.

Публикации: по материалам диссертационной работы получен патент РФ, опубликовано 14 статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, заключения, 35 приложений и списка литературы, включающего 132 наименования. Работа изложена на 120 страницах, включая 49 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении произведена оценка перспектив использования УДП систем, определены возможные перспективы и проблемы, актуальность работы, цели и задачи.

В первом разделе произведен анализ особенностей свойств ультрадисперсных порошковых материалов и систем, возможных направлений их использования. Отмечено, что ультрадисперсные порошковые материалы имеют ряд преимущественных отличий в сравнении с кристаллическими (микронных размеров) и могут быть эффективно использованы для-дисперсного упрочнения матричного материала; повышения плотности прессовок, активации процессов спекания и, как результат, увеличения

конечных физико-механических и эксплуатационных характеристик спеченных материалов и изделий. Рассмотрены перспективы повышения прочности и трещиностойкости твердосплавных композитов за счет использования ультрадисперсных частиц. Дан анализ известных моделей, который показал, что существуют предпосылки для получения новых гетерогенных твердосплавных композитов с улучшенными свойствами за счет введения в их структуру УДП. Было показано, что остается не полностью решенной проблема сохранения однородной мелкозернистой структуры в бимодальных керамиках, содержащих УДП. Таким образом можно предположить, что разработка методов расчета и прогнозирования свойств порошковых спеченных материалов, полученных из смеси частиц на порядок и больше различающихся по размерам, является важной, актуальной, практически значимой задачей. В тоже время использование численных методов расчета сопряжено с необходимостью получения дополнительных экспериментальных данных об эволюции структуры и свойств при уплотнении порошковых керамических материалов, модифицированных добавками ультрадисперсных частиц.

Второй раздел посвящен теоретическому описанию процессов структурообразования в гетерофазных металлокерамических и керамических композитах с использованием наночастиц. Предложена модель расчета структурных и прочностных параметров твердого сплава с добавками УДП; разработаны методы количественной оценки и прогнозирования свойств твердосплавных композитов с включениями частиц твердой фазы на порядок различающихся по размерам; расчетными методами изучено влияние добавок УДП на структурные и прочностные параметры гетерогенных твердосплавных композитов. При разработке модели базировались на предположении о том, что ультрадисперсные частицы, внедренные в прослойку связующего, способствуют уменьшению ее толщины, дисперсному упрочнению и, как результат, повышению прочности твердого сплава в целом. При теоретической оценке физико-механических характеристик модифицированных УДП твердых сплавов является определение границ применимости расчетных формул,

соответствующих различным случаям возможного распространения трещин между включениями твердых фаз, а также выбор эффективной толщины прослойки связующего (А-^ф). Структурные параметры /,; 12; /3 гетерогенного композита ЖС - Со - УДП А 1гОу определялись по формулам:

ьд,

о)

4

Выбор эффективной толщины кобальтовой прослойки Л^фф, производится на основе вероятностного подхода. При этом, в качестве критерия применимости той или иной формулы для расчета /Цф, используется концентрация ультрадисперсных частиц в единичном объеме «кубика» прослойки со стороны 1\. Так, например, в случае, если количество частиц (и2) в единичном объеме прослойки не превышает единицы 0 < щ < 1 (рисунок 1, а), то эффективный размер прослойки определяется из выражения:

Л = /,(1-и2)+/3и2 (2)

В случае п2 > 1 (рисунок 1, б) величина прослойки связующего может принимать значение /, и /2с вероятностью (/>,), пропорциональной концентрации ультрадисперсных частиц.

о)

м

Влияние ультрадисперсных частиц на вязкость разрушения композита оценивалось с помощью известных выражений: К1С=/(Х,ав) и ег„ =/(д). Результаты расчетов по разработанной модели приведены на графиках (рисунок 2). Разработанная геометрическая модель расчета структурных и прочностных параметров твердосплавных композитов, упрочненных добавками УДП, позволяет прогнозировать влияние добавок на структуру и конечные свойства материала на стадии «конструирования». Показано, что наибольшего

эффекта удается добиться при увеличении соотношения размеров частиц карбидной фазы и ультрадисперсной составляющей.

'О

Р

С У^

с

-Ю;

п2> 1

Рисунок 1 - Схема расположения ультрадисперсных частиц в единичном объеме прослойки связующего при разных концентрациях (и2)

26,6

Рисунок 2 - Влияние добавок ультрадисперсных частиц на параметры твердосплавного композита ТУС—Со а - зависимость коэффициента трещиностойкости К ¡с от концентрации *; частиц УДП в объеме связующего С2 %; б - эффективный размер прослойки А; в - количество частиц в единичном объеме прослойки п2

Во втором разделе изучены также механизмы воздействия УДП на физико-механические свойства керамических материалов. Предложена геометрическая

модель, методы расчета, прогнозирования характеристик керамических материалов, полученных из порошковых смесей с бимодальным распределением размеров частиц. Предлагаемая модель представляет из себя четверку нофойно касающихся друг друга матричных частиц (АЬ03т) одною размера Центры этих шаров являются вершинами тетраэдра, ребра которого образованы радиусами (рисунок - 3).

Рисунок 3 — Вариант наиболее плотной упаковки матричных частиц (¿/,„) а — схема упаковки; б - геометрическая модель

Радиусы шаров:

= Квс ~ &св = = Я-лс ~ ^ло ~ ^ол = &во ~ &ов = %ос ~ &со = К* ~ /4 > (6)

где ^иО. - соответственно радиус и диаметр матричных частиц (А1203га). Общее число частиц тонкой фракции (Уг А13031) в объеме поры (Упора):

7 (7)

Число частиц УДП ( Л^ ) в объеме поры составляет:

с,-И. ^ Рог

(В)

где с¡- концентрация УДП. Объем частиц, заполнивших пору:

в г

Рисунок 4 — Результаты расчетов по геометрической модели а —Зависимость числа частиц УДП в поре Л^от размера частиц УДП ¿упри изменении размера матричных частиц 5и=1-5мкм; б - зависимость объема поры /¿от концентрации УДП при изменении размера матричных частиц йт = 1 -5мкм; в - зависимость объема частиц УДП в поре (Ус/) от концентрации УДП (с1т= 1-5 мкм); г - сопоставление расчетных и экспериментальных данных по плотности прессовок.

Изменение объема поры с учетом У^:

К = (Ю)

Единичный объем (Ус) фрагмента такой структуры керамики с бимодальным распределением частиц по размерам (2т, ¿у) может быть определен исходя из простого соотношения:

К -КК^К^-^ ус),

(И)

где кт - объемная доля матричных частиц ¡¡т, кр = 0.20776 •

— объемная доля

пор между матричными частицами, к/- - объемная доля УДЧ Особенностью предлагаемого в работе подхода к определению плотности упаковки является учет различий в кинетике уплотнения и массопереноса у частиц крупнокристаллической и ультрадисперсной составляющей бимодальных структур. Чисто геометрический подход к бимодальным смесям не учитывает присутствия пустот даже в плотноупакованных структурах. В качестве способа их ликвидации при численных и натурных исследованиях предлагается вводить дополнительный объем ультрадисперсной фазы, равный объему пустот. Результаты расчетов по геометрической модели приведены на рисунках 4, а, б, в, г Расчеты проводились для матричных частиц размером <1т = 14- 5 мкм, ультрадисперсных частиц — (у-^0,055л«ои, при изменении объема

сверхтонкой составляющей с{ = 0 28%.

Расчеты по предложенной модели позволили установить корреляционные связи с показателями плотности, полученными экспериментально (рисунок 4, г).

Третий раздел посвящен экспериментальному исследованию и разработке составов и технологии изготовления бимодальных керамик.

Одной из задач исследования являлось определение оптимальных режимов спекания для получения требуемых физико-механических свойств материала. В качестве основных контролируемых параметров использовались значения плотности и микротвердости, микроструктура материала. В результате проведенных исследований с использованием различных методов: построение кривых усадки, ДТА, РФА независимо были получены данные по характерным температурным диапазонам, хорошо согласующиеся между собой.

Оценка величин кажущейся энергии активации Q проводилась по методике, которая характеризует спекание как процесс миграции дефектов (пор). Для расчета использовали уравнение скорости реакции первого порядка в следующей форме:

где 7. — относительный объем пор, определяемый как отношение объема пор в данный момент спекания V к исходному У0; К0 и £) - кинетические параметры: Ко - предэкспоненциальный множитель; Q - кажущаяся энергия активации; Т-абсолютная температура; Я - универсальная газовая постоянная; Г - время. Уравнение 13 легко линеаризуется в координатах 1п(-1п2)~\/Т при подстановке линейного закона изменения температуры, принимая следующий вид:

удобный для определения кинетических параметров из экспериментальных данных. Характерные графики изменения энергии активации с учетом наклона полиметрических кривых представлены на рисунках 5, 6. На относительно низких температурах реализуется механизм зернограничного проскальзывания частиц УДП. Полученные данные позволяют предположить, что при нагреве происходит смена механизмов спекания и необходимо исключать длительные выдержки в диапазонах температур, характерных для фазовых переходов и смены механизмов консолидации. Ступенчатый нагрев может обеспечивать полноту протекания процессов массопереноса в характерных интервалах температур.

Влияние концентрации добавок УДП в составе керамической смеси и различия в условиях спекания (традиционное спекание и ступенчатое спекание) на плотность, твердость и критический коэффициент интенсивности напряжений представлены на рисунках 7, 8. Тип сформировавшейся структуры материалов из бимодальных керамических смесей, степень ее завершенности, гомогенности соответствуют уровню

(12)

(13)

различий в интервалах измеренных значений твердости и критического коэффициента интенсивности напряжений у материалов, полученных по разным режимам спекания.

Т*.

1ф(уи/у,)) 1

ют 1/К

0 0009

Рисунок 5 — 1- А12Озт~25 % масс. А1203/, 2- А1203т-30 % масс. А1г03/ Зависимость изменения плотности керамик А1203т-А1203/

НУ, ггь

Рисунок 7 - Значение твердости по Виккерсу- керамика, спеченная при температуре 1500 °С (ступенчатый нагрев)

Рисунок 6 - Термоактивационный анализ параметров процесса спекания керамики А12Озт-А12Оз/, полученной импульсным прессованием

Рисунок 8 - Значения критического

коэффициента интенсивности напряжений- керамика, спеченная при температуре 1500 °С (ступенчатый нагрев)

а) 0,6< Vf< 1 б) 0< Vf< 0,20 в) Vf= 0,25 - 0,30

Рисунок 9 — Микроструктура керамик Al203m-Al203f

Результаты численных расчетов и рекомендаций по режиму спекания, приведенных во втором разделе диссертационной работы, нашли экспериментальное подтверждение.

Керамика, полученная из бимодальной смеси 25-30 % Al203f, остальное Al2Ojm по режиму управляемого ступенчатого нагрева, имеет наиболее высокие физико-механические характеристики.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований твердых сплавов, модифицированных ультрадисперсными частицами; описаны методы и оборудование для ультразвукового неразрушающего контроля параметров структурного состояния; методы исследования эксплуатационных характеристик твердосплавных образцов и изделий.

Целью экспериментального раздела работы является - изучение физико-механических характеристик твердого сплава fVC-Co-УДЦ А1203/ и определение оптимальных, с точки зрения прочностных и эксплуатационных характеристик, областей добавок ультрадисперсных частиц.

Изготовление опытных образцов и промышленных партий режущего и волочильного инструмента производилось по стандартным технологиям порошковой металлургии. Исследования твердых сплавов марок ВК6, ВК8, ВК10КС, ВК15, Т15К6, КНТ16, ЛЦК20, ТН20, модифицированных добавками

ультрадисперсных частиц оксида алюминия, производились в сравнении с образцами аналогичных базовых составов. Результаты экспериментов показывают, что введение в состав твердых сплавов УДП способствует повышению прочностных характеристик. Влияние добавок УДП на предел прочности при изгибе, износостойкость и трещиностойкость иллюстрируется графиками (рисунки 10, 11). Минимальные значения износа наблюдаются примерно в тех же областях добавок, которые обеспечивают прирост прочности. С точки зрения прогнозирования качества твердого сплава особый интерес представляют данные исследований вязкости разрушения материала {К,с) в сочетании с изучением микроструктуры (рисунки 11, 12), поскольку они отражают изменения в механизмах разрушения, соответствующих различным типам структуры.

КюК пвл!|?.

С%»ох

Рисунок 10 — Зависимость прочности Рисунок 11 - Влияние размера частиц

на изгиб (а) и относительного износа УДП (<12) на трещиностойкость (Кк:)

(в ) твердосплавного композита от композита У/С - Со - УДП А12Оз концентрации (С) и среднего размера • - расчет; п- - эксперимент частиц УДП

Данные измерений прочности на изгиб и трещиностойкости по Палмквисту (рисунки 10, 11) свидетельствуют о том, что эффективность модифицирования твердого сплава ЖС-Со зависит от размера частиц тонкой фракции (снижение размера частиц й2 с 0,1 мкм до 0,05 мкм обеспечивает прирост прочностных характеристик). Экстремальный характер изменения прочностных свойств сплава ЖС-Со-УЩ1 А1203у свидетельствует о наличии критической (пороговой) концентрации добавок УДП. Увеличение объемной

доли УДП свыше оптимального значения сопровождается падением прочности и вязкости вследствие их агрегатирования.

ВК8 - Al203f ВК8 стандартный

Рисунок 12 - Микроструктура распространения трещины

В процессе экспериментальных работ исследовалась также возможность снижения доли контактирующих частиц WC~Al203f WC-WC с перспективой повышения прочности композита. Разработан способ термомеханической обработки изделий из твердого сплава, при котором они подвергаются нагружению до 500 -900 МПа с последующим кратковременным нагревом до 1300-1320 "С. Смысл такого воздействия заключается в том, что выбранная величина нагрузки соответствует начальной стадии деформации твердого сплава, при которой основную нагрузку воспринимает только карбидный (оксикарбидный) каркас. В результате происходит смещение контактирующих зерен друг относительно друга и образование по границам контактов {WC-WC, WC-Al203j) микротрещин (рисунок 13).

Последующий нагрев изделий с повышенной «дефектностью» структуры сопровождается затеканием связки в микротрещины между зернами WC (инициированные при нагружении), образованием кобальтовых прослоек, уменьшением доли контактов частиц твердой фазы в структуре твердосплавного композита, более дисперсному их распределению по объему связующего. В соответствии с механикой фаз это должно приводить к увеличению прочностных характеристик материала. Результаты измерения

17

величины внутреннего трения в зависимости от величины нагрузки приведены на рисунке 14. Оптимальными с точки зрения упрочнения сплава являются диапазоны нагрузок 600-800 МПа (рисунок 14), которые обеспечивают увеличение прочностных характеристик до 20% от исходного (Р-700 МПа). Аналогичным образом определялась оптимальная температура нагрева для различных марок твердых сплавов (рисунок 14, 15).

Рисунок 13 - Схема смещения карбидных зерен в результате внешнего

воздействия

-0_вкб-

-0_ВК8-

2 4 6 8 Напух* РхИОМЪ

950 1150 1350

Температура, р . соп»1

Рисунок 14 - Влияние усилия нагружения на величину внутреннего трения

Рисунок 15 — Влияние режимов термомеханической обработки на свойства твердосплавного композита ВК8А

Результаты показывают, что с точки зрения прироста прочности оптимален диапазон температур 1250-1350° С и нагрузок 600-800 МПа.

18

Пятый раздел посвящен эксплуатационным испытаниям твердосплавного инструмента, модифицированного ультрадисперсными частицами. Опытно-экспериментальные работы направленные на определение перспективных областей применения инструмента на основе модифицированных УДП твердых сплавов, проводились совместно с Кировградским заводом твердых сплавов и другими предприятиями

Испытания опытно-промышленных партий инструмента проводились в производственных условиях Ярославского моторостроительного завода, ПО «Красмашзавод», ПО «Боткинский завод», Первоуралъского новотрубного завода, Казанского моторостроительного производственного объединения, Кушвинского завода прокатных валков, концерна «ИНТОС» (г. Москва), завода Уралгидромаш (г. Сысерть), а также на производственных участках НИТИ «Прогресс» (г. Ижевск), Московского института теплотехники, ПНИТИ (г. Пермь), МИФИ—2 (Свердловск-45), Красноярского металлургического завода (КраМЗ), Красноярского завода цветных металлов свидетельствуют, что использование УДП позволяет повысить эксплуатационные характеристики твердого сплава.

Основные результаты и выводы:

1. Разработана вероятностно-статистическая геометрическая модель твердосплавных композитов, модифицированных УДП, которая позволяет прогнозировать их структурные и прочностные характеристики на стадии конструирования.

2. Численными и экспериментальными методами исследованы корреляционные связи между соотношением объемных долей и размеров частиц в бимодальных керамических смесях с плотностью и физико-механическими свойствами конечных изделий, что позволило обосновать необходимость применения спекания в режиме управляемого ступенчатого на1рева для предотвращения зонального обособления, рекристаллизации, сохранения плотной мелкозернистой структуры и обеспечения требуемого качества материала.

3. Получены новые данные о закономерностях эволюции структуры и свойств твердосплавных и керамических материалов, сформированных из бимодальных по размерам частиц порошковых смесей, на основании чего предложены расчетные и технологические методы оптимизации их фракционного состава и режимов изготовления.

4. Предложен способ и методика неразрушающего ультразвукового контроля, применение которого позволило разработать новый способ « термомеханической обработки твердых сплавов, обеспечивающий повышение прочности.

5. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения физико-механических свойств твердосплавных материалов и изделий за счет введения в их структуру ультрадисперсных частиц. Определены оптимальные области добавок ультрадисперсных частиц, обеспечивающие увеличение трещиностойкости, прочности, износостойкости твердых сплавов и изделий на их основе.

6. Разработанные составы и технология изготовления модифицированных твердых сплавов адаптированы к производственным условиям и использованы для изготовления опытно-промышленных партий инструмента различного назначения. Эксплуатационные испытания подтвердили их повышенную и экономическую эффективность.

7. Разработанное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для прогнозирования структурных и прочностных характеристик керамических и твердосплавных материалов модифицированных УДП ' позволяет сократить объем экспериментальных исследований за счет предварительного использования численных методов.

Основные положения по диссертационной работе опубликованы:

1. Абкарян, А. К. Формоизменение при осадке анизотропного материала / И. П. Талашкевич, А. М. Мартьянов, А. К. Абкарян // Совершенство вание технологической базы ОМД и эффективность использования

оборудования Тезисы докл. 2-ой краевой научно-технической конференции. Красноярск: Дом НТО, 1989. - С.12.

2. Абкарян, А. К. Расчет и прогнозирование свойств твердых сплавов / Ю. И. Гордеев, В. Е. Редькин, А. К. Абкарян // Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов. Тезисы докл. всесоюзной научно-технической конференции. Барнаул: АПИ, 1991. - С.70.

3 Патент РФ RU2014957 C1 5B22F 3/24 Способ термомеханической обработки изделий из твердого сплава / Ю. И Гордеев, С. Г. Теремов, В. Н. Федоров, А. К. Абкарян (РФ); Опубл.Б.И. № 12, 1994, выдан 1995

4. Абкарян, А. К. Изучение механизмов консолидации керамики, полученной из гетерофазных порошковых смесей / Ю. И.Гордеев, Г. М. Зеер,

B. А. Моисеев, А. К. Абкарян // Керамические материалы: производство и применение: Сб. трудов. Москва. 2000. - С.118-121.

5. Абкарян, А. К. Твердые сплавы, объемномодифицированные ультради сперсными частицами / Ю. И Гордеев, А. А. Букаемский, Г. М. Зеер,

C. Г. Теремов, А. К. Абкарян // Информационный листок №29-030-01. ЦНТИ, Красноярск - 2001.

6. Абкарян, А. К. Электроконтактные материалы / Ю. И. Гордеев, А. А. Букаемский, Г. М. Зеер, С. Г. Теремов, Е. А. Солодянкина, А. К. Абкарян // Информационный листок №29-029-01. ЦНТИ, Красноярск - 2001.

7. Абкарян, А. К. Формирование градиента функциональных свойств в электроконтактных материалах за счет использования нанопорошков. Перспективы промышленного использования. / Ю. И. Гордеев, А. А. Букаемский, Г. М. Зеер, С. Г. Теремов, А. К. Абкарян // Сб. трудов международного научного семинара «Инновационные технологии - 2001». Красноярск. 2001. — С.63-67.

8. Abcarian А. The Design and Investigations of Powder Functionally Gradient Electrical Technical Materials Based on Nanopowders. Prospectives of Practical Applications / Boukaemsky A., Zeer G., Teremov S., Abcarian А. // Сб.

трудов международного научного семинара «Инновационные технологии -2001», Красноярск, 2001, - С.67-70.

9. Abcarian A. Usage of Bimodal Mixtures in the Creation of in Sintered Materials' Properties' Gradient / Gordeev, Yury, Boukaemsky A., Zeer G., Fedorova E, Abcarian A. // European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Nice, France, 2001, - P.234-239.

10. Абкарян, А. К. Композиционные инструментальные твердые сплавы повышенной износостойкости / А. К. Абкарян, Ю. И. Гордеев, Г. А. Гордеева // «Вест. асс. вып. КГТУ» вып. 7, Красноярск: КГТУ, 2002 г. С. 83-85.

11. Абкарян, А. К. Микроструктура и свойства твердых сплавов со связкой, дисперсноупрочненной сверхтонкими частицами / Ю. И Гордеев, А. К. Абкарян // European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Lausanne, Switzerland, 2002.

12. Абкарян, А. К. Влияние частиц A1203 и Zr02 па формирование структуры и свойств керамики на основе А12Оз / Ю. И. Гордеев, А. А. Букаемский, Г. М. Зеер, А. К. Абкарян // Труды VI Всероссийской (международной) конф. «Физико-химия УДС», Москва, 2003г. С. 444 - 446.

13. Абкарян, А. К. Моделирование процесса уплотнения керамик, получаемых из бимодальных порошковых смесей, содержащих наночастицы / Абкарян А. К.// Труды Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (третьи ставеровские чтения)», Красноярск, 2003. - С. 98-101

14. Абкарян, А. К. Возможности повышения качества твердосплавных изделий за счет термомеханической обработки / Г. А. Гордеева, С. А. Лавренов, Ю. И. Гордеев, А. К. Абкарян // Вестник ассоциации выпускников КГТУ, выпуск 10, Красноярск, 2004, - С. 215-220.

15. Abcarian A. Design and investigation of Powder Functionally Gradient Electrical Materials / Gordeev, Yury, Zeer G., Ushakov A., Abcarian А. П World Congress and Exhibition on Powder Metallurgy, Vienna, Austria, 2004, - P. 51.

Соискатель:

Тираж 100 экз. Заказ № 385. Отпечатано в типографии КГТУ 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26.

QUOOCft

"i&sT

9851

Введение

1 Ультрадисперсные порошковые системы и материалы на их ® основе. Аналитический обзор.

1.1 Особенности формирования структуры ультрадисперсных частиц. Использование в порошковой металлургии.

1.2 Механизмы разрушения твердосплавных композитов. Перспективы повышения прочности и трещиностойкости за счет использования ультрадисперсных частиц.

1.3 Анализ известных моделей, описывающих плотноупакованные структуры. ф 1.4 Анализ известных моделей, описывающих кинетику уплотнения порошковых материалов на основе и с использованием ультрадисперсных порошков.

1.5 Выводы. Постановка цели и задач исследований.

2 Теоретическое описание процессов структурообразования в гетерофазных металлокерамических и керамических композитах с использованием наночастиц.

2.1 Математическая модель расчета структурных и прочностных параметров твердого сплава с добавками УДП. Вероятностно-статистическая модель расчета структурных параметров гетерогенного твердого сплава.

2.2 Расчет и анализ влияния добавок ультрадисперсных частиц оксида алюминия на структурные параметры и прочностные свойства твердых сплавов.

2.3 Выводы по теоретическому разделу.

2.4 Разработка геометрической модели, методов расчета и прогнозирования структурных и прочностных характеристик керамических материалов, полученных из порошковых смесей с бимодальным распределением размеров частиц.

2.5 Результаты расчетов по геометрической модели.

3 Разработка составов и технологий изготовления новых ф гетерофазных керамических материалов и изделий с использованием ультрадисперсных порошков.

3.1 Общая характеристика комплекса экспериментальных исследований, материалов и образцов.

3.1.1 Методы исследований структуры и физико-механических характеристик порошковых и спеченных материалов.

3.2 Экспериментальное изучение корреляции между составом, технологическими режимами и свойствами керамик, полученных из смесей порошков разных размеров.

4 Разработка составов и технологий изготовления новых гетерофазных дисперсноупрочненных металлокерамических материалов и изделий с использованием УДП.

4.1.1 Методы и оборудование для ультразвукового неразрутающего контроля параметров структурного состояния.

4.1.2 Методы исследования эксплуатационных характеристик образцов и изделий из твердосплавных и керамических материалов, модифицированных ультрадисперсными порошками.

4.2 Изучение влияния добавок УДЧ и режимов изготовления на структурные и физико-механические показатели твердосплавных дисперсноупрочненных композитов.

4.3 Способ термомеханической обработки твердого сплава.

4.4 Выводы по экспериментальным разделам.

5 Эксплуатационные испытания твердосплавного инструмента, модифицированного ультрадисперсными частицами. Результаты. 111 Заключение.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование формирования структуры и свойств спеченных порошковых материалов, полученных из бимодальных порошковых смесей. Использование ультрадисперсных частиц (УДЧ) для реализации градиента свойств в порошковых композитах не имеет альтернативы, поскольку они обеспечивают требуемый эффект при введении в матричный материал в малых количествах. Оптимизация свойств таких гетерогенных материалов затруднена тем, что их количественное теоретическое описание (особенно с учетом неравновесности энергетических активационных процессов у кристаллических и нанокристаллических частиц, различий в механизмах массопереноса у этих объектов) изучено недостаточно глубоко. Важную роль в решении этой задачи имеют методы математического моделирования, описания кинетики спекания и структурообразования с учетом особенностей, характерных для УДЧ.

Разработка надежных, достоверных методов прогнозирования процессов формирования структуры и свойств у таких гетерогенных функционально-градиентных материалов, позволяет решать оптимизационные задачи на стадии компьютерного «конструирования» порошковых композитов и, помимо всего прочего, сократить объем экспериментальных исследований.

Диссертационная работа основывается на новых наукоемких технологиях получения ультрадисперсных порошков (УДП) и изготовления гетерофазных металлокерамических и керамических композитов на их основе. Решение задачи диссертационной работы требует также новых теоретических подходов к конструированию гетерофазных порошковых композитов и прогнозированию их физико-механических и эксплуатационных свойств. Принципы дисперсного упрочнения, методы расчета структурных параметров и физико-механических характеристик известны, но разрабатывались применительно к двухфазным керметам (металл - упрочняющий дисперсоид). В то же время, особенности конструирования, количественной оценки свойств гетерофазных композитов с включениями керамических твердых фаз, на порядок и более различающихся по размерам, детально не изучены.

Новизной диссертационной работы является целенаправленное изменение свойств исходных порошковых бимодальных или полимодальных смесей за счет введения сверхтонких частиц. Управление качеством конечного спеченного композита начинается и прогнозируется на стадии создания порошковых смесей, при этом свойства исходных сверхтонких порошков могут изменяться режимами синтеза.

Результаты, полученные ранее показали, что УДЧ имеют повышенную реакционную активность (энергонасыщенность) в сравнении с аналогичными частицами больших размеров. Поэтому, например, при создании керамики из бимодальных смесей порошков А12Озт (со средним размером 1 мкм) и ультрадисперсных частиц 7г02/ или А120з/(с размерами ~ 0,07 мкмО их следует рассматривать как двухфазные не только по размерам, но и по величине их энергетических «потенциалов». Вследствие этого, на ранних стадиях спекания в обеих системах (А12Озт - 2гОу и А12Озт — А1203/) существует градиент диффузионных потоков, формируется поверхностно-активная прослойка из тонких частиц, что позволяет реализовать режим спекания, подобный жидкофазному или активированному.

Поученные ранее результаты являются далеко не полным перечнем преимущественных отличий использования сверхтонких порошков в процессах изготовления и эксплуатации спеченных порошковых композиционных материалов различного состава и назначения. Установлены для них закономерности конструирования и изготовления, обусловленные различиями энергетических и функциональных свойств, заложенных в исходных гетерофазных порошковых смесях. Это является основанием для расширения научно-исследовательских работ по созданию новых керамик и керметов из порошковых смесей с бимодальным (полимодальным) распределением размеров частиц. Использование сверхтонких «энергонасыщеных» частиц позволяет создать градиент технологических свойств, что положительно влияет на кинетику процессов структурообразования и позволяет удачно объединить в структуре одного материала разнородные свойства.

Другим направлением исследований является получение керамик и твердых сплавов с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами за счет добавок УДП (8 - А1203, а - А1203 с размерами 0,07 цт и 0,008 цт соответственно) к основному (матричному) материалу с размерами исходных частиц около 1 цт. Смысл использования таких композиций заключается в использовании пониженной энергии активации сверхтонких взрывных частиц для реализации активированного жидкоподобного спекания, повышения плотности и прочности керамик твердых сплавов. Таким образом, объектами исследований диссертационной работы являются две группы материалов: керамики на основе оксида алюминия улучшенные за счет добавок сверхтонких взрывных частиц и твердосплавные композиты.

Необходимо отметить, что решение задачи получения качественных композитов из полидисперсных порошковых смесей потребовало проведение комплексных исследований: оптимизации состава и соотношения компонентов различной дисперсности, однородности их смешивания, исключение рекристаллизации тонкой фракции при нагреве, разработки новых методов и аппаратуры неразрушающего высокотемпературного контроля кинетики спекания (дилатометрия), ультразвукового неразрушающего контроля качества твердосплавных композитов в условиях температурно-силового воздействия, совершенствования условий синтеза и очистки нанометрических порошков и т.д. Разнообразие свойств, которые должны сочетаться в одном материале делает весьма затруднительной теоретическую оценку и прогнозирование свойств, которые обязательно должны подтверждаться эмпирическими данными, эксплуатационными испытаниями.

В связи с этим задачи диссертационной работы являются актуальными и практически значимыми, позволяют на основе накопленной экспериментальной базы данных сформулировать общие закономерности формирования структуры и свойств у малоизученной группы порошковых спеченных композитов, получаемых из бимодальных смесей.

Результаты диссертационной работы предполагают расширение возможностей целенаправленного, осознанного формирования структуры и свойств материалов с использованием УДЧ, управления качеством функционально градиентных порошковых композитов, их конструирования начиная с подготовки смесей и использования компьютерного моделирования.

Основные выводы по результатам исследований вынесены в конце соответствующих разделов. Ниже приведены общие выводы по работе:

1. Разработана вероятностно-статистическая геометрическая модель твердосплавных композитов, модифицированных УДП, которая позволяет прогнозировать их структурные и прочностные характеристики на стадии конструирования.

2. Численными и экспериментальными методами исследованы корреляционные связи между соотношением объемных долей и размеров частиц в бимодальных керамических смесях с плотностью и физико-механическими свойствами конечных изделий, что позволило обосновать необходимость применения спекания в режиме управляемого ступенчатого нагрева для предотвращения зонального обособления, рекристаллизации, сохранения плотной мелкозернистой структуры и обеспечения требуемого качества материала.

3. Получены новые данные о закономерностях эволюции структуры и свойств твердосплавных и керамических материалов, сформированных из бимодальных по размерам частиц порошковых смесей, на основании чего предложены расчетные и технологические методы оптимизации их фракционного состава и режимов изготовления.

4. Предложен способ и методика неразрушающего ультразвукового контроля, применение которого позволило разработать новый способ термомеханической обработки твердых сплавов, обеспечивающий повышение прочности.

5. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения физико-механических свойств твердосплавных материалов и изделий за счет введения в их структуру УДЧ. Определены оптимальные области добавок УДЧ, обеспечивающие увеличение трещиностойкости, прочности, износостойкости твердых сплавов и изделий на их основе.

6. Разработанные составы и технология изготовления модифицированных твердых сплавов адаптированы к производственным условиям и использованы для изготовления опытно-промышленных партий инструмента различного назначения. Эксплуатационные испытания подтвердили их повышенную и экономическую эффективность.

7. Разработанное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для прогнозирования структурных и прочностных характеристик керамических и твердосплавных материалов модифицированных УДП позволяет сократить объем экспериментальных исследований за счет предварительного использования численных методов.

Заключение

В работе решались задачи всестороннего изучения физико-механических свойств УДП, их практическое использование для изготовления спеченных порошковых композитов с улучшенными свойствами.

1. Морохов, И. Д., Трусов, Л. И., Лаповок, В. Н. Физические явления ф в ультрадисперсных средах. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 224 с.

2. Андриевский, Р. А., Нуждин, А. А. Аморфные и ультрадисперсные порошки и материалы на их основе// Порошковая металлургия. Том 2 (Ито ги науки и техники ВИНИТИ АН СССР), М., 1986.

3. Морохов, И. Д., Петинов, В. И., Трусов, Л. И., Петрунин, В. Ф. Структура и свойства малых металлических частиц// Успехи физических наук.-1981.-133.-№ 4.-е.653-692.

4. Морохов, И. Д., Трусов, Л. И., Чижик, С. П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Атомиздат, 1977.-264с.

5. Чижик, С. П., Гладких, Н. П., Григорьев, Л. К., Куклин, Р. Н. Размерная зависимость коэффициента диффузии в малых частицах// ФТТ.-1984.-26.-№ 5.-с.1514-1517.

6. Грязнов, В. Г., Гурский, М. А., Трусов, Л. И., Айвазов, А. А. Влияние состояния поверхности на температуру плавления малых металлических частиц// ФТТ.-1982.-24.-№ 2.-с.529-533.

7. Федоров, В. Б., Шорохов, М. X., Хакимова, Д. К. Углерод и его взаимодействие с металлами. М.,Металлургия, 1978.

8. Домашнев, И. А., Троцкий, В. Н. и др. Физико-химический анализ• сверхпроводящих сплавов.-М.: 1979.-с.195-197.

9. Шинтс, Я. О., Ковалев, В. Н., Сухович, Е. П., Унгурс, И. А. Электропроводность прессованных ультрадисперсных порошков никеля при различных температурах// Изв. АН Латв.ССР, Сер. Физ. и Техн. наук.- 1984.-№ 1.-с.77-83.

10. Федоров, В. Б., Гурский, Л. А., Калашников, Е. Г. и др. Метастабильные диаграммы состояния двухкомпонентных систем//ф Порошковая металлургия.-1981.-№ 3.-С.1314.

11. Дисперсные порошки и материалы на их основе/ Под.ред.

12. Скорохода В. В.- Киев: ИПМ АН YCCP.-1982.-c.185.

13. Трусов, Л. И., Грязнов, В. Г., Новиков, В. И.// ФТТ.-1985.-27.-№9.-с.2726-2729.

14. Новиков, В. И., Трусов, Л. И., Лаповок, В. Н., Гелейшвили, Т. П. Особенности процессов массопереноса при спекании ультрадисперсных порошков// Порошковая металлургия.-1983.-№7.-с.39.

15. Н.Новиков, В. И., Трусов, Л. И., Лаповок, В. Н., Гелейшвили, Т. П. Рекристаллизационный механизм спекания ультрадисперсных порошков//Пороа1ковая металлургия.-1964.-№ 5.-с.28-34.

16. Кулу, П. А., Летунович, С. М.//Труды Таллиннского политехнического института.-1982.-№ 531.-е.63-67.

17. Мацера, В. Е., Пугин, B.C., Добровольский, А. Г. и др. Исследование ультразвукового диспергирования порошков тугоплавких со единений// Порошковая металлургия.-1971.-№ 12.-е. 11-16.

18. Шейхалиев, Ш. М., Понель, С. И.// Порошковая металлургия.-1983.-№ 10.-е. 18-23.

19. Григорьева, Т. Ф. Механохимический синтез порошковых сплавов и их использование в диспертвердеющих припоях/ В сб.физико-механические и технологические характеристики высокодисперсных материалов.-Киев: ИПМ АН УССР, 1989.-С.38-41.

20. Ген, Л. Я., Петров, Ю. И. Дисперсные конденсаты металлическог о пара//Успехи химии.-1969.-37.-№ 12.-С.2249-2276.

21. Патент Японии, кл. В22 9/12, № 56-15442 опубл. 10.04.81.

22. Гегузин, Я. 3. Физика спекания.-М.:Наука,1984.-312с.

23. Гегузин, Я. 3. Механизм и кинетика начальной стадии твердофазного спекания прессовок из порошков кристаллических тел ("активность" приспекании)//Порошковая металлургия.-1976.-№7.-с. 17-25.

24. Nanocamposites said to strengthering structers tenfold //Metall work News.-1989.-№ 16.№752.-p. 10

25. Троицкий, В. H., Резникова, Т. В. Дисперсные кристаллическиепорошки в материаловедении.- Киев, Наукова Думка, 1980.- 913с.

26. Хохлачев, Н. М., Падерно, В. Н., Шиловская, М. Е., Толстая, М. А.//Порошковая металлургия.-1980.-№ 3.-с1-6.

27. Федоров, В. В., Хакимов, Д. К., Петруничев, В. А., Салиева О. Г, Демидова, И. Н., Получение и некоторые структурные характеристики ультрадисперсных систем// Порошковая металлургия.-1981.-№ 9.-е. 10-14.

28. Куркин, Е. Н., Троицкий, В. Н., Торобов, В. И., Гуров, С. В. Применение низкотемпературной плазмы для получения ультра дисперсных порошков меди//Порошковая металлургия.-1984,-№ Н.-с.23-28.

29. Новые процессы и материалы порошковой металлургии/Под. ред. Явербаума Л. X. -Л.: Металлургия, 1983.

30. Проблемы технологии горения: химия, технология, свойства и применение продуктов горения. Черноголовка.-1982.-т.2.-155с.

31. Адауров, Г. А., Гольданский, В. И. Успехи химии.-1981.- т.50. с.1810.

32. Ставер, А. М., Губарева, Н. 3., Лямкин, А. И., Петров, Е. А. Физика горения и взрыва.-1984.-№ 5.-е. 100-103.

33. Белошапко, А. Г., Букаемский, А. А., Ставер, А. М. Образование ультрадисперсных соединений при ударно-волновом нагружении пористого алюминия. Исследование полученных частиц// Физика горения и взрыва.-1990.-№ 4.-е.93-98.

34. Лидоренко, Н. С., Каган, Н. М., Чижик, С. П. О механизме низко температурного спекания высокодисперсной платиновой черни// ДАН СССР.-1971.-200.-№ 1.-142с.

35. Иванов, Г. В., Яворский, Н. А., Котов, Ю. А., Давидович, В. И., Мельникова, Т. А. Самораспространяющийся процесс спекания ультрадисперсных металлических порошков//ДАН СССР.-1984.-275/-№4.-с.873-875.

36. Иванов, В. В., Хрустов, В. Р. Исследование кинетики спекания нанокерамики а- А12Оз // Физика и химия обработки материалов.- 1996.- № 4.-С. 96-99.

37. Coble R. I., Sintering crystalline solids. II. Experimental Test of diffusion models in powder compacts // J. of Appl. Phys.- 1961.- V. 32.- № 5.-P. 793-799.

38. Непийко, С. А. Физические свойства малых металлических частиц.-Киев: Наукова Думка, 1987.- С. 109-116.

39. Ивенсен, В. А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании.- М.: Металлургия, 1971.- 269 с.

40. Благовещенский, Ю. В. Спекание ультрадисперсных порошков// Физикохимия ультрадисперсных систем: Материалы IV Всесоюзной конференции.- М.: МИФИ, 1998.- С. 271-272.

41. Алымов, М. И. Особенности консолидации ультрадисперсных порошков// Физикохимия ультрадисперсных систем. Материалы IV Всесоюзной конференции.- М.: МИФИ.- 1998.- С. 258-259.

42. Спеченный твердый сплав с высокой теплостойкостью. Заявка №62-146237. Япония. МКИ 4 С22С29/08. Оп. 30.06.87.

43. Гордеев, Ю. И. Модифицирование порошковых композитов ультрадисперсными частицами// Ультрадисперсные материалы. Получение и свойства.- Красноярск.: КрПИ, 1990.- С. 133-154.

44. Твердый сплав. Заявка №6383236. Япония. МКИ 4 С22С29/08. 0п.13.04.88.

45. Faserkristalle machen keramik zäher gegen Bruch// Werk und Betr. -1985.-118.-№ 11 p. 770

46. Kenny R. Application of Fracture Mechanism to Cemented Tungsten Carbides// Powder Metallurgy.- 1971.- V. 14.- ? 27.- P. 28-32.

47. Chermant J.-L., Osterstock F. Fracture Toughness and Fracture of WC-Co Composites// J. Material Science.- 1976.- V. 11.- P.- 1939-1951.

48. Лошак, M. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. -Киев: Наукова Думка, 1984.-328с

49. Chermant J., Osterstock F. Fracture toughness and Fracture of Wc-Co composites //Jornal of Material Science.- 1976.-№11.-p. 1939-1951

50. Чернявский, К. С, Туманов, В. И. и др. Распространение трещин в структуре сплавов Wc-Co при различных видах нагружения //В тем. сб. научи. трудов Исследование и разработка твердых сплавов/М.:Металлургия,1988.

51. Девин, Л. Н. К определению трещиностойкости композитов на основе твердого сплава// Сверхтвердые материалы.- 1980.- ? 6.- С. 15-19.

52. Новиков, Н. В., Девин, Л. Н., Левитас, В. И. Анализ напряженного состояния пластичных прослоек между жесткими зернами// Сверхтвердые материалы.- 1980.- № 2.- С. 16-23.

53. Девин, Л. Н., Лошак, М. Г. и др. Особенности разрушения твердых сплавов при статическом и динамическом нагружении// Сверхтвердые материалы.- 1989.- № 2. С. 34-38.

54. Краймер, Г. С. Прочность твердых сплавов. М: Металлургия, I97I.-248 с.

55. Pickens J., Gurland J. Hard materials// Science Engineering.- 1978.-V. 33.- № 5.- P.35.

56. Houg J. Fracture of Hard materials// Ph. D. Thesis. Brown University.-Providence, 1981.-P. 127-129.

57. Rice J., Jonson M. Inelastic behavior of solids// In: M.F. Kanninen.-New-York: McGray-Hill, 1970.- P. 46-49.

58. Chermant J.-L., Osterstock F. Fracture Toughness and Fracture of WC-Co Composites//J. Material Science.- 1976.-V. 11.- P.- 1939-1951.

59. Doy H. Fracture Toughness of some materials// J. of Society of Powder Metallurgy.- 1977.- V.24.- ? 2.- P. 33-42.

60. Chermant J., Osterstock F. Fracture of hard materials// Fracture.- 1977.-№2.- P.229-235.

61. Hugner H. Die Bestimmung der specifishen Bruckar beit von zwei Hartmetall // Z.D.Metallk.-1976.-67.-№8.-p.507-513

62. Liu Y., Zhang S. Relatioships Between fracture toughness and microstructure of WC-Co allays// Proc. 5th Int, Conf. China .1987.-2.-p. 1297-1303

63. Sigl J., Exner H. // In.: Almond E. Report of 2nd Int. Conference on Science of Hard Metalls / In Inst, of Phys. Conf Ser.-1986.75.-p.631-634

64. Nakamura M., Gurland J. The fracture toughness of WC-Co two-phase allous. A preliminary model // Metall Trans.A.-1980.-11.-№1 .p. 141-146

65. Чернявский, К. С., Травушкин, Г. Г. Современные представления о связи структуры и прочности твердых сплавов/Проблемы прочности.-1980,- №4.-С.11-19.

66. Godse R., Gurland J. Applicability of the critical strength criterion to WC-Co// J. Of Mater. Science and Engineering.- 1988.- A.106.- P. 331-336.

67. Sigl L. // Ph. D. Thesis Max-Plank Institute fur Metallfarchung. Stuttgart.-1985

68. Мовчан, Б. А. Структурный максимум прочности двухфазных неорганических материалов дисперсного типа//Доклады АН УССР. Сер А.-I987.-№ 7.-С.79-81.

69. Gurland J./Parikh N. Microstructure aspects of the fracture of the two-phase alloys // Acad.Press. New-York.-1972.-7.-p.841-848

70. Блейкмор Дж., Физика твердого тела. М.: Мир, 1988. 606 с.

71. Контор, И. Л., Кремер, Н. Ш., Панко, Г. С. Разработка методов математического анализа процессов деформации композиционных материалов. Отчет о НИР, 1983.

72. Шаскольская, М. П. Кристаллография: Уч. пособие для Вузов.-М.: Высш. шк., 1984.-373 с.

73. Конвей Дж., Слоэн Н. Упаковки шаров, решетки и группы. Т. 1. М.: Мир, 1990. 410 с.

74. Конвей Дж., Слоэн Н. Упаковки шаров, решетки и группы. Т. 2. М.: Мир, 1990. 415 с.

75. Smith J.P., Messing G.L. Sintering of Bimodally Distributed Alumina Powders // Journal of the American Creamy Society. V. 67, № 4. P. 238-242.

76. Попильский, P. Я., Пивинский Ю. E. Прессование порошков керамических масс. М.: Металлургия, 1983.

77. Андриевский Р. А. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991. 208с.

78. Райнер, М. Реология. М.: Наука.-1965. 222 с.

79. Першин, В. Ф. Расчет относительной плотности и координационного числа полидисперсного материала // Порошковая металлургия, № 3, 1990.

80. Кадушников, Р. М., Скороход, В. В., Каменин, И. Г., Алиевский, В. М., Нурканов, Е. Ю. Компьютерное моделирование спекания сферических частиц // Порошковая металлургия, 2001, № Ул, с. 71-82

81. Андриевский, Р. А., Коняев, Ю. С., Леонтьев, М. А. и др.// Высокие давления в науке и технике Отв. ред. Н.В. Новиков Т. 2. Киев: Наук. Д. 1989. — С. 170.

82. Скороход, В. В. Спекание с контролируемой скоростью нагрева как способ управления микроструктурой керамики и подобных спеченных материалов/ В. В. Скороход, А. В. Рагуля// Порошковая металлургия, 1994 № 3/4. С. 36-42.

83. Попильский, Р. Я. Прессование порошков керамических масс/ Р. Я. Попильский. М.: Металлург, 1983. 176 с.

84. Волынцев, А. Б. Исследование низкотемпературных этапов спекания порошковых материалов/ А. Б. Волынцев, И. К. Утробина, В. П. Бахчурин, и др.; Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия, 1997.- № 3. — С. 65-68.

85. Smith, J. P. Sintering of Bimodally Distributed Alumina Powders/ J. P. Smith, G. L. Messing// Journal of the American Ceramic Society, 1984. № 4. - P. 238-242.

86. Лифшиц, Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов/ Б. Г. Лифшиц, В. С. Крапошин, Я. Л. Линецкий. М.: Металлургия, 1980. 137с.

87. Cumberland, D. J. Handbook of Powder Technology/ D. J. Cumberland, R. J. Crawford// The Packing of Particles. Eisevier. Amsterdam, 1987. P. 41-61.

88. Лукин, E. А. Применение керамики на основе оксида алюминия в медицине/ Е. А. Лукин, С. В. Тарасова, А. В. Королев// Стекло и керамика, 2001. №3,-С. 28-30.

89. Кипарисов, С. С. Карбид титана. Получение, свойства, применение/ С. С. Кипарисов, Ю. В. Левинский, А. П. Петров. М.: Металлургия, 1987.-216 с.

90. Балкевич В. Л. Техническая керамика/ В. Л. Балкевич. М.: Стройиздат, 1984.-256 с.

91. Анциферов, В. Н. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов/ В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др.; М.: Металлургия, 1987. 792 с.

92. Upadhya, К. Sintering kinetics of ceramics and composites in the plasma environment/ K. Upadhya// J. Metals, 1987, 39, № 12. P. 11-13.

93. Gene, G. New materials technology in Japan/ G. Gene// Int. J. Mat. Prod. Technol.,1987. № l.-P. 1-17.

94. Lenoe, E. N. International perspective on ceramic heat engines/ E. N. Lenoe, J. L. Meglen// Amer. Ceram. Soc. Bull, 1985. 64. № 2. P. 271-275.

95. Hobbs M. Thermal barriers coatings for diesel engines/ M. Hobbs// Surfac. J., 1985. №4.-P. 101-108.

96. Muller-Zorentz, M. Konstuiren mit Keramik und Glas-Beschafiung von Informationen/ M. Muller-Zorentz, G. Wullman// Sprechsaal, 1988. № 10. P.- 934-940.

97. Wong, J. Estimate of the activation energies for boundary diffusion from rate controlled sintering of pure alumina dopted zirconia or titania/ J. Wong, R. Raj// J. Amer. Ceram. Soc, 1990.-75. № 5. P. 1172-1175.

98. Бокштейн, Б. С. Термодинамика и кинетика границ зерен в металлах/ Б. С. Бокштейн, Ч. В. Копецкий, JL С. Швиндлерман. М.: Металлургия, 1986 224 с.

99. Lenoe, Е. N. International perspective on ceramic heat engines/ E. N. Lenoe, J. L. Meglen// Amer. Ceram. Soc. Bull, 1985. № 2. P. 271-275.

100. Muller-Zorentz M. Konstuiren mit Keramik und Glas-Beschaffung von Informationen/ M. Muller-Zorentz, G. Wullman// Sprechsaal 1988 - 121, № 10-P.- 934-940.

101. Hare Т. M. Sintering behavior of over-compacted shock-conditioned alumina powders/ Т. M. Hare, K. L. More, A. D. Batchelor, H. Palmour III III Materials Sci. Research-New-York: Plenum Press, 1984. P. 265-280.

102. Wang, J. Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics/ J. Wang, R. Stevens// J. of Materials Science, 1989. №24 P. 3421-3440.

103. Ставер, A. M., Гордеев 10. И., Рынков С. Н., Абкарян, А. К. Всесоюзное совещание по детанации. Сб. докл. Красноярск, 1991 г.-Том 2, С. 279-281.

104. Витязь, П. А. Керамика из диоксида циркония (Обзор)/ П. А. Витязь, И. Н. Ермоленко, И. JI. Федорова, и др.; Порошковая металлургия, 1981-№ 12.-С. 45-50.

105. Трефилов, В. И. Дисперсные частицы в тугоплавких металлах/ В. И. Трефилов, В. Ф. Моисеев. Киев: Наукова Думка, 1978. 238 с.

106. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы/ Под ред. В. Шатта.- М.: Металлургия, 1983. 520 с.

107. Гагечелидзе, А. А. Влияние некогерентных дисперсных частиц на внутреннее трение и механические свойства железа и никеля/ А. А. Гагечелидзе, В. В. Кияненко, А. Г. Микеладзе и др.; Физикохимия ультрадисперсных систем. М.: Наука, 1987. С. 109-116.

108. Орован Е. Классическая и дислокационная теория хрупкого разрушения/ Е. Орован// Атомный механизм разрушения. М.: Металлургия, 1963.-С. 170-184.

109. Федорова, Е. Н. Получение и свойства керамики на основе наноразмерных порошков оксида алюминия.: Дис. кандидата техн. наук. Красноярск, 2001. 144 с.

110. D. J. Cumberland and R. J. Crawford, "Handbook of Powder Technology", Vol. 6; "The Packing of Particles", Eisevier, Amsterdam, 1987 P. 41-61.

111. Ansell G. S., Weertman J. Theory of hight-temperature greep rate in two-phase alloys.- Transt. Metall. Soc. AIME- 1959.- V. 215.- № 7. P. 838-845.

112. Кузенкова, M.A. Структурные изменения при спекании ультрадисперсных порошков нитрида алюминия/ М.А. Кузенкова, А.В. Курдюмов, Г.Н. Макаренко и др.; Порошковая металлургия, 1981.- № 10. С. 35-39.

113. Минакова, Р. В. Композиционные материалы для контактов и электродов/ Р. В. Минакова, М. Л. Грекова, А. П. Кресанова и др.; Порошковая металлургия, 1995. № 78. С. 32^0.

114. Савицкий, А. П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами/ А. П. Савицкий. Новосибирск: Наука, 1991. 183 с.

115. Трусов, Л. И. Особенности спекания ультрадисперсных порошков/ Л. И. Трусов, В. Г. Грязнов, В. И. Новиков// ФТТ, 1985.№ 9.- С. 2726-2729.

116. Speyer, R. F. A shrinkage rate-controlled sintering dilatometry/ R. F. Speyer, L. Echiverri, Chung Koor Lee// J. Mater. Sci. Let., 1992.-11 P. 1089-1092.

117. Ивенсен, В. А. Феноменология спекания/ В. А. Ивенсен. М.: Металлургия, 1985.-315 с.

118. Лотов, В. А. Параметр для оценки спекания керамических материалов/ В. А. Лотов, Ю. И. Алексеев// Стекло и керамика, 1995. № 1—2. -С. 27-30.

119. Скороход, В. В. Развитие идей Я. И. Френкеля в современной реологической теории спекания/ В. В. Скороход// Порошковая металлургия, 1995. №9/10. -С. 36-42

120. Godse R., Gurland J. Applicaeility of the critical strength criterion, of WC-Co // Mater.Sci.and Eng.-p. 1988.- A.106.-p.331-336

121. Гогоци, Г. А., Башта А. В. Исследование керамики при внедрении алмазной пирамиды Виккерса // Проблемы прочности. 1990. - №9. - с.49-54

122. Гогоци, Г. А., Озерский, Б. А., Островой, Д. Ю. Механическое поведение керамики и кристаллов на основе диоксида циркония. Сообщ.2. Испытания при индентировании // Проблемы прочности. 1995. - №8. - с.21-54

123. Торопов, Н. А. Диаграммы состояния силикатных систем/ H.A. Торопов, В. П. Берзаковский, и др.; Справочник. Л.: Наука, 1970. -С. 18-34.

124. Букаемский, А. А. Получение новых ультрадисперсных материалов и исследование их свойств. Дис. кандидата техн. наук. Красноярск, 1995. 165 с.

125. Федоров, В. Н., Гораздовский, Т. Я., Летуновский, В. В. Анализ возможностей применения метода объемной реверберации// Механические и физико-механические свойства материалов.- Вып.1.- ГСССД.- 1989.- С.42-50

126. Anstis R. Palmqvist indentation toughness in WC-Co composites //Jornal of Mat. Science. -1987. -6.-p.897^900

127. Гордеев, Ю. И., Редькин, В. Е., Рычков, С. Н. Разработка технологии и расчет структурных параметров гетерогенных трехфазных керметов//Кластерные материалы: Тезисы докладов 1 Всесоюзной конференции.- Ижевск. 1991.-с.27.

128. А. с. №1288582 Устройство для определения физико-механических свойств материала/ Андриевский Р. А., Теремов С. Г.-БИ.

129. A.c. № 1185220 СССР. МКИЗ 012900. Способ ультразвукового структурного анализа материалов/Федоров В.И., Летуновский В.В.-1985.

130. Лошак, М. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. -Киев: Наукова Думка,1984.-328с.

131. Девин, Л. Н., Лошак, М. Г. и др. Особенности разрушения твёрдых сплавов при статическом и динамическом нагружении// Сверхтвердые материалы.-1989-№ 2, с.34-38.1986

132. TForml *Forml; //--------------------------------------------------------------------------fastcall TForml::TForml(TComponent* Owner)1. TForm(Owner)

133. SaveDialogl->FileName = SaveDialogl->FileName + ".klc"; Memo 1 ->Lines->SaveToFile(SaveDialogl ->FileName); Form 1 ->Caption=SaveDialogl ->FileName;

134. Ф voidfastcall TForml::OpenlClick(TObject *Sender)i f(OpenDialog 1 ->Execute()) {

135. Forml->Caption=OpenDialogl->FileName; Memo 1 ->Lines->LoadFromFile(OpenDialog 1 ->FileName);

136. R=dm/2.0; y=cos(pi/l 80*30.0);п=с1т;г=3.0*1о£(п);т=ехр(2);х=5ЦЛ(2.0);

137. У1=(т/12.0)*х; // Объем общего тетраэдрап2=(с1т/2.0);г2=3.0*1о£(п2);т2=ехр(г2);x2=sqn(2.0);

138. У2=(т2/12.0)*х2; // Объем тетраэдра одного шара

139. Расчет объема одной сферической части1. ШИШИ1. Ье«а=30.0;1. БитУЗЮ;с 1=11;

140. Мето 1 ->Lines->Add(str);} у/Ы1е(аШ<=35.0); У2=У2+8итУЗ;

141. Урог=У1-(4.0*У2);// Объем поры с учетом сегментов Рог=(Урог* 100)Л/1; //Пористость в % 11рог=0.224745*(с1т/2.0); // Радиус поры

142. АгшЗЫпе э1г1 = "Урог="+Апз181пп§(Урог)+"; Рог="+Ап5181пп§(Рог); //А^Б^те Э1Г2 = "К.рог="+А1ш81пп§(11рог)+"; УКрог="+Агш81ппе(У11рог); //АПЗ181Г1ПЕ экЗ = "+Агш81ПП£(У9+м; №= "+АП5181ПП£(Ы0+"; Уа="+Апз181ппе(Ус1);

143. Form 1 ->Caption=OpenDialog 1 ->FileName; Memo 1 ->Lines->LoadFromFile(OpenDialog 1 ->FileName);

144. Акты испытаний и внедрения инструментов, опытных образцов изготовленных из твердого сплава, модифицированного добавками УДП, а так же из бимодальной керамики.

145. УТВЕРЖДАЮ: ьный директор ООО ' «КРАМЗ-ПРЕСС» Мухаметкулов Г.А;

146. АКТ ВНЕДРЕНИЯ ; > результатов научно-исследовательской работы Заказчик: ООО «КРАМЗ-ПРЕСС» ;

147. Вид 'внедренных результатов составы и технология изготовления инструментальных пластин для механической обработки

148. Характеристика масштаба внедрения партия резцовых пластин общим количеством 200 штук

149. Форма внедрения в производство .: . •

150. Новизна результатов научно-исследовательских рр.бот качественно-новые

151. Опытно-промышленная проверка проведена в 2001 году на ООО «КРАМЗ-ПРЕСС»

152. Внедрены в промьшленное производство на ООО «КРАМЗ-ПРЕСС»

153. Годовои экономический эффект: 20.000 рублейв.Научно^технический эффект повышение износостойкости инструмента для механичеЬкой обработки1. От исполнителя:

154. Руководитель НИР / Гордеев Ю.Й>—. ответственный , Исполнитель Абкарян А.К. Зеер Г.М,- у ^г^-п1. От предприятия:

155. Технический директор Соболь С.В.

156. Начальник инструментального цеха Зыков В.И.1. А К Тиспытаний образцов твердого сплава.

157. ЦЕЛЬ ИСПЫТАНИЙ: изучение влияния комбинированной обработкитвердого сплава по режиму иагру/кение-термо-' обработка на прочностные характеристики.

158. МЕЛОДИКА ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДШИЙ ИСПЫТАНИЯ:

159. Результаты измерений предела прочности на изгиб штабикоп, полученных по обычной технологии г сравнении с обработшными •по предлагаемому способу приведены в таблице.

160. Парка { Номер | Прочность на изгибу1. Ш 699 207 2301. ЕК6 639 203 2421. ЕКЗ 8774 " 213 " ~2571. ЕЬСЗ 8434 209 • 2531. ВКХ5 1659 195 2571. ЕК15 1649 210 243

161. Результаты испытаний показывают,что обработка твердого сплава по режиму нагружение-тершобработка способствуют росту прочности.

162. Научный сотрудник КрПИ — Гордеев Ю.И.

163. Нач. группы ИТЦ сМя*-^- / Иехгшэаина Н.П, Инженер НТЦ П?// / 1 Жабреэга Н.Е.1. УТЗрДДАЮ: ■

164. Прдзектор^а НИР КрПИ ВЛ.ТРОЯН1. ЩВРВДАЮ•Л»испытанйй^образцовенер КЗТ Пельц А----бразцов твёрдого сплава с добавлением ультради'сперсного оксида алюминия (промежуточный)

165. Цель испытаний: изучение влияния добавок ультрадисперсного порошка оксида алюминия на физико-механические,эксплуатационные характеристики и микроструктуру твёрдого сплава.

166. Спекание проводилось в соответствии с технологическими инструкциями для 'каждой марки сплава , в среде водорода и вакууме при различных скоростях продвижки.

167. Результаты испытаний о бразцо в, при ведённые в таблице, свидетельствуют что введение ультрадисперсного оксида алюминия в состав сплава обеспе чивает:

168. Увеличение прочности на изгиб на 25-30%.

169. Снижение среднего размера зерна карбидной фазы для сплавов группы ВК. '

170. Увеличение соотношения размеров фаз д// для сплавов группы ТК.

171. Цель испытаний определение возможности неразрушающего экспресс контроля качества твёрдосплавных изделий.

172. Испытание прибора производились на сплавах марок ВК8 и" Т15К6. При этом на приборе УБТ-5 измерялась величина внутреннего трения изд. лий предварительно испытанных по требованиям и методикам действующей •НТД. •

173. Результаты измерений внутреннего трения (ВТ)»коэрцитивной силы и относительного коэффициента стойкости при резании,а также параметровмикроструктуры приведены в.таблицах I и 2.

174. Прибор может быть использован в качестве индикатора годности изделия, но границы брак-годное по величине внутреннего трения необходимо уточнять отдельно для каждой марки сплава.

175. Для уточнения вида брака, регистрируемо го по возрастанию величины внутреннего трения целесообразно применять мкогопараметровый контрольна пример в сочетании с измерением коэрцитивной силы.'

176. Представляется, целесообразным продолжить работы по изучению возможное, тей замены,разрушающих методов.контроля качества твердосплавных изделий на многопараметровый экспрессанализ с помощью прибора УВТ-5,УВТ-6-

177. От Кр.ПИ Старший научный сотрудник1. В.Н.Федоров1. Научный сотрудникуГордеев Ю.И. /¿Г —

178. От • К 3 Т С Зам,директора по качеству

179. В. И. Ахвенайнен Зам. начальника НТЦ'-'^'-*' .А.С.Кирпиков1. Материал Т15К6Гтяьлщя г

180. Номер ! Вид I партии!брака 11. Номер в ! партии 11. ВТ