Закономірності зміни міжчастинкових контактів в процесі технологічної переробки порошку титану

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІональна академія наук україни

інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича

УДК 621.762: 669.295

Спеціальність 05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали

автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Закономірності зміни міжчастинкових контактів в процесі технологічної переробки порошку титану

Назаренко

Володимир Андрійович

Київ

2010



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, член-кор НАН України Гогаєв Казбек Олександрович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, зав. відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сердюк Геннадій Георгійович Інститут проблем матеріалознавства НАН України, провідний науковий співробітник. доктор технічних наук, професор

Роїк Тетяна Анатоліївна Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри фізики металів

Захист відбудеться „ 5 " липня 2010 р. о __10___год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича

НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий „__2__" червня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Р.В. Мінакова



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Титан - один з найбільш перспективних металів, оскільки він має ряд безперечних переваг перед іншими металами. Перш за все, це пов'язано з поєднанням в ньому малої ваги і високої міцності, корозійної стійкості та біосумісності.

В силу ситуації, що історично склалася, володіючи великими запасами титанової сировини і потужностями по виробництву титанової губки, Україна вимушена купувати титанові вироби і напівфабрикати. Відсутність запасів нікелю диктує необхідність заміни нержавіючих сталей на титанові сплави в хімічній і харчовій промисловості.

Проблема конкурентноспроможності порошкової технології з традиційними технологіями великої металургії обговорюється давно. Особливо зросла роль порошкової технології останніми роками, коли виникла необхідність виготовлення титанових сплавів з наддрібним зерном і створенням титанових композицій, склад яких не може бути реалізований у литому стані внаслідок специфіки умов лиття і особливостей фізіко-хімічних реакцій при передплавильних температурах.

Вироби з порошкового титану потребують високих властивостей, бо їх знижені значення, порівнянно з традиційним металургійним титаном, обмежує використання порошкових титанових виробів у промисловому виробництві. Розкид у властивостях порошкових виробів, як показав В.Ю. Дорофєєв, залежить від якості міжчастинкових контактів при інших однакових умовах. Це питання тісно пов'язане з принципами структурної інженерії порошкових матеріалів, які розвинуті на основі реологічних та структурно-геометричних підходів в роботах відомих вітчизняних вчених в галузі порошкової металургії - В.В.Скорохода, С.М. Солонина, М.С. Ковальченко, А.Г. Косторнова, М.Б. Штерна, та структурно - фізичних підходів розвинутих в роботах співробітників школи В.І. Трефілова. Ці підходи можливо використати для вивчення природи і оцінки якості міжчастинкових контактів у порошковому титані і на основі встановлених закономірностей удосконалити технологію виготовлення виробів з нього і тим самим сприяти впровадженню у промисловість виробів з порошкового титану з підвищеними властивостями. Тому тема дисертації є актуальною.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей зміни міжчастинкових контактів порошкового титану, розробка нової методики комплексної оцінки їх фізико-механічних властивостей і вдосконалення на цій основі технології виготовлення виробів з титанових порошків.

Для досягнення цієї мети були поставлені завдання:

1. Встановити залежності механічних властивостей неспечених і спечених пресовок від поруватості та розміру частинок титанового порошку.

2. Встановити залежності модуля пружності виміряного при трьох випробуваннях на згин, стиснення і методом акустичного резонансу від поруватості.

3. Розробити методику комплексної оцінки властивостей міжчастинкових контактів, яка б дозволяла порівнювати умови формування контакту залежно від структури матеріалу.

4. Знайти закономірності процесу структуроутворення і формування електричного, механічного і фізичного контакту при виготовленні титанових зразків методом імпульсного гарячого пресування (ІГП).

5. Вдосконалити технологію виготовлення стрічок методом прокатки титанових порошків. Провести аналіз впливу структурних і технологічних параметрів на властивості титанової стрічки, отриманої прокаткою титанового порошку.

Об'єкт дослідження. Формування порошкових титанових матеріалів методами пресування, прокатування та імпульсного гарячого пресування.

Предмет дослідження. Закономірності зміни якості міжчастинкових контактів та їх вплив на механічні та електричні властивості порошкових титанових матеріалів, виготовлених різними процесами технологічної переробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень по виготовленню матеріалу з порошку титану, були отримані при виконанні робіт відповідно до наукової тематики НАН України:

- 1.6.2.14-97 "Фізичні основи досягнення граничних структурних станів та фізико-механічних властивостей титану та сплавів на його основі й оптимізація технології їх отримання та обробки" № ДР 0107U003439;

- 111-15-07 "Дослідження нелінійних ефектів при формуванні полів пружних хвиль та можливостей їх практичного використання для моделювання властивостей та акустодіагностики спечених металевих і композиційних матеріалів" № ДР 0107U000039;

- 1.6.2.17-04 "Дослідження закономірностей акустичного відображення елементів структури, дефектності і фізико-механічних властивостей компози-ційних та пористих матеріалів із складною структурою на різних ієрархічних рівнях" № ДР 0104U006141.

Цільова наукова програма "Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями, методів їх з'єднання і обробки" Ц/13-02 "Новий клас пластичних високоміцних конструкційних матеріалів на основі заліза, титану, алюмінію з мікро- та нанокристалічною структурою. Обгрунтування і розробка прогресивних технологій їх одержання" № ДР 0102U001244.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше встановлено залежності міцності і пластичності титанових пресовок від поруватості, а саме:

виявлено невідомі залежності параметрів міцності (модуль пружності та границя плинності) від поруватості для неспечених та спечених титанових матеріалів, що проявляються у суттєвій різниці цих величин, яка становить для неспечених матеріалів у діапазоні поруватості від 5 до 40 % до 50 разів, а для спечених матеріалів у тому ж діапазоні поруватості - до 10 разів; виявлено невідомі залежності параметрів пластичності (деформація до руйнування) від поруватості для неспечених та спечених титанових матеріалів, що проявляються у відсутності різниці цих величин у діапазоні поруватості від 5 до 40 %. Різниця з'является для спечених матеріалів при високих температурах спікання, коли починає формуватися фізичний контакт. Означені залежності дозволяють стверджувати, що мірою формування фізичного контакту є пластичні характеристики матеріалу.

2. Вперше запропоновано оригінальну методику для проведення порівняльного аналізу якості контакту за результатами вимірювання фізико-механічних характеристик зразків, а саме:

якість контакту, що визначається за результатами вимірювання електроопору, характеризується коефіцієнтом К_л, і визначається за формулою: К = [(_вим- _несп )/(_теор- _несп)]100%, якість контакту, що визначина за результатами вимірювання модуля пружності, характеризується коефіцієнтом К_Е, і розраховується як: К_E = [(Е_вим- Е_несп)/(Е_теор- Е_несп)]100%, якість контакту, що визначена за результатами вимірювання деформації до руйнування, характеризується коефіцієнтом Ке, і розраховується як: Кe = [(е_вим- е_несп)/( е_теор- е_несп)]100%. Для спрощення запропоновано називати ці параметри як коефіцієнти якості електричного (К), механічного (К_Е) та фізичного контактів (Ке), що відкриває можливість порівнювати умови формування контакту залежно від структури матеріалу, а також порівнювати умови формування електричного, механічного і фізичного контактів в пресовках з однаковою структурою.

3. Вперше для спечених титанових пресовок встановлено, що формування електричного та механічного контактів відбувається у діапазоні температур від 500 до 800^оС. Електричний контакт у титанових пресовках формується на 50 - 100^оС раніше механічного. Формування механічного контакту означає поступове зменшення в процесі спікання щілинних та площинних мікропорожнеч. Фізичний контакт формується при температурах 1000 - 1100 ^оС. Формування фізичного контакту означає перехід руйнування від міжчастинкового до транскристаллітного.

4. Вперше встановлено, що електричний. механічний і фізичний контакти при імпульсному гарячему пресуванні (ІГП) порошкового титану, формуються значно раніше ніж при спіканні. Це дозволяє розглядати метод ІГП в якості виробничого.

Практична значення одержаних результатів. Практичне значення результатів дисертаційної роботи представляють наступні її основні результати:

1. Встановлені параметри еволюції міжчастинкового контакту в порошковому титані при пресуванні і спіканні є базовими при створенні поруватих титанових виробів для фільтрів та виробів, призначених для використання в медицині, і служать основою для удосконалення режимів виготовлення титанових сплавів.

2. Результати досліджень механічних властивостей титанових зразків, отриманих імпульсним гарячим пресованням робить, технологію ІГП привабливою для отримання малогабаритних деталей. Оптимальні режими ІГП: Т_деф = 950 ^оС, початкова поруватість вихідної пресовки 20 %. При цих режимах деформації виготовлені зразки з порошкового титану, властивості яких не поступаються властивостям технічно чистого титану, отриманого за традиційною технологією.

3. Запропонована технологічна схема виготовлення компактної стрічки з порошку титану методом прокатки дозволяє отримати стрічки, які за механічними властивостями не поступаються аналогам, отриманим за традиційною технологією, і мають переваги перед нею завдяки зменшенню технологічних операцій.

4. Виготовлена дослідна партія стрічок з порошку титану, яка передана замовникові до Кореї для проведення їх випробувань в якості корпусів мобільних телефонів.

5. Виготовлена партія пористого листового прокату з порошку титану для науково-виробничого підприємства "Эсма-технология", який використовується як електрод-заземлювач з диоксид-марганцевим покриттям для електрохімічного антикорозійного захисту підземних трубопроводів у станціях катодного захисту.

Особистий внесок здобувача Усі основні результати отримані автором або при його безпосередній участі. Під час проведення досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автор здійснював постановку задачі, проводив експерименти, а також аналізував та узагальнював отримані результати.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 4 наукових симпозіумах, конференціях, семінарах, серед них: 9-я Международная конференция "Высокие давления - 2006. Фундаментальные и прикладные аспекты. (Судак, Крым, 17-22 сент. 2006 г.), 10 -я Международная конференция „Высокие давления - 2008. Фундаментальные и прикладные аспекты" (Судак, Крым, Украина, 15-20 сент. 2008 г.), Міжнародна конференція "Современные проблемы физики металлов." Киев, 7 - 9 жовтня. 2008 р., II Міжнародна науково-практична конференція "Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування "Луцьк. 2-5 червня 2009 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт. З них 14 робіт у фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України. Новизну отриманих результатів підтверджено 1 патентом.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, переліку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 142 сторінки, 28 рисунків і 24 таблиці, перелік використаних джерел із 141найменувань і 1 додаток.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та важливість обраної теми і показано зв'язок работи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету і завдання, які вирішуються, дана характеристика об'єкту, предмету і методи дослідження, відзначено особистий внесок автора, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів досліджень.

У першому розділі "Закономірності структуроутворення в порошкових матеріалах, отриманих з металевих порошків" зроблено огляд літературних даних про структуру порошкових матеріалів, отриманих холодним пресуванням і спіканням, гарячим пресуванням і прокаткою порошків. Проаналізована інформація про температурну чутливість електроопору та структурну чутливість параметрів міцності порошкових металевих матеріалів та титанових сплавів.

Особлива увага приділяється аналізу існуючих підходів щодо використання фізико-механічних характеристик для оцінки якості контактів. Обговорюються результати досліджень зміни електроопору від умов спікання, що наведені в роботах А.Г. Косторнова, В.В. Скорохода та С.М. Солоніна та ін. Цитуються результати робіт В.В. Скорохода та Г.І Фрідмана, в яких зміна швидкості пружних волн аналізується в залежності від умов спікання. Наведено результати робіт С.О. Фірстова та Ю.М. Подрезова, в яких умови формування досконалого контакту пов'язують із різким збільшенням трішиностійкості при підвищенні температури спікання. Правомірність такого підходу підтверджується фрактографічними дослідженнями. Зразки з недосконалим контактом демонструють міжчастинковий характер руйнування, при досконалому контакті зразки руйнуються по тілу зерна. У літературному огляді відзначається, що існує недостатня кількість робіт, де якість контакту аналізується у зв'язку зі зміною механічних характеристик в залежності від температури спікання. Це питання потребує особливої уваги, оскільки при створенні конструкційних матеріалів саме механічні властивості характеризують працездатність виробів.

У другому розділі "Процес ущільнення при пресуванні у жорсткій прес-формі і механічна поведінка пористих титанових пресовок" досліджено процес ущільнення при пресуванні у жорсткій прес-формі і механічні властивості поруватих титанових пресовок, обрано устаткування та обгрунтовано комплекс методів досліджень.

У роботі використано титановий порошок марки ПТЕС різних фракцій. Властивості вихідних порошків представлено в табл.1.

З кожної фракції методом холодного двостороннього пресування готували зразки двох видів: циліндри заввишки 9,6-14,7 мм і діаметром 11 мм, які використовували для випробувань на бразилійський тест і одновісне стиснення, і паралелепіпеди 5х7х45 мм, які використовували для випробувань на чотирьохточковий згин, у процесі пресування фіксували тиск пресування, а після випресовки вимірювали поруватість зразків.

Контактні явища, кінетичні особливости яких визначають фізичні властивості порошкових пресовок, починають своє життя у процесі формування порошка. Найпростіший процесс формування - пресування.

Таблиця 1

Властивості вихідних порошків титану

Фракція	Насипна густина, п, г/см3	Густина утрушування, у, г/см3	Коефіцієнт Хаузнера I = у/п	Текучість, с.
-063	1,34	1,68	1,25	30,9
-063 +05	1,32	1,58	1,20	36,5
-05 +0315	1,31	1,63	1,24	33,3
-0315 +02	1,32	1,63	1,23	30,0
-02 +01	1,24	1,58	1,28	29,8

Тому було досліджено криву ущільнення, побудовану в координатах напруження- пористість (рис. 1) для фракції -0315ч+02, а також проаналізовано закономірності формування цієї залежності.

Крива ущільненння проаналізована з використанням уявлень дилокаційної теорії деформаційного зміцнення. Прикладене зусилля, характеризує напруження, необхідне для деформаційного зміцнення твердої фази поруватого матеріалу. У випадку поруватого тіла величина цього напруження залежить також від наявності в матеріалі пор, які впливають на його перерозподіл. Величина пластичної деформації твердої фази пов'язана зі зміною поруватісті, оскільки деформація у поруватому тілі відбувається за рахунок зміни об'єму.

Для визначення параметрів деформаційного зміцнення компактного титану, було виконано серію додаткових експериментів на компактних титанових зразках марки ВТ 1-0, заздалегідь продеформованих прокаткою з різною величиною істинної деформації.

На їх основі була побудована єкспериментальна крива зміцнення, яка була апроксимована згідно з теорією Людвига функцією _т = ₀ + Keⁿ, де ₀ - границя плинності недеформованого матеріалу, K - коефіцієнт зміцнення, n - показник деформаційного зміцнення. Визначено за результатами експериментів параметри зміцнення титану складали: ₀ = 270 МПа, К = 380 МПа, n = 0,7.



Рис. 1. Криві ущільненості порошкового титану: Т1 (- - ­) - розрахована на основі уявлень дислокаційної теорії зміцнення, Т2 (-- ) - розрахована з урахуванням тривісної схеми напруження згідно В.В. Скороходу, І.Ф. Мартинової е = 0,181,7

Отримана крива деформаційного зміцнення твердої фази титану разом з відомими залежностями деформуючої напруги від пористості та еквівалентної деформації від зміни пористості при ущільненні були використані для розрахунку поточних значень напруги. Результати цих розрахунків порівняно з експериментальною кривою ущільнення. (на рис. 1 це розрахункова крива Т1). Розрахунок добре узгоджується з експериментом при великих пористостях, але дає низькі значення напруження при ущільненні малопористих матеріалів. Ця розбіжність пояснена з урахуванням зміни значення пластичного аналога ефективного коефіцієнта Пуасона від поруватості. Згідно з експериментальними даними Ю.Н. Подрезова і розрахункам М.С. Ковальченка, ефективний коефіцієнт Пуассона при одновісних схемах навантаження наближається до нульового значення при пористостях більших за 30 %. Це означає, що при великій пористості практично відсутні зміни розміру пресовки в поперечному перерізі і, як наслідок, практично немає бічного тиску на пресовку з боку стінок прес-форми. У цьому випадку розрахунок кривої ущільнення може бути проведений в рамках дислокаційної теорії деформаційного зміцнення без урахування впливу бічного тиску.

При малих пористостях бічний тиск стає суттєвим, що веде до зміни напруженого стану в пресовці. Для урахування цього ефекту в роботі було використано уявлення В.В. Скорохода та И.Ф. Мартиновой про зміну ефективного напруження при наявності тривісного напруженного стану. Внесення відповідної поправки дозволило отримати добре узгодження теорії з розрахунком в області малих пористостей, але дає низькі значення напруження при високій пористості (крива Т2).

Досліджено механічні властивості вихідних титанових пресовок з використанням різних методів випробування: на згин, на стиснення та на бразилійський тест. Проаналізовано вплив поруватості та розміру фракції на міцність та пластичність пресовок. Показано, що міцність пресовок при згині в 2-5 разів нижче, ніж при випробуваннях на бразилійський тест і більш ніж у 10 разів нижча, ніж при випробуваннях на стиснення.

Важливим є результат дослідження впливу пористості на модуль пружності, границю плинності та пластичність вихідних пресовок при випробуваннях на згин. Наведені на рис. 2 результати досліджень вказують на наявність різких залежностей модуля пружності, Е (рис. 2а), та границі плинності ₀₂ (рис. 2б), від пористості, які істотно сильніші, ніж для спечених пресовок, та слабкої зміни з пористістю пластичної деформації до руйнування, _пл (рис. 2в), яка значно слабша, ніж в спечених матеріалах.

а

б

в

Рис. 2. Залежність механічних властивостей від пористості при випробуваннях на згин: а - модуль пружності, б - границя текучості, в - деформація до руйнування ( _ -063; _ -05 + 0315; _ -0315 + 02)

Зміна фракційного складу практично не впливає на механічну поведінку досліджених пресовок.

Приведені закономірності вказують на те, що властивості спечених матеріалів визначаються процесами контактоутворення при їх формуванні.

У третьому розділі "Аналіз процесу контактоутворення в порошковому титані за результатами дослідження фізико-механічних властивостей при спіканні" розглянуто закономірності контактоутворення у пресовках титану після їх спікання при різних температурах та проаналізовано вплив структурних параметрів - пористості та розміру порошинок на якість міжчастинкового контакту, що утворюється при спіканні.

Запропонована оригінальна методика для проведення порівняльного аналізу якості контакту за результатами вимірювання фізико-механічних характеристик зразків. Для цього були визначені коефіцієнти, що характеризують якість електричного К, механичного К_Е и фізичного К_е контактів.

Електричний контакт - це контакт, якість якого визначається за результатами вимірювання питомого електроопору с, або питомої електропровідністі л, механічний контакт - це контакт, якість якого визначається за результатами вимірювання модуля пружності E, фізичний контакт - це контакт, якість якого визначається за результатами вимірювання істиної деформації у момент руйнування е_р.

Коефіцієнти якості контактів обчислюється у відсотках по наступним формулам.

коефіцієнт, що характеризує якість електричного контакту:

К = [(_вим - _несп )/(_теор- _несп)]100%,

коефіцієнт, що характеризує якість механічного контакту:

К_E = [(у_вим - у_несп )/(у_теор- у_несп)]100%,

коефіцієнт, що характеризує якість фізичного контакту:

Кe_р = [(е_рвим - е_рнесп)/(е_ртеор- е_рнесп)]100%,

де: , E, е_р - електропровідність, модуль пружності і деформація до руйнування, відповідно; індекс "теор" означає, що відповідна величина розрахована за наявності ідеального контакту, індекс "несп" означає. що величина виміряна на зразку в неспеченому стані, індекс "вим" означає, що властивості зразка були виміряні за заданих умов виготовлення матеріалу.

Розрахунок коефіцієнтів К, К_Е, Кe_р для різних структурних станів (різних пористостей і різного фракційного складу порошку) і побудова за ними залежностей якості контакту від температури спікання дозволяє порівнювати умови формування контакту. Криві змінення цих коефіцієнтів від температури мають S-подібний характер і у всіх випадках змінюються від 0 для неспеченої пресовки до 100 % в разі ідеально спеченого матеріалу. Використовуючи результати випробувань електричних і механічних властивостей спечених пресовок, побудовали залежності зміни якості контакту від температури спікання для зразків з різними поруватістю і розмірами порошку. Для прикладу, на рис.3 наведені залежності зміни коефіцієнта К від температури спікання для зразків фракції 05 + 0315 з різною пористістю (рис. 3а) та з пористістю 10% для різних фракцій (рис. 3б).

А

б

Рис. 3. Залежності зміни коефіцієнта К від температури спікання для зразків фракції

-05 + 0315 з різною поруватістю (а) та з поруватістю 0,1 для різних фракцій (б)

Оскільки для порівняння якості різних пресовок доцільно обрати будь-яку конкретну міру досконалості контакту і визначити температуру спікання, при якій вона досягається, у роботі введено поняття характеристичної температури Т_50, яка відповідає температурі спікання, при якій контакт сформовано на 50 % від ідеально можливого. Для кожного з дослідженого класу пресовок було визначено параметри Т_50л, Т_50Е і Т_50е та проаналізовано залежність цих параметрів від пористості та фракційного складу. Для прикладу на рис.4 наведено залежність параметру Т_50л від пористості для різних фракційних складів. Аналіз цих даних свідчить про те, що зменшення поруватості та зменшення розміру частинок сприяє пришвидченню утворення електричного контакту. Такий же висновок можна зробити при аналізі впливу структури на параметр Т_50Е: зменшення поруватісті та розміру порошку сприяє зниженню температури формування механічного контакту.

Рис. 4. Залежність характеристичної температури Т₅₀ від поруватісті та розміру частинок

Рис. 5. Залежність змінення коефіцієнтів К К_Е и К_е від температури спікання для зразків, виготовлених з порошку фракції, - 05 + 0315 з поруватістю 10 %

Запропонована в роботі методологія визначення якості контакту дозволила провести порівняльний аналіз умов формування електричного, механічного та фізичного контактів. Завдяки запропонованій методиці визначення якості контакту легко побачити, що механічний контакт у всіх випадках формується декілька пізніше, ніж електричний. Із співставлення температурних залежностей формування електричного, механічного та фізичного контактів зроблено висновок, що механічний контакт у всіх випадках формується дещо пізніше, ніж електричний. На рис. 5 наведено приклад такого порівняння для пресовок з пористістю 10 % з порошку фракції -05ч+0315.

З представлених даних видно, що електричний контакт формується при температурі приблизно на 50 ^оС нижче. На цьому ж рисунку приведено дані про формування фізичного контакту. Видно, що фізичний контакт формується при значно вищих температурах, ніж електричний і механічний. Його формування також залежить від поруватісті матеріалу, проте у значно меншій мірі залежить від фракційного складу. У роботі наведено результати фрактографічного аналізу спечених пресовок, який дозволяє зробити висновок, що температурний інтервал, у якому відбувається формування фізичного контакту співпадає з інтервалом температур спікання, в якому відбувається зміна механізму руйнування від міжчастинкового до ямкового внутрикристалітного.

В четвертому розділі „Фізико-механічні властивості і закономірності контактоутворення у порошковому титані, отриманому ІГП" досліджено формування електричного, механічного і фізичного контактів при різних режимах виготовлення зразків з порошку титану методом імпульсного гарячого пресування у вакуумі. Для цього методом холодного пресування були отримані пресовки, які потім були оброблені методом ІГП на экспериментальній вакуумній установці, розробленій в ІПМ НАН України. Нагрів для ІГП відбувався за 10 - 15 хв., після чого зразки витримувались при температурі пресування 20 хв. ІГП проводили при температурах 20, 300, 600, 800 и 950 С, час деформації 3х10^-3 с. На отриманих зразках досліджували залишкову поруватість, электричні та механичні властивості. Встановлено, що поруватість отриманих заготовок ІГП, починаючи з температури пресування 300 ^оС дорівнює нулю. Якість контактів після різних режимів деформації визначали за результатом вимірювання фізико-механічних характеристик з використанням методології, розглянутої в попередньому розділі.

Результати розрахунків параметрів К, К_Е, К_е наведені на рис. 6. Показано, що при деформації титанових пресовок методом ІГП температурні інтервали, в яких відбувається формування контактів, істотно зміщуються в область низьких температур завдяки взаємодії деформаційних дефектів з міжчастинковими межами. Так, температура Т_50л при ІГП відповідає 375 ^оС, а при спіканні - 585 ^оС, відповідно для Т_50Е: 450 ^оС і 730 ^оС і, нарешті, для Т_50е: 860 ^оС і 1120 ^оС, відповідно. Причина цих відмінностей пов'язана з тим, що в процесі ІГП деформаційні дефекти взаємодіють з контактуючими поверхнями і передають їм частину своєї енергії, інтенсифікуючи процес контактоутворення. Для вивчення фізичних причин, відповідальних за структуроутворення контакту за умов імпульсної гарячої деформації, були проведені структурні дослідження методом фрактографичного аналізу поверхонь зламу, що дозволило проаналізувати еволюцію структури в зоні контакту після імпульсної гарячої деформації при різних температурах.

Результати фрактографічних досліджень представлені на рис. 7. Після імпульсної гарячої деформації при кімнатній температурі на зламі зразка спостерігаються площинні пори, ширина яких складає ~ 3 мкм (рис. 7а). При підвищенні температури деформації до 300 ^оС та 600 ^оС відбувається іх зарощування (рис. 7б, 7в). При 950 ^оС механізм руйнування змінюється з міжчастинкового на ямковий внутрикристалітний (рис. 7д, 7е). Це дозволяє стверджувати, що мірою формування фізичного контакту є пластичні характеристик и матеріалу, тобто відносна деформація е або істинна деформація в момент руйнування е, при цьому значення коефіцієнту фізичного контакту Ке поступово наближається до 100%.

А

б

в

Рис. 6. Температурна залежність коефіцієнтів, що характеризують якість електричного (а), механічного (б) і фізичного (в) контактів для фракції порошку -0315 +02

За результатами проведенного дослідження робиться висновок, що процес утворення електричного та механічного контакту пов'язаний із залікувуванням міжчастинкових площинних пор, що виникають при ущільненні пластичного порошку, а формування досконалого фізичного контакту з перекристалізацією міжчастинкових меж.

Проведені дослідження дозволили встановити оптимальні режими ІГП: Тдеф = 950 ⁰С, початкова пористість вихідної пресовки 20 %. При цих режимах імпульсної гарячої деформації були отримані зразки з порошкового титану, властивості яких не поступаються властивостям технічно чистого титану, отриманого за традиційною технологією.

В п'ятому розділі "Властивості титанової стрічки отриманої прокаткою порошку" проведений пошук оптимальної технології виготовлення безпористой стрічки, властивості якої не поступаються властивостям стрічок, отриманих методами традиційної металургії. Відзначається, що метод прокатки порошку є практично єдиним, який дозволя отримувати безпористі зразки методом холодної деформації з проміжними відпалами. На жаль, існуючі технології передбачають або багаторазові ( до 6 операцій) деформації та відпали, або не мають умов формування досконалого контакту, що веде до зниження властивостей. Для визначення оптимальних умов прокатки та відпалів, у роботі використано результати попередніх розділів дисертації про температурні режими формування контакту в титанових зразках.

Для отримання титанової стрічки у роботі використано вертикальну схему прокатки. Швидкість прокатування 1 м/хв, діаметр валків 190 мм. Перед прокатуванням порошок попередньо відпалювали при 600, 650 та 700 ^оС. З цих порошків були прокатані стрічки розміром 1,5х100х900 мм. На кожному зразку визначали поруватість ваговим методом, значення якої наведено в таблиці 2. Значення поруватісті зменшується із збільшенням температури відпалу. Спікання зразків проводили при температурах 1000 ^оС і 1200 ^оС, що відповідають температурам формування фізичного контакту в титані. Після спікання пористість зразків дещо знижувалась (табл. 2).



Таблиця 2

Температура відпалу і пористість зразків на різних технологічних етапах виготовлення титанової стрічки

№ зразків	Температура відпалу порошка, єС	Початкова пористість зразків, %	Температура спікання, єС	Пористість після спікання, %	Пористість після 1 ущільнення прокаткою, %	Температура відпалу, єС	Пористість після 2 ущільнення прокаткою, %	Температура відпалу, єС
618	600	14,7	1200	12,9	3	1200	<1	650
629-1	600	17,0	1200	15,8	3	1200	<1	650
629-2	600	17,0	1200	15,8	3	1200	<1	1000
652	650	12,0	1200	11,1	3	1200	<1	650
79	700	7,8	1200	3,8	<2	650	<1	650
629	600	17,0	1200	15,8	3	1200	<1	-
650	600	8,5	1000	8,3	-	-	<1	-

Перша ущільнююча деформація проводилась при кімнатній температурі на вертикальному стані кварто з діаметром валків 160/100 мм до товщини 0,8 мм. На зразках вимірювалась кінцева пористість, яка складала приблизно 3 % (табл. 2). Після цього зразки відпалювали протягом 1 год. у вакуумі при температурах, що відповідають температурі формування фізичного контакту (1000 єС і 1200 єС), або при температурі формування механічного контакту (650 єС). На останньому етапі технологічного циклу проводилиостаточне деформаційне ущільнення до товщини 0,4 мм. Вимір пористості отриманої стрічки показав, що ії густина становить практично 100 %. Кінцевий відпал для зняття деформаційних напружнень - відпал рекристалізаційний (650 єС 1 година у вакуумі) виконувався при температурі формування механічного контакту.

В таблиці 3 наведено результати механічних випробувань. Для порівняння наведені властивості сплаву ВТ1-0, отриманого за традиційною технологією. Результати механічних випробувань свідчать про те, що найкращі стрічки отримані за технологією прокатки титанового порошку, яка передбачає два відпали при температурі формування фізичного контакту. Ці зразки не поступаються за властивостями стрічці, отриманій за традиційною технологією. Вони мають високу міцність та пластичність і демонструють ямковий характер руйнування (8 а,б).

Таблиця 3

Механічні властивості відпалених титанових стрічок виготовлених за різними режимами

№ зразків	т, МПа	в, МПа	равн, %	ви, МПа	er	, %
618	333,1	469,2	16,9	761,7	0,850	57,3
629-1	314,3	451,2	15,0	845,8	1,012	64,0
629-2	297,3	402,1	8,1	265,3	0,179	16,4
652	340,5	478,0	12,7	812,3	0,945	60,3
79	304,7	442,1	17,9	910,0	1,139	68,9
629	637,0	711,1	1,3	1001,9	0,536	41,0
650	295,6	409,1	1,4	392,8	0,211	20,6
ВТ 1-0	340	420	17,6	815	0,85	62

Відсутність проміжного спікання (зразок № 650) не дозволяє отримати якісну стрічку. Зразок, прокатаний за цією схемою, має нижчі, ніж в компактного матеріалу значення границі плинності і рівномірної деформації та дуже низьку деформацію в момент руйнування (e = 0,211). На поверхні руйнування (рис. 8а) спостерігаються ділянки розшарування і фрагменти руйнування неспечених порошинок. Стрічка із зразка № 652 - 2, яка мала високу температуру остаточного відпалу (1000 єС), що привело до зниження пластичності стрічки. В деформованому стані стрічка (№ 629) має високе значення границі плинності, проте надзвичайно низьку рівномірну деформацію.

Таким чином за результатами дослідження встановлено, що для отримання якісної титанової стрічки доцільно проводити два проміжних відпали, температура яких відповідає температурі утворення фізичного контакту в титані. В цьому випадку властивості отриманого виробу не поступаються властивостям стрічок, отриманих методами традиційної металургії.

Пропозиції та рекомендації по роботі

Пропонується науковцям і технологам при розробці та вивченні нових матеріалів, отриманих методами порошкової металургії, використовувати новий метод оцінки якості міжчастинкових контактів.



ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено важливі науково-технічні завдання - встановлено закономірності зміни міжчастинкових контактів порошкового титану, розроблено методику комплексної оцінки їх фізико-механічних властивостей і вдосконалена технологія одержання з нього виробів методами імпульсного гарячого пресування та прокатуванням, що не поступаються властивостям технічно чистого титану, отриманого за традиційною технологією.

1. Встановлено, що залежності значень міцності (модуль пружності та границя плинності) від поруватості для неспечених та спечених титанових матеріалів, проявляється по різному, зміна ціх величин для неспечених матеріалів у діапазоні поруватості від 5 до 40 % становить до 50 разів, а для спечених матеріалів у тому ж діапазоні поруватості - до 10 разів;

встановлено, що залежність значення пластичності (деформація до руйнування) від поруватості для неспечених та спечених титанових матеріалів проявляються у відсутності різниці цих величин у діапазоні поруватості від 5 до 40 %. Різниця з'являєтся для спечених матеріалів при високих температурах спікання, коли починає формуватися фізичний контакт.

Встановлено, що мірою формування фізичного контакту є пластичні характеристики матеріалу.

2. Встановлено, що значення модуля пружності виміряного при трьох випробуваннях на згин, стиснення і методом акустичного резонансу з наближенням до компактного стану істотно зближуються, і при поруватості 10% розрізняються не більше ніж в 1,5 рази. Причина відмінностей пов'язана з тим, що акустичний контакт змінюється під дією механічної хвилі, яка має фази розтягування і стискування. У фазі стискування за рахунок пружного переміщення можуть змикатися частинки, не дотичні у вільному стані, збільшуючи тим самим спільну площу контактів між частинками.

3. Розроблено методику комплексної оцінки властивостей міжчастинкових контактів шляхом введення коеффіцієнтів К, К_Е , К_е. Побудова за цими коеффіцієнтами залежностей якості контакту від температури спікання, дозволяє порівнювати умови формування контакту залежно від структури матеріалу, а також порівнювати умови формування електричного, механічного і фізичного контакта в пресовках з однаковою структурою. титановий імпульсний гарячий вакуум

4. Показано, що формування контакту при спіканні порошкового титану, який фіксується по зменшенню електричного опору (електричний контакт), або по збільшенню модуля пружності (механічний контакт) відбувається в діапазоні температур від 500 ⁰С до 800 ⁰С. Електричний контакт в титанових пресовках формується при температурах на 50 - 100 ^оС нижче, ніж механічний. Фізичний контакт формується при значно вищих температурах-1000 ^оС - 1100 ^оС. Формування фізичного контакту означає перехід руйнування від міжчастинкового до транскристаллітного і зникненню при цих температурах міжчастинкових меж, що відповідає перекристалізації цих меж.

5. Електричний, механічний і фізичний контакти в ІГП порошковому титані формуються при нижчих температурах, ніж при температурі спіканні.

50% електричного контакту після ІГП формується при 375 ^оС, після спікання - 585 ^оС;

50% механічного контакту при - 450 ^оС і 730 ^оС, відповідно; 50% фізичного - при 860 ^оС і

1120 ^оС, відповідно.

6. Формування електричного і механічного контактів закономірно залежить від поруватісті і вихідного розміру частинок порошку: при збільшенні поруватісті характеристичні температури Т_50л и Т_50Е збільшуються, а при зменшенні вихідного розміру частинок - зменшуються. Це дозволяє змінювати службові характеристики виробів в широкому діапазоні.

7. Виготовлена дослідна партія стрічок з порошку титану, яка передана замовникові до Кореї для проведення їх випробувань в якості корпусів мобільних телефонів.

Виготовлена партія пористого листового прокату з порошку титану для науково-виробничого підприємства "Эсма-технология", який використовується як електрод-заземлювач з диоксид-марганцевим покриттям для електрохімічного антикорозійного захисту підземних трубопроводів в станціях катодного захисту.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гогаев К.О. Вплив деяких параметрів процессу на деформаційні властивості титанових сплавів (огляд)./ К.О. Гогаев, О.К. Радченко, В.А. Назаренко // Металознавство та обробка металів. №3. 2001. СЗ-9.

2. Гогаев К.О. Деформування титанових сплавів прокатуванням / К.О. Гогаев, О.К. Радченко., В.А. Назаренко //Металознавство та обробка металів. №4. 2001.С.30-35

3. Борисовская Е.М. Особенности структурообразования и механические свойства деформирован-ного титана./ Е.М. Борисовская, Вербило., Д.Г. Писаренко В.А., Подрезов Ю.Н., Назаренко В.А., Евич Я.И., Копылов В.И. _//Физика и техника высоких давлений. 2007. Том 17, № 2. С.110-118.

4. Назаренко В. А. Горячее динамическое прессование порошкового титана./ В. А. Назаренко., Лаптєв А. В., Евич Я. И.,Подрезов Ю. Н.// 10 -я Международная конференція "Высокие давления - 2008. Фундаментальные и прикладные аспекты. "(Судак, Крым, Украина, 15-20 сент. 2008 г.) Национальная академия наук Украины, Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина. - Донецк. : Норд-пресс, 2008.-128 с.

5. Борисовская Е.М. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. І. Кривые уплотняемости заготовок из титанового порошка. / Е.М Борисовская, Назаренко В.А., Подрезов Ю.М., Коряк О.С., Евич Я.И., Горбань В.Ф. //Порошковая металлургия - 2008.- № 7/8. С. 43-54.

6. Борисовская Е.М. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. ІІ. Механическое поведение пористих титановых прессовок. / Е.М. Борисовская., Назаренко В.А., Подрезов Ю.М., Коряк О.С., Евич Я.И., Вдовиченко А.В. //Порошковая металлургия - 2008. - № 9/10. С. 46-54.

7. Вдовиченко А.В. Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом/ А.В Вдовиченко, Мешкова Г.А., Назаренко В.А. //Современные проблемы физического материаловедения. Киев: Труды ИПМ НАН Украины, 2008. -С.145-150.

8. Подрезов Ю.Н. Закономерности контактообразования в порошковом титане при горячей деформации/ Ю.Н. Подрезов, В.А. Назаренко, А.В. Лаптев та ін. //Физика и техника высоких давлений. - 2009. - №3. -том19. - 2009. - С. 12-23.

9. Подрезов Ю. Н. Структурная чувствительность механических свойств порошкового титана./ Ю. Н. Подрезов, А. В. Лаптєв., В. А. Назаренко//Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямом "Інженерна механіка"). Випуск 25, частина II (червень, 2009), Луцьк 2009. С. 198-203.

10. Подрезов Ю.М. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. ІІІ. Влияние технологических и структурных параметров порошкового титана на закономерности контактообразования. / Ю.М. Подрезов, В.А. Назаренко, Я.И. Евич, А.В. Вдовиченко //Порошковая металлургия - 2009. - № 3-4. С. 100-113.

11. Подрезов Ю.М., Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. ІV. Физико-механические свойства и закономерности контактообразования в порошковом титане, полученным ГПД./ Подрезов Ю.М., Назаренко В.А., Лаптев А.В., Толочин А.И, Даниленко , Коряк О.С., Евич Я.И., Вдовиченко А.В.//Порошковая металлургия - 2009. - № 5/6. С. 60-68.

12. Вдовиченко А.В., Мосолаб О.О., Назаренко В.А. Оцінка дефектності пористого титану неруйнівними ультразвуковими методами./ А.В. Вдовиченко., О.О. Мосолаб, В.А. Назаренко //Электронная микроскопия и прочность материалов. Киев: Труды ИПМ НАН Украины, 2009. - С.80-87.

13. Гогаев К.А.. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. V. Свойства титановой ленты полученной прокаткой порошка./ К.А. Гогаев, В.А. Назаренко, В.А. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Д.Г. Вербило, О.С. Коряк, И. Ю. Окунь// Порошковая металлургия - 2009. - № 11/12. С. 68-77.

14. Назаренко В.А. Материалы на основе титана, полученные методами порошковой металлургии. Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. № 2(19), 2010. С.203-207.

15. Пат. 2077787 RU МКП⁶ С23F13/16. Титановый электрод заземлителя/Буренков Г.Л., Деркач Ю.В., Калачев В.И., Катрус О.А., Кренделев В.Н., Назаренко В.А., Скрицкий Р.Р., Тарабара В.П. Патентообладатель НПСП "Эсма-Технология". № 94018552; заявл.23.05.94; опубл. 20.04., Бюл. № 10.

Особистий внесок здобувача. Надруковані наукові праці за темою дисертації виконані автором особисто [14] та у співавторстві [1-13,15]. Основні наукові положення, висновки та рекомендації належать автору, який обрав науково-технологічний напрямок, запропонував теоретико-методологічні підходи, визначив мету та завдання досліджень. Автор здійснив постановку задач досліджень, запропонував комплексний підхід та методику оцінки якості міжчастинкових контактів на основі обчислення коефіцієнтів К_л, К_Е, К_e для проведення порівняльного аналізу якості електричного, механічного та фізичного контактів у порошковому титані.

У працях, що опубліковані у співавторстві, автору належать: [1-3] - проведення прокатки компактного титану та аналіз результатів досліджень; [4,8] - обґрунтування оптимальних режимів імпульсного гарячого пресування титану та виготовлення вихідних пресовок; [5,6] -вихідні дані для побудови кривих ущільнення та узагальнення результатів досліджень ; [7,12] - виготовлення зразків та узагальнення результатів досліджень; [9-10] - ідея використання коефіцієнтів К_л, К_Е, К_e для проведення порівняльного аналізу якості електричного, механічного та фізичного контактів в порошковому титані; [11,13] - аналіз результатів вивчення виробів, що отримані методом імпульсного гарячого пресування та прокаткою порошку, [15] - ідея використання пористого титанового листа для електрода-заземлювача;



АННОТАЦИЯ

Назаренко В.А. Закономерности изменения межчастичных контактов в процессе технологической переработки порошка титана.-Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальноcти 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материали.- Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задаче порошковой металлургии - разработке технологических режимов изготовления изделий из порошка титана по результатам исследования изменения межчастичных контактов путем комплексной оценки физико-механических свойств изделий.

Проведен анализ процесса уплотнения титановых образцов при холодном прессовании и изучены механические свойства пористых титановых образцов, полученных методом холодного прессования. Впервые установлено, что зависимости механических свойств неспеченных прессовок от пористости, существенно сильнее чем эти зависимости для спеченных прессовок. В тоже время показано наличие слабой зависимости пластичности от пористости как неспеченных прессовок так и спеченных. Прессовки разупрочняютя сильнее в связи с увеличением пористости из-за наличия в них межчастичных контактов, ослабленных существованием так называемых щелевых, плоскостных пор и микропустот, которые в спеченных прессовках отсутствуют благодаря их залечиванию при спекании.

Предложен оригинальный метод оценки качества межчастичных контактов путем рассчета безразмерных коэффициентов К, К_Е , К_е и построение по ним зависимостей качества контакта от температуры спекания. Эти зависимости позволяют сравнивать условия формирования контакта в зависимости от структуры материала, а также условия формирования электрического, механического и физического контакта в прессовках между собой.

Впервые показано, что формирование контакта при спекании порошкового титана, которое фиксируется по уменьшению электрического сопротивления (электрический контакт), или по увеличению модуля упругости (механический контакт) происходит в диапазоне температур от 500 ^оС до 800 ^оС. Электрический контакт в титановых прессовках формируется при температурах на 50 - 100 ^оС ниже, чем механический. Физический контакт формируется при значительно более высоких температурах - 1000 ^оС - 1100 ^оС. Формирование физического контакта означает переход разрушения от межчастичного к транскристаллитному и исчезновению при этих температурах старых межчастичных границ, в результате перекристаллизации.

Установлено, что формирование электрического и механического контакта закономерно зависит от пористости и исходного размера частиц порошка: при увеличении пористости характеристические температуры увеличиваются, а при уменьшении исходного размера частиц - уменьшаются.

Установлено, что мерой схватывания на межчастичных контактах являются пластические характеристики материала.

Отработана технология получения титановых образцов методом импульсного горячего прессования (ИГП). Изучены процессы структурообразования и формирования электрического, механического и физического контакта при ИГП. Впервые установлено, что электрический, механический и физический контакты в ИГП порошковом титане формируются значительно раньше, чем при спекании. Результаты исследований механического поведения титановых заготовок полученных ИГП свидетельствуют об их преимуществах перед титаном полученным обычной технологией. Это делает технологию ИГП привлекательной для получения малогабаритных деталей. Оптимальные режимы ИГП: Т_деф = 950 ^оС, начальная пористость исходной прессовки 20 %. При этих режимах деформации получены заготовки из порошкового титана, свойства которых не уступают свойствам технически чистого титана, полученного по традиционной технологии.

Проведен анализ влияния структурных и технологических параметров на структуру и свойства титановой ленты, полученной прокаткой титанового порошка. Предложенная технологическая схема изготовления компактной ленты из порошка титана методом прокатки позволила получить ленту, которая по механическим свойствам не уступает аналогам полученным традиционной технологией, и имеют преимущества перед этим методом благодаря упрощении технологии их получения. Для получения качественной титановой ленты целесообразно проводить два отжига, температура которых соответствует температуре образования физического контакта в титане, в этом случае свойства полученного изделия не уступают свойствам лент полученных методами традиционной металлургии.

Изготовлена опытная партия лент из порошка титана, которая передана заказчику в Корею для проведения испытаний по их использованию для корпусов мобильных телефонов. Изготовлен пористый листовой прокат из порошка титана для научно-производственного предприятия " Эсма-Технология", который использовался в качестве электродов-заземлителей с диоксид-марганцевим покрытием для электрохимической антикоррозийной защиты подземных трубопроводов в станциях катодной защиты.

...