автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Структура и свойства порошковых бронз, получаемых с использованием обработанных в аттриторах порошков меди и бронзовой стружки

На правах рукописи

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ БРОНЗ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАБОТАННЫХ В АТТРИТОРАХ ПОРОШКОВ МЕДИ И БРОНЗОВОЙ

СТРУЖКИ

Специальность 05.16.06 - "Порошковая металлургия и

композиционные материалы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1996

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология материалов Новочеркасского государственного технического университета.

Научный руководитель - д.т.н., профессор,

Дорофеев Ю.Г.

Официальные оппонента

- доктор технических наук, профессор Пустовойт В.Н.;

- кандидат технических наук, доцент Дреев ГА.

Ведущее предприятие - АО "Ростсельмаш", г. Ростов-н/Д.

Защита состоится "13м мая 1996 г. в 10 часов на заседании совета К 063.30.10 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном; техническом университете по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "12" апреля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, К.Т.Н., доцент

Горшков СА

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Развитие машиностроения во многом связано с достижениями в разработке и создании новых материалов различного назначения, позволяющих повшать надёжность, долговечность, производительность и моральный ресурс машин и механизмов. Особое место принадлежит цветным сплавам, в том числе антифрикционным, используешш для наиболее ответственных узлов. Конкурируют между собой изделия, получаемые литьём или с использованием порошковых технологий. Последние могут обеспечивать изделиям свойства, которые не всегда удаётся получить другими способами. Порошковые оловянистые бронзы превосходят литейные по триботехническим свойствам, приближаются к ним по физико-механическим, однако имеют высокую стоимость. Более дешёвые порошковые безоловянистые бронзы слабо изучены и в промышленных масштабах не изготавливаются.

Дополнительным резервом удешевления сплавов является использование вторичного сырья, в частности, стружки, однако оно ограничивается отсутствием рациональной технологии переработки в порошок. Существующие конструкции диспергирующих агрегатов могут позволить не только переработать стружку, но и придать частицам новые свойства. Актуальность темы диссертации определяется её направленностью на разработку рациональной технологии переработки стружки цветных сплавов и создание материалов на основе безоловянистых бронз с использованием "стружковых порошков".

Работа выполнена на кафедре материаловедения и технологии материалов Новочеркасского государственного технического университета в соответствии с Межвузовской инновационной научно-технической программой Российской Федерации "Исследования в области порошковой технологии" (теш 94/16Т и 95/5И) и межвузовской НТП "Перспективные материалы1 (тема 95/Г7Р).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологий изготовления и оптимальных составов композиционных бронз антифрикционного и электротехнического назначе-

кия с повышенными свойствами, содержащих добавки обработанных в аттриторах порошковых шихт, в том числе измельченных струя-новых.

Дня достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать кинетику размола в аттриторах при различных режимах и средах одно- и многокомпонентных шихт, состоящих из металлической стружки и порошков ;

- оптимизировать состав композиционных бронз, изучить структуру и свойства материалов ;

- разработать технологические процессы получения новых композиционных бронз антифрикционного и электротехнического назначения ;

- оценить эксплуатационные характеристики разрабатываемых материалов, подготовить рекомендации для практического применения.

Научная новизна. Установлены закономерности, получены уравнения регрессии, описывающие кинетику процессов сухого и мокрого измельчения струнки БрА9ЕЗЛ, а также изменение показателя энергонапряженности.

Показаны особенности измельчения смесей разнородных компонентов. Установлено, что на начальных стадиях диспергирования процессам хрупкого и фрикционного разрушения сопутствуют варьирование мягких частиц твердыми и плакирование твердых частиц мягкими. Определено условие для максимально интенсивного измельчения, связанное с соотношением твердой и мягкой составляющих. Обнаружено, что интенсивность процессов диспергирования в аттриторе зависит от наличия в пихте добавок, обладающих абразивными ели антифрикционными свойствами.

Предложен механизм формирования структуры и свойств композиционного материала порошковая бронза - "струясковый порошок". Увеличение прочности композиции происходит из-за активизации начальной стадии спекания за счет частичной релаксации напряжений, полученных порошком в процессе размола, и из-за эффекта армирования мягкой матрицы частицами с термически ус-

тойчивой дислокационной структурой.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по измельчению в аттриторах одно- и многокомпонентных шихт с учетом времени размола, размеров шаров, скоростей вращения и размеров ячейки ыеиалки, соотноаения масс шаров и шихты, а также энергозатрат. Установлено влияние добавок и размольных сред (воздух, азот, вода, графит, оксид алюминия) на кинетику измельчения и свойства шихт. Обоснован Еыбор порошковой матрицы для композиционных бронз, а также количественный и качественный состав добавок.

Разработаны композиционные порошковые бронзы и дисперс-ноупрочненный материал системы Си.- АН^ с повышенными эксплуатационными свойствами.

Определены параметры технологии изготовления порошковых бронз и изделий из них - опорных и нажииных втулок гидравлических насосов.

Реализация результатов работы. Разработанные бронзы успешно прошли производственные испытания в узлах трения плунжерных насосов на Белокалитвинском металлургическом производственном объединении (ШШЮ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета (1993-95 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в их числе 2 положительных ранения о выдаче патентов.

Объем работы, Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 36 приложений, содержит 214 страниц машинописного текста,. 63 рисунка, 40 таблиц и список литературы из 140 наименований.

Автор выражает благодарность с.н.с., к.т.н. С.Н.Серге-енко за предоставленные программы статистических расчетов, а также за консультации и помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении отражены основные направления, объекты и цель исследований.

В первом разделе приведен обзор опубликованных работ по теме диссертации. Рассмотрены составы литейных и порошковых безоловянистых бронз, основные этапы и перспективные направления технологии порошковой металлургии для данного класса материалов. Проанализированы закономерности процессов измельчения и механического легирования, достоинства и недостатки основных типов оборудования для тонкого диспергирования. Проведён сравнительный анализ структуры, свойств и технологий производства диспереионно-твердещих и дисперсно-упрочнённых материалов на основе меда.

На основании изложенного сделаны следующие выводы:

- порошковые бронзовые детали изготавливают, главным образом, из оловянистых сплавов, которые имеют высокие эксплуатационные показатели, однако содержат дорогостоящие компоненты - N1, РЬ, 1п. Перспективна их замена более дешёвыми, например, алюминием, ферромарганцем, железом, графитом,

а также использование измельчённой стружки ;

- сведения о применении порошковых алюминиевых бронз весьма ограничены, а по марганцевым - практически отсутствуют. Высокое сродство А1 и Ма к кислороду является, по-видимому, серьёзным препятствием к их широкому использованию. Спекание прессовок в расплавах стёкол может разрешить эту проблему и одновременно удешевить технологию ;

- порошки, подвергнутые размолу, приобретают комплекс новых свойств и в дальнейшем способны оказывать влияние на свойства материалов, в состав которых они вводятся;

- проводить измельчение бронзовой стружки в дробилках или вращающихся шаровых мельницах менее эффективно, чем в ат-триторах, которые более производительны и позволяют совмещать операции смешивания, механического легирования, активирования и размола. На процессы обработки в аттриторах, где характер движения размольных тел определяется эстафетной передачей им-

пульсов от шара к шару и трением о стенки барабана, влияют многие факторы, роль которых глубоко не изучена;

- полных и достоверных рекомендаций по применению размольных добавок и сред крайне мало, хотя их использование во многих случаях может позволить интенсифицировать процесс, изменить свойства компонентов, предотвратить агрегацию и окисление шихты;

- упрочненные дисперсными оксидами материалы практически по всем эксплуатационным характеристикам превосходят дисперси-онно-твердеющие. Перспективным способом получения дисперсно-упрочненного материала Си- AtjQj является совместная обработка компонентов Сц и АЦО», в аттриторе. В литературе нет единого мнения относительно последовательности операций и параметров такого процесса.

На основании проведенного обзора -литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе дана характеристика используемых материалов, технологического и исследовательского оборудования, описаны методики проведения экспериментов.

В качестве исходных материалов использовались порошки меди ШС-1 (ГОСТ 4960-85) ; алюминия ПА (ГОСТ 6058-73) ; железа 1Ш2МЗ (ГОСТ 9849-74) ; оксида алюминия (ТУ 6-09-3916-75) ; графит карандашный ГК-I (ГОСТ 17022-85) ; кусковой ферромарганец JMh-I,5 (ГОСТ 4755-91) ; элементная стружка БрА9ЛЗЛ (ГОСТ 493-79).

Обработка материалов проводилась в дробилке КИД-60, горизонтальном аттриторе конструкции БПЙ (полезный объём камеры около 30 л), вертикальном аттриторе собственной конструкции (объём камеры 2 л) с изменяемой частотой вращения мешалки а » 180, 250, 320, 360, 440 мин-1 и счетчиком расхода энергии типа САЗУ-И607Н. Использовались размольные тела с диаметрами 5-13 мм. Гранулометрический состав, текучесть и насыпную плотность шихт определяли по соответствующим ГХТам. Холодное прессование (ХП) и калибровку (ХД) заготовок проводили на гидравлических прессах 2ПГ-125 и П-250. Спекание (СП)

- б -

осуществляли в среде диссоциированного аммиака и расплавленного стекла при температурах 980-1000 °С в силитовых печах, а горячую штамповку (ГШ) - на копре с массой падающих частей 50 кг.

Пределы прочности материалов при растяжении по ГОСТ 1497-84 (образец типа Ш, № 7) и при трёхточечноы изгибе по ГОСТ 18228-85 и ГОСТ 14019-60 (образец 5x10x50 мм) определялись на машине УМЭ-ЮШ. Твердость материалов измерялась по Роквеллу (ГОСТ 9013-59), Бринеллю (ГОСТ 9012-59) и Виккерсу (ыикротвердость, ГОСТ 9450-76), Плотность прессовок определялась гидростатическим взвешиванием ГОСТ 18898-73.

Анализ микроструктуры производили на микроскопе КеорНо1--21, рентгенофазовый анализ на дифрактометре ДРОН-2, Для определения количества легковосстановимых оксидов в размалываемых порошках использовался газовый хроматограф.

Антифрикционные свойства материалов оценивали на машинах трения Ш-1 (без смазочного материала при скорости скольжения V » 0,52 м/с и удельном давлении Р = 3,9 МПа) и СВД-2 (со смазочным материалом И-20А по ГОСТ 20799-88 при V « 1,3 м/с, Р = 36 МПа) по схеме "вал-частичный вкладыш",

Статистический анализ результатов осуществлялся с помощью методов регрессионного анализа и центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка. Расчеты выполнялись на ЭВМ 1Ш-486,

В третьем разделе приводятся результаты исследований параметров обработки порошковых шихт в аттриторах. Установлен характер влияния ряда технологических факторов на кинетику сухого измельчения стружки БрАЭЖЗЛ. Одним из основных факторов является соотношение 5 масс шаров и порошка в размольной камере» Были приняты значения 6, 12, 24, 36, 48, 60. Обнаружено, что наиболее эффективно протекает диспергирование при Б = 36-48, а при 5 = 60 интенсивность процесса несколько снижается. Наименее пригодным для измельчения является диапазон 5= 6-12. Образующиеся "сгружковые порошки" имеют неравноосную пластинчатую форму, причем по мере уменьшения размеров частиц степень их неравноосности уменьшается с 20:1

(фракция -2500 ... +1000 мкм} до 3:1 (фракция -100 ... +63 мкм), а микротвердость возрастает соответственно с HVq q2 = » 930-1030 НПа до Н70|02 = 1280 Ш1а.

Не менее важным фактором является и продолжительность измельчения X . Исследования проводились в диапазоне X -

ТА 1ТЛ _____ _ Л___________________^ _ . — теп ......

я xu-oAu миН. V/ увслпчеписм DpSrscnn роопила .ц« В ПШХ-

те наиболее быстро (по линейному закону) уменьшалась доля стружки и наблюдался равномерный прирост массы всех порошковых фракций. "Стручковые порошки" по достижении критического времени (150 мин) целесообразно отделять от шихты для интенсификации процесса. С ростом Z производительность обработки в ат-триторе непрерывно уменьшается в связи с изменением характера разрушения: на начальных стадиях, когда шихта содержит преимущественно крупные неравноосные частицы - это ударный изгиб, а на завершающих - всестороннее объёмное сжатие, требующее больших разрушающих усилий.

При установлении влияния размера размольных тел на кинетику измельчения использовались шары диаметром с1ш = 5-13 мм и их смеси в различных соотношениях. Обнаружено, что для высокоскоростных аттриторов (частота вращения мешалки более 360 мин"1) увеличение диаметра шара до 13 ш значительно интенсифицирует процесс. При уменьшении S оптимальными могут быть шары меньшего диаметра. Для низкоскоростных аттриторов размер размольного тела не является важной характеристикой. Использование смесей шаров не даёт заметных преимуществ.

С ростом частот вращения мешалки со 180 до 440 мин" непрерывно уменьшается средний размер частиц шихты dep (рис.1) и возрастает энергонапряженность процесса Wv , т.е. затраты энергии на I л рабочего объема аттритора. Так как при увеличении YJV производительность размола не всегда растет, то для интенсификации процесса необходимо оптимальное сочетание S , п. и с1ш. Нелинейный характер представленных зависимостей объясняется изменением характера движения потоков в неньютоновской жидкости, каковой можно считать систему шары-порошок.

Увеличение размера ячейки мешалки аттритора (отношение длины била R к расстоянию между ними Н) с 50x30 т до 50x105

Рис Л. Влияние частоты вращения мешалки г\ на средний размер частиц порошка ¿ср (I) и энергонапряженность Ч, (2) процесса измельчения стружки БрАЭЖЗЛ

мм при высокоскоростном (а 320 мин"1) измельчении позволяет до двух раз увеличить содержание более мелких фракций в шихте. На процессы низкоскоростного (180 мин"1) измельчения размер ячейки оказывает слабое влияние. С использованием статистической обработки получены модели процесса мокрого измельчения стружки и выявлено два наиболее эффективных режима диспергирования: I) а = 360-440 мин-*, добавка 25-75 мл воды на 6,3 кг шаров ; 2) ri = 180 мин"1, добавка 125 мл воды. При первом режиме в шихте отсутствуют фракции +400 мкм, при втором их доля не превышает 15%î Энергонапряженность мокрого измельчения существенно возрастает с увеличением а и мало зависит от содержания воды в шихте.

При изучении особенностей сухого размола разнородных многокомпонентных смесей высказано предположение, что на начальной стадии обработки в этом случае кроме процессов фрикционного и хрупкого разрушения (за счет перенаклёпа) реализуются процессы планирования твердых частиц мягкими и шаржирования мягких твердыми. Возможен такой случай, когда все твёрдые частицы будут покрыты мягкими оболочками толщиной о общей массой Mgp. Высказано предположение о существовании трёх условий измельчения (рис.2): М,^ = U^ (зона В) ; ^Mjjp (зона С); Мыяр => Ыкр (зона А). В первом случае в шихте должны присутствовать двухкомпонентные частицы с ядром из ферромарганца, что в наибольшей степени интенсифицирует процесс

п ^ ' \ 1 1

3__ 1 1 > 1 У^ ! \\

\ о 1 \\ <♦> !\ I | \

п ч 1 ^ 1 '

о.......... V 5 1 1 N. 1 N 1 1 т

0,275

0,250

0,225

0,200

фМн-15

80

60

40

20

Рис.2. Интенсивность измельчения ( В^- доля шихты, прошедшая через сетку с размером ячейки I, мкм) и энергонапряженность Щ процесса совместного размола стружки БрА9ГОЛ и ферромарганца: I - ; 2 - ; 3 -Вюо ; 4 - Б63 ; 5 - У/у; А, В, С - характерные для размола

зоны

разрушения. Во втором - наряду с двухкомпонентными присутствуют отдельные частицы ферромарганца. В третьем - наряду с отдельными мягкими частицами присутствует стружка, шаржированная ферромарганцем. Расчетным путем установлена толщина мягкой оболочки, а экспериментально - оптимальное содержание (Ммяг = = Мир) твердых частиц (13-17 %). В результате введения 15 % Шн-1,5 в стружку БрА913Л была получена после размола шихта, содержащая 90 % частиц фракции -63 мкм вместо 40 % без добавок (рис.2). Добавка любого количества (от 8 до 56 % мае.) гранта в эту шихту сникала производительность процесса измельчения.

При обработке шихты дисперсно-упрочненных материалов Сц - А¥.г03 в аттрнторе была получена адекватная математическая

модель процесса. Установлено, что эффективность размола (коэффициент эффективности Кэ = тА/тн, где тн и тЛ - содержание фракции -63 мкы в шихте до и после активирования, соответственно) мелкодисперсных шихт, в отличие от измельчения стружки, растет во всем интервале значений 5 от 40 до 120 (рис.З, кривая 2). Обработка продолжительностью до 45 мин,

Рис.3. Зависимость интенсивности измельчения шихты Си - №.¿33 от продолжительности : измельчения X, содержания М-^Оз и $ : I - 5 * « 80, 3,8 % АЦОз ;2 -Т = = 45 ыин, 3,8 % А1а0а -Т. = 45 мин, Ь» 80

сопровождается образованием крупных конгломератов из частиц меди и Д^Ог, и падением эффективности измельчения (кривая I). При большей продолжительности процессы разрушения превалируют над процессами шаржирования и плакирования.

В четвёртом разделе представлены результаты исследования структуры и свойств композиционных материалов на основе меди с добавками порошков, обработанных в аттриторе.

Показано, что введение в состав синтетической порошковой бронзы БрА9Ж4 6-10 % "стружкового порошка" повышает её прочность (рис.4, кривые 2, 3), при этом частицы стружки присутствуют в структуре в виде отдельной фазы даже после спекания. Установлено, что промывка стружки перед размолом в растворителях (керосин, уайт-спирит) с целью удаления смазочно-охлаждающих жидкостей повышает, а её отжиг - существенно снижает (кривая I) качество материала. Увеличение прочности композиционной бронзы происходит из-за активизации начальных стадий спекания

(5 30 45 60 Ъ,пин ¿0 40 60 ¿0 100 1* ~5 ¡0 15 20 Аг205Ло

20 30 40 Стружка,%

Рис.4. Изменение бц порошковой бронзы БрА9Ж4 в зависимости от добавок "стружкового порошка" и режимов его предварительной обработки: I - отжиг--размол-ХП-СП ; 2 - отмывка в керосине-размол-ХП--СП; 3 - отмывка в керо-сине-размол-ХП-СП-ХД

(за счет частичной релаксации напряжений размола) и из-за эффекта армирования мягкой матрицы упрочнёнными частицами с термически устойчивыми искажениями кристаллической решётки. Вывод косвенно подтверждается тем, что микротвердость "стружкового порошка" БрА913Л в структуре композиционной бронзы БрА9Ж4 после спекания снижается с HVq Q2 = 930-1140 МПа до HVq 02 = » 840 МПа. При этом микротвердость порошковой матрицы ( а -- твердый раствор Cu^At ) не превышает HVq q2 = 360 МПа.

Установлено, что свойства, приобретаемые "стружковым порошком" в процессе его обработки в аттриторе, в дальнейдем наследуются композиционным материалом. "Стружковые порошки" с размерами частиц менее 32 мкм (рис.5, кривая I) и более 815 мкм

Рис.5. Зависимость Си материала от средних размеров (da) и количества "стружкового порошка" БрА913Л в медной матрице: I - da = 32 мкм ; 2 - 130 мкм ; 3 - 180 мкм ; 4 - 258 мкм ; 5 - 358 мкм ; 6 - 515 .мкм ; 7 - 815 мкм ; 8 -1500 мкм

би,МПа

600

550

500

адо

7

\vN 5 ч £ Vv

(кривые 7, 8) оказывают значительное разупрочняющее действие. Это связано с повышением степени окисления (вследствие развитости поверхности частиц) в первом случае и неоднородности структуры - во втором. Порошки одинаковой дисперсности, но измельченные при различных частотах п. вращения мешалки влияют на стабильность свойств материала. При переходе от и = 180-320 мин"1 к а = 360-440 мин-1 разброс значений изгибной прочности СГа снизился с 18-20 % до 7-II %.

Обнаружено, что при размоле в течение 45-75 мин гранулометрический состав шихты стружка - 15 % Шн-1,5 стабилизируется. Свойства материалов с добавками таких шихт зависят уже не только от размеров частиц стружки, но и степени её деформации и окисления. Оптимальные свойства приобретают материалы с добавками, измельченными в течение 60 мин. Размол "стружкового порошка" в азоте позволяет повысить спекаемость шихт и прочность материалов. Наличие парафина в шихте, наоборот, тормозит процесс её размола, а добавки таких шихт снижают прочность композиционных бронз.

Порошки меди, активированные в аттриторе, подобно "струж-ковым порошкам" изменяли свойства материалов. Добавка 6 % активированного порошка увеличивала 6и калиброванных медных образцов с 660 до 730 ЫПа и повышала их пластичность (угол изгиба с 22 до 32°). Твердость дисперсноупрочненного материала системы Си - 2 % Al^i при добавлении 12-36 % активированной ( Т в 120 мин, S» 120) меди повышалась с HRB 49 до HRB 54-59. Увеличение времени активирования медного порошка со 120 до 240 мин снижает прочность (рис.6, кривая 2) и пластичность материала (кривая 4). Прочность образцов достигает максимума не при 12, а при 6 % добавок (кривая I).

Разрабатываемые композиционные материалы состоят из двух фаз: матрица и обработанные в аттриторе порошки. Составы, использовавшиеся на начальном этапе в качестве матриц (синтетическая бронза БрА9Ж4 и медь), были выбраны на основе априорной информации. Для более обоснованного выбора сплава-основы была осуществлена комплексная оптимизация безоловянистых бронз в соответствии с ротатабельным планом трёхфакторного эксперимен-

<3и,мпа

700 600 500 400

:о '

2 \Ч N

4

>

Л <0 9 8 7 5 3

Ik ~J6 AS Ci5,°/o

Рис.6, Зависимость е>ц и угла изгиба ОС образцов дисперсно-упрочненного материала от содержания активированной меди и времени размола:

1 - СГи при Тр, » 120 мин;

2 - Си при tPa = 240 мин;

3 - ос при ТР1 ;

4 - оС при tpj

та: Xj - содержание ®1н-1,5 СО-8,4 %) ; Х2 - содержание К1 (0-16,82 %) ; Х3 - содержание Ре (0-16,82 I). Кодированные значения факторов Xj, Х2, Х3 изменялись в интервале от -1,682 до 1,682.

Были получены уравнения регрессии; описыващие изменения следующих характеристик:

evcn « И,81 + 7,91 Xg + 2,56 Х3 ;

<5иСП = 234,9 - 73,9 Х2 - 21,4 Х3 - 27,0 xf + 23,6 х|; f5 = 0,52 - 0,104 Х2 - 0,035 xf - 0,030 х|; Ц = 3,8 + 1,83 Х3 ;

fg = 0,124 - 0,017 Xj + 0,010 Х2 + 0,016 xf + + 0,007 XjX2 + 0,007 XjX3 - 0,005 Х§ ;

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

= 281,1 - 44,8 Xj - 130,4 Х2 + 30,85 Xg,

где evcn - объемная усадка при спекании, %; СГисп » СГЦ/Д -изгибная прочность материала после спекания и холодной деформации, Ш1а; fs , J ¡J- коэффициенты "сухого" и граничного трения; 1$ - износ при "сухом" трении, мм/км ; при расчетах в выражения (1)-(6) следует подставлять кодированные значения переменных Xj, Х2, Х3.

На прочностные и антифрикционные характеристики сплавов легирующие элементы оказывают неодинаковое, иногда прямо противоположное влияние. Поэтому выбирать состав материала следует так, чтобы любая из его основных характеристик не имела неудовлетворительных значений.

Для каждой характеристики (уравнения 1-6) исследованных сплавов были рассчитаны так называемые функции желательности:

.(р'Ч)

fy = е , где ^ - натуральное значение параметра, а

затем для каждого материала - обобщённая функция желательности 0,=л|^' ^г' —i ' • В результате статистической обработки определен обобщенный показатель "качества" бронзы:

Qt= 0,716 - 0,039 Х§ . (7)

При заданных требованиях лучшим сочетанием эксплуатационных характеристик ( Q. стремится к I) обладает сплав, соответствующий по составу бронзе БрМц4 (Xj = 0).

С помощью рентгенофазового анализа у порошковых алюминиевых бронз обнаружены фазы: ci (Cu7Al > HVq = 320-640 МПа), £ (Cu5Al , HY0 02 a 550 WW* T (Cu9Ai4 HV0j02 = 930 МПа), Хг (tubsAl<9 . H$0>02 - 700 WW» et-Ре .. FejAl .* Микротвердость железистых включений у алюминиевых бронз зависела только от содержания № : для сплавов с 3 и 8 % № она составляла 700 и 1280 МПа, а для интервала 13-17 % kl - 1890 ЫПа. Обнаружено отрицательное влияние алюминия на прочностные, а желе-га - на триботехнические свойства сплавов. Причиной низких прочностных свойств алюминиевых бронз является низкая скорость диффузионных процессов, в результате чего образуются хрупкие фазы на границах зёрен.

Основу марганцевых бронз составляет твердый раствор марганца в меди (HVq Q2 = 340 МПа). При введении железа в их состав образуется твердый раствор марганца в "J" -железе (HVq q£ и » 930 МПа) и химическое соединение FeMrij , повышающие механические характеристики материала.

При спекании бронз в среде диссоциированного аммиака и

расплавленного стекла получены практически равноценные результаты. Давление формования (Р s 150-550 МПа) и продолжительность спекания ( t = 20-220 мин) не влияли на физико-механические свойства спекаемых в стекле прессовок. Эта технология более простая, безопасная и энергосберегавщая.

С учетом взаимодействия матрицы и добавок были определены количества "стружкового порошка" БрАЭЖЗЛ (Стр) и активированной меди (Ca ), вводимых в шихту марганцевых бронз, для придания им поваленных механических (6 % сА. ) и триботехнических (4 % Стр и II % Ca ) свойств (верхний ивдекс А в обозначениях указывает на то, что компонент обработан в аттриторе). Рекомендованы химические составы и области применения композиционных бронз, работающих при высоких удельных - давлениях (рис.7): БрМц4Стр4Си11 - антифрикционного назначения с повышенными прочностными характеристиками ; БрМц4Стр4&Л1Гр4 - антифрикционного назначения с улучшенными триботехническими характеристиками ; Брь1ц4Ж8Си6 - конструкционного назначения с удовлетворительными антифрикционными свойствами.

Горячая штамповка спеченных заготовок по сравнению с холодной деформацией (ХД) (см. табл.) позволяет повысить проч-

L^.MK^o

465 МПа

Рис.7, Влияние удельного давления на

износ бронзы

А А БрМц4Стр4СиП

при граничном

трекии ( V =

=1,3 м/с)

ность композиционных марганцевых бронз в 1,2-1,4 раза, пластичность в 1,6-2 раза, снизить линейную интенсивность изнашивания на 40-50 % и остаточную пористость в 1,7-2,7 раза.

В пятом разделе представлено краткое обсуждение полученных результатов, их практическая реализация, а также направления дальнейших исследований. Разработана технология получения

•Таблица

Основные характеристики оптимальных составов марганцевых бронз

Марка бронзы Ртеоре-тич», г/см3 Опера-1 гы, ция : : % П, % нв :<уи,: а ,: <5Ь, • * ♦ ; МПа ; град ; МПа 8»: ^ | 4е*5' % ; (средн.) :мкм/км

А БрМц4ШСи6 8,70 ХП 26,3 СП -14,0 14,2 ХД - 7,2 7,5 106 615 9 0,096 15 ГШ - 4,9 2,7 106 848 14 291 4,3

А А БрМц4Стр4СиП 8,73 ХП 27,8 СП -13,3 16,7 ХД -10,3 7,2 101 487 9 0,069 1,5 ГШ - 4,3 3,0 89 580 18 202 5 0,055 0,8

А А БрМц4Стр4йШГр4 7,78 ХП 23,8 СП - 8,9 16,3 ХД -11,9 5,1 76 266 6 0,040 0,5 ПП - 2,1 3,0 81 285 7 ИЗ 3,4

В условиях граничного трения (масло И-20А) при Р-М * 46,8 МЛа«м/с.

нажимных и опорных втулок гидравлического трехплунжерного насоса Г305А (основные размеры - Х»х(±хК. = 90x65x41 мм), предназначенных для работы в следующих условиях: средняя скорость скольжения 0,92 м/с, ограниченная смазка эмульсией с температурой 20-60 °С, создаваемое насосом давление 32 МПа. Результаты эксплуатационных испытаний комплекта нажимных и опорных втулок на ШШО показали, что по износостойкости разработанная бронза БрМц4Сгр4СиН превышала в среднем в 1,8-2,1 раза использовавшуюся ранее БрА9Н4Л,

общие вывода

1, Показана возможность улучшения свойств порошковых бронз за счет введения определенных количеств компонентов,подвергнутых предварительной обработке в аттриторах, которая обеспечивает повышенную плотность и термическую стабильность структурных дефектов материала частиц, обусловливает их роль упрочняющей фазы в образцах (даже при достаточно однородном химическом составе) и даёт основание для отнесения этих бронз к классу композиционных материалов.

2, Определены закономерности измельчения в аттриторах бронзовой стружки и медного порошка при различных размерах размольных тел, соотношениях масс шаров и шихты, времени размола, частотах вращения мешалки и размерах её ячейки, а также с использованием различных сред (вода, воздух, азот).

3. Обнаружено, что на начальных стадиях сухого измельчения многокомпонентных смесей процессам фрикционного и хрупкого разрушения (за счет перенаклёпа) сопутствуют конкурирующие процессы шаржирования мягких частиц твердыми и планирования твердой частицы мягкими. Высказано предположение о предпочтительности того или иного механизма формирования двухкомпонент-ных частиц. Определено условие интенсивного измельчения, свя-. занное с соотношением твердого (13-17 %) и мягкого (осталь- -ное) компонентов в шихте.

4. Установлено, что для мельниц с преобладающим механизмом фрикционного разрушения - аттриторов - интенсивность диспергирования уменьшается при наличии в шихте добавок, облада-

ющих антифрикционными свойствами (парафин, графит), либо значительного количества добавок с абразивным воздействием на основу шихты (свдае 20 % ферромарганца). Выявлено преимущество аттриторов с частотами вращения мешалки свдае 320 мин~* над низкоскоростныыи агрегатами, не обеспечивающими высокую энергонапряженность , процесса.

5. Предложен механизм формирования структуры и свойств композиционных материалов, содержащих обработанные в аттриторе порошки.Упрочнение композиций обеспечивается как за счет активизации начальной стадии спекания заготовок при частичной релаксации напряжений, полученных в процессе размола, так и благодаря эффекту армирования мягкой матрицы упрочнёнными частицами с термически устойчивыми искажениями кристаллической решетки

6. Обнаружено, что особенности процесса обработки в аттриторе и свойства получаемых шихт оказывают влияние на свойства композиционных материалов. Наличие в шихте органических веществ (масло, парафин) препятствует процессам уплотнения и сращивания при спекании. Частицы "стружкового порошка" с размерами менее 32 мкм и более 815 ыкм значительно разупрочняют композиционные материалы по причине своей высокой окисденности (в первом случае) и создания неоднородной структуры (во втором). Из близких по гранулометрическому составу "стружковых порошков" предпочтение следует отдавать измельчаемым в защитной атмосфере (например в азоте) с максимально возможной энергонапряженностью и минимально достаточной продолжительностью процесса.

7. Получен дисперсноупрочненный материал Си- 2.%А1г0 j ддя электродов машин точечной сварки с повышенными характеристиками прочности, пластичности и твердости ( = 700-770 Ша, сС = в 32°, НРВ 54-59) за счет введения в его состав 12-36 % нео-тожжённого активированного ( t = 120 шн, S « 120) в аттриторе порошка меди.

8. Выполнена комплексная оптимизация химического состава шихты для получения основы композиционных материалов, содержащей порошки меди, алюминия, ферромарганца и железа. В результате обнаружено отрицательное влияние алюминия на прочностные,

а железа - на триботехнические свойства исследуемых сплавов. Показано, что причиной более низких прочностных свойств порошковых алюминиевых бронз по сравнению с литейными при одинаковом фазовом составе является низкая скорость диффузионных процессов, в результате чего на границах зёрен присутствуют хрупкие фазы. В качестве матрицы композиционных материалов рекомендуется использовать порошковую бронзу БрМц4 с пределом прочности при изгибе 560-580 МПа и коэффициентом граничного трения по стали 0,08-0,1.

9. Показано наличие влияния порошков, подвергнутых высокоэнергетическим воздействиям, на триботехнические свойства композитов. Благодаря большому количеству макро- и микродефектов такие частицы являются препятствиям для усталостных трещин, зарождающихся в процессе трения. Определены количества добавок "стружкового порошка" (Стр) и активированной меди (Си. ) в композиционные марганцевые бронзы для придания им повышенных механических (6 % Си ) и триботехнических

(4/£ Стр, II % Си.) свойств. Выявлена возможность спекания данных материалов в расплавах стекол, что делает технологию более простой, дешевой и безопасной. Всё это обеспечивает хорошие эксплуатационные показатели разработанных материалов - 8-9 класс износостойкости К^ при Р-У до 46,8-60,5 МПа-м/с.

10. В результате статистической обработки экспериментальных данных на ЭВМ получены уравнения регрессии, описывающие процессы измельчения шихт, формования и спекания изделий, изменения свойств материалов в зависимости от состава и свойств компонентов, а также технологических режимов. Эти уравнения позволяют получать требующиеся для практического применения параметры без проведения трудоёмких экспериментов.

11. Горячая штамповка спеченных заготовок позволила повысить физико-механические и триботехнические характеристики композиционных марганцевых бронз по сравнению с холодной де-формацинй. Рекомендованы химические составы и области применения таких бронз: а) БрМц4Стр4Си.П - антифрикционного назначения с повышенными прочностными характеристиками ;

А А

б) БрМц4Стр4М 1Гр4 - антифрикционного назначения с улучшенными триботехническими характеристиками; в) БрМц418Си6 - конструкционного назначения с удовлетворительными триботехническими характеристиками.

12. Разработана технология получения нажимных и опорных втулок гидравлического трехплунжерного насоса Г305А на основе бронзы БрЫц4Стр4Си II. Результаты эксплуатационных испытаний комплекта деталей на Белокалитвинском металлургическом производственном объединении показали, что по износостойкости разработанная бронза превышала в среднем в 1,8-2,1 раза использовавшуюся ранее БрА914Л.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гриценко C.B., Сергеенко С.Н. Исследование кинетики размола бронзовой стружки в аттриторах // Термическая обработка стали (теория, технология, техника эксперимента): Межвуз. сб. - Ростов-н/Д: гаСХМ, 1992» - С.89-92.

2. Дорофеев В.Г., Гриценко C.B., Сергеенко С.Н. Свойства порошковых бронз с добавками механически активированной стружки // Теория и технология производства порошковых материалов и изделий: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: НИУ, 1993. -

- С.24-28.

3. Дорофеев Ю.Г., Гриценко C.B., Сергеенко С.Н., Мищенко В.Н. Технология получения и свойства композиционных материалов на основе меди с добавками активированного в аттриторе порошка // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МША, 1994. - С,7-16.

4. Дорофеев Ю.Г., Сергеенко С.Н., Гриценко C.B. Моделирование процесса активирования порошковых материалов в аттриторе // Основы конструирования машин: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: НПУ, 1994, - С.85-89.

5. Дорофеев Ю.Г., Гасанов Б.Г., Гасанов A.B., Гриценко С.В* и др. Разработка и освоение прогрессивных наукоёмких технологий изготовления деталей различного назначения из порошковых материалов // Проблемы современных материалов и тех-