Удосконалення технології виготовлення пористих проникливих матеріалів з використанням відходів промислового виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.762:669…48:658.567

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ПОРИСТИХ ПРОНИКЛИВИХ МАТЕРІАЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ВІДХОДІВ ПРОМИСЛОВОГО ВИРОБНИЦТВА

05.02.01 - матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОВСТЯНОЙ ОЛЕКСАНДР ЮРІЙОВИЧ

Луцьк - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Луцьк

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор РУДЬ Віктор Дмитрович, Луцький державний технічний університет, директор Інституту інженерних та інформаційних технологій ЛДТУ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ШТЕРН Михайло Борисович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник, завідувач відділом мікро механіки, реології та обробки тиском порошкових та композиційних матеріалів

кандидат технічних наук, доцент Бачинський Юрій Григорович, Тернопільський державний педагогічний університет ім. В. Гнатюка МОН України, м. Тернопіль, кафедра фізики та методики викладання

Провідна установа: Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра зносостійкості і надійності машин, м.Хмельницький

Захист відбудеться “18” квітня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.02 при Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Луцького державного технічного університету за адресою: 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

Автореферат розісланий “16” березня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Гусачук Д.А.



АНОТАЦІЯ

Повстяной О.Ю. Удосконалення технології виготовлення пористих проникливих матеріалів з використанням відходів промислового виробництва. - Рукопис. ізостатичний пресування порошок фільтруючий

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2007.

Дисертація присвячена удосконаленню технології отримання пористих проникливих матеріалів з використанням порошків сталі ШХ15, а також комплексному дослідженню властивостей даних фільтруючих ППМ.

Показано, що для забезпечення потрібного комплексу властивостей потрібно створити градієнтні пористі структури за рахунок технологій сухого радіально-ізостатичного пресування.

Розроблено обладнання для сухого радіально-ізостатичного пресування фільтруючих ППМ, а саме: напівпромислова установка для СР-ІП, яка дозволяє отримувати фільтруючі вироби різної природи і форми з граничними розмірами 40 220, ( р 1000 МПа).

На основі проведених досліджень розроблено:

- технологію отримання фільтруючих ППМ з порошків сталі ШХ15 для сухого радіально-ізостатичного пресування;

- технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ з порошків сталі ШХ15 та пороутоврювача.

У результаті виконання роботи виявлені та показані перспективи розвитку процесів отримання фільтруючих матеріалів багатофункціонального призначення, зокрема показана перспектива використання методу саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС-процесу) для отримання фільтруючих ППМ з порошків сталі ШХ15.

Ключові слова: порошки сталі ШХ15, градієнтні пористі проникливі матеріали, сухе радіально-ізостатичне пресування, проникливість, пористість, пороутворювач, корозійна стійкість.



АННОТАЦИЯ

Повстяной О.Ю. Усовершенствование технологии изготовления пористых проницаемых материалов с использованием отходов промышленного производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2007.

Диссертация посвящена усовершенствованию технологии получения пористых проницаемых материалов с использованием порошков стали ШХ15, а также комплексному исследованию свойств фильтрующих ППМ.

Показано, что для обеспечения нужного комплекса свойств нужно создать градиентные пористые структуры за счет технологий сухого радиально-изостатического прессования, а также установлено, что для изготовления высокопористых фильтрующих изделий, как простой, так и сложной формы, однослойных и многослойных, наиболее рациональной схемой формирования является радиальная схема.

Разработано оборудование для сухого радиально-изостатического прессования фильтрующих ППМ, а именно полупромышленная установка для СР-ІП, которая позволяет получать фильтрующие изделия разной природы и формы с предельными размерами 40 220 ( р 1000 МПа).

На основе проведенных исследований разработано:

- технологию получения фильтрующих ППМ из порошков стали ШХ15 для сухого радиально-изостатического прессования. Установлено, что СР-ИП с применением разработанной технологии повышает равномерность порораспределения фильтрующих ППМ на основе порошка ШХ15 на 20-30% и увеличивает проницаемость на 15-20% по сравнению с аналогичными фильтрующими ППМ на основе 12Х18Н10 за счет более равномерного деления пористости по объему;

- технологический процесс получения многослойных градиентных фильтрующих ППМ из порошков стали ШХ15 и порообразователя. Исследовано основные характеристики трехслойных градиентных фильтрующих ППМ на основе порошка ШХ15 и порообразователя, таких как пористость, проницательность, максимальный размер пор, механическая прочность, надежность, срок службы. Показанная эффективность трехслойного фильтрующего ППМ в сравнении с однослойным ППМ, которая составляет 82%.

В результате выполнения роботы показаны перспективы развития процессов получения фильтрующих материалов многофункционального назначения, в частности доведена перспектива использования метода самораспространяющего высокотемпературного синтеза (СВС-процесса) для получения фильтрующих ППМ из порошков стали ШХ15.

Ключевые слова: порошок стали ШХ15, градиентные пористые проницаемые материалы, сухое радиально-изостатическое прессование, проницаемость, пористость, порообразователь, коррозионная стойкость.



THE SUMMARY

Povstyanoy A.Yu. The improvement of the production technology of porous penetrating materials with the utilization of industrial waste. - The manuscript.

The dissertation for the master of technical sciences degree obtaining, the specialty 05.02.01 - Material Science. - Lutsk State Technical University, Lutsk, 2007.

The dissertation is dedicated to the improvement of technology of getting porous penetrating materials with the usage of powders of steel BBS15 and also of complex research of the properties of given filtering of porous penetrating materials (PPM).

To provide the necessary complex of properties the gradient porous structures at the expense of the technologies of dry radial-isostatic press should be created.

On the basis of theoretical and experimental researches the equipment for dry radial-isostatic press of filtering of PPM was elaborated, namely semiindustrial arrangement for dry radial-isostatic press, which allows to get filtering products of different nature and form with maximum dimensions Ш40Ч220 (p ? 1000 MPa).

On the basis of theoretical and experimental researches which were realized, the following paragraphs are worked out:

- the technology of getting filtering of porous penetrating materials from the powders of steel BBS15 for dry radial-isostatic press;

- the technological process of getting laminated gradient filtering of porous penetrating materials with the powders of steel BBS15 and vapour-maker.

As a result, in the process of work the perspectives and the development of getting filtering materials of multifunctional assignment were disclosed and shown, namely the perspective of usage of method of selfextention, of high temperature synthesis (HTS) for getting filtering of porous penetrating materials with powders of steel BBS15.

Key words: powders of steel BBS15, gradient porous penetrating materials, dry radial-isostatic press, penetrating, porous, poremaker, corrosion-resistancy, filtering materials.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з головних задач реального сектору економіки України на сучасному етапі є підвищення конкурентоспроможності промислової продукції, що нерозривно пов'язано зі створенням нових матеріалів та виробів, підвищенням їх якості. У цьому відношенні порошкова металургія займає одне з пріоритетних місць, оскільки дає можливість отримувати пористі проникливі матеріали (ППМ) та на їх основі вироби заданого хімічного складу в широкому діапазоні експлуатаційних характеристик.

Технічне переозброєння виробництва, інтенсифікація технологічних процесів, розвиток галузей нової техніки висувають високі вимоги до експлуатаційних характеристик ППМ та виробів на їх основі, задовольнити які традиційними технологіями порошкової металургії практично неможливо. Звідси проводяться широкі дослідження у розробки нових технологій отримання ППМ та виробів із них з більш високими експлуатаційними характеристиками.

Економічна ефективність застосування ППМ забезпечується не тільки за рахунок високих структурних характеристик, але й на стадії їх виробництва через використання вторинної сировини (відходів промислового виробництва) і енергозбереження на всіх стадіях технологічного процесу.

Одним із перспективних методів отримання ППМ є методи, які спрямовані на створення ППМ з анізотропною структурою. Розміри та кількість пор у таких ППМ змінюються в напрямку фільтрації. До таких високоефективних ППМ з неоднорідною пористою структурою відносять багатошарові, у яких кожний шар виготовлений із порошків різного гранулометричного складу. Фільтруючі вироби з таких матеріалів мають брудоємність, термін служби та продуктивність набагато вищу, ніж одношарові фільтри.

За останні 50 років опубліковано багато монографій фундаментальних досліджень, які розкривають ті чи інші аспекти, що пов'язані з отриманням та застосуванням ППМ. Серед авторів цих робіт відомі українські та закордонні вчені, такі як Р.А.Андрієвський, В.Н.Анциферов, М.Ю.Бальшин, С.В.Бєлов, Л.С.Богінський, П.А.Вітязь, Г.М.Жданович, В.М.Капцевич, А.Г.Косторнов, О.П.Реут, О.В.Роман, В.Д.Рудь, В.В.Скороход, І.М.Федорченко, В.К.Шелег, Б.Ф.Шибряєв, М.Б.Штерн та багато інших.

У зв'язку з цим, проведення теоретичних та експериментальних досліджень, які спрямовані на розроблення наукових основ, методів та технологічних процесів створення фільтруючих багатошарових градієнтних ППМ з використанням порошків сталі ШХ15, які володіють підвищеними експлуатаційними характеристиками, устаткування для пресування відповідних виробів, методів та пристроїв контролю їх якості, а також їх практичне впровадження, є сучасною та актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною планів науково-дослідних робіт, які виконувались на замовлення Міністерства освіти та науки України “Розробка теоретичних основ консолідації в сучасному матеріалознавстві” за напрямком 04.07 “Економічні порошкові технології в металургії, металообробці та інших галузях виробництва” (номер державної реєстрації 0103000279, 2003р.), “Вдосконалення технології та обладнання для виготовлення фільтруючих матеріалів з промислових відходів” за напрямком 04.07 “Економічні порошкові технології в металургії, металообробці та інших галузях виробництва” (номер державної реєстрації 0105 000806, 2005р.) та договору про науково-технічну співпрацю № 127/н між Луцьким державним технічним університетом (ЛДТУ) й Інститутом підвищення кваліфікації та перепідготовки кадрів за новими напрямками розвитку техніки і технології при Міністерстві освіти республіки Білорусь.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи забезпечення фізичних та експлуатаційних властивостей градієнтних пористих порошкових матеріалів із використанням порошків сталі ШХ15 за рахунок теоретичного, технологічного та інструментального забезпечення технології їх виготовлення.

Для реалізації мети поставлені такі задачі:

- провести комплекс теоретичних та експериментальних досліджень для визначення і прогнозування властивостей фільтруючих пористих порошкових матеріалів на основі порошків сталі ШХ15;

- на підставі аналізу ущільнення порошків стосовно до виробів з градієнтною структурою визначити раціональну схему та спосіб пресування;

- сформулювати та обґрунтувати основні принципи керування властивостями багатошарових градієнтних пористих структур, що отримані з порошків сталі ШХ15 за рахунок використання засобів радіально-ізостатичного ущільнення;

- на основі проведених досліджень розробити та впровадити у виробництво фільтруючі пористі порошкові матеріали й конструкції фільтрів на основі порошків сталі ШХ15.

Об'єкт дослідження пористі проникливі матеріали для отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ із порошку сталі ШХ15, методи та пристрої контролю їх характеристик.

Предмет дослідження - технологія отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ із порошку сталі ШХ15 для фільтрації рідин та газів з підвищеним комплексом експлуатаційних характеристик.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувались сучасні методи, прилади та обладнання. Сухе радіально-ізостатичне пресування та формування фільтруючих ППМ досліджували на оригінальних експериментальних і дослідних установках, які розроблені і виготовлені в ЛДТУ та Білоруському національному технічному університеті (м. Мінськ). Дослідження топографії поверхні та мікроструктури порошків і пресованих матеріалів, а також вимірювання густини за товщиною виробу проводили за допомогою скануючого електронного мікроскопа CAMSCAN з аналізатором EDX (“Оптон”, Німеччина) і на металографічному мікроскопі моделі МИМ-10 (“Металографія”, Росія). Гранулометричний склад порошків визначали на автоматичному аналізаторі частинок моделі ТА (“Культронікс”, Франція). Фазово-структурний аналіз порошків визначали за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-3.0 (“Прибор”, Україна). Пористість, максимальний і середній розміри пор, коефіцієнт проникності ППМ визначали за ГОСТ 25281-82 і ГОСТ 25283-82. Для визначення та перевірки пористості, максимального і середнього розмірів пор використовувалося сучасне програмне забезпечення для металографічного аналізу („PHOTOM”, „OPTIMAS”, „ВИДЕОТЕСТ VT4” та „IMAGE EXPERT PRO3”). Для обробки результатів досліджень використовувався сучасний математичний апарат (STATISTICA 6) і програмне забезпечення (T-FLEX CAD 8).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблені принципи керування фізичними та експлуатаційними властивостями градієнтних пористих порошкових матеріалів із використанням порошків сталі ШХ15 за рахунок теоретичного, технологічного та інструментального забезпечення технології їх виготовлення.

2. На підставі результатів досліджень обґрунтована та експериментально підтверджена ефективність використання для одержання фільтруючих ППМ порошків сталі ШХ15, що отримані у результаті утилізації шліфувальних шламів підшипникового виробництва.

3. Сформульовано й обґрунтовано принципи отримання градієнтних проникливих матеріалів як пакета пористих циліндричних шарів, які ущільнюються засобами ізостатичного пресування.

4. На підставі сформульованих принципів удосконалена схема сухого радіально-ізостатичного пресування (СР-ІП) з метою отримання довгомірних градієнтних проникливих матеріалів та запропоновані нові конструкції інструменту для реалізації методу СР-ІП з використанням стандартного пресового обладнання.

5. На відміну від попередніх досліджень вивчено вплив пороутворювача на формування структури градієнтних пористих проникливих матеріалів. Показано, що використання порошку карбаміду CO(NH₂)₂ як пороутворювача дає можливість регулювати пористість шарів, оптимізувати їх товщину та забезпечити у фільтрах високі експлуатаційні властивості. Показано, що спрямоване регулювання структури ППМ дає можливість підвищити ступінь очищення при одночасному збільшенні проникливості та брудоємності фільтрів.

Практичне значення одержаних результатів. Для отримання рівномірного розподілу густини по об'єму фільтруючого ППМ вдосконалено обладнання та інструмент для сухого радіально-ізостатичного пресування фільтруючих ППМ:

- напівпромислова установка для СР-ІП, яка дає можливість отримувати фільтруючі вироби з різноманітних матеріалів складної форми;

- набір багатошарових еластичних оболонок для пресування фільтруючих ППМ, використання яких економить приблизно у 2,5…3 рази вартісний еластичний матеріал на основі поліуретану.

Для отримання високоефективних та прогресивних фільтруючих ППМ розроблено нову технологію отримання фільтрів із порошків сталі ШХ15 та новий технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ із порошків сталі ШХ15 та пороутворювача.

Практична спрямованість проведених досліджень підтверджена впровадженням конкретних результатів роботи на ряді підприємств:

- на ВАТ “Електротермометрія” (м.Луцьк, Україна) впроваджено одношарові та двошарові фільтруючі матеріали на основі порошку ШХ15 для очищення технічної води від механічних забруднень і використання їх у водолічильниках;

- на ВАТ “Луцький підшипниковий завод” (м.Луцьк, Україна) впроваджено для очищення змащувально-охолоджувальних рідин та мастил трьохшарові ППМ із порошку ШХ15 та пороутворювача для грубої, нормальної та тонкої очистки;

- для ТзОВ “НПФ-Матеріал-К” (м.Тула, Росія) розроблено та впроваджено технологічний процес сухого радіально-ізостатичного пресування порошків з наступним спіканням пресовок з метою отримання пористих проникливих матеріалів;

- для Всеросійського науково-дослідного інституту неорганічних матеріалів ім. А.А.Бочвара (м.Москва, Росія) розроблено та впроваджено технологічний процес сухого радіально-ізостатичного пресування сумішей порошків з наступним спіканням пресовок у режимі саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу з метою отримання ППМ.

Основні результати роботи, методики досліджень використані у навчальних курсах ЛДТУ: “Технологічні основи одержання виробів з порошкових матеріалів”, “Порошкові та композиційні матеріали”, “Маловідходні технології в машинобудуванні”, “Прогресивні технології в машинобудуванні”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно і вирішують важливу науково-прикладну задачу в галузі матеріалознавства - отримання та комплексне дослідження властивостей багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ із відходів промислового виробництва, зокрема порошків сталі ШХ15.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень автором було розроблено математичну модель процесу отримання багатошарових фільтруючих ППМ із порошку сталі ШХ15 та пороутворювача зі змінною по перерізу пористістю (градієнтні фільтруючі ППМ), на основі якої встановлені функціональні залежності експлуатаційних характеристик ППМ, отримані методом пошарового пресування, від кількості шарів порошку з пороутворювачем, а також від кількості пороутворювача у кожному шарі та їх товщини, розмірів частинок забруднювача та його концентрації.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: аналіз традиційних процесів ізостатичного пресування порошкових матеріалів [3, 4]; опис процесу засипки сферичних частинок [6]; дослідження структури та визначення пористості ППМ з порошку сталі ШХ15 [7]; опис процесу ударного радіально-ізостатичного пресування виробів із порошкових матеріалів [8]; дослідження структури та визначення пористості фільтруючих матеріалів за допомогою прикладних програм [9]; проведені експериментальні дослідження обробки тиском порошкових та пористих матеріалів [10]; металографічне дослідження металевого порошку сталі ШХ15 [1, 12]; проведення теоретичних та експериментальних досліджень з удосконалення обладнання для отримання пористих проникливих матеріалів [2, 16, 17, 19, 20]; створення автоматизованої системи проектування установок для сухого радіально-ізостатичного пресування на базі T-FLEX [11]; експериментальний аналіз конструкцій установок [13, 14, 15]; розробка технологічного процесу отримання фільтрів з порошку сталі ШХ15 [18].

Експериментальні дослідження властивостей фільтруючих ППМ з відходів промислового виробництва проводилось спільно з ІПК та ПК МО Республіки Білорусь згідно з договором про науково-технічну співпрацю.

Постановка задач досліджень, формулювання висновків та рекомендацій виконувалися автором за участю наукового керівника Рудя В.Д. та наукового консультанта Заболотного О.В.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені на XVIII-XXI науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛДТУ протягом 2003-2006рр.; міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах” - Вінниця, 2006р.; міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні” - Краматорськ, 2006р.; IV-й міжнародній конференції “Матеріали та покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва та утилізації виробів” - Велика Ялта, АР Крим, 2006р.

Публікації. Основні наукові результати, що отримані у дисертаційній роботі, опубліковані у 20 наукових роботах, із них 13 статей у провідних фахових виданнях та 7 патентів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота за структурою складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Роботу викладено на 151 сторінках машинописного тексту, що містить 60 ілюстрацій та 11 таблиць, список використаних джерел із 175 найменувань наведено на 18 сторінках та додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, наукова та практична важливість проблеми створення багатошарових градієнтних пористих проникливих матеріалів з відходів промислового виробництва.

У першому розділі роботи аналізується сучасний стан технології виготовлення, дослідження та використання фільтруючих пористих проникливих матеріалів, обґрунтовується вибір раціональної схеми пресування ППМ та вихідного матеріалу - порошку сталі ШХ15.

Аналіз літературних джерел з переробки металомістких відходів виробництва сталі ШХ15 показав, що на сьогоднішній день розроблений достатньо великий ряд технологій отримання порошку зі стружкових і шламових відходів інструментальних та підшипникових сталей. Показано, що суттєвими недоліками існуючих способів отримання порошку сталі ШХ15 є те, що частинки подрібненого спеку за власними фізико-механічними властивостями є недостатньо якісними. Тому запропоновано використовувати як дешевий вихідний матеріал для виготовлення фільтруючих ППМ порошок сталі ШХ15, отриманий за новою технологією переробки шламових відходів.

Показано, що при виготовленні фільтруючих ППМ, які відповідають сучасним вимогам, найбільше раціональною є радіальна схема пресування, і вона може бути основою для створення нових та вдосконалення існуючих технологій виготовлення ППМ, обладнання та інструменту, нового виду продукції - багатошарових фільтрів різноманітного призначення.

У другому розділі наведена методика дослідження основних експлуатаційних властивостей фільтруючих ППМ.

Серед існуючих методів дослідження пористої структури фільтруючих матеріалів було вибрано три методи визначення пористості - метод вихрових струмів, металографічний метод та металографічний метод за допомогою прикладних програм („PHOTOM”, „OPTIMAS”, „ВИДЕОТЕСТ VT4” та „IMAGE EXPERT PRO 3”). За допомогою вищенаведених прикладних програм визначали характеристики, необхідні для якісної та кількісної оцінки структури.

Коефіцієнт проникливості фільтруючих ППМ та максимальний розмір пор визначали за допомогою установки для визначення проникливості ППМ. Особливою відмінністю такої конструкції є можливість визначення проникливості відразу чотирьох досліджуваних зразків з різною пористістю, або необхідної кількості ППМ, а також можливість багаторазового використання дослідних зразків з урахуванням регенерації фільтруючих матеріалів. Пропонована конструкція розроблена для вимірювання проникливості типу тіл обертання: втулок, трубок тощо.

При вибраному методі визначення проникливості похибка, яка розрахована для продуктивності не більше 0,8 м³/с, не перевищила ± 6%.

З метою підвищення точності вимірювання та спрощення процесу вимірювання властивостей фільтруючих ППМ розроблена напівпромислова установка для визначення абсолютної і номінальної тонкості фільтрування, брудоємності, міцності, надійності та терміну служби фільтруючих ППМ. Принципово установка може бути складена як з однієї секції, так і з багатьох. Це залежить від необхідної точності визначення абсолютної та номінальної тонкості фільтрування.

Трубчасті фільтруючі ППМ виконані знімними для здійснення їх регенерації у будь-який спосіб (продувкою, промивкою чи їх комбінацією), не порушуючи контролю структурних, проникливих та капілярних

Вказана установка дає можливість зберегти стабільну за часом концентрацію забруднювача, і, відповідно, підвищити точність вимірювань вищеперерахованих характе- ристик.

У третьому розділі наведено результати робіт з удосконалення обладнання для пресування та технології отримання фільтруючих ППМ з використанням порошків сталі ШХ15 та досліджень властивостей пористих проникливих матеріалів.

Для отримання фільтруючих ППМ було спроектовано та виготовлено нову установку для пресування ущільнювальних матеріалів різного роду: металічні та керамічні порошки, графіт, волокна, дріт, сітка, тощо.

Проведений фазово-структурний аналіз даного вихідного матеріалу за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-3.0 показав, що фаза зі структурою б-Fe становить приблизно 93-95%, що свідчить про досить високий вміст заліза у порошку.

Фільтруючий ППМ Ш40Ч220 мм, отриманий методом сухого радіально-ізостатичного пресування із порошку ШХ15, зображений на рис.6. Рис.7 демонструє структуру фільтруючого матеріалу: видно об'ємну пористість і мікропористість частинок. Остання обставина збільшує питому поверхню фільтруючого матеріалу і, як результат, його адсорбційні властивості, що особливо важливо для фільтрів, які використовуються для очистки рідин та газів.

Наведені результати експериментів свідчать, що такі основні характеристики фільтруючих матеріалів на основі порошку сталі ШХ15, як рівномірність розподілу пористості по об'єму, розподіл коефіцієнта проникливості за січенням фільтру та об'ємна пористість добре узгоджуються з результатами характеристик фільтруючих ППМ на основі порошку сталі 12Х18Н10. А це означає, що ППМ з порошку сталі ШХ15 не гірші за характеристиками за ППМ з порошку сталі 12Х18Н10, проте значно дешевші і це робить їх конкурентоспроможними за аналогічні фільтруючі матеріали.

У четвертому розділі викладено наукові засади розроблення технологічного процесу отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ та представлено результати експериментальних досліджень властивостей багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ з порошків сталі ШХ15.

Для підвищення формуємості у шихту порошків вводили допоміжний матеріал (пороутворювач), який потім виводиться або в процесі спікання, або відразу після спікання заготовки - порошок карбаміду CO(NH₂)₂.

За допомогою такого пороутворювача можна отримати задане поророзподілення по перерізу зразка фільтруючих ППМ, що забезпечує високі експлуатаційні властивості.

Проведені експериментальні дослідження з оптимізації експлуатаційних характеристик багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ з порошку сталі ШХ15 та пороутворювача дозволили розробити новий технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ.

Новий технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ з порошку сталі ШХ15 та пороутворювача включає такі основні операції:

- підготовка вихідних металічних порошків та пороутворювача (вибір потрібного гранулометричного складу порошку ШХ15 та пороутворювача порошку карбаміду CO(NH₂)₂, контроль їх технологічних властивостей);

- дозування кожного шару (наприклад, 80% металічного порошку ШХ15, 20% пороутворювача по об'єму);

- приготування шихти у змішувачі типу “п'яна бочка” об'ємом 2 дм³. Змішування проводиться у режимі перекочування при швидкості обертання n=80-120 об/хв. При змішуванні використовуються стальні кулі діаметром 12 мм у кількості 8 шт. Корпус, кулі та основні деталі змішувача виготовлено із сталі Х18Н9Т. Час змішування становить 2 год;

- поетапне дозування (засипка) кожного шару в форму, яке здійснювалось на вібростенді з метою забезпечення рівномірної насипної густини по довжині (об'єму) виробу.

- пресування одношарової засипки при тиску 500 МПа на установці сухого радіально-ізостатичного пресуванняю

- засипка у ту ж саму форму та пресування другого шару шихти при тиску:

де P_i - тиск пресування i-го шару;

P_n - мінімальний тиск, при якому заготовка зберігає форму (P_n=150 МПа);

N - номер шару заготовки;

- спікання сформованої заготовки у вертикальній вакуумній печі протягом таких інтервалів: I--1,5 год із температурою 200-1000⁰С для видалення пороутворювача; II--2 год з температурою 1000-1050⁰С; III-- 2,5 год з температурою 1050-100⁰С;

- контроль геометричних розмірів та експлуатаційних характеристик готових фільтруючих ППМ.

Структура тришарового фільтруючого ППМ з порошку сталі ШХ15 та пороутворювача показана на рис.12.

Аналіз отриманих результатів показує, що розподіл частинок забруднювача за розмірами не суттєво впливає на такі характеристики, як розмір пор, коефіцієнт проникливості та пористість. Це дає змогу говорити про ефективне використання фільтруючих матеріалів з порошків сталі ШХ15, особливо багатошарових градієнтних фільтрів.

У результаті виконання роботи виявлено та показано перспективи розвитку процесів отримання фільтруючих ППМ, зокрема можливість використання методу саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС-процес) для отримання фільтруючих ППМ з порошку сталі ШХ15.

Сумарний річний економічний ефект від впровадження результатів досліджень складає 58400 грн.



ВИСНОВКИ

Теоретичні та практичні результати, що одержані в результаті виконання дисертаційної роботи, зводяться до такого:

1. На основі літературних досліджень доведено, що до перспективних високоефективних ППМ з неоднорідною пористою структурою належать багатошарові фільтруючі вироби. Встановлено, що технологія виготовлення виробів впливає на форму, розмір пор та розподіл пористості по об'єму.

2. Встановлено, що потрібний комплекс властивостей пористих проникливих матеріалів можна забезпечити шляхом створення градієнтних структур виробів.

3. Доведено, що при виготовленні високопористих фільтруючих виробів як простої, так і складної форми, одношарових та багатошарових найбільш раціональною схемою формування є радіально-ізостатична.

4. Удосконалено обладнання та інструмент для сухого радіально-ізостатичного пресування фільтруючих ППМ, а саме: напівпромислова установка для СР-ІП, яка дозволяє отримувати фільтруючі вироби різної природи і форми з граничними розмірами 40 220, ( р 1000 МПа).

5. На основі проведених досліджень розроблено:

- технологію отримання фільтруючих ППМ з відходів промислового виробництва для сухого радіально-ізостатичного пресування фільтруючих ППМ. Встановлено, що СР-ІП із застосуванням розробленої технології підвищує рівномірність поророзподілу фільтруючих ППМ на основі порошку ШХ15 на 20-30% і збільшує проникливість на 15-20% порівняно з аналогічними фільтруючими ППМ на основі 12Х18Н10 за рахунок більш рівномірного розподілу пористості по об'єму;

- технологічний процес отримання багатошарових градієнтних фільтруючих ППМ з відходів промислового виробництва та пороутворювача.

6. Досліджено основні характеристики тришарових градієнтних фільтруючих ППМ на основі порошку ШХ15 та пороутворювача, таких як пористість, проникливість, максимальний розмір пор, механічна міцність, надійність, строк служби. Показана ефективність тришарового фільтруючого ППМ порівняно з одношаровим ППМ, яка складає 82%. Встановлено, що фільтруючі матеріали, які отримані за встановленими режимами, мають коефіцієнт проникливості в 3, а ресурс та брудоємність у 1,5 рази вищі порівняно з одношаровими фільтруючими матеріалами, при цьому маса фільтра на 20 % менша.

7. У результаті виконання роботи виявлені та показані перспективи розвитку процесів отримання фільтруючих матеріалів багатофункціонального призначення, зокрема показана перспектива використання методу саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС-процесу) для отримання фільтруючих ППМ з відходів промислового виробництва.

8. Основні результати і методики впроваджені на ВАТ „ЛПЗ” (м.Луцьк, Україна), яке входить до складу фірми „SKF”, ВАТ “Електротермометрія” (м.Луцьк, Україна), ТзОВ “НПФ - Матеріал - К” (м.Тула, Росія), Всеросійському науково-дослідному інституті неорганічних матеріалів ім. А.А.Бочвара (м.Москва, Росія).



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Рудь В.Д., Гальчук Т.Н., Повстяной А.Ю. Использование отходов подшипникового производства в порошковой металлургии // Порошковая металлургия.--2005. --№ 1-2 .-- С.106-112.

2. Повстяной О.Ю., Заболотний О.В., Сомов Д.О., Сичук В.А. Удосконалення обладнання для отримання виробів методом сухого радіально-ізостатичного пресування ущільнювальних матеріалів // Восточно-Европейский журнал передовых технологий.--2006.--№2/1 (20) .-- С.74-78.

3. Реут О.П., Богинский Л.С., Саранцев В.В, Повстяной А.Ю. Разработка новых энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения керамических материалов и изделий на их основе // Огнеупоры и техническая керамика.--2006. --№ 4.-- С.26-34.

4. Заболотний О.В., Повстяной О.Ю., Рудь В.Д. Розвиток процесів ізостатичного пресування ущільнювальних порошкових середовищ // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2001. Випуск 9. - С. 152-156.

5. Повстяной О.Ю. Визначення економічності роботи пористих проникливих матеріалів // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2002. Випуск 10. - С. 167-170.

6. Повстяной О.Ю., Сергєєв В.В. Дослідження процесу засипки сферичних частинок з використанням комп'ютерної моделі // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2002. Випуск 11. - С. 240-244.

7. Повстяной О.Ю., Рудь В.Д., Заболотний О.В. Дослідження структури та визначення пористості фільтруючих матеріалів, отриманих із порошку сталі ШХ15 // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2003. Випуск 13. - С.249-254.

8. Заболотний О.В., Повстяной О.Ю. Розрахунок часових параметрів процесу ударного радіально-ізостатичного пресування виробів із порошкових матеріалів // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2004. Випуск 14. - С.78-85.

9. Повстяной О.Ю., Заболотний О.В., Чміль І.І. Комп'ютерні методи дослідження в металографічному аналізі за допомогою прикладних програм // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2004. Випуск 15. - С.244-251.

10. Рудь В.Д., Заболотний О.В., Гальчук Т.Н., Повстяной О.Ю., Клепач Л.М. До експериментального визначення поверхні навантаження металевих порошків // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2005. Випуск 17. - С.304-309.

11. Повстяной О.Ю., Заболотний О.В. Автоматизація проектування установок для сухого радіально-ізостатичного пресування на основі параметризації // Наукові нотатки. - Луцьк: ЛДТУ, 2006. Випуск 18. - С.159-164.

12. Патент України № 63558 А МПК 7 В22F9/04. Спосіб отримання металевого порошку з шламових відходів підшипникового виробництва / В.Д.Рудь, Т.Н.Гальчук, О.Ю.Повстяной; Заявл.06.05.03; опубл. 15.01.04. Бюл.№1, 2004.

13. Патент України № 63676 А МПК 7 В22F3/04. Пристрій для сухого радіально-ізостатичного пресування порошкових матеріалів / В.Д.Рудь, О.В.Заболотний, О.Ю.Повстяной; Заявл.28.05.03; опубл. 15.01.04. Бюл.№1, 2004.

14. Патент України № 63675 А МПК 7 В22F3/04. Пристрій для сухого радіально-ізостатичного пресування порошкових матеріалів на матрицю / В.Д.Рудь, О.В.Заболотний, О.Ю.Повстяной; Заявл.28.05.03; опубл. 15.01.04. Бюл.№1, 2004.

15. Патент України № 4623 U МПК 7 В01D35/02. Фільтр / В.Д.Рудь, О.Ю.Повстяной, О.В.Заболотний,; Заявл.01.07.04; опубл. 17.01.05. Бюл.№1, 2005.

16. Патент Республики Беларусь № 2252 U МПК В22F3/00, 2005. Устройство для прессования изделий из порошков / Саранцев В. В., Богинский Л.С., Повстяной А.Ю., Заболотный О.В., Сомов Д.О.; Заявл.07.04.2005; опубл. 30.12.2005.

17. Патент Республики Беларусь № 2252 U МПК В22F3/00, 2006. Устройство для прессования изделий из порошков / Саранцев В. В., Богинский Л.С., Повстяной А.Ю.; Заявл.26.10.2005; опубл. 30.04.2006.

18. Патент України на винахід № 76002 C2 МПК (2006) В01D 39/00. Спосіб отримання фільтрів / О.Ю.Повстяной, В.Д.Рудь,; Заявл.16.06.04; опубл. 15.06.06. Бюл.№6, 2006 р.

19. Повстяной О.Ю., Заболотний О.В. Розвиток обладнання та оснащення обробки тиском для ізостатичного пресування порошкових матеріалів // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич.зб.наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - С.450-454.

20. Заболотний О.В., Сомов Д.О., Повстяной О.Ю., Сичук В.А. Використання модульних конструкцій при отриманні виробів методом радіально-ізостатичного пресування. Міжнародна науково-технічна конференція // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах. Тези доповідей - Вінниця: ВНТУ, 2006. - С.113-116.

Размещено на Allbest.ru

...