Уманський Олександр Павлович. Наукові принципи вибору структурних складових і створення композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з підвищеною зносо- і корозійною стійкістю

brief description

Уманський Олександр Павлович. Наукові принципи вибору структурних складових і створення композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з підвищеною зносо- і корозійною стійкістю: дисертація д-ра техн. наук: 05.02.01 / НАН України; Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича. - К., 2003

Уманський О.П. Наукові принципи вибору структурних складових і створення композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з підвищеною зносо- і корозійною стійкістю. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.01 матеріалознавство. Інститут проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ, 2003.
Робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків і переліку літератури, що цитується.
Дисертація присвячена рішенню актуальної науково технічної проблеми розробці наукових основ створення зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з металевими зв'язками. Проведено системне дослідження процесів змочування і вивчені механізми міжфазної взаємодії карбонітриду титану і подвійного карбіду титану хрому, матеріалів TiВ2 TiС і SiС Al2O3з металевими сплавами на основі заліза і нікелю, що дозволило сформулювати принципи вибору структурних складових нових зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів. Розроблені принципи дозволили одержати нові композити на основі тугоплавких сполук титану (TiCN, TiCrС, TiВ2 TiС) і кремнію (SiС- Al2O3). Досліджено закономірності структуроутворення нових матеріалів, а також вивчені їх фізико механічні, триботехнічні і фізико хімічні властивості. Проведено дослідження механізмів контактної взаємодії стандартних твердих сплавів і розробленого композита КТФХ(TiС Fe Cr) з долотною сталлю, розроблений композит рекомендований для армування долотного бурового інструменту.
Досліджено структуру і властивості керамічних композиційних матеріалів SiС - Al2O3з додатками ZrО2і B4C. Ці матеріали мають високі фізико механічні (виг=650 1025МПа) і триботехнічні характеристики (знос І=5-12мкм/км, коефіцієнт тертя f=0,28 -0,2).
Розроблені композиційні матеріали використовували для одержання зносо- і корозійностійких електроіскрових, детонаційних і газотермічних покриттів на сталях і сплавах. Апробація розроблених нових композиційних матеріалів на основі карбонітриду титану і карбіду кремнію успішно проведена на підприємствах нафтопереробної і гірничодобувної галузей промисловості і продемонстрована можливість їхнього практичного застосування.

Вперше сформульовані науково обґрунтовані принципи вибору структурних складових нових зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану, кремнію з металевою зв'язкою:

зносостійка складова повинна мати високу термодинамічну стабільність стосовно металевих зв'язок при реалізації гарного змочування і високого адгезійного зв'язку між ними.
металева зв'язка повинна бути багатокомпонентною і складатися з міжфазно активних металів, що утворюють між собою тверді розчини в широкій області концентрацій, що знижує їхню хімічну активність (при високому адгезійному зв'язку з тугоплавкою складовою), тим самим зменшує інтенсивність взаємодії зі зносостійкою складовою і перешкоджає утворенню нових хімічних сполук.
2. Вперше досліджена контактна взаємодія складних тугоплавких сполук титану (TiС, TiCN, TiCrС, TiС Mo2C, TiВ2 TiС, TiCN AlN) зі сплавами на основі нікелю (Ni Cr, Ni P, Ni Mo) і заліза (Fe Cr, Fe Ni). Визначено кінетичні й енергетичні параметри змочування, вивчені структура і склад продуктів взаємодії, що утворюються. Показано, що дані системи характеризуються інтенсивним змочуванням (значення контактних кутів << 900), що супроводжується утворенням взаємних обмежених твердих розчинів, які забезпечують високий адгезійний зв'язок металевих сплавів з тугоплавкою складовою.
3. На підставі виявлених особливостей міжфазної взаємодії тугоплавких сполук титану з металевими розплавами визначений вибір структурних складових і оптимальних складів нових композиційних матеріалів, розроблена технологія їхнього одержання. Аналіз структури, фазового складу і властивостей розроблених КМ дозволили сформулювати їхню класифікацію щодо складу і областей застосування.
4. Досліджено структуру і властивості керамічних композиційних матеріалів SiС Al2O3з додатками ZrО2і B4C. Вивчені фізико механічні (міцність при вигині складає 650 1025 МПа) і триботехнічні характеристики цих матеріалів (у залежності від складу і режимів випробування знос складає I = 5 12 мкм/км, а величина коефіцієнту тертя f = 0,32 0,2). Досліджено особливості контактної взаємодії розробленої кераміки SiС Al2O3з нікелевими сплавами, що дозволило зробити рекомендації зі створення КМ на основі карбідокремнієвої кераміки з металевою зв'язкою для детонаційних покриттів.
5. У широкому діапазоні складів і навантажно швидкісних параметрів вивчені триботехнічні характеристики розроблених композиційних матеріалів на основі TiCN, TiCN AlN, TiCrС, TiС з металевими зв'язками Fe(Ni) Cr в умовах сухого тертя ковзання на повітрі в парі зі сталлю. Показано, що основний вплив на тертя і знос чинить склад вторинних плівок, що утворюються в процесі трибоокислення. Установлено, що з ростом швидкості ковзання і навантаження коефіцієнт тертя й інтенсивність зношування зменшуються, досягаючи для КМ на основі (TiCN AlN) значень 0,11 і 3,2 мкм/км відповідно. При цьому утворенню щільної оксидної плівки сприяють оксидні фази, що утворюють тверді розчини TiО2 Al2O3, TiО2 Fe2O3, TiО2 Cr2O3і адгезійно міцно зв'язані з поверхнею КМ.
6. Проведено комплексні дослідження корозійної стійкості розроблених матеріалів в агресивних середовищах: при високих температурах на повітрі й у морській воді. Показано, що металева зв'язка (Fe Cr) у розроблених матеріалах на основі тугоплавких сполук титану приводить до утворення при температурах 8000С твердих розчинів Cr2TiО5і Fe2TiО5, які утворюють щільну оксидну плівку, що має високу адгезію до основи. Це сприяє збільшенню корозійної стійкості матеріалів зі зв'язками при високих температурах (до 12000С). Виходячи з вимірюваних значень стаціонарних потенціалів поляризаційних кривих, залежності швидкості корозії від прикладеного потенціалу установлена висока корозійна стійкість у морській воді розроблених матеріалів у порівнянні з конструкційними сталями.
7. Розроблено технологію формування і спікання гранул з нового КМ на основі карбіду титану з метою створення локально армованого породоруйнівного бурового інструменту. Вивчена сумісність гранул КТФХ із долотною сталлю, досліджена зона їхньої взаємодії. Показано, що твердосплавні гранули практично не взаємодіють з долотною сталлю і не піддаються розміцненню (зміні їхнього вихідного складу). Отримані гранули рекомендовані для одержання зубків бурового інструменту методом відцентрового лиття.
8. Дано рекомендації з використання розроблених матеріалів для нанесення електроіскрових покриттів. Застосування технології пошарового легування дозволило збільшити товщину і суцільність захисного покриття зі збільшенням зносостійкості в 2 2,5 рази. Показано принципову можливість застосування нових матеріалів для одержання зносо корозійностійких покриттів методами газотермічного напилювання. Розроблений жаростійкий композиційний матеріал SiС Al2O3 ZrО2забезпечує одержання детонаційних покриттів на сталі 30ХГСНА, що перевищують зносостійкість покриттів із твердого сплаву ВК15 у 3,5 4 рази.
9. Розроблені на основі карбонітриду титану композиційні матеріали пройшли апробацію як деталі торцевих ущільнювачів для нафтоперегонних насосів. Встановлено, що при зміцненні сталевих поверхонь (штампового оснащення) і карбідовольфрамових сплавів ВК 6 стійкість зміцнених деталей зростає в 1,3 1,8 разів. Карбідокремнієві КМ пройшли успішні випробування як конуси гідроциклону на Криворізькому Центральному гірничозбагачувальному комбінаті, з цих матеріалів виготовлені елементи ущільнювальної техніки і засоби індивідуального захисту. З нового керамічного матеріалу на основі карбіду кремнію виготовлені і випробувані торцеві ущільнювачі, що за експлуатаційними характеристиками перевершують закордонний аналог "Силайд".