автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка технологии и исследование порошковых покрытий систем Al и Al-Pb

Введение.

1. Проблемы получения порошковых покрытий.

1.1. Проблемы получения порошкового антикоррозионного и антифрикционного сплавов с заданными свойствами и нанесения в качестве покрытия на стальную основу.

1.2. Состояние вопроса схватываемости совместно прокатываемых материалов.

1.3. Проблема исследований механических характеристик порошковых материалов.

1.4. Современное состояние исследований по механике совместной пластической деформации разнородных металлов.

1.5. Цель и задачи исследований.

2. Математическая модель совместной прокатки порошка и стальной полосы. Критерии предотвращения дефектности полосы с порошковым покрытием.

2.1. Математические зависимости, описывающие состояние слоистой многокомпонентной системы в очаге деформации.

2.2 Влияние трения на напряженное состояние металла в очаге деформации при тонколистовой прокатке.

2.3.Определение параметров волнистости прокатываемых полос энергетическим методом.

2.4. Расчет энергосиловых параметров процесса консолидации дисперсных материалов давлением.

2.5. Метод расчета силовых показателей в очаге деформации при нанесении прокаткой порошкового материала на беспористую полосу.

2.6.Возможные дефекты в полосе с покрытием после обработки давлением. Выработка критериев их предотвращения.-.

3. Влияние степени обжатия и скорости нагрева на интенсивность диффузии и толщину интерметаллидного слоя в системе AI порошковое покрытие-стальная основа.

3.1.Разработка методики проведения эксперимента.

3.2.Влияние степени деформации на диффузионные процессы и образование интерметаллидного слоя.

3.3.Влияние скорости нагрева на диффузионные процессы и образование интерметаллидного слоя.

3.4.Влияние скорости охлаждения на образование интерметаллидного слоя.

3.5.Физико-химическое взаимодействие стальной полосы и алюминиевого порошка в процессе высокоскоростного отжига после пластического деформирования.

4. Технология получения антикоррозионного покрытия стальной полосы совместной прокаткой стальной основы и алюминиевого порошка.

4.1. Разработка способа алюминирования стальной полосы прокаткой.

4.2.Установка для алюминирования стальной полосы прокаткой с использованием сухого алюминиевого порошка.

4.3.Экспериментальная оптимизация технологических параметров прокатки и отжига.

4.4.Корректировка математической модели совместной прокатки стальной полосы и сухого алюминиевого порошка.

4.5. Формула изобретения (Патент РФ № 2182191).

5.Особенности получения совместной прокаткой стальной полосы и порошковой смеси системы А1-РЬ антифрикционного покрытия.

5.1. Материалы для антифрикционного покрытия.

5.2.Поиск решения задачи создания антифрикционного покрытия.

5.3.Экспериментальная оптимизация накатки на стальную полосу антифрикционного алюмо-свинцового покрытия.

5.4. Формула изобретения (Заявка на изобретение № 2001134984/02, приор. 19.12.01).

5.5. Способ получения порошкового проката постоянной заданной плотности (Заявка на изобретение №2002109736/02 приор.12.04.02).

6.Экономика вопроса.

Выводы.

Одними из направлений улучшения качества стального листа с алюминиевым порошковым покрытием являются повышение коррозионной стойкости и пластичности покрытия. Несмотря на многочисленность существующих способов получения такого покрытия, остаются нерешенными вопросы улучшения схватываемости покрытия с основой, достижения пластичности покрытия на уровне пластичности основы, утолщения алюминиевого слоя для повышения антикоррозионности, а также такие технические проблемы, как многостадийность процесса получения покрытия, невозможность получения качественного покрытия толщиной более нескольких десятков микрон, высокая стоимость оборудования, использование вредных веществ. Создание одностадийного, экономичного и экологически безопасного способа получения на стальной полосе антикоррозионного покрытия толщиной до 0.25мм и с пластичностью не ниже пластичности основы - важная задача, и один из путей ее решения- нанесение порошкового алюминиевого покрытия прокаткой.

Использование в антифрикционных покрытиях алюминия и свинца обусловлено тем, что у алюминия высокие несущая способность и теплопроводность, подходящие для матрицы покрытия, а свинец - лучшая из металлов смазка при сухом трении. Попытки получить антифрикционный материал состава А1-РЬ в качестве замены более дорогим меди и олову не нашли промышленного применения вследствие слишком высокой стоимости предложенных технологий. Таким образом, создание экономически целесообразного способа получения антифрикционного материала системы А1-РЬ на стальной основе- задача востребованная.

Целью работы является:

- получение пластичного антикоррозионного алюминиевого порошкового покрытия толщиной до 0.25мм на стальной полосе и разработка технически простого, экономичного, экологически безопасного способа его получения;

- получение нового антифрикционного материала системы А1-РЬ на стальной подложке и разработка технологии его получения.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

- разработать математическую модель совместной прокатки порошка и литого материала, позволяющую определить напряженно-деформированное состояние в очаге деформации, а также выявить причины встречающихся дефектов для выработки оптимальных режимов прокатки;

- рассмотреть все значимые случаи дефектов при накатке покрытий и определить критерии предотвращения дефектности;

- изучить зависимость толщины интерметаллидной прослойки между покрытием и основой от деформации и скорости нагрева, как влияющую на пластичность и схватываемость стального листа с А1 — порошковым покрытием;

- определить оптимальный состав антифрикционной порошковой смеси;

- разработать способы получения прокаткой антикоррозионного и антифрикционного покрытий.

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель совместной прокатки многофазной слоистой системы -порошка и компактного материала.

2. Разработана математическая модель многослойной прокатки, обобщающая случаи прокатки без плакирования и с плакированием слоев, компактных и порошковых материалов, опирающаяся на учет опережений между слоями, что особенно важно для развития общей теории совместной пластической деформации различных материалов (СПДРМ).

3. Математически описаны дефекты полосы с порошковым покрытием и определены причины их возникновения. Выработаны критерии предотвращения дефектности типа:

- разрыв стальной основы при минимизации трения на валках,

- волнистость (коробоватость) полосы с покрытием, вызванная неравномерностью вытяжки по ширине полосы при прокатке, приводящая как к нарушению допустимых параметров по геометрии, так и к появлению поверхностных трещин и «морщинистости» в покрытии,

- обширное и локальные отслоения в местах несхватывания или недостаточного схватывания покрытия и основы при термообработке.

4. Экспериментально исследовано влияние степени обжатия при прокатке и скорости нагрева при термообработке стальной полосы с алюминиевым порошковым покрытием на протекание диффузионных процессов и образование интерметаллидных фаз. Установлено, что увеличение как скорости нагрева, так и степени деформации приводит к росту интерметаллидной прослойки на границе раздела; наличие оксидов на границе раздела снижает адгезию слоев и препятствует образованию интерметаллидов при любой степени обжатия, тогда как увеличение скорости нагрева уменьшает степень окисленности материалов вплоть до полного исчезновения оксидов. Результаты представлены в виде графиков, математических формул и в фотоснимках шлифов.

5. На основе теоретических посылок (глава 2) и экспериментальных данных (глава 3) разработан способ получения прокаткой пластичного толщиной до 0.25мм антикоррозионного алюминиевого порошкового покрытия на стальной полосе (глава 4), отличающийся простотой используемого оборудования, экономичностью и экологической безопасностью. Получен патент РФ № 2182191.

6. Впервые разработан способ получения на стальной полосе прокаткой с электроконтактной термообработкой в очаге деформации антифрикционного порошкового покрытия состава: А1~60-70%, РЬ~27-35%, Си~3-5%. (Заявка на изобретение №2001134984 от 19.12.2001).

7. Разработан способ получения порошкового проката постоянной заданной плотности. (Заявка на изобретение №2002109736/02 приор. 12.04.02).

8. Разработка способа антикоррозионного порошкового алюминирования кардинально, относительно аналогов, сократила количество используемого оборудования, производственные площади, энергозатраты и время на производство продукции ввиду одностадийности процесса алюминирования данным способом и использования порошка.

9. Антифрикционный порошковый материал системы А1-РЬ, полученный по нашей технологии, значительно дешевле используемого в настоящее время антифрикционного материала системы Al-Sn, т.к. олово в 15 раз дороже свинца. Сама технология малоэнергоемка, предполагает небольшое количество оборудования и производственных площадей.

1. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наукова думка, 1980.-403с.

2. Fischmiester Н. Report on the Fifth International powder metalurgy conference, Chicago, June 28-July 2.-Powder Met.Int., 1976, 8, N4,p.l81-184.

3. Korbin C.L. Aluminium made into bearings by new powder process.-Iron Age, 1964,193, N18 , p.135-136.

4. Staff report: Application outlook for aluminium P/M parts,-Metall Progr., 1971,99,N4,p.60-64.

5. Harby D.A. Sintered alloyed steels.-Ingeniersblad, 1971,40,N24,p.758-763.

6. Reynolds J.H., Hall Б.Пат. 1035216 (Великобритания) Method of and apparatus for fabricating self-lubricating articles or components and articles or components made by the method.-Опубл.22.04.58.

7. Трение и изнашивание алюминиевой бронзы оптимального состава /АнциферовВ.Н., Щапов А.А.// Трение и износ.-1996.-17,№2,с.213-217.

8. Порошковый алюминиевый сплав для двигателей./УАвтомобильная промышленность США-1997.-№1,с.24 (рус.)

9. Алюминий-цинковый порошковый сплав с высоким содержанием алюминия и его трибологические свойства / Li Yuanyuan, Zhang Datong, Luo Jinming// Zhongguo youse jinahu Xuebao=Chin.J.Noferrous Vetals.-1997,7, N1(Kht., рез.англ.)

10. Comparison of the wear properties of modified ZA-12, ZA-27 and two convensional bearing alloy // Z.Metalik.-2000.-9l,N5-p.436-444.

11. Дисперсно-наполненные износостойкие и антифрикционные композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов./ ПанфиловА.В., Калиопин И.К., Корогодов Ю.Д.// Литейное производство.-1997,№5.

12. Митани Сигэхидэ, Сагара Ресукэ, Найто Кацуеси и др. Пат.9969 (Япония). Смесь порошков на основе меди для антифрикционных слоев.-Опубл.09.05.69.

13. Хорикава Масаюки. Пат.48-9685 (Япония) Алюминиево-медно-графитовый сплав тугоплавкий элемент скольжения.-Опубл.23.05.72.

14. Tsuya J., Shimara H.,Umeda К/' A study of the properties of copper and copper-tin base self-lubricating composites.- Wear, 1972,22,N2,p. 143-162.

15. Tension-compression asymmetry of hardening and damage in A1 alloy matrix composites /Hong Sun Ig//Scr.Mater.-1999.-41,N4-p.433-438.

16. Mechanical alloying of immiscible Pb-Al binary sistem by high energy ball milling /Zhy M., Che X.Z., Lai J.Qi //J.Mater.Sci.-1998,-33,N24.-p.5873-5881.

17. Голкин Ю.Е., Петров В.Д. и др. Освоение холоднокатанной стальной основы для нанесения цинкового и алюминиевого покрытий./ Сталь, №6,2000.

18. Шитов А.В., Климушкин А.Н. и др. Освоение технологии производства проката с цинковым и алюминиевым покрытиями. / Сталь,2000, №6.

19. Sugano G., Mori К., Inoue К. A new Aluminium Coating Process for Steel //Electrochemical Technology, Sept.-Oct.1968, vol.6,N9-10,pp.326-329.

20. A new and versatile coating method of particles at room temperature/ Isao Sugay//Jap.J.Appl.Phys.Pt. 1.-1998,-37,N1, p.257-260.

21. Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. Екатеринбург- УрО РАН.-2000.

22. Засуха П.Ф., Корщиков В.Д., Бухвалов О.Б., Ершов А.А. Биметаллический прокат. М.: Металлургия, 1970.-263с.

23. Jonson K.J., Keller D.V. J.Appl.Phys.,1967,v.38,N4.

24. Балакин В.П., Хренов К.К. //Автоматическая сварка. 1966,№2,с.7-9.

25. Семенов А.П. Схватывание металлов.-М: Машгиз. 1958

26. Брум Т., Хат Р.К.// В сб. «Вакансии и точечные дефекты». Металлургиздат, 1961,с. 54.

27. Айнбиндер С.Б. Холодная сварка металлов Изд. АН Латв.ССР, 1960.

28. Петров Д.А. Вопросы теории сплавов алюминия. Металлургиздат 1961.

29. Aluminium coatings for steel /Bahadur Aruha // Mater.and Manuf. Processes, 1996-11, N2, p.225-232.

30. Xia Yang, Yao May. Образование алюминиевого покрытия на стали в процессе горячего погружения. / /Chin.J.Nonferrous Metalls-1997.-7.№4, с. 154-158. (кит.; рез.англ.)

31. Ватолин Н.А., Концевой Ю.В., Цхай Е.В. Технология алюминирования листовой стали методом накатки порошка./ Сталь, 1996, №12,-с.44-46.

32. Иванов В.И., Осипов К.А. Возврат и рекристаллизация в металлах при быстром нагреве.-М.:Наука, 1964

33. F.J.A.den Broeder,S.Nakahara. Diffusion induced grain boundary migration and recristallization //Scr.Met. vol.17, pp.399-404 (1983).

34. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением.-М.: Металлургия, 1986.-68 8с.

35. Григорьев А.К., Рудской А.И. Деформация и уплотнение порошковых материалов. -М. :Металлургия, 1992.-193 с.

36. Виноградов Г.А., Радомысельский И.Д. Прессование и прокатка металлокерамических материалов. М.:Машгиз, 1963.-200с.

37. Андреева Н.В., Радомысельский И.Л., ЦЦербань Н.И. Исследование уплотняемости порошков.-Порошковая металлургия, 1975,№6,С.34-42.

38. Shwarts W. The model of the compacting of the Metal Powders.-J.Amer.Ceram.Soc.,1965, 48, N7, p.346-350.

39. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна.-М.Металлургия, 1972.-336с.

40. Жданович Н.Г. Теория прессования металлических порошков.М. Металлургия ,1969,-262с.

41. Смирнов В.К., Харитонин С.В., Степаненко В.И., Литвинов К.И. Апроксимация экспериментальных даных по сопротивлениюдеформации алюминиевых сплавов. // Изв.ВУЗов. Цветная металлургия.-1997.-№4, С.36-38.

42. Перельман В.Е. Формование порошковых материалов. М.: Металлургия, 1979.-232с.

43. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. М.:Гос.изд-во технико-теоретической литературы, 1950.-383с.

44. Феноменологические теории прессования порошков./Штерн М.Б., Сердюк Г.Г. и др. Киев: Наукова думка, 1982.-136с.

45. Прокатка металлических порошков/ Виноградов Г.А., Семенов Ю.Н. и др.-М. Металлургия, 1969.-382с.

46. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.Машиностроениею-1886.-276с.

47. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат. 1962.

48. H.Ford, F.Ellis, D.R.Brand. Cold Rolling with Strip Tensions./J. Iron and Steel Inst., v.168, May 1954, p.51.

49. Колмогоров В.JI. Напряжение, деформации, разрушение. М. Металлургия. 1970.

50. Архангельский А.В., Полухин П.И. и др. Расчет давления при прокатке биметаллического пакета. В кн.:Пластическая деформация металлов и сплавов. №47.-1968, с. 137-141.

51. Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М.Металлургия. 1964, 253с.

52. Бояршинов М.И. Средние удельные давления на валки при прокатке биметалла. Труды МГМИ, №4, Магнитогорск, 1958, с. 184-189.

53. Коковихин Ю.И. Теория расчета удельных давлений и послойных продольных напряжений при прокатке широких слоистых полос. -Труды МИИТ, 1986, вып.776, с.61-69.

54. Горбачев Е.Б. Теоретическое исследование процесса прокатки двухслойной биметаллической полосы с учетом упрочнения слоев. -Труды МИИТ, 1986, вып.776, с.61-69.

55. Голованенко С.А., Меандров JI.B. Производство биметаллов.-М.Металлургия, 1966, 353с.

56. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Павлов В.Г. Влияние трения на напряженное состояние металла в очаге деформации при тонколистовой прокатке. Изв.ВУЗов, Чер.Мет., №7, 1990, с. 106-107.

57. Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В., Абдулов Ю.П. Регулирование формы прокатываемой полосы путем изменения натяжения по ее ширине. -Совершенствование рабочих параметров машин. -УрО АН СССР, 1985.C.30-36

58. Игнатьев И.Э., Пузако Д.В. Способ определения напряжений межслойного трения при многослойной прокатке./Теоретические проблемы прокатного производства.//4 Всесоюзная н-т. конференция. -Днепропетровск, 1988, 2ч., с.214-215.

59. Напряженное состояние и кинематика при прокатке порошковых материалов на металлической подложке./Потапкин В.Ф., Левкин А.Н. и др. // Порошковая металлургия (Киев) 2000 - №1-2, с. 13-21.

60. Канонические законы трения в условиях обработки металлов давлением./Хайкин Б.Е.//Изв.Вузов. Цв.металлургия-1997-№4, с.29-35.

61. Одномерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при прокатке порошковыхматериалов./Потапкин В.Ф.,Сатонин А.В. и др.- Краматорск, 1996-Деп. в УкрИНТЭИ 25.10.96. №68-Yi96

62. В.Я.Буланов, И.Э.Игнатьев и др. К вопросу о расчете энергосиловых параметров консолидации дисперсных материалов давлением.//Труды ЮРГТУ, Волгодонск, 2002.

63. Ю.Д.Железнов. Прокатка ровных полос и листов. М. Металлургия, 1971,200с.

64. Поляков Б.Н. Энергетический метод определения параметров неплоскостности.//Изв.ВУЗов,Чер.мет., 1986,№6,1887-19 Юс.

65. Buckling phenomena related to rolling and levelling of sheet metal/ Fischer F.D., Rammerstorfer F.G., Fried N., Wieser W. // Int.J.Mech.Sci. 2000.42.N10, pp.1887-1910

66. Концевой Ю.В., Игнатьев И.Э., Пузако Д.В. Определение параметров волнистости прокатываемых полос энергетическим методом./Теория и технология производства листового проката.//М. Металлургия, 1991, с. 86-92.

67. The thermomechanical integrity of the thin films and multilayers / Evans A.G., Hutchinsen J.W. //Acta met. Et mater.-l995-43 N7,pp.2507-2530.

68. Павлов И.М. Теория прокатки.-М.:Металлургиздат, 1960

69. Павлов И.М., Бринза В.И. Исследование деформации биметалла титан-сталь при прокатке./ЛДветные металлы, 1961,№11

70. Бояршинов М.И.,Аркулис Г.Э., Бригно Г.А. Энергетические принципы в задаче сжатия слойных тел.//Изв.ВУЗов.Чер.мет. 1962,№3

71. Аркулис Г.Э., Дорогобид А.А Теория пластичности.М. Металлургия, 1987

72. Выдрин В.Н. Динамика прокатных станов.М. .'Металлургия, 1962

73. Концевой Ю.В., Игнатьев И.Э. Математическая модель многослойной прокатки./Теор.проблемы прокатного производства.//4 Всесоюзн.конф.-Днепропетровск, 1988,ч2,с.212-213.

74. Ковалев С.И., Корягин Н.И., Ширко И.В. Напряжения и деформация при плоской прокатке.М. .'Металлургия, 1982,255с.

75. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости.М.:Наука, 1979,560с.

76. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов.М.Машиздат, 1962,856с.

77. Блантер М.Е. Теория термической обработки.-М. .'Металлургия, 1984,328с.80. .Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов.-М. .'Металлургия, 1978,568с.

78. Брик В.В. Диффузия и фазовые превращения в металлах и сплавах.-Киев: Наукова думка, 1985,232с.

79. Физическое металловодение. Под ред. Р.Кана. М.:Мир, 1968.

80. Бокштейн Б.С., Копецкий Ч.В., Швиндлерман JI.C. Термодинамика и кинетика границ зерен в металлах. М.'.Металлургия, 1986,224с.

81. Иваноц В.И., Осипов К.А. Возврат и рекристаллизация в металлах при быстром нагреве.-М.:Наука, 1964

82. Виткин А.И., Тейндл И.И. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. М. :Металлургия, 1971,496с.

83. Электротермическая обработка металлов и сплавов. М.Металлургия, 1978,320 с.

84. Бакалюк Я.Х., Проскурин Е.В. Трубы с металлическими противокоррозионными покрытиями. М.Металлургия, 1983,160 с.

85. Неверов В.И., Пименов В.Н. Кинетика роста фаз в системе железо-алюминий //ФиХОМ, 1980,N5,с. 104-108

86. Электротермическая обработка и теплое волочение стали/ Хасин Г.А., Дианов А.И., Попова Г.Н. и др. М.: Металлургия, 1984,152 с.

87. Игнатьев И.Э., Буланов В.Я., Концевой Ю.В., Игнатьева Е.В., Савинцев П.П. Технология получения алюминиевых порошковых покрытий и моделирование возможных в них дефектов. "Металлург", №12, 2002. С.27-28.

88. Преображенский В.П., Чистяков B.C. Измерение быстроменяющегося температурного потока //Измерительная техника, 1968, №5,с.45-48.

89. Металловедение и термическая обработка стали. Справ.изд. 3-е изд., перераб. и доп. в 3-х томах. Т. 1.Методы испытаний и исследований. Под ред.Бернштейна M.JL, Рахштадта А.Г.-М.:Металлургия,1983, 352с.

90. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе.-М.:ГИФМЛ,1960, 564с.

91. F.J.A.den Broeder,S.Nakahara. Diffusion induced grain boundary migration and recristallization //Scr.Met. vol.17, pp.399-404 (1983)

92. Лариков Л.Н. Механизмы диффузии в интерметаллических соединениях //Металлофизика, 1992,т. 14,N8,с. 19-36

93. Ворошнин Л.Г.,Хусид Б.М.,Хина Б.Б. Физико-химический механизм реакционной диффузии при химико-термической обработке //Диффузионное насыщение и покрытия на металлах,- Киев.// ИПМ АН УССР,1988,с.60-68

94. G.Sugano, K.Mori, K.Inoue. A New Aluminium Coating Process for Steel. //Electrochemical Technology, Sept.-Oct.1968, vol.6,N9-10, pp.326-329.

95. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М. .Металлургия, 1964, 222с.

96. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. М.: Гостехиздат, 1955, с.211-213.

97. Анциферов В.Н., Буланов В.Я., Богодухов С.И., Гревнов Л.М. Термохимическая обработка порошковых сталей. Екатеринбург: УрО РАН, 1997.-482с.

98. Фришберг И.В., И.И.Телицин, Жидовинова С.В., Пастухов Э.А., Ватолин Н.А. Влияние низкочастотной звуковой обработки на реакционную способность металлического порошка.//Докл. АН СССР. 1991 .т.317,№4.С. 879-883.

99. Ю.С.Авраамов, В.П.Филоненко, А.П.Груздов, А.Д.Шляпин. Изменение структуры и свойств сплавов алюминия со свинцом в процессе пластической деформации.//Металловедение и термическая обработка металлов-«Машиностроение»-М., 1984,№7,с.49-51.