Формирование структуры и свойств алмазометаллических композитов, полученных методом взрывного прессования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Васильева, Мария Ильинична

• Васильева, Мария Ильинична
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильева, Мария Ильинична

У1ПОЗИЦИОННЫЕ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИЕ МАТЕРИАЛЫ. цие материалы для алмазосодержащих композитов. эсти воздействия импульсных нагрузок на алмазные порошки. ование энергии взрыва в порошковой металлургии.

СЕРИАЛЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ, ПОЛУЧЕНИ ОВАНИЕ АЛМАЗОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ < ЮНЕНТНОЙ СВЯЗКОЙ.Ф композита.

4.2. Структура и характеристики образцов из связующих материалов

4.3. Структура и микротвердость алмазометаллических образцов.

4.4. Исследование износостойкости алмазометаллических композитов с двухкомпонентной матрицей, полученных взрывным прессованием.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и свойств алмазометаллических композитов, полученных методом взрывного прессования»

В настоящее время алмазные инструменты получили широкое применение во всех отраслях промышленности. Использование их обеспечивает качественную высокопроизводительную механическую обработку деталей машин и механизмов.

Алмазные инструменты изготавливаются на металлических, органических и керамических связках. По сравнению с инструментом на органических и керамических связках инструмент на металлических связках обладает более высокими значениями износостойкости, алмазоудержания и теплопроводности, эффективен при повышенных рабочих режимах. Однако в существующих технологиях его изготовления используются дорогие цветные металлы на основе сплавов меди, кобальта, вольфрама и т.д. Поэтому актуальна проблема разработки технологий изготовления алмазных инструментов, содержащих в качестве связки дешевые и прочные сплавы на основе железа. Здесь принципиально новые перспективы для создания алмазометаллических композитов (АМК) открывает использование энергии взрыва. Возможности взрывного прессования (ВП) связаны с экстремальностью процессов, протекающих при высоких давлениях, скоростях, температурах, когда в результате практически мгновенного высокоинтенсивного воздействия на порошки происходят их уплотнение, нагрев и деформирование, сопровождающиеся контактообразованием между частицами. Кроме того, использование карбидообразующей матрицы из таких сплавов дает возможность повысить алмазоудержание за счет образования химических связей на границе алмаз-матрица.

Другой аспект проблемы - сокращение времени воздействия высоких температур на алмазные частицы в процессе спекания.

Анализ научной и патентной литературы показывает, что процессы взрывного прессования порошков, достаточно подробно изученные для широкого спектра материалов, мало исследованы в случае использования смесей с порошками алмазов, причем преимущественно рассматриваются алмазы искусственного происхождения. Вместе с тем, применение порошков природного алмаза может быть особенно перспективно, так как его коэффициент трения с металлом ниже по сравнению с синтетическим, что представляет собой резерв для улучшения эксплуатационных показателей композитов.

Цель работы: Создание износостойких алмазометаллических композитов с использованием порошков сплавов на основе железа методом взрывного прессования.

Цель работы предусматривает обоснование перспективности применения метода взрывного прессования для получения износостойких АМК и комплексное исследование основных факторов, определяющих прочность и износостойкость композитов. В связи с этим для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач.

1. Исследовать структуру и свойства связующих материалов и экспериментальных АМК в зависимости от параметров взрывного прессования и последующей термообработки (ТО).

2. Исследовать сохранность алмазной компоненты в составе АМК, полученных взрывным прессованием (гранулометрический состав и прочность алмазных частиц в состояниях до прессования и после рекуперации из спрессованного композита).

3. Исследовать износостойкость и процессы деструкции при абразивном износе экспериментальных АМК во взаимосвязи с их структурой.

4. Предложить составы связующего материала и определить режимы получения для обеспечения с наиболее высокими физико-механическими свойствами АМК данного состава при использовании метода ВП.

Работа состоит из четырех глав.

В первой главе представлен литературный обзор, посвященный композиционным алмазосодержащим материалам на металлической связке. Показаны характеристики существующих металлических связок, влияние высоких температур на прочностные свойства алмазов при изготовлении алмазометаллических композиционных материалов. Дано обоснование преимущества использования взрывного прессования на стадии формования алмазосодержащих порошковых материалов.

Во второй главе описаны расчеты параметров ВП и методика получения компактов, приведены результаты исследования компактов из порошков различных сплавов на основе железа и АМК с однокомпонентной матрицей для выбора режимов ВП и последующей ТО. Представлены использованные методы исследования структуры и определения механических свойств.

В третьей главе исследовано влияние ударных волн на характеристики алмазных частиц. При изготовлении алмазометаллического композиционного материала неизбежно изменение зернового состава и прочности алмазной компоненты. Проведен анализ влияния твердости связующего материала на уровень сохранности алмазных частиц.

В четвертой главе показано, что использование двухкомпонентных матриц из порошков с различной твердостью (легкодеформируемого и прочного) может обеспечить выполнение одного из наиболее труднодостижимых требований к износостойким материалам - обеспечения одновременного сочетания высокой прочности и пластичности. Исследованы структурные изменения в зависимости от режима прессования, термообработки и состава связующего материала. Оценена износостойкость двухкомпонентных алмазометаллических композитов в зависимости от состава, технологических параметров получения и режимов термообработки.

Работа выполнена в соответствии с планами научных работ Института физико-технических проблем Севера СО РАН: по теме Программы фундаментальных исследований СО РАН 1.11.1.10, раздел 5 «Исследование процессов формирования структуры и механизмов изнашивания алмазосодержащих покрытий и композитов инструментального назначения, полученных с использованием концентрированных потоков энергии (плазмы, взрыва), и разработка режимов изготовления рабочих элементов алмазного инструмента», № гос. регистрации 01.960003474; по теме Программы фундаментальных исследований СО РАН «Исследование и разработка технологий с использованием концентрированных источников энергии (сварочной дуги, плазмы, взрыва) для получения функциональных материалов и неразъемных соединений с высоким комплексом служебных свойств применительно к условиям Севера, а также для переработки техногенных отходов», № гос. регистрации 01.2.00104054; по проекту РФФИ р98арктика № 03-03-96007 «Формирование структуры и свойств порошковых алмазометаллических материалов при прессовании взрывом».

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Васильева, Мария Ильинична

Основные результаты и выводы

В работе выполнен комплекс материаловедческих исследований влияния высокоэнергетического метода взрывного прессования и последующей термообработки на порошковые смеси алмаза и сплавов на основе железа, в результате чего обоснована эффективность применения данного метода на стадии формования АМК. Варьирование основными технологическими параметрами - мощностью заряда и температурой нагрева - позволяет целенаправленно воздействовать на кристаллическую структуру связующей металлической основы. Предложены условия регулирования состава, структуры и технологических параметров для формирования износостойких АМК.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Метод взрывного прессования в сочетании с последующей термообработкой является эффективным средством воздействия на структуру и свойства получаемых порошковых материалов. Эффективность применения энергии взрыва для получения износостойких АМК из порошков железоуглеродистых сплавов определяется особенностями высокоскоростной ударно-волновой деформации, создающей условия для интенсивного упрочнения матрицы при дополнительном кратковременном высокотемпературном нагреве.

2. Термообработка спрессованных взрывом АМК повышает ал мазоу держание, что проявляется в благоприятном изменении механизма разрушения и удаления алмазных частиц: превалирование микротрещин по границе алмаз-матрица уступает место транскристаллитному раскалыванию алмазных зерен (соответственно, их удаление вырывом сменяется постепенным выкрашиванием).

3. Совокупное влияние упрочнения матрицы и улучшения алмазоудержания в результате термообработки после ВП повысило износостойкость АМК с матрицей из порошка ПЖ-6 в 3. .4 раза.

4. Взрывное прессование с применением в составе матрицы порошков повышенной твердости дает возможность сохранить близкими к исходным показатели среднего размера, доли основной фракции и статической прочности алмазных частиц и обеспечить значительно лучшую сохранность алмазной составляющей, чем при традиционных способах спекания.

5. Исследовано воздействие ВП на широкий спектр порошковых материалов из сплавов железа. Предложены двухкомпонентные составы матриц из железоуглеродистых порошков различной прочности легкодеформируемого и высокопрочного), что позволяет при обеспечении высокой твердости уменьшить пористость и создать условия для пластического уплотнения, необходимого для закрепления алмазных зерен. При выбранных составах матрицы общее увеличение микротвердости после ВП и ТО составило более 300% для пластичной компоненты и более 35% для прочной.

6. Получены образцы АМК из природного алмаза на двухкомпонентной матрице, имеющие износостойкость на уровне износостойкости промышленных алмазных карандашей, но при более чем вдвое меньшем содержании алмаза.

7. Предложены рекомендации для выбора порошковых составов и технологических параметров, определяющих создание износостойких АМК на двухкомпонентной связке методом ВП с последующим нагревом: уровень воздействия взрыва должен быть достаточным для ударно-волновой деформации твердой компоненты; высокое содержание труднодеформируемой компоненты является более важным фактором улучшения износостойкости, чем снижение пористости за счет увеличения содержания пластичной компоненты; обеспечение высокой твердости труднодеформируемой компоненты в результате термообработки является более важным фактором улучшения износостойкости, чем повышение твердости мягкой компоненты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильева, Мария Ильинична, 2004 год

1. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М.: Металлургия, 1987. - 792с.

2. Ротман О. В., Габриелов И. П. Справочник по порошковой металлургии: порошки, материалы, процессы. Минск, 1988. - 175с.

3. Синтетические алмазы в машиностроении/ Под ред. В.Н. Бакуля, Киев: Наукова Думка, 1976. 352 с.

4. Лавриенко И.А., Евдокимов В.А., Мельникова В.А., Найдич Ю.В. Контактное взаимодействие и смачивание графита и алмаза расплавами системы Cu-Sn-Ni-Ti // Порошковая металлургия. -1998. -№9/10. -С. 62-67.

5. Шульженко А. А., Гаргин В. Г., Шишкин В. А., Бочечка А. А. Поликристаллические материалы на основе алмаза. Киев: Наукова думка, 1989. - 190с.

6. Ковтун В. И., Трефилов В. И., Майстренко А. Л., Новиков Н.В. О возможности прессования и спекания алмазосодержащих композиций в ударных волнах // Порошковая металлургия. 1991. - № 9. - С.98-102.

7. Переяслов В. П., Примак Л. П., Волошин М. Н. Алмазный инструмент на титановой связке // Сверхтвердые материалы. 1982. - № 2. -С.27-29.

8. Симкин Э.С., Цыпин Н.В. Структура и свойства композиционных алмазосодержащих материалов, полученных в условиях высоких давлений// Сверхтвердые материалы. 1989. - № 5. -С.29-33.

9. Ларионов В.П., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Васильева М.И. Получение алмазометаллических композитов взрывным прессованием / Химическая технология.- 2000. №2. - С. 12-16.

10. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов. М.: Машиностроение, 1967. -113 с.

11. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т.2 Композиционные инструментальные сверхтвердые материалы /Под ред. Н.В. Новикова. Киев: Наукова думка, 1986. -264 с.

12. Лякишев Н.П. Конструкционные и некоторые функциональные материалы. Настоящее и будущее / Сб. трудов Сучасне матер1алознавство XXI стор1ччя Киев: Наукова думка, 1998. - С. 284298.

13. Бовкун Г. А., Петрова Е. Н., Медведева И.А. Износостойкость структурно-неоднородных материалов на основе тугоплавких соединений в условиях абразивного изнашивания // Вестник машиностроения. 1972. - № 11. - С. 19-21.

14. Попов В. С., Василенко Г. И. Микроразрушение металла при абразивном изнашивании // Заводская лаборатория. 1968. - № 7. -С.26-28.

15. Материаловедение. / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -648 с.

16. Звонарев Е.В., Баран А.А., Беляев А.В. Модифицированная СВС-порошками медно-оловянная связка для алмазного камнеобрабатывающего инструмента/ Сверхтвердые материалы. -2003. -№1. -С. 67-70.

17. Найдич Ю. В., Колесниченко Г.А. Взаимодействие металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита. Киев: Наукова думка, 1967. - 88с.

18. Рабинович Э.С., Покладий Г.Г., Бычихин В.Н. и др. Технический углерод-активный усилитель жестких каучуковых связок алмазного инструмента / Алмазосодержащие материалы и инструмент. Киев: Изд-во ин-та сверхтвердых материалов, 1989. - 130с.

19. Рабинович Э. С., Оситинская Т. Д., Минтулис В. М. и др. Исследование теплофизических свойств каучуковых композиций для алмазно-абразивного инструмента // Сверхтвердые материалы. -№6. -1985. -С.З -5.

20. Инструмент из сверхтвердых материалов на керамических связках/ Пащенко А. А., Емельянов Б. М., Рубан Ф. Г. и др. Киев: Наукова думка, 1980. - 144с.

21. Пат. 2737454 США МКИ В22. Diamond grinding wheil / J. С. Danec -Опубл. 06.03.56.

22. Пугина Л.И., Шамрай Ф.И. Влияние некоторых добавок на свойства и структуру металлокерамических материалов на основе железа/ Сб. статей: Порошковая металлургия в машиностроении и приборостроении, Киев, 1961. -С. 18-22.

23. Пат. 1136006 Франция. МКИ В22. Meule diamant a agglomerant metallique /M.P.W. Beachmer. Опубл. 07.05.57.

24. Пат. 1183845 Великобритания. МКИ В22. Improvements in or relating to the production of diamond tools / Pegie Nationaldes usines Renault/ -Опубл. 11.03.70.

25. Кизиков Э.Д., Лавриненко И.А. Исследование адгезии и контактного взаимодействия медно-олово-титановых сплавов с алмазом. /Синтетические алмазы. -1973, вып.6. -С.21-25.

26. Цыпин Н.В., Костенецкая Г.Д., Симкин Э.С. Взаимодействие алмазов с материалами матриц буровых инструментов. /Синтетические алмазы. -1971, вып.5. -С. 33-36.

27. Novikov N.V., Maistrenko A.L., Bogatyryova G.P. The influence of the dispersed phase particles cracking on change of the elastic modulus in a brittle composite // Proc.II Int. Symp."On Brittle Matrix Composite" (ВМСЯ). PAN, 1988. - P.48-49.

28. Чепелева В.П., Удод Е.Т., Левин М.Д. Прочность шлифпорошков из синтетических алмазов после нагрева в герметичном контейнере./ Сверхтвердые материалы. -1990. -№3. -С.34-37.

29. Цыпин Н.В., Гаргин В.Г. Установка для испытания алмазных зерен на прочность//Синтетические алмазы.-1973.-Вып.3.-С. 16-18.

30. Гаргин В.Г. Методика определения прочности синтетических алмазов после нагрева// Сверхтвердые материалы.-1980.-№3 -С.21-23.

31. Цыпин Н.В., Гаргин В.Г. Прочность синтетических алмазов после нагрева в условиях высоких давлений// Сверхтвердые материалы.-1981. №3.-С. 42-43.

32. Андреев В.Д., Манжелеев И.В., Малик В.Р. Влияние импульсного спекания на прочность синтетических алмазов в композиционных материалах//Сверхтвердые материалы. -1983.-№1.-С10-12.

33. Лукаш В.А., Марков А.И. Воздействие ударно-волновой обработки на свойства синтетических алмазов // Сверхтвердые материалы. 1990. -№5. - С.22-27.

34. Ковтун В.П., Бритун В.Ф. и др. Действие слабых ударных волн на порошки алмаза и плотных модификаций нитрида бора // Порошковая металлургия. 1991. - № 7. - С.79-84.

35. Баконь А. Исследование изменений, происходящих в алмазных порошках при нагреве // Сверхтвердые материалы. 1983. - №6. - С.20-23.

36. Bullen G.J. The effect of temperature and matrix on the strength of syntheticx diamond // Ind. Diamond Rev. 1975. - Oct. - P. 363-365.

37. Маслов Б. П., Майстренко А. Д., Дробязко В. В. К оценке прочности композиционных алмазосодержащих материалов /Сверхтвердые материалы. 1982. - № 5. - С.3-9.

38. Г.Г.Сердюк, А.В. Сахненко, Л.И.Свистун. Опыт промышленного применения высокоскоростного (ударного) прессования металлических порошков//Порошковая металлургия. —2000. -№9/10. -С. 108-115.

39. Трефилов В. И., Мильман Ю. В. и др. Разрушение синтетических алмазов ударными волнами // Влияние высоких давлений на вещество. Киев: Изд-во ин-та проблем материаловедения, 1976. - С.35-38.

40. Самойлова JI. М., Панченко Э. JI. и др. Исследование влияния методов обработки синтетических алмазов на их абразивные свойства /Алмазы и сверхтвердые материалы. 1980. - Вып.5. - С. 1-3.

41. Самойлова JI. М., Трефилов В. И., Мильман Ю. В., Назаров Д. Т. Исследование геометрического рельефа поверхности микропорошков марок АСН и АСН-в // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1980. -Вып.6. - С.1-3.

42. Павловский И. Н. Ударное сжатие алмаза /Физика твердого тела. -1971. 13. -№ 3. - С.893-895.

43. Дерибас А. А., Зуев О. А., Маньковский В. В. и др. Взрывное спекание смеси из порошков стали и меди /Изв. СО АН СССР. Отделение техн.наук. 1977. - Вып.1. - № 3. - С.45-50.

44. Пат. 4655830 США. МКИ В 22. Прессовки из порошков с высокой плотностью / Akashi Tomotsu, Sawaoka Akira. Опубл. 07.04.87.

45. Лукьянов Я.Л., Пай В.В., Первухина О.Л., Яковлев И.В., Кузьмин Г.Е. Влияние начальной формы частиц порошка на структуру и свойства взрывных компактов. / Физическая мезомеханика. 7 Спец. выпуск. 4.1 (2004). -С. 317-320.

46. Роман О. В., Горобцов В. Г., Пикус И. М. Особенности формования порошковых материалов методами взрывного нагружения // Порошковая металлургия. 1983. - Вып.7. - С.3-8.

47. Крупин А.В., Соловьев В.Я., Шефтель Н.И., Кобелев А.Г. Деформация металлов взрывом. М.: «Металлургия», -1975. -416 с.

48. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск: Наука, -1980.-221 с.

49. Дерибас А. А., Добрецов И. Л., Кудинов В. М. Ударное сжатие порошков 8102 // ДАН СССР, 1966. Т. 168. - № 3. - С.665-668.

50. Бондарь М.П., Ставер A.M. Динамика сплошной среды. Вып. V. Новосибирск, 1970. -С. 5-15.

51. Ставер A.M. /Сб. докладов Первого международного симпозиума «Использование энергии взрыва при выработке металлических материалов с новыми свойствами возможности применения в химической промышленности». Пардубице, ЧССР, 1971. -С. 343-351.

52. Wilkins М., Kusubov A., Cline С. Dunamic Compaction of Aluminium Nitride Powder. Int. Conf. «Exploment -85» Portland, 1985.

53. Крупин А. В., Соловьев В. Я. И др. Обработка металлов взрывом. -М.: Металлургия, 1991. 495с.

54. Богомолова Н.А. Практическая металлография. М:- Высшая школа.-1987.-240с.

55. Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Махарова С.Н., Васильева М.И. Износостойкость алмазометаллических композитов, полученных взрывным прессованием / Тез. докл. междунар. конф. «Сварка и родственные технологии 2002». Киев, 2002. - С.37-38.

56. Гаврильев И.Н., Соболенко Т.М., Яковлева С.П. Влияние взрывного нагружения на микропроцессы разрушения конструкционных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. - № 12. -С.20-22.

57. Справочник по алмазной обработке металлорежущего инструмента / Под ред. Бакуля В. Н. Киев: Техника, 1971. - 208с.

58. Бакуль В.Н. Порошки и пасты из синтетических алмазов.-Киев.: «Техника», 1964. 20 с.

59. Бакуль В.Н., Никитин Ю.И., Бакленко А.Н., Погорелый Б.В. Разделение алмазных шлифпорошков по форме зерен на вибростоле. -Синтетические алмазы, 1973, №1, с. 5-9.

60. Цыпин Н.В. Износостойкость композиционных алмазосодержащих материалов для бурового инструмента. Киев: Наук. Думка, 1983. -192 с.

61. Яковлева С.П., Махарова С.Н., Васильева М.И. Влияние взрывного прессования на характеристики алмазных частиц/ Наука и образование. №4(20). -2000. -С. 54.

62. Яковлева С.П., Милохин С.Е., Махарова С.Н., Васильева М.И. Алмазометаллические композиты, полученные взрывным прессованием /Тез. докл. междунар. конф. «Сварка и родственные технологии в XXI век». - Киев, 1998. - С.144.

63. Ларионов В.П., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Винокуров Г.Г., Васильева М.И. Разработка научных основ технологии получения алмазометаллических композитов взрывным прессованием / Химическая технология. 2002. - №1. - С. 28-32.

64. Слепцов О.И., Михайлов В.Е., Петушков В.Г. , Яковлев Г.П., Яковлева С.П. Повышение прочности сварных конструкций для Севера. -Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 223с.

65. Яковлева С.П., Махарова С.Н., Винокуров Г.Г., Васильева М.И. Технология получения алмазометаллических композитов методом взрывного прессования/ Наука производству. -2004.№9 (77). -С. 15-18.

66. Синтетические алмазы в геологоразведочном бурении. Киев.: Наукова думка, 1978,- 232с.

67. Блинов Г.А., Николаев A.JI., Оношко Ю.А. и др. Породоразрушающий инструмент для алмазного бурения. JL: Недра, 1969. - 188с.

68. Бугаев А.А. Исследование разрушения буровых алмазов при критических нагрузках. / Горный породоразрушающий инструмент. -Киев: 1961. -61-64с.

69. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970,- 376с.

70. Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Махарова С.Н., Васильева М.И. Анализ факторов, влияющих на износостойкость алмазометаллических композитов. /Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых-10.-М.: 2004.-С. 1164-1165.

71. Алмазные инструменты в машиностроении / Под ред. И.Г. Космачева. Лениздат. -1965. -263 с.

72. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.