автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Технология получения, структура и свойства горячедеформированных порошковых материалов на основе механохимически активированной стружки Д16

На правах рукописи

Федосеева Мария Александровна

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ СТРУЖКИ Діб

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Новочеркасск 2013 005542769

005542769

Работа выполнена в «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Сергеенко Сергей Николаевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Вернигоров Юрий Михайлович

доктор технических наук, профессор кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г.Ростов-на-Дону

Пломодьяло Роман Леонидович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы управления и технологические комплексы», ФГБОУ ВПО «Кубанский технологический университет», г. Краснодар

Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказская государственная гуманитарно-технологическая

академия», г. Черкесск

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 1022 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при ФГБОУ ВПО ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 (гл. корпус, ауд. 147).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова.

Автореферат разослан «26 » ноября 2013 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Ученый секретарь

диссертационного совета Середин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время широкое применение находят сплавы на основе алюминия, которые характеризуются низкой плотностью и повышенной удельной прочностью. Методы порошковой металлургии позволяют получать детали с заданными функциональными свойствами и являются энерго- и ресурсосберегающими. С целью снижения затрат на основные материалы и повышение механических свойств горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) в Южно-Российском государственном политехническом университете (НПИ) им. М.И. Платова предложены технологии, основанные на использовании механохимически активированного (МХА) стружкового порошка Д16, позволяющие утилизировать стружковые отходы. Проведенные ранее исследования в ЮРГПУ (НПИ) позволили установить наследственное влияние параметров МХА шихт в жидких средах насыщенного водного раствора борной кислоты (НВРБК) на закономерности холодного формования (ХП), нагрева, спекания, инфильтрации, горячей штамповки (ГШ) и формирование свойств горячедеформированных

порошковых материалов.

Упрочнение алюминиевой матрицы в перспективных эвтектических сплавах Al-Fe обеспечивается за счет дисперсной фазы Al3Fe. Введение титана повышает прочность и равномерность распределения свойств по объему алюминиевого сплава за счет измельчения зерна. Образовавшаяся дисперсная фаза Al3Ti сдерживает рост зерен в процессе уплотнения материала Al-Ti (5% мае.). Порошковые материалы на основе алюминия, механически легированные титаном, характеризуются мелкодисперсной структурой и повышенными свойствами.

В опубликованных работах отсутствуют исследования влияния содержания ферротитана в шихте на процессы размола стружки Д16, формования заготовок в процессе холодного прессования и горячей штамповки, формирования структуры и свойств горячедеформированных порошковых материалов системы А1-Д16-ферротитан.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГПУ (НПИ) в рамках государственного задания на проведение НИР (проект № 7.3767.2011 «Теоретические и технологические основы разработки энергоэффективных способов получения порошковых и композиционных функциональных материалов»).

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание технологии получения горячедеформированного порошкового материала системы А1-Д16-ферротитан на основе установления закономерностей влияния содержания ферротитана на процессы МХА стружки Д16, формования заготовок в процессе холодного прессования и горячей штамповки, формирования структуры и свойств. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить закономерности МХА в жидких средах порошковых шихт А1-Д16-ферротитан при разном содержании ферротитана и насыщенного водного раствора борной кислоты, времени и скорости размола;

- изучить процессы холодного прессования и горячей штамповки ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан на основе измельченной стружки Д16;

- исследовать влияние содержания ферротитана и насыщенного водного раствора борной кислоты в шихте, параметров размола на закономерности формирования структуры и свойств горячедеформированного порошкового материала на основе МХА стружки Д16;

- разработать технологию получения горячедеформированного порошкового материала с повышенными механическими свойствами на основе МХА шихты системы А1-Д16-ферротитан.

Методы исследования и достоверность результатов. Гранулометрический анализ шихт проводился в соответствии с ГОСТ 18318-94. При исследовании образцов МХА шихты и горячедеформированных порошковых материалов использовались методы анализа, представленные в таблице 1.

Высокая достоверность исследований обеспечивается использованием современного оборудования и статистической обработкой большого числа точечных значений интенсивности аналитического сигнала при элементном картировании.

Таблица 1 - Методы и оборудование, используемые при выполнении исследований

Метод анализа Используемое оборудование Исследуемый материал

Энергодисперсионная рентгенофлуоресцентная спектрометрия Рентгеновский энергодисперсионный спектрометр ARL Quant'X компании Thermo Scientific. Управление прибором, сбор и обработку данных осуществляли при использовании пакета программ WinTrace МХА шихта, ГДПМ

Элементное картирование Микроанализатор рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный INCA Energy 450 (с детектором X-Act ADD) фирмы OXFORD Instruments Analytical на базе растрового электронного микроскопа Tescan Vega LMU) ГДПМ

Рентгеноспектральный микроанализ ГДПМ, порошок ферротитана

Термогравиметрический анализ в воздухе Дериватограф Diamond TG/DTA МХА шихта, ГДПМ

Термогравиметрический анализ в гелии Дериватограф NETZSCH STA 449C МХА шихта

Рентгеноструктурный и фазовый анализ вещества Порошковый дифрактометр ARL X'TRA МХА шихта, ГДПМ

При обработке данных использованы современные методы и программы расчета. Степень достоверности результатов подтверждается:

- согласованностью полученных результатов с фундаментальными положениями порошкового материаловедения, а также соответствия экспериментальных данных и научных выводов общепринятым положениям, опубликованным в печатных изданиях;

- применением статистической обработки результатов экспериментальных исследований (программы STATISTICA 10, Table Curve 3);

- использованием в экспериментальных исследованиях современных методов испытаний, поверенного оборудования и стандартных методик, в сочетании с комплексом методов исследований структуры и свойств.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

- закономерности измельчения стружки Діб с добавлением ферротитана 6% мас. в среде насыщенного водного раствора борной кислоты 30% от массы шихты при МХА в планетарной мельнице;

- бимодальное распределение частиц измельченной стружки и разделение шихты на фракции -630 мкм (активированный стружковый порошок) и +630 мкм (крупные частицы стружки), а также закономерности формования при холодном

прессовании и горячей штамповке материалов на основе крупных частиц, смеси крупных частиц и порошка алюминия (50% мае.), активированного стружкового порошка и смеси активированного стружкового порошка и порошка алюминия (50% мае.);

- наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на измельчение стружки Д16, холодное прессование, горячую штамповку и формирование структуры и свойств ГДПМ на основе смеси активированного стружкового порошка и порошка алюминия (50% мае.);

- результаты исследования структуры и свойств материала на основе активированного стружкового порошка;

- разработанная технология получения ГДПМ с повышенными механическими свойствами на основе агломератов, полученных в процессе МХА.

Научная новизна. Установлены закономерности МХА активированного стружкового порошка (АСП) в жидкой среде, построены 3D Spline модели влияния содержания ферротитана и НВРБК, времени и скорости размола на выход фракции менее 630 мкм, ее гранулометрический состав, процессы диспергирования-агломерации при размоле в планетарной мельнице. Выявлено бимодальное распределение частиц стружки Д16, измельченной в жидкой среде, с преобладанием размеров менее 63 мкм и более 630 мкм. Определено наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на процессы измельчения стружки Д16, уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповке, формирования структуры и свойств ГДПМ.

В отличие от ранее известных работ, построено модифицированное уравнение Розина-Раммлера для порошка, полученного измельчением стружки Д16 в процессе МХА, при оптимальном содержании ферротитана 6% мае. в жидкой размольной среде НВРБК 30% от массы шихты, учитывающее время (tp) и скорость (Vp) размола: F(x,Vp,t„)=«li^gpi^/^^^expi-ai^/,)*«^«"). (1)

Использование мелкодисперсной (do=58 мкм) шихты на основе агломератов, состоящих из частиц (di=54 мкм), полученной при оптимальном содержании ферротитана 6% мае. и НВРБК 30% от массы шихты в размольной среде,

характеризуется повышенным сопротивлением пластической деформации при холодном прессовании и активацией процессов уплотнения при горячей штамповке.

В результате термогравиметрического анализа шихты А1-Д16-ферротитан, полученной при оптимальных значениях содержания ферротитана 6% мае. и НВРБК 30% от массы шихты, скорости 325 мин"1 и времени размола 5,8 кс, выявлен экзотермический эффект, протекающий при температурах 475-550 °С и 590-650 °С для шихты на основе активированного стружкового порошка. Отличительной особенностью структуры ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан, обнаруженной рентгеноспектральным микроанализом, является наличие интерметаллидов Al3Fe и частиц с низким содержанием кислорода. В структуре ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан выявлены три основные области:

1) алюминий с повышенным содержанием железа в виде интерметаллидов, не содержащий кислород (белая область);

2) алюминий и его оксиды (серая область);

3) два состава, на основе алюминия с повышенным содержанием кислорода, а также железа и титана при незначительном содержании примесей (темная рыхлая).

Практическая значимость. Разработана технология получения горячедеформированного порошкового материала на основе агломератов с повышенными механическими свойствами. Технология включает МХА стружки Д16 (Vp=325 мин1, tp=5,8 кс), смешивание активированного стружкового порошка с порошком алюминия (ПА) (50% мае.) в состоянии поставки (Vp=150 мин"1, tp=l,2 кс), формование заготовок путем холодного (450 МПа) и динамического горячего прессования (550 °С, 0,3 кс) с приведенной работой 140 МДж/м3.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в ЮРГПУ(НПИ) им. Платова: профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области; пятой международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии их получения», г. Новочеркасск (2011 г.); а также на шестой международной школе «Физическое материаловедение», г. Новочеркасск (2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, две из которых выполнены без соавторов, две опубликованы в центральных изданиях, отвечающих требованиям ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений к основному тексту. Содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста и приложении на 31 странице.

Автор выражает благодарность Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору Ю.Г. Дорофееву за обсуждение полученных результатов и помощь при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы и ее задачи, актуальность и новизна. Представлены методы исследования и их достоверность, положения, выносимые на защиту. Показана практическая значимость и сведения об апробации работы.

В первой главе «Анализ научно-технической и патентной литературы» представлен аналитический обзор технологий получения компактных, порошковых и композиционных материалов систем Al-Ti, Al-Fe, их структуры и свойств. Рассмотрены порошковые материалы на основе МХА порошков алюминия, показано, что МХА является перспективной технологией для получения порошкового материала (ПМ) с дисперсной структурой. После обработки порошка НВРБК обеспечивается его неокисляемость в воздушной среде за счет легирования системы AI-AI2O3 оксидами бора В20з- Показана эффективность формирования устойчивых агломератов в процессе МХА стружки Д16, не разрушающихся и не объединяющихся при последующей ручной обработке, обеспечивающих получение материала с повышенными механическими свойствами на их основе. В результате проведенного анализа сформулированы выводы, цель и задачи исследования.

Во второй главе «Методики проведения исследований» представлены характеристики и свойства используемых материалов и оборудования. Описаны методики проведения экспериментов и исследования материалов.

Технология получения образцов включает: предварительную подготовку стружки, ее магнитную сепарацию, приготовление шихты, холодное формование, нагрев, ГШ. Предварительная подготовка стружки алюминиевого сплава Д16 с толщиной 0,5-1,0 мм заключается в измельчении резанием с последующей магнитной сепарацией; выделение фракции менее 5 мм - рассевом, промывкой этиловым спиртом, сушкой.

В работе исследовались следующие варианты приготовления шихты:

1) ручное смешивание в течение 1,2 кс компонентов шихты: стружка Д16 (100-92% мае.), порошок ферротитана (0-8% мае.) и ортоборная кислота (5,5% от массы шихты);

2) МХА шихты в планетарной-шаровой мельнице САНД-1 при скорости размола 290 мин"1, массе шаров 400 г, соотношение масс шаров (с1шар=10 мм) и шихты Мшар:тших=10:1. Шихта содержит порошок ферротитана, стружку Д16 и НВРБК. Время размола варьировалось в интервале 1,8-14,4 кс, содержание ферротитана 0-6% мае. при содержании НВРБК 20% от массы шихты. Для исследования процессов диспергирования-агломерации шихты при ее обработке в САНД-1 проводили гранулометрический анализ (ГОСТ 18318-94) с последующей ручной обработкой (0,9 кс). Затем разделяли шихту по фракциям: менее 630 мкм (активированный стружковый порошок - АСП) и более 630 мкм крупные частицы (КЧ). Смешивание АСП и КЧ с ПА (50% мае.) проводилось в САНД-1 при скорости размола 150 мин"1 в течение 1,2 кс;

3) МХА стружки Д16 совместно с ферротитаном (6% мае.) при времени обработки 5,8-15,8 кс и скорости размола 290-360 мин"1 с различным содержанием НВРБК (0, 20, 30, 40% от массы шихты). В дальнейшем технология с приготовлением шихты совпадает с вариантом 2.

После приготовления шихты осуществлялось ХП формовок (dxn= 12,75 мм, hxn=5,94-7,85 мм, mXI1=2 г) на гидравлическом прессе ПГ-50 по схеме одностороннего прессования при давлении 310 МПа (вариант 1) и 450 МПа (варианты 2 и 3). Предварительный нагрев холоднопрессованного образца проводили в электрической печи (СНОЛ-1.6 2.5.1/11-М1 У4.2) с последующей ГШ на копре (масса падающих

частей 50 кг, приведенная работа горячего доуплотнения 140 МДж/м3). Высота подъёма бабы варьировалась в зависимости от массы образца.

Описаны методы исследования свойств горячепрессованных заготовок. Твердость образцов HRE замерялась согласно ГОСТ 9013-59, с последующим переводом в HRB. Исследование предела прочности на срез (тв) проводилось в специальном устройстве на разрывной машине. Анализ научно-технической литературы показал, что существует линейная зависимость:

тв=аов,

где а- коэффициент пропорциональности (а < 1).

Методами растровой электронной микроскопии были проведены: элементное картирование участка структуры ГДПМ и определено содержание основных элементов на микроанализаторе рентгенофлуоресцентном энергодисперсионном INCA Energy 450 (с детектором X-Act ADD) фирмы OXFORD Instruments Analytical на базе растрового электронного микроскопа Tescan Vega LMU при ускоряющем напряжении 20 кВ. Количественные определения состава проводились методом внешнего стандарта, использованы стандартные образцы «Micro-Analysis Consultants Ltd.». Также было определено содержание Al, Fe, Ti, 02 в составе основных компонентов материала.

Предварительный однофакторный эксперимент показал, что влияние содержания ферротитана на прочность и плотность стружковых образцов, полученных по схеме ГШ с элементами экструзии, при ручном смешивании, является незначимым. По результатам проведенного эксперимента был составлен полнофакторный план исследования влияния содержания ферротитана и времени МХА на закономерности кинетики измельчения стружки Д16, а также оптимизации содержания ферротитана. По итогам исследований получения ГДПМ, на основе результатов второго варианта приготовления шихты, проведена математическая обработка и построена матрица планирования двухфакторного эксперимента в соответствии с ротатабельным планом второго порядка, при фиксированных значениях содержания НВРБК (0, 20, 30, 40% от массы шихты). Содержание ферротитана было постоянным (6% мае.).

В третьей главе «Закономерности МХА в сухих и жидких средах порошковых шихт Д16-ферротитан» исследован гранулометрический состав МХА шихт на основе стружки Д16 с добавлением ферротитана (0-6% мае.) и НВРБК (20% от массы шихты) при различном времени размола (1,8-14,4 кс). Построены 3D Spline модели зависимостей выхода фракции размером менее 630 мкм, среднего размера частиц, параметров агломерации и уравнения Розина-Раммлера от tp и содержания ферротитана. Максимальный выход фракции -630 мкм наблюдается при

оптимальном содержании 6% мае. ферротитана

Увеличение содержания ферротитана от 4 до 6% мае., являющегося дополнительным размольным телом, интенсифицирует процесс измельчения, снижая средний размер частиц шихты и повышая выход АСП (рисунок 1). При этом происходит переход от агломерации к диспергированию частиц, обеспечивая получение активной шихты, агломерирующей в процессе ручной обработки. С целью оптимизации совместного размола стружки Д16 и ферротитана (6% мае.) в среде НВРБК (30% от массы шихты) построены 3D Spline модели влияния tp и Vp на выход АСП, ее среднего размера частиц после МХА (do) и ручной обработки (di), параметр агломерации (nAI^do/d^ при различном содержании НВРБК (0, 20, 30, 40% от массы шихты).

Технология сухого размола является неэффективной, т.к. после МХА наблюдается налипание измельченного стружкового порошка на стенки кюветы и размольные тела, что приводит к снижению выхода фракции -630 мкм. Эти же процессы наблюдаются при добавлении 40% НВРБК от массы шихты. Область максимальных значений выхода АСП при содержании НВРБК 20% от массы шихты находится в диапазоне времени 14,4-15,8 кс и скорости 350-360 мин"1.

времени размола 14,4 кс и (СНврбк=20% от массы шихты).

Рисунок 1 - 3D Spline модель влияния времени размола и содержания ферротитана на выход фракции -630 мкм

Введение НВРБК 30% от массы шихты в размольную среду обеспечивает увеличение выхода АСП при меньших скоростях (Ур=290 мин"1) и времени МХА (1р=5,8 кс) (рисунок 2,а). Наименьшие размеры частиц после МХА наблюдаются при минимальной скорости (290 мин"1) и максимальном времени размола (1:р=15,8 кс, рисунок 2,6). Установлено, что АСП, полученный при содержании 30% НВРБК от массы шихты, времени 5,8 кс и скорости размола 325 мин"1, характеризуется пониженными средними размерами частиц (ёо=58 мкм) после МХА и повышенным значением ПАГ (рисунок 2,в).

Мл

• /9Ш:

/Л*«:

Ах vaV\

■.•-Ф-зэГ

W

Рисунок 2 - 3D Spline модели зависимостей выхода АСП (а), средних размеров частиц (б) и значений ПАГ (в) после МХА

Исследование влияния содержания ферротитана и времени размола на параметры после МХА (cío, Ро) и ручной обработки (аь Pi) показало, что значения а0 и ai максимальны в интервале скоростей размола 7,2-10,8 кс во всем исследуемом диапазоне концентраций ферротитана. Содержание ферротитана не оказывает значительного влияния на параметры a0, ai и р0, Рь Ручная обработка снижает значения коэффициента корреляции (г) уравнения Розина-Раммлера, приведенного к линейному виду, за счет агломерации частиц (ПАГ<1):

Y=a+bX, (2)

где Y=ln(ln^); a=lna; Р =b; Х=\пх; Р - проход, % мае.

Оптимальные значения параметров размола (tp=5,8 кс, Vp=325 мин"1) и содержания НВРБК (30% от массы шихты) обеспечивают повышенный выход (более 70% мае.) мелкодисперсного (d0=58 мкм, di=54 мкм) АСП, характеризующегося локальными минимумами значений ai, Pi и локальными

максимумами значении распределения (г=0,98).

а0, Ро- АСП соответствует нормальному закону

0,2

«

(( |

0 100 200 500 600

Рисунок 3

Используя значения ао и р0 функции распределения Розина-Раммлера, построены интегральные кривые Р(х) распределения частиц по размерам после МХА и ручной обработки (рисунок 3). Ручная обработка незначительно повлияла на распределение частиц по размерам за счет присутствия неразрушающихся агломератов в исследуемой шихте (ПАГ=1,08).

При исследовании зависимостей влияния Ур и 1р на значение параметров функции распределения порошковых частиц, было построено модифицированное уравнение Розина-Раммлера (1) для АСП с оптимальным содержанием ферротитана 6% мае. в процессе МХА в жидкой среде, содержащей 30% НВРБК от массы шихты. Влияние Ц и Ур на параметры уравнения Розина-Раммлера (а0, Ро) описано уравнением регрессии в виде:

ао,Ро(1р,Ур)=ехр(а+Ь1р+с1р2+аУр+еУр2+^р3+8Ур4).

Коэффициенты уравнения регрессии представлены в таблице 2. Таблица 2 - Значения коэффициентов уравнения регрессии а0, Ро(1р>^р)

х, мкм

Кривые распределения частиц по размерам Р(д-): 1 - после МХА; 2 — после ручной обработки

(3)

Исследуемые параметры Значения коэффициентов уравнения регрессии г

а Ь с а е { ё

<*0 -22911,33 0,58 -0,02 294,39 -1,42 0,003 -2,41 0,97

Ро 3457,17 -0,31 0,01 -44,78 0,22 -0,005 3,76-10"7 0,91

В 4 главе «Изучение закономерностей уплотнения заготовок из порошка, полученного в процессе совместного измельчения стружки Д16 и ферротитана, при холодном прессовании и горячей штамповке», исследованы зависимости влияния содержания ферротитана и гр на значения относительной плотности формовок (вхп), коэффициента прессования (Кпр=рхп/8ьхп, где рхп - давление прессования, ёьхп - высотная деформация), относительной плотности (Эгш) и высотной деформации ГДПМ (еь=1п(ЬгшЛ1хп)). Наблюдается периодическое разрушение образцов при ХП, связанное с плохой формуемостью КЧ и АСП. Брак

при ГШ заготовок на основе АСП происходит из-за макродефектов, приводящих к разрушению образцов. Введение ПА (50% мас.) в МХА шихту на основе КЧ или АСП повышает формуемость заготовок.

Введение ПА (50% мас.) в шихту на основе КЧ увеличило значение |Кпр|. При формовании КЧ |Кпр| имеет минимальные значения за счет того, что энергия прессования в основном расходуется на изгиб частиц стружки. Повышенные значения 0ХП и пониженные (єь| формовок на основе КЧ и ПА обеспечиваются без добавления ферротитана при 1р 10,8 кс. Минимальные значения 9ХП наблюдаются при кратковременном размоле (^<10,8 кс) и содержании ферротитана 4-6% мае., что приводит к пониженным значениям 9ГШ. При максимальном времени размола и 0ГШ имеют максимальные значения.

Абсолютные значения коэффициента прессования ПМ на основе смеси АСП и ПА (50% мае.) минимальны при использовании шихты, полученной при 1р 7,2 кс и содержании 2% мае. ферротитана. Увеличение содержания ферротитана в шихте до 6% мае. приводит к повышенному сопротивлению пластической деформации при ХП. Повышенные значения 0ХП наблюдаются у образцов без добавления ферротитана (^=14,4 кс). Увеличение содержания ферротитана при времени размола до 7,2 кс приводит к снижению |єі,|. Прямая зависимость Эгш(*Р) АСП наблюдается при содержании ферротитана 6% мае. Максимальные значения 9ГШ достигаются при использовании шихты, полученной в процессе длительного размола (14,4 кс). Увеличение сопротивления пластической деформации при ХП формовок приводит к получению ГДПМ с повышенной относительной плотностью, что связано с использованием шихты с минимальным средним размером частиц (ё0=52 мкм).

Проведены исследования влияния содержания НВРБК, скорости и времени размола на закономерности уплотнения при ХП и ГШ. Показано, что повышенное сопротивление деформации пористой формовки на основе смеси КЧ (СНврбк=20% от массы шихты) и ПА (50% мас.) в процессе ХП находится в области повышенных значений 1р (более 10,8 кс). Увеличение 1р приводит к повышению значений |Кпр|, активации процессов уплотнения при ГШ, характеризующихся повышенными значениями |єь| и 0ГШ.

Минимальные значения |Кпр| при ХГТ порошкового материала на основе смеси АСГТ, полученного при содержании НВРБК 20% от массы шихты и ПА (50% мае.), наблюдаются при кратковременном размоле Ор=5,8 кс и Ур=300 мин"1). Максимальным значениям 9ГШ и |Є),| соответствуют минимальные значения 0ХП (1Р=5,8 кс Ур=360 мин"1).

Для ПМ на основе смеси крупных частиц, полученных в жидкой среде НВРБК (30% от массы шихты) и ПА (50% мае.), критическими параметрами размола являются время 10,8 кс и скорость размола 325 мин"1. При этом наблюдаются максимальные значения |Кпр|, минимальные - 9ХП и 0ГШ. Повышенные значения |єь| и 9ГШ наблюдаются при длительном размоле (1р>10,8 кс).

Максимальное значение |Кпр| при ХП порошкового материала на основе смеси АСП и ПА (50% мае.) наблюдаются в центре плана при времени 10,8 кс и Ур 325 мин"1. Анализ зависимости 9ХП0Р) для всего исследуемого диапазона скоростей показал, что увеличение времени размола повышает значения Эхп, которые максимальны при скорости, равной 325 мин"' (рисунок 4). Скорость размола 325 мин"1 является критической, изменение которой приводит к резкому снижению |єи|. Снижение скорости размола и увеличение времени МХА способствуют повышению значений 0ГШ.

Рисунок 4 - Изолинии 3D Spline моделей зависимостей: Кпр (а); 9хп(б); Eh (б); 9ГШ (г) от Vp и tp

В пятой главе «Структура и свойства ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан»

проведено исследование влияния содержания ферротитана и ^ на механические свойства. Показано, что увеличение содержания ферротитана и уменьшение Ц приводит к снижению значений твердости (НИВ) ГДПМ на основе смеси КЧ и ПА. Прочность образцов на срез (тв) возрастает с увеличением параметров размола. Максимальные значения тв наблюдаются при использовании шихты, полученной при максимальном 1:р и содержащей 6% мае. ферротитана.

ГДПМ на основе смеси АСП и ПА (50% мае.) имеет повышенные значения твердости и тв. Используемая шихта, характеризуется максимальным выходом фракции -630 мкм, что обеспечивается введением в шихту 6% мае. ферротитана и длительным размолом.

Результаты исследования влияния параметров размола и содержания НВРБК на механические свойства ГДПМ на основе смеси КЧ и ПА показали, что минимальные их значения наблюдаются при использовании шихты, полученной при скорости размола 325 мин"'. Повышенные значения НЯВ и тв ГДПМ (НЯВ=85, тв=156 МПа) обеспечиваются максимальной скоростью 360 мин"1.

Минимальным значениям твердости ГДПМ на основе смеси АСП, содержащего НВРБК 20% от массы шихты, и ПА (50% мае.) соответствуют повышенные значения прочности на срез, наблюдаемые при ^ 10,8 кс и Ур 300 мин"1. Используемая шихта характеризуется минимальным выходом АСП.

Исследование ГДПМ на основе смеси КЧ (СНврбк=30% от массы шихты) и ПА (50% мае.) выявило повышенные значения НЯВ и тв при использовании шихты, полученной при времени 14,4 кс и скорости размола 350 мин"1. Введение ПА (50% мае.) в шихту, на основе АСП (Снврбк=30% от массы шихты), содержащего агломераты, не разрушающиеся в процессе ручной обработки (ПАГ=1,08), позволяет добиться повышенных значений твердости и тв ГДПМ при малом времени и низких скоростях размола (рисунок 5). Увеличение времени размола приводит к снижению механических свойств.

Для выбора материала с оптимальными свойствами предложено использование расчетных значений тв*, учитывающих прочность (твЛСП, твкч) и содержание массовых долей АСП (ЛК_630,% мае./100) и КЧ (ДК+63о,% мас./100):

тв*=твлсп(Дк-бзо>% мас./100)+хвкч(ДЯ+63о,% мас./100). (4)

Проведенный комплексный анализ показал, что максимальные экспериментальные (т„АСП=249 МПа) и расчетные (тв*=223 МПа) значения предела прочности на срез имеет ГДПМ на основе смеси АСП (СНврбк=30% от массы шихты) и ПА (50% мае.), полученный при 1Р равном 5,8 кс и Ур равной 325 мин"1.

Рисунок 5 - Влияние параметров размола на твердость (о) и прочность на срез (б) ГДПМ на основе смеси АСП и ПА

Анализ результатов исследования структуры МХА шихты на основе АСП (6% мае. ферротитана и 30% НВРБК от массы шихты) в отраженных электронах показал наличие агломератов и равномерное распределение включений по их структуре (рисунок 6).

Рисунок 6 - Микроструктура МХА шихты, на основе АСП в отраженных электронах По данным термогравиметрического анализа (рисунок 7), процесс нагрева механохимически активированной шихты протекает в несколько стадий: а) снижение массы за счет испарения воды (40-260°С); б) экзоэффект (475 - 550°С);

в) эндоэффект (550 - 590°С); г) экзоэффект (590 - 650°С). Увеличение массы связано с окислением материала. Съемка дериватограммы АСП в среде гелия показала возможность формирования интерметаллидов при нагреве шихты. При взаимодействии алюминия с титаном протекает экзотермическая реакция с выделением тепла: 3A1+Ti—>Al3Ti+AH (5)

o.osm

s „,0<f

U , I----J-t---------------і-----------------4-І--і-................- f......

ь" Г о

' 020

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Температура, °С

Рисунок 7 - Дериватограмма АСП в воздушной среде: DTA-тепловой эффект, TG-количественное изменение массы

Исследование структуры ГДПМ на основе МХА шихты (6% мае. ферротитана и 30% НВРБК от массы шихты) показало, что заготовка имеет однородную структуру с включениями компонентов. Равномерное распределение элементов в материале подтверждается результатами проведенного элементного картирования (рисунок 8). Участки структуры с повышенным содержанием титана (г) и железа (Э) в материале характеризуются низким содержанием кислорода (б).

Рисунок 8 - Участок структуры и линия картирования (а), распределение элементов О (б); А1 (в); Тл (г); Ре (д) ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан

Проведенный рентгеноспектральный микроанализ на трех типичных участках ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан, на основе смеси АСП (6% мае. ферротитана и 30% НВРБК от массы шихты) и ПА (50% мае.), выявил три основные области: белая, серая, темная рыхлая (рисунок 9, а-в). В белой области находится алюминий с повышенным содержанием железа в виде интерметаллидов, характеризующейся отсутствием кислорода. Структурные элементы (рисунок 9, г), входящие в состав материала, состоят из частиц железа, интерметаллидов и оксидов железа. Элементный состав характерных фаз представлен в таблице 3.

Рисунок 9 - Структура ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан в отраженных электронах Таблица 3 - Элементный состав основных фаз ГДПМ А1-Д16-ферротитан (% мае.)

Участок № «точки» Область Al Fe Ti Cu Ni Mn Mg Si O

а 1 Серая 99,4 0,6

2 Белая 59,9 37,8 1,2 0,3 0,8

3 Темная рыхлая 59,9 1,0 1,6 1,6 1,5 0,2 34,5

б I Белая 61,2 37,9 0,9

2 Серая 98,4 0,6 0,3 U

3 Темная рыхлая 58,2 1,0 1,3 1,6 0,2 1,4 0,2 36,1

в 1 Белая 61,0 38,2 0,8

2 Серая 99,3 0,7

3 Темная рыхлая 71,9 2,3 1,2 2,0 1Д 0,5 20,9

г 1 Белая 0.9 99.1

2 Темная серая 54.8 44.9 0.3

3 Серая 1.4 71.9 0.5 26.2

В шестой главе «Обсуждение полученных результатов и разработка опытной технологии получения порошкового материала системы А1-Д16-ферротитан» показано наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на процессы измельчения стружки Д16, консолидации при холодном прессовании и горячей штамповке, формирования структуры и свойств ГДПМ. Увеличение содержания ферротитана от 4 до 6% мае. интенсифицирует процесс измельчения, повышая выход АСП и снижая средний размер частиц шихты. При этом происходит переход от агломерации к диспергированию частиц, обеспечивая получение активной шихты, агломерирующей в процессе ручной обработки (рисунок 10).

Повышенная дисперсность шихты приводит к увеличению абсолютных значений коэффициентов прессования, активизацию процессов уплотнения при ГШ (рисунок 11). При использовании смеси ПА (50% мае.) и АСП, полученного при размоле стружки Д16 с различным содержанием ферротитана, показано монотонное увеличение предела прочности на срез ГДПМ при повышении содержания ферротитана. При этом наблюдается снижение значений 6ХП, повышение сопротивления пластической деформации при ХП и повышение абсолютных значений высотной деформации.

Установлена взаимосвязь между

параметрами (ао, Ро и а,, Р0 Розина-Раммлера и ПАГ. Увеличение содержания ферротитана от 4 до 6% мае. приводит к переходу от агломерации к диспергированию (ПАГ<1) и обеспечивает снижение а0 после МХА и увеличение р0. Параметры уравнения Розина-Раммлера порошковых композиционных частиц после ручной обработки, составляющие агломераты, связаны с тв ГДПМ. Максимальные

бо

О-

<3

о.з;

^ 0.25 О Л 5 0.-+Д

0.-4-2 ЮО

X

2 »О

' во 1 ,оо

СреП, % мае. Рисунок 10 - Зависимости ДЯ-бзо, ао, Ро, ¿0, ПАГ от содержания ферротитана (1п=14.4 кс)

значения тв ГДПМ обеспечиваются при использовании шихты на основе АСП, характеризующейся максимальными значениями а! и минимальными (3|.

Исследование шихты, содержащей 30% НВРБК, показало, что при времени размола 5,8 кс с повышением скорости происходит увеличение выхода АСП. При времени 5,8 кс и скорости 325 мин"1 происходит образование агломератов, большая часть которых не разрушается в процессе ручной обработки (ПАГ=1,08). Шихта характеризуется малыми размерами частиц (<30=58 мкм), что подтверждено исследованиями дифференциальных кривых распределения частиц по размерам после МХА и ручной обработки, которые были построены с помощью расчетных значений а0 и (30, а также интегральной характеристики Р(х)-содержание частиц с размерами, больше данного (х). Повышенные значения коэффициентов корреляции уравнения

Розина-Раммлера после МХА и ручной обработки (г0,0 свидетельствуют о соответствии нормальному закону распределения.

При прессовании формовки на основе шихты, полученной при кратковременном размоле 0Р=5,8 кс) и критической скорости (Ур=325 мин"'), наблюдаются пониженные значения |Кпр| и вхп. Горячедеформированная заготовка имеет максимальные абсолютные значения высотной деформации, повышенные значения относительной плотности, по сравнению с другими исследуемыми материалами имеет повышенные значения твердости (72 НЯВ) и прочности на срез (249 МПа).

Структура ГДПМ состоит из интерметаллидов (менее 70 мкм) и мелких частиц. Данные предположения подтвердились после рентгеноспектрального микроанализа. ГДПМ характеризуется тремя основными областями: белая -

Рисунок 11 - Зависимости Кпр, еь тв от содержания ферротитана (1р=14,4 кс)

алюминий с повышенным содержанием железа, в виде интерметаллидов, не содержащих кислород; серая - алюминий и его оксиды; темная - рыхлая - два состава на основе алюминия с повышенным содержанием кислорода, а также железа и титана, с незначительным содержанием примесей.

Одним из актуальных направлений использования порошкового материала на основе алюминия является изготовление шатуна. Снижение массы шатуна позволяет уменьшить инерционные силы. Введение ферротитана в шихту обеспечивает снижение стоимости материала по сравнению с титаном и повышает прочность материала шатуна за счет включений интерметаллидов.

Разработана технология получения ГДПМ с повышенными значениями прочности и твердости при утилизации стружковых отходов. Технология включает совместную МХА стружки Д16 и порошка ферротитана 6% мае. при времени 5,8 кс и скорости размола 325 мин"1; смешивание АСП с ПА (50% мае.), в состоянии поставки, в течение 1,2 кс при скорости размола 150 мин"1; формование заготовок путем ХП при давлении 450 МПа с последующим нагревом (550°С, 0,3 кс); ГШ с приведенной работой 140 МДж/м3.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе анализа установленного бимодального распределения частиц измельченной стружки, характеризующегося преобладанием частиц измельченной стружки с размерами менее 63 мкм и более 630 мкм, проведено разделение шихты на две фракции -630 мкм и +630 мкм, изучены закономерности формования при холодном прессовании и горячей штамповке материалов на основе крупных частиц, смеси крупных частиц и порошка алюминия (50% мае.), активированного стружкового порошка и смеси активированного стружкового порошка и порошка алюминия (50% мае.).

2. Установлены закономерности механохимической активации стружки Д16 с добавлением ферротитана в среде насыщенного водного раствора борной кислоты. Построены 3D Spline модели влияния содержания ферротитана и времени размола на выход фракции -630 мкм стружкового порошка, его гранулометрический состав, процессы диспергирования-агломерации при размоле.

3. Выявлено наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на процессы измельчения стружки Діб, уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповке, формирования структуры и свойств горячедеформированного порошкового материала. Увеличение содержания ферротитана до 6% мае. обеспечивает максимальные значения:

-выхода фракции -630 мкм, с пониженными значениями среднего размера частиц (с!о=52 мкм);

- сопротивления пластической деформации при холодном прессовании, приводящее к формованию заготовок с пониженной относительной плотностью;

- высотной деформации по модулю при горячей штамповке, характеризующую активацию процессов горячего доуплотнения;

- предела прочности на срез горячедеформированного порошкового материала.

3. Установлено соответствие нормальному закону распределения частиц порошковой шихты, полученной при времени 5,8 кс и скорости размола 325 мин"1, содержащей 6% мае. ферротитана и 30% насыщенного водного раствора борной кислоты от массы шихты, характеризующейся минимальными средними размерами частиц (с1о=58 мкм) и повышенным значением параметра агломерации (1,08). Построено модифицированное уравнение Розина-Раммлера, учитывающее время (1р) и скорость (Ур) размола (1). Увеличение содержания ферротитана от 4 до 6% мае. приводит к переходу от агломерации к диспергированию и обеспечивает снижение значений а0 и повышение р0.

4. Установлено пониженное сопротивление пластической деформации при уплотнении в процессе холодного прессования за счет изгиба элементов частиц шихты с размером +630 мкм, полученной измельчением стружки Діб в среде насыщенного водного раствора борной кислоты при содержании ферротитана 6% мае., что согласуется с гипотезой и результатами исследований профессора Ю.Г. Дорофеева.

5. Определены оптимальные значения параметров размола 0Р=5,8 кс, Ур=325 мин"'). Содержание ферротитана в шихте 6% мае. и 30% насыщенного водного раствора борной кислоты от массы шихты в размольной среде обеспечивает получение горячедеформированного порошкового материала с повышенными

экспериментальными значениями предела прочности на срез (твАСП=249 МПа) и расчетным - (т„*=223 МПа), учитывающим предел прочности на срез ГДПМ и содержание активированного стружкового порошка и крупных частиц, при твердости 72 HRB.

6. Показано наличие агломератов в шихте и равномерное распределение включений по их объемам. В воздушной среде выявлен экзоэффект при повышенных температурах, а в среде гелия - возможность формирования интерметаллидов. Элементное картирование ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан обнаружило участки структуры с повышенным содержанием титана, железа и отсутствием кислорода.

8. Структура ГДПМ характеризуется тремя основными областями: белая -алюминий с повышенным содержанием железа в виде интерметаллидов, не содержащих кислород; серая - алюминий и его оксиды; темная рыхлая - двумя составами на основе алюминия с повышенным содержанием кислорода, а также железа и титана.

9. Разработана технология получения горячедеформированных порошковых материалов с повышенными механическими свойствами на основе агломератов, сформированных в процессе МХА стружки Д16 с добавлением 6% мае. ферротитана в среде насыщенного водного раствора борной кислоты (30% от массы шихты). Технология включает: совместную МХА стружки Д-16 и ферротитана (Vp=325 мин"1, tp=5,8 кс), смешивание активированного стружкового порошка с порошком алюминия (50% мае.) в состоянии поставки (Vp=150 мин"1, tp=l,2 кс), формование заготовок путем холодного прессования (450 МПа) с последующей горячей штамповкой (550 °С, 0,3 кс), с приведенной работой (140 МДж/м3).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По материалам диссертационного исследования лично и в соавторстве опубликовано 11 печатных работ (общим объемом 2,38 печатных листа), в том числе две в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК. Работы, опубликованные по теме диссертации:

в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Федосеева, М.А. Особенности влияния добавок порошка ферротитана в шихте на гранулометрический состав измельченной стружки Д-16 / М.А. Федосеева, В.Н. Пустовойт, С.Н. Сергеенко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. Науки. - 2012. - № 6. - С. 159-163.-0,57 пл.

2. Федосеева, М.А. Горячедеформированные материалы на основе механохимически активированной стружки алюминиевого сплава Д-16 / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий, A.A. Волхонский, С.Н. Сергеенко // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2012. - Т. 2, № 3 (41). - С. 20-25. -0,58 п.л.

в других журналах и изданиях:

1. Федосеева, М.А. Влияние времени размола и концентрации легирующих элементов на твердость и прочность образцов / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий // Студенческая научная весна - 2012 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 24-25 мая 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 192-195.-0,12 пл.

2. Федосеева, М.А. Особенности деформации порошковых материалов алюминий-ферротитан и алюминий-никель / М.А, Федосеева, Д.В. Слабкий // Новые материалы и технологии их получения : материалы V Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 15 нояб. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЛИК, 2011. - С. 66-67. - 0,09 п.л.

3. Федосеева, М.А. Особенности формирования пористых заготовок на основе алюминия / М.А. Федосеева, М.К. Дюжечкин, С.Н. Сергеенко // Результаты исследований - 2011 : материалы 60-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ). 2011. - С. 265-267. - 0,13 п.л.

4. Федосеева, М.А. Технологии получения порошковых шатунов из алюминиевого сплава // Студенческая научная весна - 2011 : материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской

области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2011. - С. 404-405.-0,06 п.л.

5. Федосеева, М.А. Разработка технологии получения горячедеформированных материалов на основе стружки Д-16 / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий: сб. НИР финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности (г. Новочеркасск, окт. 2010 г.) [Эврика 2010] / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2010. - С. 180-184. - 0,37 п.л.

6. Федосеева, М.А. Прочность и твердость горячедеформированных порошковых материалов систем Al-FeTi, Al-Ni / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий // Студенческая научная весна - 2010 : материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос, гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2010. - С. 178-179. - 0,06 п.л.

7. Федосеева, М.А. Прочность горячедеформированных порошковых материалов систем Al-FeTi, Al-Ni / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий // Результаты исследований - 2010 : материалы 59-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2010. - С. 12-15. -0,2 п.л.

8. Федосеева, М.А. Порошковые и композиционные материалы на основе алюминия / М.А. Федосеева, Д.В. Слабкий // Результаты исследований - 2009 : материалы 58-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 15. - 0,05 п.л.

9. Федосеева, М.А. Особенности формирования структуры и свойств порошкового материала, на основе механически активированных шихт Al-FeTi / М.А. Федосеева // Физическое материаловедение :сб. тезисов и статей VI Междунар. школы, г. Новочеркасск, 24 июня 2013 г. /Юж.-Рос. гос. политехи. ун-т(НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск : ЮРГПУ(НПИ), 2013. - С. 47-49.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, составляет более 70%.

Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,7 Подписано в печать 25.11.2013г. Тираж 100 экз. Заказ № И 6

Отпечатано в СЦП НоуосЬРпШ ИП Сергиенко Н.А. 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, пр. Бакланове кий, д. 184, кв. 14

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)» имени М.И. Платова

На правах рукописи

04201453705

Федосеева Мария Александровна

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ СТРУЖКИ Д16

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Сергеенко Сергей Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Новочеркасск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПАТЕНТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........9

1.1 Компактные алюминиевые сплавы Al-Ti, Al-Fe.....................................9

1.2 Порошковые и композиционные материалы на основе алюминия и титана...............................................................................................................................................10

1.3 Порошковые и композиционные материалы на основе алюминия и железа...............................................................................................................................................18

1.4 Порошковые материалы на основе механически активированных порошков алюминия..............................................................................................20

1.5 Выводы, цели и задачи исследования................................................24

2 МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................27

2.1 Характеристики используемых материалов.........................................27

2.2 Технологии изготовления образцов...................................................29

2.3 Методики исследования горячедеформированных материалов системы А1-Д16-ферротитан..................................................................................31

2.4 Планирование эксперимента и его математическая обработка...................34

3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ МХА В СУХИХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ ПОРОШКОВЫХ ШИХТ Д16-ФЕРРОТИТАН...............................................42

3.1 Гранулометрический состав МХА шихт на основе измельченной стружки Д16...........................................................................................42

3.2 Средний размер частиц порошковых шихт..........................................58

3.3 Влияние технологических факторов размола на параметры уравнения распределения Розина-Раммлера...................................................................65

3.4 Выводы по главе............................. ..............................................70

4 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УПЛОТНЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКА, ПОЛУЧЕННОГО В ПРОЦЕССЕ СОВМЕСТНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТРУЖКИ Д16 И ФЕРРОТИТАНА, ПРИ ХОЛОДНОМ ПРЕССОВАНИИ И ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ..........................................................................72

4.1 Исследование влияния содержания ферротитана и времени размола на характеристики процессов холодного прессования и горячей штамповки.................72

4.2 Исследование влияния содержания насыщенного водного раствора борной кислоты, скорости и времени размола на закономерности уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповки...............................................................77

4.3 Выводы по главе.........................................................................93

5 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГДПМ СИСТЕМЫ AL-Д16-ФЕРРОТИТАН............................................................................95

5.1 Исследование влияния содержания ферротитана и времени размола на механические свойства..............................................................................95

5.2 Исследование влияния параметров размола (Vp, tp) и содержания НВРБК на механические свойства ГДПМ.....................................................................98

5.3 Выбор материала с оптимальными свойствами...................................107

5.4 Структура ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан на основе механически активированных шихт..............................................................................108

5.5 Выводы по главе.........................................................................115

6 ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И РАЗРАБОТКА ОПЫТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ AL-Д 16-ФЕРРОТИТАН............................................................117

6.1 Обсуждение полученных результатов..............................................117

6.2 Анализ технологий получения порошковых шатунов............................124

6.3 Общие выводы............................... ............................................129

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ...........................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время широкое применение находят сплавы на основе алюминия, которые характеризуются низкой плотностью и повышенной удельной прочностью. Методы порошковой металлургии позволяют получать детали с заданными функциональными свойствами и являются энерго- и ресурсосберегающими. С целью снижения затрат на основные материалы и повышение механических свойств горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) в ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова предложены технологии, основанные на использовании механохимически активированного (МХА) стружкового порошка Д-16, позволяющие утилизировать стружковые отходы [1]. Проведенные ранее исследования в ЮРГТУ(НПИ) позволили установить наследственное влияние параметров МХА шихт в жидких средах насыщенного водного раствора борной кислоты (НВРБК) на закономерности холодного формования, нагрева [1], спекания [2, 3], инфильтрации [3], горячей штамповки [1] и формировании механических свойств ГДПМ.

Упрочнение алюминиевой матрицы в перспективных эвтектических сплавах Al-Fe обеспечивается за счет дисперсной фазы Al3Fe [4]. Введение титана повышает прочность и равномерность распределение свойств по объему алюминиевого сплава за счет измельчения зерна [5]. Образовавшаяся дисперсная фаза AI3TÍ (5% мае. Ti), сдерживает рост зерен в процессе уплотнения материала Al-Ti [6, 7]. Порошковые материалы на основе алюминия, механически легированные титаном, характеризуются мелкодисперсной структурой и повышенными механическими свойствами [8,9].

В работах отсутствуют исследования влияния содержания ферротитана в шихте на процессы размола стружки Д-16, формования заготовок в процессе холодного прессования (ХП) и горячей штамповки (ГШ), формирования структуры и свойств ГДПМ системы алюминий-титан.

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание технологии получения горячедеформированного порошкового материала системы

А1-Д16-ферротитан на основе установления закономерностей влияния содержания ферротитана на процессы МХА стружки Д16, формования заготовок в процессе холодного прессования и горячей штамповки, формирования структуры и свойств. Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

- установить закономерности МХА в жидких средах порошковых шихт А1-Д16-ферротитан при разном содержании ферротитана и НВРБК, времени и скорости размола;

- изучить процессы холодного прессования и горячей штамповки ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан на основе измельченной стружки Д16;

- исследовать влияние содержания ферротитана и НВРБК в шихте, параметров размола на закономерности формирования структуры и свойств ГДПМ на основе МХА стружки Д16;

разработать технологию получения ГДПМ с повышенными механическими свойствами на основе МХА шихты системы Al-Д 16-ферротитан.

Научная новизна. Установлены закономерности МХА АСП в жидкой среде, построены 3D Spline модели влияния содержания ферротитана и НВРБК, времени и скорости размола на выход фракции менее 630 мкм, ее гранулометрический состав, процессы диспергирования-агломерации при размоле в планетарной мельнице. Выявлено бимодальное распределение частиц стружки Д16, измельченной в жидкой среде, с преобладанием размеров менее 63 мкм и более 630 мкм. Определено наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на процессы измельчения стружки Д16, уплотнения при холодном прессовании и горячей штамповке, формирования структуры и свойств ГДПМ.

В отличие от ранее известных работ, построено модифицированное уравнение Розина-Раммлера для порошка, полученного измельчением стружки Д16 в процессе МХА, при оптимальном содержании ферротитана 6% мае. в жидкой размольной среде НВРБК 30% от массы шихты, учитывающее время (tp) и скорость(Ур) размола:

F(x,Vp,tp)=a(Vp,tp)-p(Vp,tp)-x(P(Vp'tp)"l)exp(-a(Vp,tp)-x(i(Vp,tp)) (1)

Использование мелкодисперсной (с1о=58 мкм) шихты на основе агломератов, состоящих из частиц ((11=54 мкм), полученной при оптимальном содержании ферротитана 6% мае. и НВРБК 30% от массы шихты в размольной среде, характеризуется повышенным сопротивлением пластической деформации при холодном прессовании и активацией процессов уплотнения при горячей штамповке.

В результате термогравиметрического анализа шихты А1-Д16-ферротитан, полученной при оптимальных значениях содержания ферротитана 6% мае. и НВРБК 30% от массы шихты, скорости 325 мин"1 и времени размола 5,8 кс, выявлен экзотермический эффект, протекающий при температурах 475-550 °С и 590-650 °С для шихты на основе АСП. Отличительной особенностью, подтвержденной рентгеноспектральным микроанализом, структуры ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан является наличие интерметаллидов А13Ре и частиц с низким содержанием кислорода. В структуре ГДПМ системы А1-Д16-ферротитан выявлено три основные области:

1) алюминий с повышенным содержанием железа в виде интерметаллидов, не содержащий кислород (белая область);

2) алюминий и его оксиды;

3) два составам на основе алюминия с повышенным содержанием кислорода, а также железа и титана при незначительном содержании примесей.

Методы исследования и достоверность результатов. Проведен гранулометрический анализ шихт в соответствии с ГОСТ 18318-94. При исследовании образцов МХА шихты и ГДПМ использовались методы анализа, представленные в таблице.

Высокая достоверность исследований обеспечивается использованием современного оборудования и статистической обработкой большого числа точечных данных значений интенсивности аналитического сигнала при элементном картировании.

Таблица - Методы и оборудование, используемые при выполнении исследований

№ п/п Методы анализа Используемое оборудование Исследуемый материал

1 Энергодисперсионная рентгенофлуоресцентная спектрометрия Рентгеновский энергодисперсионный спектрометр ARL Quant'X компании Thermo Scientific. Управление прибором, сбор и обработку данных осуществляли при использовании пакета программ WinTrace МХА шихта, ГДПМ

2 Элементное картирование Микроанализатор рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный INCA Energy 450 (с детектором Х-Act ADD) фирмы OXFORD Instruments Analytical на базе растрового электронного микроскопа Tescan Vega LMU) ГДПМ

3 Рентгсноспектральный микроанализ ГДПМ, порошок ферротитана

4 Термогравиметрический анализ в воздухе Дериватограф Diamond TG/DTA МХА шихта, ГДПМ

5 Термогравиметрический анализ в гелии Дериватограф NETZSCH STA 449C МХА шихта

6 Рентгеноструктурный и фазовый анализ вещества Порошковый дифрактометр ARL X'TRA МХА шихта, ГДПМ

При обработке данных использованы современные методы и программы расчета. Степень достоверности результатов подтверждается:

согласованностью полученных результатов с фундаментальными положениями порошкового материаловедения, а также соответствия экспериментальных данных и научных выводов общепринятым положениям, опубликованным в печатных изданиях;

- применением статистической обработки результатов экспериментальных исследований (программы STATISTICA 10, Table Curve 3);

- использованием в экспериментальных исследованиях современных методов испытаний, поверенного оборудования и стандартных методик, в сочетании с комплексом методов исследований структуры и свойств.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

- закономерности измельчения стружки Д16 с добавлением ферротитана 6% мае. в среде 30% НВРБК от массы шихты при МХА в планетарной мельнице;

- установленное бимодальное распределение частиц измельченной стружки и разделение шихты на фракции -630 мкм (активированный стружковый порошок - АСП) и +630 мкм (крупные частицы стружки - КЧ), а также закономерности формования при ХП и ГШ материалов на основе КЧ, смеси КЧ и ПА (50% мае.), АСП и смеси АСП и ПА (50% мае.);

- наследственное влияние содержания ферротитана в шихте на измельчение стружки Д16, ХП, ГШ и формирование структуры и свойств ГДПМ на основе смеси АСП и ПА (50% мае.);

- результаты исследования структуры и свойств ПМ на основе АСП;

разработанная технология получения ГДПМ с повышенными механическими свойствами на основе агломератов, полученных в процессе МХА.

Практическая значимость. Разработана технология получения ГДПМ на основе агломератов с повышенными механическими свойствами. Технология включает МХА стружки Д16 (Vp=325 мин"1, tp=5,8 кс), смешивание активированного стружкового порошка с порошком алюминия (ПА) (50% мае.) в состоянии поставки (Vp=150 мин"1, tp=l,2 кс), формование заготовок путем холодного (450 МПа) и динамического горячего прессования (550 °С, 0,3 кс) с приведенной работой 140МДж/м3.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова: профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области; пятой международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии их получения», г. Новочеркасск (2011 г.); а также на шестой международной школе «Физическое материаловедение» г. Новочеркасск (2013 г.)

1 АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПАТЕНТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Компактные алюминиевые сплавы Al-Ti, Al-Fe

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Временное сопротивление алюминиевых сплавов достигает 500-700 МПа при плотности не более 2,85 г/см3. Некоторые алюминиевые сплавы по удельной прочности соответствуют высокопрочным сталям [10].

К основным легирующим элементам алюминия относят железо, медь, марганец и кремний [10]. Для измельчения зерна в алюминиевых сплавах используют титан [6]. На рисунке 1.1 представлена диаграмма состояния Al-Ti. При температуре 665 °С происходит перитектическая реакция )K+TiAJ3—>А1. Фаза TiAl3 (37,2% Ti) имеет тетрагональную решетку и образуется при 1337 °С по перитектической реакции [11].

Рисунок 1.1- Диаграмма состояния А1-Т1 [11]

Титан вводят в расплав А1-Т1 (Т\ 4-5 %) при температуре расплава на 150-350 °С ниже температуры ликвидуса [12]. При этом концентрацию Т! в расплаве увеличивают до 7,2 - 13,7% мае., после этого расплав разбавляют

алюминием до исходной концентрации Ti. Также при разливке лигатуры оставляют часть расплава (0,33-0,54 от общего его объема), которую используют в качестве Al-Ti-расплава для введения Ti. Растворимость Ti повышается на 11% абс. При уменьшении продолжительности плавки, потери металла от окисления снижаются на 2,8 кг/т получаемой лигатуры, в том числе А1-на 2,4 кг/т. Расход лигатуры при модифицировании Al или его сплава уменьшается на 20%, без снижения эффекта модифицирования.

В алюминии всегда присутствует железо в виде примеси. В системе Al-Fe при 655 °С со стороны алюминия образуется эвтектика Al+FeAl3 (рисунок 1.1). При нагреве (227-327 °С) из твердого раствора выделяется фаза равновесная с алюминием FeAl3 (40,7% Fe). Соединение FeAl3 образуется непосредственно из расплава при 1147 °С [10]. Добавки железа неблагоприятно влияют на механические свойства литого алюминия. Механические свойства сплавов системы Al-Fe, в отожжённом и деформированном состоянии приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Механические свойства сплавов системы Al-Fe

Свойства сплава Al (99,99% мае.) Al-Fe (1% мае.) Al-Fe (1,7% мае.) Al-Fe (2,5% мае.) Al-Fe (10% мае.)

От* Наг** От Наг От Наг От От

о„,МН/м2 45 130 110 160 120 190 110 100

(50,2,МН/м2 24 120 - - 80 170 - -

5,% 49 6 38,3 12,6 30 7,5 24 5

НУ, МН/м2 140 320 - - 300 440 - 350

*- От - отожжённое состояние, Наг** - нагартованное состояние.

1.2 Порошковые и композиционные материалы на основе алюминия и титана

Порошковые материалы ТьА1, полученные в процессе механохимического синтеза из элементарных порошков с последующим консолидированием горячим изостатическим прессованием, имеют высокую микротвердость и повышенную работу пластической деформации при комнатной температуре [13]. Установлено наличие микроразмерных композиционных рентгеноаморфных частиц, состоящих

из наносоставляющих.

В работе [14] смесь из порошков Т1-А1 (35% мае.) прессовали с последующей холодной экструзией. Из полученных заготовок вырезали образцы, которые помещали в титановые капсулы и заваривали. Горячее изостатическое прессование (ГИП) образцов проводили по двум режимам: при 1100 °С, 100 МПа, 7,2 кс и при 1250 °С, 200 МПа, 7,2 кс. После ГИП по второму режиму, образцы подвергали термообработке в вакууме. Показано, что после ГИП, образцы имели неоднородную структуру, содержание Л менялась от 42 до 68% ат. В процессе термообработке происходит укрупнение зерен, окисление и плавление образцов. Наблюдали четыре типа микроструктуры: двухфазную а2+у, частично пластинчатую а2+у+а3/у, дуплексную у+а2/у, полностью пластинчатую. Микротвердость у-фазы составила НУ 269±51, а2-фазы - НУ 455±33, у/а2-пластин - НУ 468±24.

Синтез Т1А1 в условиях горения [15] проводят по технологии, включающей ГИП (1200 °С,