Влияние ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов

• Автор: Кузнецов, Виктор Анатольевич
• Шифр специальности: 05.16.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 186 с. : ил.

Содержание
Реферат

Определения, обозначения и сокращения

Введение

1 Аналитический обзор информационных источников

1.1 Общие представления о модифицировании и

1.1.1 Теоретические основы модифицирования

1.1.2 Типы добавок-модификаторов и их эффективность

1.1.3 Процессы, протекающие при модифицировании

1.1.4 Модифицирование железоуглеродистых расплавов наноразмерными частицами тугоплавких соединений

1.1.5 Влияние других модифицирующих факторов

1.2 Методы получения наночастиц
1.3 Перспективные способы получения ультрадисперсных частиц для создания модификаторов
1.4 Исследование процессов, происходящих в твердых телах в результате механических воздействий
1.5 Зарождение твердой фазы в расплаве, модифицированном ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений
2 Экспериментальная часть. Влияние ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов
2.1 Объекты исследования, реактивы и оборудование
2.1.1 Объекты исследования
2.1.2 Реактивы и материалы
2.1.3 Оборудование
2.2 Методы исследования
2.2.1 Методы контроля качества порошков
2.2.2 Методики, инструменты и аппаратная часть
2.3 Исследование порошков тугоплавких материалов и композитов-модификаторов
2.3.1 Модификаторы, полученные термическим (Т) методом
2.3.2 Модификаторы, полученные плазмохимическим (ПХ) методом
2.3.3 Модификаторы, полученные методом СВС
2.3.4 Модификаторы, полученные механохимическим (МХ) методом
2.3.5 Исследование способов компактирования композитов-модификаторов
2.4 Исследование процессов модифицирования на модельных системах (модифицирование в формах)
2.4.1 Модифицирование чугуна СЧ-12. Исследование влияния различных модификаторов и способов компактирования на структуру и механические свойства
2.4.2 Модифицирование чугуна СЧ-20. Исследование влияния состава модификаторов и их концентрации на структуру и механические свойства
2.4.3 Модифицирование чугуна СЧ-25. Определение эффективной концентрации модификаторов
2.5 Опытно-промышленное исследование влияния ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов
2.5.1 Методики и оборудование
2.5.2 Модифицирование чугунов НТ150, НТ250, 1500-7 карбидокремниевыми моди-(Ьикатопами
2.5.3 Моди< шцирование средне- и низколегированных сталей
2.5.4 Моди( шцирование меди
2.5.5 Модис казчиков шцирование различных марок чугуна на предприятиях потенциальных За-
2.6 Оценка экономической эффективности при использовании некоторых рассмотренных модификаторов
3 Заключение
4 Описок использованных источников
5 Приложения
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3

РЕФЕРАТ
Диссертация 186 с., 56 рис., 31 табл., 215 источников, 3 приложения Ключевые слова: ГРАФИТ, ДЕНДРИТНАЯ СТРУКТУРА, ИНОКУЛЯТОР, КАРБИДЫ, КЕРАМИЧЕСКИЕ ЧАСТИЦЫ, КОМПОЗИТ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА, МЕТАЛЛ-ПРОТЕКТОР, МЕ-ХАНОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, МОДИФИКАТОР, УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, РАСПЛАВ, СВС, СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, ТИТАНОМАГНЕТИТ, УГЛЕРОД, УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ, ЧУГУН.
Цель работы - повышение качества литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов в результате воздействия ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов, полученных различными методами, на процессы кристаллизации расплавов.
Основные положения, представленные к защите: - комплекс технических и технологических решений, обеспечивающих создание новой технологии внутриформенного модифицирования чугунов; - способы получения компактированных модификаторов для внутриформенного модифицирования; - способы улучшения служебных характеристик черных и цветных металлов и сплавов с использованием ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов, полученных различными методами (экспериментальные и опытнопромышленные исследования, испытания готовых изделий в реальных условиях эксплуатации у потенциальных заказчиков).
Научная новизна работы.
1. Впервые проведены комплексные исследования по внутриформенному модифицированию чугунов модификаторами на основе ультрадисперсных частиц тугоплавких материалов, полученных термическим (углетермическим), плазмохимическим, СВС, мехаиохимическим и комбинированными способами с использованием вышеназванных методов.
2. Выполнено сравнение механических характеристик чугунов, модифицированных ультрадисперсными частицами тугоплавких материалов, полученных с использованием вышеназванных методов, а также обработанных различными модификаторами российского производства.
3. Разработаны методы компактирования модификаторов и определены оптимальные условия получения модификаторов, эффективно воздействующих на процессы кристаллизации расплава чугуна в форме.
4. Предложен метод ввода модификаторов при внутриформенном модифицировании, усовершенствована конструкция литейной формы.
5. Установлены оптимальные соотношения технологических параметров получения образцов чугуна при внутриформенном модифицировании.
6. Проведены экспериментальные и опытно-промышленные исследования процессов модифицирования черных (различные марки чугунов, сталей) и цветных (на основе алюминия и меди) металлов и сплавов с использованием ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов, полученных различными методами.
7. Получены готовые изделия (маслоты, вкладыши для дробильного оборудования, втулки к опорным каткам к тракторам Т-35 и Т-50, втулки к роликам угольного конвейера, опорные втулки редуктора, опорные втулки для экскаватора ЭКГ-8) и проведены испытания изделий в реальных условиях эксплуатации у потенциальных заказчиков.
Практическая значимость работы.
1. Разработана методика внутриформенного модифицирования чугуна ультрадисперс-ными частицами тугоплавких материалов, реализация которой обеспечивает получение стабильных результатов и приводит к улучшению служебных характеристик материалов. Применение экспериментально обоснованных технических решений приводит к увеличению предела прочности чугуна на растяжение до 20%, твердости по Бринеллю до 50%, износостойкости до 69%, коррозионной стойкости до 28%.
2. Разработана методика ввода модификатора в расплав чугуна при внутриформенном модифицировании.
3. Разработана методика компактирования модификаторов с использованием пластичной связки - порошка меди и органических связок на основе метил- и карбоксиметилцеллюлозы. Получены таблетки модификаторов диаметром 0,8...25 мм с прочностью на сжатие 0,3...500 МПа.
4. Разработанные методики готовы для проведения ОКР с целью дальнейшей организации производства.
5. Исследованные модификаторы (карбонитрид титана в медно-стальной матрице, полученный термическим методом; (а-Ре, ТіСхМу, БІС), полученный плазмохимическим методом; смесь карбидов титана и вольфрама, полученная методом СВС, и некоторые составы, полученные механохимическим и комбинированным методами) могут быть рекомендованы для применения.
6. Получены готовые изделия с улучшенными служебными характеристиками, снижена стоимость изделий, увеличен срок их службы.

Перечислим методы, приведенные авторами [40], которые являются общими для получения наночастиц.
Получение наночастиц из пересыщенных паров металлов. В основе метода лежит классическая теория нуклеации, основанная на предположении, что зарождающиеся кластеры новой фазы (наночастицы) описываются моделью сферической жидкой капли. Существует несколько вариантов установок для получения наночастиц (кластеров), различающихся способом испарения металла: лазерное испарение, термическое испарение, дуговой разряд, плазма, солнечная энергия, а также лазерный фотолиз летучих металлсодержащих соединений (чаще всего - карбонилов металлов). Образующиеся при этом наночастицы химически очень чистые (однородные по составу), не имеют пор и других морфологических неоднородностей.
Термическое испарение. В классическом варианте метода навеску металла или сплава нагревают в вольфрамовой лодочке в токе аргона или гелия. За счет межатомных столкновений с атомами инертного газа атомы испаряемого металла теряют свою кинетическую энергию, агрегируются в наночастицы и конденсируются в виде ультрадисперсного порошка на охлаждаемой подложке. Метод позволяет контролировать размеры частиц в интервале 3...100 нм с помощью изменения скорости испарения, давления газа и его природы, температуры подложки. Как правило, перед тем, как открыть установку и вынуть образец, наночастицы пассивируют пропусканием в течение нескольких минут инертного газа, обогащенного кислородом.
Осаждение на подложку наночастиц из атомного пучка. Метод состоит в осаждении на подложку незаряженных частиц с очень низкой энергией. В этом случае частицы не фрагментируют при попадании на подложку и могут быть внедрены в подложки различных типов, формирующиеся одновременно путем испарения из другого независимого источника. Размеры осаждаемых наночастиц (и их состав) контролируются в газовой фазе до осаждения на подложку с использованием на пути их движения от источника до подложки масс-анализирующих систем различных типов.
Механохимическое диспергирование компактного материала. Метод диспергирования в мельницах различной конструкции выглядит весьма привлекательно для получения дисперсных систем. Однако существует предел механического измельчения твердых тел, препятствующий в ряде случаев устойчивому достижению измельчения до наноразмеров с узким распределением. Кроме того, высокие энергетические нагрузки на измельчаемый материал приводят к интенсивному взаимодействию образующихся наночастиц со средой диспергирования.
Электроэрозия. Метод позволяет нанодиспергировать металлы и сплавы. Процесс проходит внутри диэлектрической жидкости, продукты трансформации которой покрывают образующиеся наночастицы. Метод не позволяет получать частицы с узким распределением по размерам. В зависимости от условий проведения процесса, природы металла и среды диспергиро-