Разработка и обоснование технологии жидкофазного синтеза и легирования композиционных материалов на основе железа с пропиткой борсодержащими эвтектическими сплавами

На ФГУП «Омское машиностроительное объединение им. П.И. Баранова» при получения отливки детали «Гильза» внедрена технология модифицирования хромоникелевых чугунов УДП, что привело к значительному сокращению брака по структуре металлической основы и механическим свойствам чугуна. Предполагаемый экономический эффект 40-55 рублей на кг чугуна. Предложенный метод модифицирования хромоникелевых чугунов может послужить основой разработки технологических процессов для получения материалов с заданными свойствами.

В филиале № 4 ГП «Северавтодор» применен железоборидный сплав при изготовлении коронок зубьев рыхлителей мерзлых песчаных грунтов, производственные испытания которых показали увеличение срока службы коронок в 1,75 раза. Экономический эффект от внедрения одной коронки составил 4,8 тыс.руб. в ценах 2004 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Термодинамический анализ процесса получения композиционных материалов методом пропитки железной матрицы борсодержащими пропитывающими сплавами эвтектического состава на основе железа, кобальта, никеля и последующего жидкофазного спекания показал, что в системе «пропитывающий сплав - пористая железная прессовка» при температурах плавления пропитывающих сплавов развиваются термодинамические процессы, включающие:

- плавление пропитывающего сплава (фазовый переход в жидкое состояние), сопровождающееся резким изменением энтальпии системы;

- проникновение пропитывающего сплава в поры железной матрицы под действием капиллярных сил, сопровождающееся выделением тепла;

- адгезионное взаимодествие контактирующих фаз, взаимная диффузия элементов матричного порошка и пропитывающих сплавов, приводящие к снижению уровня свободной энергии системы.

2. Разработаны борсодержащие пропитывающие сплавы эвтектического состава на основе железа, кобальта и никеля (Fe+3,8 %В; Co+4%B; Ni+4%B), позволяющие получить композиционные материалы методом пропитки пористой железной матрицы и последующего жидкофазного спекания, которые обладают высоким уровнем физико-механических свойств, высокими окалиностойкостью и термостойкостью.

3. Определена качественная и количественная зависимость силы связи (межфазного взаимодействия) на границе «металлическая матрица - пропитывающий сплав» от свойств пропитывающих сплавов и пропитываемой металлической матрицы. Установлено, что более прочная связь между металлической матрицей и пропитывающими сплавами образуется у композиционных материалов, обладающих более высокой величиной неравновесной составляющей работы адгезии, характеризующейся энергией химического взаимодействия контактирующих фаз и определяемой как изменение энтальпии в процессе взаимодействия между пористой металлической матрицей и пропитывающими сплавами, и существенно влияющей на прочность всего БКМ.

4. Установлено, что легирование пропитывающих сплавов экономически более выгодно, чем легирование железной матрицы, т. к. требуемый уровень механических свойств достигается при более низком содержании легирующих элементов. Это объясняется тем, что при жидкофазном спекании диффузионные процессы идут более активно, чем при твердофазном. Определены температура (1180…1190 ^оС) и длительность спекания (12…15 мин.) БКМ.

5. Определены параметры технологического процесса получения БКМ с использованием разработанного пропитывающего сплава на основе ферробора марки ФВ 20 (температура спекания 1190…1200 ^оС, длительность спекания 12…15 мин. в вакууме при остаточном давлении не выше 0,01 Па). Разработанный пропитывающий сплав (а. с. № 587172 «Сплав на основе железа») позволяет в 25-30 раз снизить стоимость железоборидных материалов без снижения уровня их механических свойств.

6. Разработан технологический процесс получения БКМ с высокими механическими свойствами у_в = 520 МПа, д = 1,3 %. БКМ с пропитывающим сплавом состава Fe + 3,8% B + 1,2 % Nb + 4,2% Mo, изготовленный по разработанной технологии, обладает термостойкость 21 тыс. циклов до разрушения образца (в 2,4 раза выше, чем у стали 20), окалиностойкость при выдержке на воздухе 800 часов при температуре 750 ^оС в 10 выше, чем у стали 20. К такому результату приводит наличие в матричном зерне молибдена, ниобия и вольфрама, продиффундировавших из жидкой фазы пропитывающих сплавов.

7. Установлено, что введение в пропитывающие сплавы УДП тугоплавких соединений, полученных плазмохимическим синтезом, приводит к изменению структурно-фазового состояния БКМ: в порах прессовки формируется структура эвтектического сплава с более компактной формой боридов; продукты взаимодействия бора с окисленной поверхностью матричного порошка выделяются в виде локализованных шлакообразных включений, а границы раздела фаз значительно очищаются от примесей, что даёт дополнительный вклад в повышение прочности БКМ, и обеспечивает значительное (на 15…20%) повышение их физико-механических свойств.

8. Разработаны композиционные материалы, полученные методом пропитки пористой железной матрицы эвтектическими борсодержащими сплавами на основе железа, кобальта, никеля и ферробора и размещения в ней упрочняющих элементов в виде молибденовой проволоки с целью повышения физико-механических и специальных свойств железных прессовок. Установлено, что прочная связь на границе раздела «армирующая проволока - пропитывающий сплав - металлическая матрица» образуется вследствие диффузии элементов пропитывающего сплава в армирующую поволоку и матрицу. Диффузионная зона взаимодействия армирующей проволоки с пропитывающими сплавами Fe+3,8%B, Со+4%В, Ni+4 %B представляет собой твердый раствор переменной концентрации, включающей все элементы композиции, если время жидкофазного спекания композиционного материала не превышает 15 минут.

9. Испытания БКМ, армированных молибденовой проволокой, на термомеханическую усталость показали, что их сопротивление термомеханической усталости в 8…10 раз выше, чем неармированных БКМ.

10. На основе результатов исследований разработаны технологические процессы изготовления: постоянных форм из борсодержащих композиционных материалов на ЗАО «Омский завод специальных изделий» для получения отливок из алюминиевых, бронзовых сплавов и чугуна; отливок деталей «Гильза» с применением модифицирования хромоникелевых чугунов УДП на ФГУП «Омское машиностроительное объединение им. П. И. Баранова»; коронок зубьев рыхлителей для мерзлых песчаных грунтов в филиале № 4 ГП «Северавтодор».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК (раздел Машиностроение):

1. Гурдин, В.И. Применение борсодержащих эвтектических сплавов для получения композиционных материалов [Текст] / В. И. Гурдин // Омский научный вестник. - 2004. - № 1. - С. 73-75.

2. Гурдин, В.И. Жидкофазное спекание композиционных материалов в различных средах [Текст] / В. И. Гурдин // Омский научный вестник. - 2005. - № 3. - С. 113-114.

3. Гурдин, В.И. Структура и свойства борсодержащих компо-зиционных материалов, полученных жидкофазным спеканием [Текст] / В. И. Гурдин // Омский научный вестник. - 2005. - № 4. - С. 106-108.

4. Седельников, В.В. Исследование механических свойств композиционных материалов [Текст] / В. В. Седельников, В. И. Гурдин // Омский научный вестник. - 2005. - № 4. - С. 108-110.

5. Гурдин, В.И. Применение борсодержащих эвтектических сплавов для пропитки пористой матрицы [Текст] / В.И. Гурдин // Технология машиностроения. - 2005. - № 2. - С. 5-7.

6. Гурдин, В.И. Применение композиционных материалов для постоянных форм при электрошлаковом литье [Текст] / В.И. Гурдин, С.Н. Жеребцов, Ю.О. Филиппов // Технология машиностроения. - 2005. - № 11. - С. 11-13.

7. Гурдин, В.И. Теоретические предпосылки использования эвтектических сплавов для получения композиционных материалов методом пропитки и жидкофазного спекания [Текст] / В. И. Гурдин // Омский научный вестник. - 2006. - № 7. - С. 79-81.

8. Гурдин, В.И. Определение параметров технологического процесса получения композиционных материалов [Текст] / В. И. Гурдин, Ю.К. Машков, В. В. Седельников // Омский научный вестник. - 2006. - № 8. - С. 69-72.

9. Фурман, Е.Л. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками (УДП) тугоплавких частиц [Текст] / Е.Л. Фурман, С.Н. Жеребцов, В.И. Гурдин // Технология машиностроения. - 2007. - № 1. - С. 7-9.

Авторские свидетельства на изобретения:

10. Сплав на основе железа [Текст]: а.с. № 587172 СССР: МКИ² С22 С38/00, С22 С33/02, B22 F3/26 / А.К. Машков, В.И. Гурдин В.И., Е.П. Поляков [и др.]; заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. - № 2367638/22-2; заявл. 26.05.76; опубл. 05.01.78, бюл. №1. - 2 с.

11. Способ изготовления податливых кокилей [Текст]: а.с. № 706188 СССР: МКИ² В22 Д15/00 / А.К. Машков, В.И. Гурдин, Е.П. Поляков; заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. - № 2636627/22-2; заявл. 03.07.78; опубл. 30.12.79, бюл. №48. - 2 с.

12. Модификатор для стали [Текст]: а.с. № 1520874 СССР / В.П. Сабуров, С. В. Мусялов, Г.Н. Миннеханов, Б.Я. Гилев, В.И. Гурдин [и др.]; заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. - № 4374327; заявл. 03.02.88; Непубликуемое.

13. Способ приготовления модификатора для выплавки стали и сплавов [Текст]: а.с. № 1515532 СССР / В.П. Сабуров, С.В. Мусялов, Г.Н. Миннеханов, Б.Я. Гилев, В.И. Гурдин [и др.]; заявитель и патентообладатель Омский политехнический институт. - № 4284849; заявл. 15.06.87; Непубликуемое.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК (раздел Металлургия):

14. Машков, А.К. Кокили из спеченных сплавов [Текст] / А.К. Машков, В.И. Гурдин, Е.П. Поляков // Литейное производство. - 1980. - № 8. - С. 28-29.

15. Машков, Ю.К. Использование ферробора для получения композиционных материалов [Текст] / Ю.К. Машков, В.И. Гурдин // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2004. - № 10. - С. 14-15.

16. Гурдин, В.И. Кокили из композиционных материалов [Текст] / В. И. Гурдин // Литейное производство. - 2005. - № 12. - С. 18-20.

17. Гурдин, В.И. Электрошлаковое литье жаропрочных сплавов в спеченные металлические формы [Текст] / В.И. Гурдин, С.Н. Жеребцов, Е.Л. Фурман // Литейщик России. - 2007. - № 2. - С. 34-35.

Публикации в других изданиях:

18. Гурдин, В.И. Применение нанотехнологий при создании материалов для гусеничных и колесных машин [Текст] / В.И. Гурдин, В.В. Седельников, В.В. Акимов // Вестник академии военных наук. - 2009. - № 3. - С. 292-294.

19. Машков, Ю.К. Новые композиционные материалы и технология получения кокилей [Текст] / Ю.К. Машков, В.И. Гурдин // Проблемы машиностроения: Труды ЧЧЧІІІ Уральского семинара, рецензируемые ВАК. Уральское отделение РАН.- Екатеринбург, 2003. - С. 244-248.

20. Леонтьев, А.Н. Влияние ультрадисперсных порошков на физико-механические свойства и структуру сплавов [Текст] / А.А. Леонтьев, В.В. Седельников, В.И. Гурдин // Вестник академии военных наук. - 2008 - № 3. - С. 51-52.

21. Евстифеев, В.В. Самоорганизация кристаллизующихся систем при модифицировании их ультрадисперсными порошками тугоплавких частиц [Текст] / В.В. Евстифеев, В.В. Седельников, В.И. Гурдин // Вестник академии военных наук. - 2008. - № 3. - С. 99-100.

22. Гурдин, В.И. Применение методов порошковой металлургии для изготовления кокилей [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, А.В. Поморов // Совершенствование технологических процессов и повышение качества отливок из жаропрочных сталей и специальных видов литья: Матер. научн.- техн. конф. - Омск: Изд-во ОмПИ, 1982. - С. 17-18.

23. Гурдин, В.И. Теплопроводность постоянных литейных форм из спеченных сплавов [Текст] / В.И. Гурдин, А.К. Машков, Е.П. Поляков // Прогрессивные процессы в литейном производстве: Сб. научн. тр. / Под ред. В.П. Сабурова - Омск: Изд-во ОмПИ, 1982. - С. 42-45.

24. Гурдин, В.И. Получение чугунных отливок в кокилях из спечённых сплавов [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков // Прогрессивные процессы в литейном производстве: Сб. научн. тр. / Под. ред. В.П. Сабурова - Омск: Изд-во ОмПИ, 1982. - С. 58-60.

25. Гурдин, В.И. Применение эвтектических сплавов для получения композиционных материалов [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, Ю.П. Никифоров // Матер. научн.- техн. конф. - Омск: Изд-во НТО Машпром, 1986. - С. 14-15.

26. Поляков, Е.П. Особенности температурных напряжений, возникающих в стенке кокиля из порошковой стали [Текст] / Е.П. Поляков, В.И. Гурдин, М.К. Черепанов // Интенсификация технологических процессов в литейном производстве: Матер. научн.- техн. конф. - Барнаул: Изд-во АлПИ, 1988. - С. 73-74.

27. Гурдин, В.И. Получение композиционных материалов методом жидкофазного спекания [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, В.В. Акимов // Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции: Матер. республ. научн.- техн. конф. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 1994. - С. 18-21.

28. Гурдин, В.И. Разработка научных основ технологии получения композиционных материалов методом жидкофазного спекания [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, В.В. Акимов // Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции: Матер. республ. научн.- техн. конф. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 1994. - С. 21.

29. Гурдин, В.И. Жидкофазное спекание композиционных материалов [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, В.В. Акимов // Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования: Матер. 30-й научн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1994. - С. 13.

30. Гурдин, В.И. Получение композиционных материалов методом жидкофазного спекания с использованием эвтектических сплавов [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков // Механика процессов и машин: Сб. научн. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. - С. 52-53.

31. Гурдин, В.И. Композиционные материалы, полученные методом жидкофазного спекания [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, В.В. Акимов // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. 2-ой международ. конф. посвящ. 55-летию ОмГТУ - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. - С. 86.

32. Гурдин, В.И. Спекание композиционных материалов в присутствии жидкой фазы [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, В.В. Акимов и др. // Механика процессов и машин: Сб. научн. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. - С. 137-140.

33. Гурдин, В.И. К вопросу о процессах получения композиционных материалов на металлической основе [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, Н.А. Азюков и др. // Анализ и синтез механических систем : Сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - С. 3-5.

34. Гурдин, В.И. Использование эвтектических сплавов для получения композиционных материалов [Текст] / В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, А.Е. Поляков // Механика процессов и машин: Сб. научн. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - С. 181-184.

35. Машков Ю.К. Формирование структуры и свойств композиционных материалов при жидкофазном спекании [Текст] / Ю.К. Машков, В.И. Гурдин, Е.П. Поляков, А.Е. Поляков [и др.] // Прикладные задачи механики: Сб.науч.тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003. - С. 38-41.

36. Машков Ю.К. Исследование создания износостойких деталей из сложных композитов, работающих в суровых условиях [Текст] / Ю.К. Машков, В.И. Гурдин, Р.А. Мартюхов [и др.] // Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера: Матер. 43-й Междунар. научн.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - С. 184-185.

37. Гурдин, В.И. Дифференциально-термический анализ процессов спекания композиционных материалов [Текст] / В. И. Гурдин // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. V Междунар. научн. - техн. конф. - Омск: Изд - во ОмГТУ, 2004. - С. 204-206.

38. Гурдин, В.И. Композиционные материалы для постоянных форм [Текст] / В.И. Гурдин // Анализ и синтез механических систем : Сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - С. 247-251.

39. Седельников, В.В. Влияние ультрадисперсных порошков на форму кристаллов и свойства кристаллизующихся систем [Текст] / В.В.Седельников, В.И. Гурдин // Металлургия машиностроения. - 2004. - № 6. - С. 24-26.

40. Гурдин, В.И. Создание эффективных рабочих органов землеройных машин для разработки мерзлых и прочных грунтов [Текст] / В.И. Гурдин, В.Н. Кузнецова // Анализ и синтез механических систем : Сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - С. 59-61.

41. Кузнецова, В.Н. Исследование нагружения зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов [Текст] / В.Н. Кузнецова, В.И. Гурдин // Анализ и синтез механических систем: Сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - С. 170-172.

42. Седельников, В.В. Новое направление в информационном материаловедении [Текст] / В.В. Седельников, В.И. Гурдин // Динамика систем, механизмов и машин: Сб. научн. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - С. 404-407.

43. Гурдин, В.И. Применение борсодержащих сплавов для создания износостойких деталей из сложных композитов [Текст] / В.И. Гурдин, Р.Г. Миннеханов, В.Н. Кузнецова // Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера: Матер. 59-й Междунар. научн.- техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - С. 86-88.

44. Седельников, В.В. Применение нанотехнологий для повышения механических свойств хромоникелевых чугунов [Текст] / В.В. Седельников, В.И. Гурдин, В.В. Евстифеев // Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера: Матер. 59-й междунар. научн. - техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - С. 254-255.

45. Седельников, В.В. Информационное материаловедение [Текст] / В.В. Седельников, В.И. Гурдин // Металлургия машиностроения. - 2008. - № 1. - С. 12-15.

46. Гурдин, В.И. К вопросу о создании эффективных рабочих органов землеройных машин / В.И. Гурдин, В.Н. Кузнецова, В.Г. Азаров // Омский научный вестник. - 2007. - № 2. - С. 95-97.

47. Кузнецова, В.Н. Износостойкость материалов, применяемых для изготовления коронки зуба землеройной машины [Текст] / В.Н. Кузнецова, В.И. Гурдин, В.Г. Азаров // Омский научный вестник. - 2007. - № 2. - С. 98-100.

Размещено на Allbest.ru