Повышение эксплуатационных свойств пористых порошковых материалов для изделий машиностроения

Актуальность темы

:

Порошковая металлургия — является одной из наиболее перспективных технологий металлургического и машиностроительного производств, которая позволяет получать сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении. Острая необходимость в металлических порошках, порошковых материалах и изделиях объясняется широкими возможностями использования их при решении многих научно-технических задач, позволяющих получать изделия с заданными физико-механическими свойствами.

Основные преимущества порошковой металлургии перед другими технологическими процессами состоят в резком сокращении расхода материалов и энергии при производстве изделий за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1. .3%). Сокращение числа операций при производстве изделий, сокращении количества оборудования, производственных площадей. Кроме того достоинствами технологии является возможность изготовления деталей из тугоплавких материалов и соединений, когда другие методы использовать невозможно, возможность получения материалов максимальной чистоты.

Большим достоинством является также и то, что исходные материалы при производстве порошковых изделий могут быть получены как непосредственно из руд, так и из любых отходов металлургической и машиностроительной промышленности (стружки, облоя, окалины и т. п.).

В последние годы метод порошковой металлургии широко внедряется в практику изготовления изделий самого различного назначения и охватывает многие отрасли от атомной и ракетной техники до общего приборои машиностроения, Это обуславливается как технико-экономическими показателями порошковых методов производства, так и их возможностями в создании материалов с особыми механическими и физико-химическими свойствами (пористых материалов, твердых сплавов, композиционных материалов, псевдосплавов, материалов защитных покрытии и многих других), которые невозможно производить традиционными методами.

Но Как и любые материалы порошковые изделия имеют свои недостатки. Основным недостатком порошковых материалов является наличие пористости, что приводит в первую очередь к снижению антикоррозионных свойств изделия в целом. Причем,-наличие пор не только на поверхности, но и внутри изделия усложняет ситуацию, т.к. это приводит к межкристаллитной коррозии. Снижение пористости, а значит и увеличение коррозионной стойкости важное направление в области совершенствования технологии порошковой металлургии. Работа над изучением свойств пористых порошковых материалов (ППМ) началась в 30-е годы 20-го века. Наиболее интенсивное развитие их производства началось в конце 60-х годов 20-го века в связи с быстрым развитием химического машиностроения и созданием новых технологических процессов в ряде отраслей техники. Теоретические и практические разработки Г. И. Аксенова, В. Н. Анциферова, Ю. М. Балыпина, С. В. Белова, Г. М. Ждановича, О. В. Романа, И. М. Федорченко и других ученых позволили значительно расширить использование пористых порошковых материалов во многих отраслях промышленности. Они с успехом применяются в космической технике, сельском хозяйстве, машиностроении, медицине, радиоэлектронной, химической промышленно-стях, в атомной энергетике и приборостроении.

Цель работы:

— повышение эксплуатационных свойств пористых порошковых материалов для изделий машиностроения инфильтрацией различных пропитывающих суспензий, а так же подбор методов и режимов инфильтрации.

Решаемые задачи:

— разработать инфильтрующие составы и подобрать технологические режимы для пропитки пористых порошковых материалов с целью повышения их физико-механических, химических и эксплуатационных свойств;

— исследовать влияние инфйльтрующих композиций на полученные химические, физико-механические и эксплуатационные свойства пропитанных деталей- .

— разработать технологию получения порошковых изделий повышенной размерной точности, с высокими физико-химическими свойствами и триботех-ническими характеристиками.

Научная новизна:

— получена топологическая закономерность между составом инфильтру-ющей композиции, структурой и эксплуатационными свойствами порошкового материала (антифрикционность, антикоррозионность, герметичность);

— разработаны и научно обоснованы инфильтрующие композиции и технология их введения в пористые материалы с учетом температурно-временных параметров обработки в сочетании с ультразвуковым воздействием для повышения потребительских свойств композиционных материалов;

— предложена математическая модель, описывающая процессы инфильтрации различных композиций в пористые порошковые материалы.

Практическая ценность:

Экспериментальный материал восполняет пробелы в области пропитки пористых порошковых материалов и расширяет ранее известные факты, т.к. имеющиеся технологии не позволяют повышение комплекса эксплуатационных свойств. Предлагаемую технологию можно включить в производственный процесс без значительных экономических вложений. Полученные свойства изделий оправдывают необходимые затраты на корректировку производственного процесса. Результаты работы могут применяться в промышленности в процессе изготовления деталей методом порошковой металлургии, литья и других пористых металлических изделий. Полученные изделия будут востребованы в машиностроении, авиастроении, в военной технике, экологии, медицине и других отраслях производства.

Результаты работы внедрены и используются на предприятии ОАО ОКТБ «Кристалл», ООО НЛП «Марат» (г. Йошкар-Ола). Получены положительные отзывы о результатах испытаний от ЗАО «Плаза» г. Санкт-Петербург.

Личное участие.

Основные результаты получены автором под руководством д.т.н., профессора Алибекова Сергея Якубовича.

Представленные результаты являются трудом многолетних исследований выполненных при участии автора. Все работы по сбору экспериментального материала, лабораторных экспериментов, обработке данных, анализ и обобщение результатов исследований проведены автором лично.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторной базе лаборатории Металлографии Марийского государственного технического университета, рабочем стенде ОАО ОКТБ «Кристалл» и в реальных условиях эксплуатации исследуемых изделий на заводе-заказчике ЗАО «Плаза» (г. Санкт-Петербург). .'.:

Автор защищает:

— кинетические закономерности и аналитические зависимости исследований полученных свойств изделий, пропитанных различными композициями;

— состав и концентрация инфильтрующих композиций для пропитки пористых порошковых материалов и технологические режимы инфильтрации;

— математическая модель инфильтрации пропитывающих композиций с различными наполнителями в пористые порошковые материалы.

Апробация работы: по результатам работы опубликовано 13 статей, 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

Основные научные положения и результаты работы докладывались на: IX Вавиловских чтениях (Йошкар-Ола, МарГТУ, 2005 г) — VIII Мосоловских чтениях (Йошкар-Ола, МарГУ АТИ, 2006 г) — X Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006 г) — научно-технической конференции студентов, аспирантов, докторантов и ППС «Наука в условиях современности» (Йошкар-Ола, МарГТУ, 2007 г, 2008 г) — II международной научно-практической конференции «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. (ТПП-ПМ 2008)» (г. Йошкар-Ола, 17−19 июня 2008 г) — на 9-й школе молодых ученых «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем» (г. Ульяновск, 25−30 апреля 2009)-на П-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Нано-материалы» (г. Рязань, 26−30 сентября 2009) — в конкурсе научных работ студентов, аспирантов «Перспектива» (г. Ишим, сентябрь 2009) — XI международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» Nanotech'2010 (г. Казань 8−11 декабря 2010) — III международной научно-практической конференции «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. (ТПП-ПМ 2011)» (г. Йошкар-Ола, 28−30 июня 2011 г).

Объем и структура работы:

Работа состоит из пяти глав: аналитический обзор, описание теории и методики эксперимента, исследование полученных свойств, математическая модель эксперимента, экономическая эффективность. Содержит 130 страниц машинописного текста формата А4- 16 таблиц- 44 формулы- 51 рисунок. Библиографический список содержит 110 источников.

выводы. <

1) проведенный аналитический обзор показал, что изучение свойств пористых порошковых Материалов, технологий инфильтраций и видов пропитывающих композиций, придающих порошковому изделию те или иные свойства, занимает большую часть в области порошковой металлургии. Однако нет известных методов, позволяющих повысить или изменить одновременно комплекс свойств ППМ, как и нет известных составов, дающих такую возможность. Так же нет достаточно систематизированных знаний о влиянии на свойства ППМ такой присадки как графит. Однако графит как один из наиболее доступных и дешевых. дисперсных наполнителей может найти очень широкое применение в области тех1 юлогий порошковой металлурги и;

2) использование ультразвуковой пропитки для интенсификации процесса дает значительные преимущества по сравнению с другими методами. Так, по сравнению с самопроизвольной пропиткой, эффективность ультразвуковой выше на 30%. При этом скорость движения жидкости по капиллярам и качество заполнения пор существенно увеличивается под действием ультразвуковых колебанийметод легко вписывается в технологическую схему изготовления пористых порошковых материалов не требуя дополнительных вложенийогромные механические усилия, развивающиеся при кавитации, не только удаляют с поверхности пор жировые отложения, но и могут разрушать пленки оксидов, тем самым очищая порыпри воздействии ультразвуковых колебаний так же повышается прочность и плотность изделий;

3) использование индустриального масла (ИТ-20) в качестве основы для пропитывающей композиции дает более высокие показатели масловпитывае-мости, которые на 13 — 30% выше по сравнению с другими исследуемыми веществами;

4) теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние вязкости (в зависимости от концентрации наполнителя и температуры, при которой проводиться пропитка) на степень инфильтрации. В ходе исследований вязкость менялась от 12 до 92 мм2/с в зависимость от концентрации наполнителя и температуры пропитки. При этом установлена оптимальная концентрация: графита — 3%, температура 50 °Сфторопласта 0,3%, температура 50 °Сустановлено, что при использовании в качестве основы для суспензии полимера оптимальной является температура 90 °C, т.к. при дальнейшем нагреве начинается реакция полимеризации суспензии и заполнение пор уменьшается;

5) определено оптимальное время инфильтрации пористых порошковых деталей типа «Направляющая втулка» при использовании ультразвуковой ванны, которое составило 20 минут;

6) в ходе исследований изучались образцы с различной плотностью, пропитанные композициями с различным гранулометрическим составом. Установлено, что наилучшими показателями значений масловпитываемости обладают порошковые образцы с наименьшей плотностью пропитанные композициями с наименьшими размерами дисперсных частиц. Масловпитываемость составила 2,2 — 2,5 (рекомендуемое значение 1 — 4), коэффициент заполнения пор 94 — 96 (рекомендуемое значение 75). При этом проанализировано, что изменение плотности и пористости изделий дает более высокие показатели масловпитываемости нежели изменение дисперсности твердых частиц;

7) исследованы’зависимость изменения плотности пропитанных образцов от вида наполнителя (фторопласта и графита), от их концентрации и температуры, при которой проводилась инфильтрация. Показано, что при использовании в качестве наполнителя порошка фторопласта оптимальными являются концентрации 0,1.0,3% и температура 70 °C. При использовании в качестве наполнителя порошка графита оптимальными концентрациями являются 1.3%, и температура пропитки до 50 °C;

8) при исследовании физико-механических показателей определили что детали, пропитанные составом на основе индустриального масла с добавкой графита, обладают коэффициентом трения 0,7, что ниже непропитанных деталей на 42%, пропитка составом с добавкой фторопласта дает коэффициент трения 0,5 (снижение на 58%);

9) доказано, что детали, пропитанные составом с добавкой мелкодисперсного графита, обладают повышенной герметичностью. Образцы выдерживают давление в 2,5 МПа в течение 1 минуты. Предварительный отжиг перед пропиткой повышает герметичность до 8,0 МПа;

10) исследования химических свойств показали высокую стойкость к коррозии образцов, пропитанных составом на основе индустриального масла с добавкой 3% графита при температуре 50 °C;

11) металлографический и спектральный анализ исследуемых образцов подтвердил проникновение пропитывающей композиции вглубь изделий. Глубина проникновения составила 0,8 — 1,2 мм при использовании в качестве наполнителя порошка фторопласта и 1,0 — 1,4 мм при использовании порошка графита;

12) расчет экономической эффективности производства показал снижение себестоимости изготовления изделий на 35%.