Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.02.01 – Материаловедение (металлургия). —
Метма. — Москва, 2009. — 32 с.
Цель работы. Разработка научного обоснования
технологии получения металлозаготовок из композиций, содержащих
высокодисперсные порошки металлов, их оксидов и углерода для
получения фасонных сложных металлоизделий с заданными
свойствами.
Научная новизна:
На основе материаловедческого анализа, физического и математического моделирования, экспериментальных исследований, промышленного внедрения для производства фасонных металлозаготовок с заданными свойствами и субмикрокристаллической структурой создан новый тип композиций, защищенных приоритетными патентами и со-стоящих из порошков металлов, их оксидов, углерода и термореактивной фенолформальдегидной смолы.
Разработаны математические модели для установления фазового состава композиций «металл – оксид металла – фенолформальдегидная смола», обеспечивающего заданные реологические свойства и необходимое количество углерода как восстановителя оксидов.
На основе установленных закономерностей эволюции фазового, химического состава и структуры композиций обоснована и разработана двухстадийная технология термической обработки сформованных заготовок, обеспечивающая сплошность восстановленного металла и полное восстановление оксидов аморфным углеродом – продуктом термического разложения связующего с обеспечением субмикрокристаллической структуры материала заготовок. Первая стадия проводится при атмосферном давлении без доступа воздуха в интервале температур 700…800 ºС, а вторая стадия – в форвакууме при температуре 800…900 ºС. Установлена величина удельного расхода углерода для полного восстановления единицы массы связанного в оксидах кислорода, которая при оптимальных режимах значительно меньше (в 2,5 – 3 раза) аналогичной величины в традиционных процессах получения губчатого железа.
Установлены физические закономерности двухстадийной кинетики процесса изменения дисперсности продуктов реакционного размола композиций отличающейся скоростью роста гранул, размер которых линейно зависит от времени на каждой из стадий, что позволяет на основе разработанной физической модели, во-первых, определять размеры гранул в зависимости от времени реакционного размола и, во-вторых, в зависимости от особенностей протекания режима реакционного размола и термической обработки композиций формировать высокодисперсные фазы с учетом особенности влияния углерода как восстановителя оксидов матричного металла и регулятора размеров гранул.
Для композиционных материалов на основе дисперсно-упрочненных гранул и металлических порошков разработана аналитическая методика выбора концентрации составляющих композита в зависимости от заданных физико-механических свойств (предела прочности, твердости, электропроводности, теплопроводности) и их различных сочетаний.
Установлены аналитические зависимости для определения деформационных и энергосиловых параметров процессов обработки давлением композиций с целью оптимизации технологических режимов компактирования, последующего формоизменения и обеспечения заданной прочности, термостойкости и сплошности изделий.
Разработаны аналитические зависимости для расчета размерной точности заготовок, получаемых спеканием, и проведен анализ влияния на размерные отклонения вариаций характеристик исходных материалов, технологических режимов спекания и условий обеспечения заданного поля допусков размеров заготовок из материалов различного состава.
Практическая ценность работы и ее реализация в промышленности:
На основе представленных в работе научных результатов и рекомендаций для практического применения предложены и внедрены два типа композиций. Для получения фасонных заготовок разработаны композиции «порошки металлов - порошки оксидов - фенолформальдегидная смола», изготавливаемые механическим смешиванием, а для получения жаропрочных дисперсно-упрочненных материалов – композиции (гранулы) из порошков металлов, порошков оксидов и углерода, изготавливаемые реакционным размолом. Первый тип композиций (Па-тенты РФ №2310542, №2345152, №2332430) рекомендуется для широкого применения при производстве фасонных стальных, чугунных, медных заготовок путем формования композиций, термообработки и по-следующего спекания или обработки давлением. Второй тип композиций рекомендуется для получения заготовок и профилей из жаропрочных материалов (Патенты РФ №2355797, №2345152). Кроме того, горячей обработкой давлением композиций, сформованных из смесей гранул, полученных реакционным размолом, медных и железных порошков, возможно получение материалов со значительным расширением диапазона свойств и, соответственно, областей их применения.
Разработаны технологические регламенты на изготовление композиций и изделий из них, нормативно-техническая документация на изделия (чертежи, технические условия), а также технические требования к оборудованию, проведены испытания изделий, изготовленных из композиций более чем на 10 предприятиях.
В ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола) создано опытно-промышленное производство композиций на основе порошков металлов – оксидов – фенолформальдегидной смолы и заготовок из указанных композиций по патентам РФ №2310542, №2332430, №2345152. Производственная мощность по количеству формовок – 700 тыс.шт./год. Продукция поставляется на ОАО «Завод им. Г.И. Петровского» (г. Нижний Новгород) и другие предприятия. Таким образом, в промышленности внедрен новый вид материалов для получения металлозаготовок и готовых изделий сложной формы с высокими эксплуатационными свойствами и обеспечением ресурсосбережения.
На ООО «Завод «Купол» создано опытно-промышленное производство гранул, поковок и прутков из дисперсно-упрочненных материалов на основе меди. На производстве реализованы процессы реакционного размола и отжига гранулята, разработанные в соответствии с рекомендациями настоящей работы, выпускается продукция в соответствии с патентом РФ №2345152. Мощность производства составляет 100 тонн в год. Продукция поставляется десяткам предприятий России, а также в Германию, Китай, США, Южную Корею.
Разработан, изготовлен и внедрен в ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола) опытный образец печи толкательной с муфелем из карбида кремния для спекания заготовок.
На основе результатов опытно-промышленной эксплуатации созданных производств разработана конструкторская документация на механизированную линию для выпуска гранулята из дисперсно-упрочненных материалов производительностью 500 тонн/год.
Основные научные положения и практические рекомендации используются в учебных курсах материаловедческих специальностей Марийского государственного университета, Марийского государственного технического университета, Московского государственного вечернего металлургического института.
Научная новизна:
На основе материаловедческого анализа, физического и математического моделирования, экспериментальных исследований, промышленного внедрения для производства фасонных металлозаготовок с заданными свойствами и субмикрокристаллической структурой создан новый тип композиций, защищенных приоритетными патентами и со-стоящих из порошков металлов, их оксидов, углерода и термореактивной фенолформальдегидной смолы.
Разработаны математические модели для установления фазового состава композиций «металл – оксид металла – фенолформальдегидная смола», обеспечивающего заданные реологические свойства и необходимое количество углерода как восстановителя оксидов.
На основе установленных закономерностей эволюции фазового, химического состава и структуры композиций обоснована и разработана двухстадийная технология термической обработки сформованных заготовок, обеспечивающая сплошность восстановленного металла и полное восстановление оксидов аморфным углеродом – продуктом термического разложения связующего с обеспечением субмикрокристаллической структуры материала заготовок. Первая стадия проводится при атмосферном давлении без доступа воздуха в интервале температур 700…800 ºС, а вторая стадия – в форвакууме при температуре 800…900 ºС. Установлена величина удельного расхода углерода для полного восстановления единицы массы связанного в оксидах кислорода, которая при оптимальных режимах значительно меньше (в 2,5 – 3 раза) аналогичной величины в традиционных процессах получения губчатого железа.
Установлены физические закономерности двухстадийной кинетики процесса изменения дисперсности продуктов реакционного размола композиций отличающейся скоростью роста гранул, размер которых линейно зависит от времени на каждой из стадий, что позволяет на основе разработанной физической модели, во-первых, определять размеры гранул в зависимости от времени реакционного размола и, во-вторых, в зависимости от особенностей протекания режима реакционного размола и термической обработки композиций формировать высокодисперсные фазы с учетом особенности влияния углерода как восстановителя оксидов матричного металла и регулятора размеров гранул.
Для композиционных материалов на основе дисперсно-упрочненных гранул и металлических порошков разработана аналитическая методика выбора концентрации составляющих композита в зависимости от заданных физико-механических свойств (предела прочности, твердости, электропроводности, теплопроводности) и их различных сочетаний.
Установлены аналитические зависимости для определения деформационных и энергосиловых параметров процессов обработки давлением композиций с целью оптимизации технологических режимов компактирования, последующего формоизменения и обеспечения заданной прочности, термостойкости и сплошности изделий.
Разработаны аналитические зависимости для расчета размерной точности заготовок, получаемых спеканием, и проведен анализ влияния на размерные отклонения вариаций характеристик исходных материалов, технологических режимов спекания и условий обеспечения заданного поля допусков размеров заготовок из материалов различного состава.
Практическая ценность работы и ее реализация в промышленности:
На основе представленных в работе научных результатов и рекомендаций для практического применения предложены и внедрены два типа композиций. Для получения фасонных заготовок разработаны композиции «порошки металлов - порошки оксидов - фенолформальдегидная смола», изготавливаемые механическим смешиванием, а для получения жаропрочных дисперсно-упрочненных материалов – композиции (гранулы) из порошков металлов, порошков оксидов и углерода, изготавливаемые реакционным размолом. Первый тип композиций (Па-тенты РФ №2310542, №2345152, №2332430) рекомендуется для широкого применения при производстве фасонных стальных, чугунных, медных заготовок путем формования композиций, термообработки и по-следующего спекания или обработки давлением. Второй тип композиций рекомендуется для получения заготовок и профилей из жаропрочных материалов (Патенты РФ №2355797, №2345152). Кроме того, горячей обработкой давлением композиций, сформованных из смесей гранул, полученных реакционным размолом, медных и железных порошков, возможно получение материалов со значительным расширением диапазона свойств и, соответственно, областей их применения.
Разработаны технологические регламенты на изготовление композиций и изделий из них, нормативно-техническая документация на изделия (чертежи, технические условия), а также технические требования к оборудованию, проведены испытания изделий, изготовленных из композиций более чем на 10 предприятиях.
В ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола) создано опытно-промышленное производство композиций на основе порошков металлов – оксидов – фенолформальдегидной смолы и заготовок из указанных композиций по патентам РФ №2310542, №2332430, №2345152. Производственная мощность по количеству формовок – 700 тыс.шт./год. Продукция поставляется на ОАО «Завод им. Г.И. Петровского» (г. Нижний Новгород) и другие предприятия. Таким образом, в промышленности внедрен новый вид материалов для получения металлозаготовок и готовых изделий сложной формы с высокими эксплуатационными свойствами и обеспечением ресурсосбережения.
На ООО «Завод «Купол» создано опытно-промышленное производство гранул, поковок и прутков из дисперсно-упрочненных материалов на основе меди. На производстве реализованы процессы реакционного размола и отжига гранулята, разработанные в соответствии с рекомендациями настоящей работы, выпускается продукция в соответствии с патентом РФ №2345152. Мощность производства составляет 100 тонн в год. Продукция поставляется десяткам предприятий России, а также в Германию, Китай, США, Южную Корею.
Разработан, изготовлен и внедрен в ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола) опытный образец печи толкательной с муфелем из карбида кремния для спекания заготовок.
На основе результатов опытно-промышленной эксплуатации созданных производств разработана конструкторская документация на механизированную линию для выпуска гранулята из дисперсно-упрочненных материалов производительностью 500 тонн/год.
Основные научные положения и практические рекомендации используются в учебных курсах материаловедческих специальностей Марийского государственного университета, Марийского государственного технического университета, Московского государственного вечернего металлургического института.