Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Представлен обзор методов получения керамико-металлических композиционных материалов (керметов) на основе карбида титана и железа, которые называются также карбидосталями и ферротикарами. Показано, что традиционные методы порошковой металлургии и литейной технологии являются длительными и энергоемкими. Представлены полученные ранее результаты применения процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения керметов TiC-Fe и Al2O3-TiC-Fe как из элементных порошков, так и из оксидных с алюминотермическим восстановлением. Более подробно изложены собственные результаты по сопряжению реакций СВС карбида титана и восстановления железа из оксида как алюминием (алюминотермическое восстановление), так и углеродом (карботермическое восстановление). Показано, что в случае алюминотермического восстановления в качестве шихты (Ti + C) + x (Fe2O3 + 2Al) необходимо использовать смесь отдельно приготовленных из исходных порошков термитных (Fe2O3 + 2Al) и карбидных (Ti + C) гранул, в случае же карботермического восстановления нет необходимости прибегать к гранулированию шихты из единой смеси порошков (Ti + C) + x (Fe2O3 + 3C). Горение указанных СВС-шихт в простейшем реакторе открытого типа в воздушной атмосфере протекает спокойно, без выбросов исходных веществ и продуктов СВС. Продукты горения представляют собой высокопористые легкоразмольные спеки порошков керметов Fe(Al)-Fe3Al-Al2O3-TiC или TiC-Fe. Представленные способы применения сопряженного процесса СВС отличаются энергосбережением, простотой технологии и оборудования, дешевыми исходными компонентами, хорошими свойствами синтезируемых порошков керметов, что определяет перспективность организации их конкурентоспособного промышленного производства для применения в качестве абразивных материалов, износостойких покрытий, исходных порошков для получения компактных износостойких изделий и заготовок методами порошковой металлургии.

Показана возможность использования селективного лазерного спекания для получения градиентных пористых и компактно-пористых порошковых структур путем поверхностного оплавления частиц порошка при сохранении твердого ядра. С целью изучения кинетики контактообразования предложено под минимальным значением энергии одиночного импульса лазерного излучения понимать значение, при котором обеспечивается получение некоторого структурного элемента диаметром, равным диаметру фокального пятна лазерного луча, и толщиной, равной среднему диаметру частицы порошка. Исследовано распределение температуры на поверхности структурного элемента из порошка титана марки ВТ1-0 фракционных составов (-0,315 + 0,2) и (-0,4 + 0,315) мм при воздействии одиночного импульса лазерного излучения различной мощности и длительности. Показано, что частицы порошка в центральной зоне фокального пятна разогреваются до значений температуры 1900-2000 К, в то время как частицы, находящиеся вне этой зоны, нагреваются до значений температуры всего 900-1000 К и не участвуют в процессе контактообразования. Установлены диапазоны технологических режимов СЛС, при которых происходит устойчивое контактообразование частиц порошка титана исследуемых фракционных составов. Экспериментально показана возможность формирования градиентных пористых и компактно-пористых порошковых структур путем управления параметрами импульсного лазерного воздействия. Установлено, что точное дозирование энергии и количества импульсов лазерного излучения позволяет обеспечить минимальную усадку слоев порошка при отсутствии конгломерации частиц, управлять структурными характеристиками и свойствами изделий, сохранять микроструктуру и фазовый состав исходных материалов. Технология позволяет обеспечить внутрислойное и межслойное спекание порошков разного фракционного состава с заданным градиентом структуры при минимальных нарушениях исходной геометрии частиц.

Изучается механизм ударно-абразивного изнашивания как один из малоизученных видов механического износа. Ударно-абразивному изнашиванию в большей степени подвержены машины и механизмы нефтяной, горнодобывающей, строительной и дорожной отрасли. Одним из способов повышения износостойкости материалов, подверженных УАИ, является введение в их состав легирующих элементов. Определено влияние химического состава порошкового материала на ударно-абразивную износостойкость, и обоснована эффективность введения в состав порошковых материалов углерода, никеля и хрома. Анализ существующих работ и проведенные исследования показали, что повышение износостойкости компактных и порошковых сталей известными методами не обеспечивает их необходимым сочетанием свойств. Показана возможность повышения ударно-абразивной износостойкости компактных и порошковых материалов за счет демпфирования энергии удара в композиционных образцах, состоящих из слоев износостойкой стали и упруго-диссипативной подложки. Установлено, что применение упругих подложек снижает износ композиционного материала за счет поглощения и рассеивания энергии удара. Раскрыта особенность механизма УАИ композиционного материала с применением упруго-диссипативной подложки, показано влияние ее свойств на интенсивность изнашивания. Для исследования ударно-абразивной износостойкости композиционного материала были изготовлены образцы, состоящие из слоя износостойкой стали и упругодемпфирующего слоя. Упругодемпфирующий слой крепился к износостойкому слою с применением технологии горячей и холодной вулканизации. Испытания композиционных образцов на УАИ проводили на специальной установке. Определены дальнейшие направления исследований.

Изучены структура, элементный и фазовый составы переходной зоны алмаз-матрица алмазного инструмента для правки абразивных кругов, изготовленного по новой гибридной технологии. Гибридная технология заключается в объединении в одном цикле работы вакуумной печи «нагрев-охлаждение» процессов термодиффузионной металлизации алмазных зерен карбидообразующими металлами и спекания с пропиткой медью алмазосодержащего брикета на основе твердосплавной порошковой смеси. В гибридной технологии при укладке в твердосплавную шихту каждое алмазное зерно плотно заворачивается в тонкую медную фольгу, в которую предварительно засыпаются частицы порошка карбидообразующего металла и равномерно распределяются вокруг зерен алмаза. В процессе спекания матрицы благодаря компактному расположению частиц порошка карбидообразующего металла вокруг алмазных зерен и экранирующему эффекту медной фольги создаются условия, обеспечивающие эффективную термодиффузионную металлизацию алмазов. Методами растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, рентгенофазового анализа и рамановской спектроскопии установлено, что при заданных в эксперименте температурно-временных режимах и условиях спекания на поверхности алмаза формируется металлизированное покрытие, химически сцепленное с алмазом, что обеспечивает прочное алмазоудержание твердосплавной матрицы, пропитанной медью. При этом структура и микротвердость матрицы, за исключением областей, непосредственно примыкающих к переходной зоне алмаз-матрица, остаются такими же, как и матрица твердосплавной порошковой смеси, спеченной в отсутствие хрома. Проведены сравнительные эксплуатационные испытания однотипных правящих карандашей, которые показали высокую эффективность гибридной технологии получения алмазосодержащих композитов инструментального назначения. Достигнуто повышение значения удельной производительности алмазного карандаша, изготовленного по гибридной технологии, на 44,66 % по сравнению с аналогичным показателем однотипного алмазного карандаша, полученного по традиционной схеме спекания без металлизации алмазных зерен.

Целью исследования является повышение эксплуатационных характеристик порошковых псевдосплавных материалов с помощью поверхностной термической обработки. Такие материалы обладают уникальными свойствами, например самосмазыванием в условиях сухого трения, высоким коэффициентом теплопроводности, высокой электроэрозионной стойкостью. Недостатком порошковых псевдосплавов является их относительно низкая прочность. Рассмотрен способ поверхностного упрочнения высокоэнергетической обработкой - лазерным излучением. Описана методика проведения экспериментальных исследований, рассмотрен способ получения порошкового материала, его химический состав, показано используемое оборудование. Приведены результаты исследований микроструктуры и микротвердости поверхностного слоя порошкового псевдосплава сталь-медь после лазерной термической обработки волоконным лазером постоянного действия с максимальной мощностью 1 кВт, указаны режимы ЛТО, оценено влияние параметров ЛТО на характеристики закаленного слоя, приведена номограмма для выбора технологических режимов ЛТО (мощность лазерного излучения, диаметр пучка и скорость перемещения), позволяющих получить требуемую микротвердость и глубину закаленного слоя, задаваясь определенным значением плотности мощности. Правильность назначения технологических режимов с помощью номограммы проверена экспериментальными исследованиями. Показано распределение микротвердости по глубине закаленного слоя, а также зависимость микротвердости от глубины упрочненной зоны на различных режимах ЛТО. Установлено, что микротвердость поверхностного слоя после ЛТО достигает 900-1000 HV (67-69 HRC), что значительно превышает показатели твердости, получаемые классической объемной термообработкой (43-45 HRC). Это связано с более высокими скоростями нагрева и охлаждения при использовании лазерного излучения в качестве источника нагрева.

Изложен опыт разработки технологии производства медно-хромового композитного материала, который применяется для изготовления электродов высоковольтных вакуумных коммутационных приборов. Трудности создания таких композитов связаны с необходимостью удовлетворить различным и зачастую взаимно противоречивым требованиям, предъявляемым к материалам контактов для коммутации тока в вакууме. Эти материалы должны обладать высокой электропроводностью и теплопроводностью; иметь высокую механическую прочность и твердость как при комнатной температуре, так и при повышенных значениях температуры; иметь минимальную склонность к свариванию и прилипанию в контакте при прохождении сильного электротока; способствовать быстрому восстановлению электрической прочности вакуумного промежутка после разрыва контакта и погасания вакуумной дуги. Приводится сравнение материалов, полученных с помощью разных технологий, в частности спекания в вакууме, в восстанавливающей атмосфере и электродугового плавления. Оценка удельного сопротивления композитов выполнена с использованием модели двухкомпонентной смеси хаотически распределенных зерен компонентов. Методы порошковой металлургии позволяют получать композитные материалы из таких не образующих сплавы металлов, как медь и хром, которые наилучшим образом соответствуют требованиям, предъявляемым к электрическим контактам сильноточной вакуумной аппаратуры. Композиты получают холодным прессованием порошковых смесей электролитической меди и алюмотермического хрома с последующим спеканием в вакууме. Они обладают лучшей электропроводностью в сравнении с материалами, произведенными электродуговым плавлением. Разработанный в Научном центре порошкового материаловедения ПНИПУ медно-хромовый композит Cu65Cr35 находит применение в качестве заготовок для контактов дугогасительных камер серий КДВК, КДВН и др.

Отличительной способностью ультравысокотемпературной керамики является ее способность подвергаться длительному воздействию окислительных сред при температуре до 2000 °С, не теряя свои прочностные характеристики. Именно это свойство делает данный вид материалов перспективным для использования в аэрокосмической и энергетической промышленности. Одними из наиболее известных ультравысокотемпературных материалов являются бориды на основе циркония и гафния, дисперсно-упрочненные частицами карбида кремния и тугоплавких соединений (силицидов, карбидов, нитридов). На данный момент диборид циркония является одним из наиболее известных материалов среди ультравысокотемпературной керамики за счет его высокой температуры плавления (3245 °С), высокой теплопроводности, хорошей термостойкости, низкого коэффициента теплового расширения, удержания прочности при повышенных значениях температуры и стабильности в экстремальных средах. Исследовано влияние редкоземельных элементов на процессы спекания материалов на основе ZrB2-SiC (20 об.%), полученных методом плазменного искрового спекания. На установке плазменного искрового спекания при температуре 1700 °С получены композиционные керамические материалы на основе ZrB2-20об.%SiC с добавлением оксидов редкоземельных элементов, содержание которых варьировалось от 0 до 5 об. %. Продолжительность изотермической выдержки составляла 3-5 мин, давление прессования 30 МПа. Установлено, что увеличение времени изотермической выдержки приводит к снижению пористости. Исследовано влияние содержания добавок оксидов редкоземельных элементов на процессы уплотнения при спекании ультравысокотемпературной керамики на основе ZrB2-SiC, микроструктуру и фазовый состав.