Закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу інструментального призначення в системі ZrO2–Al–C - Автореферат

Розробка нових матеріалів інструментального призначення з підвищеними фізико-механічними властивостями (твердість, міцність, тріщиностійкість, теплопровідність тощо), які забезпечуються високою гомогенністю в мікрообємах (при загальній макрогетерогенності композитів), мінімальною пористістю, мінімізацією дефектів, як за розмірами, так й за обємним вмістом, максимальною дрібнозернистістю, що сприяє надійній та довговічній роботі інструменту при механічній обробці, є однією з важливих умов розвитку сучасного машинобудування. Цей метод дав змогу одночасно з формуванням структури матеріалу в процесі екзотермічної реакційної взаємодії заздалегідь підібраних компонентів синтезувати тугоплавкі зносостійкі складові, що зменшує енергоємність процесу в цілому. У звязку з цим вивчення закономірностей формування структури та властивостей матеріалів у системі ZRO2-Al-C у процесі гарячого пресування з метою отримання високовязкої кераміки інструментального призначення є актуальним і представляє науковий та практичний інтерес. Мета досліджень: встановити закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу при гарячому пресуванні реакційної суміші ZRO2(м)-Al-C та обґрунтувати її оптимальний склад для отримання кераміки інструментального призначення. Встановлено, що ущільнення сумішей системи ZRO2 - Al - C до пористості близької до нуля при вмісті алюмінію 16-26 %, вуглецю 0-7% (за масою) (останнє діоксид цирконію) в процесі гарячого пресування відбувається в дві стадії, при цьому, перша стадія починається при температурі 750-800 °С як наслідок плавлення алюмінію, а друга стадія - при температурах 1380-1420 °С і супроводжується взаємодією між вихідними компонентами. твердість тріщиностійкість термодинамічний матеріалПри цьому реакційні системи, в яких нагрівання супроводжується утворенням нових тугоплавких компонентів матеріалу, відповідальних за його фізико-механічні характеристики, відрізняє можливість застосування дешевих і доступних порошків таких, як, наприклад, алюміній, сажа в комбінації з тугоплавкими оксидами. Відзначено, що застосування в якості вихідного моноклінного діоксиду цирконію (ZRO2(м)) у таких реакційних сумішах може супроводжуватися утворенням ZRC, що має твердість і високотемпературну стійкість до окислювання на рівні широко розповсюдженого у виробництві РК карбіду титану, але при цьому має нижчий коефіцієнт термічного розширення й більшу міцність на розтяг при високих температурах. У другому розділі йдеться про аналіз та обґрунтування вибору методик, матеріалів, приладів і пристроїв, які було застосовано для отримання керамічного ріжучого матеріалу. Таким чином, завдяки проведенню вказаних комплексних досліджень системи ZRO2(м)-Al-С було встановлено, що при нагріванні суміші до 1650 °С між її компонентами відбувається хімічна взаємодія з утворенням оксиду алюмінію та карбіду цирконію, причому утворення першого відбувається в результаті прямої окислювально-відновної реакції ZRO2 з Al (2), а другого - за рахунок карбідизації інтерметаліду за реакцією: Al2Zr С = ZRC 2Al. У четвертому розділі розглянуто результати дослідження закономірностей процесу ущільнення, утворення структури й фазового складу, а також властивостей матеріалів гарячепресованих із сумішей систем ZRO2(м)-Al, ZRO2(м)-Al-C залежно від концентрації вихідних компонентів та параметрів гарячого пресування; дослідження щодо встановлення оптимального сполучення рівнів твердості та тріщиностійкості отриманих зразків щільних матеріалів, що припускає наявність у них більш високого рівня К1с при твердості на рівні стандартних типів кераміки змішаного типу.

Основний зміст

1. Прокопив Н. М. Формирование градиентной структуры при горячем прессовании смеси ZRO2(м)-Al / Н. М. Прокопив, Ф. Я. Якубов, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Високі технології в машинобудуванні. 2005. Вип. 2 (11). С. 316-321.

2. Прокопив Н. М. Исследование взаимодействия ZRO2(м) и Al в процессе горячего прессования / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. 2005. Вып. 8. С. 266-271.

3. Якубов Ф. Я. Исследование процесса горячего прессования и свойств инструментального керамического материала на основе системы диоксид циркония - алюминий / Ф. Я. Якубов, Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Вестник НТУУ «КПИ». Машиностроение. 2005. № 46. С. 85-87.

У роботах [1-3] автор провів підготовку матеріалів та обладнання, взяв участь в проведенні експериментів, а також виконав термодинамічні, диференційно-термічні, металографічні, рентгеноструктурні та мікрорентгеноспектральні дослідження. Робив аналіз отриманих результатів та формулювання висновків щодо механізмів структуро- і фазоутворення матеріалів отриманих в системі діоксид цирконію - алюміній.

4. Прокопив Н. М. Режущая керамика. Состояние и перспективы развития / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов // Вісник Сумського державного університету, сер. Технічні науки (Машинобудування). 2005. № 9 (81). С. 129-134. Автором зроблено літературний огляд сучасних джерел, щодо вивчення проблем виготовлення та застосування керамічних матеріалів інструментального призначення. Взято участь в аналізі отриманих даних та, формулюванні висновків.

5. Прокопив Н. М. Взаимодействие в смеси ZRO2 (м)-Al-С при горячем прессовании / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, Ф. Я. Якубов // Високі технології в машинобудуванні. 2006. Вип. 1 (12). С. 397-404. Автор провів термодинамічні розрахунки, вивчення кінетики усадки суміші при ГП та металографічні дослідження отриманих зразків. Взяв участь в аналізі результатів рентгеноструктурних та мікрорентгеноспектральних досліджень, обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.

6. Прокопив Н. М. Металлографические и рентгеноструктурные исследования материалов, полученных при горячем прессовании смеси ZRO2-Al-C с различным содержанием углерода / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. 2007. Вып. 10. С. 494 - 497. Автор виготовляв досліді зразки, провів металографічні та рентгеноспектральні дослідження, аналізував отримані результати і формулював висновки.

7. Прокопив Н. М. Стойкостные испытания керамики, горячепрессованной из смеси ZRO2-Al-C, в условиях циклических ударных нагрузок / Н. М. Прокопив, Ф. Я. Якубов, С. И. Джелялов, Ю. А. Мельнийчук // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2007. № 2. С. 82-86. Автором виготовлено дослідні зразки та підготовлено і проведено за участю співавторів експерименти з випробувань на стійкість інструментів із них; вивчено характер зношування керамічних пластин, взято участь в обговоренні результатів та виведенні мат. залежностей стійкості інструменту від часу.

8. Патент на винахід № 81086, Україна. Шихта для виготовлення композиційного матеріалу / Прокопів М. М., Джелялов С. І. (Україна) - № 81086 ; заявл. 03.10.2006 ; опубл. 26.11.2007, Бюл. № 12. Автор взяв безпосередню участь у проведенні експериментів щодо отримання зразків дослідних матеріалів, вивченні їх фізико-механічних властивостей, брав участь в патентному пошуку, виборі аналогів винаходу, формулюванні формули винаходу і опису патенту.

9. Прокопів М. М. Структуроутворення в суміші ZRO2(м)-Al при гарячому пресуванні / М. М. Прокопів, Ф. Я. Якубов, С. І. Джелялов, О. В. Харченко // Труди міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики «Еврика 2005». Львів: Львівський національний університет ім. І. Франка. 2005. С. 112-113. Автором виготовлено дослідні зразки, взято участь у проведенні металографічних, мікрорентгеноспектральних, рентгеноструктурних досліджень та аналізі отриманих даних і формулюванні основних висновків.

10. Прокопив Н. М. Влияние углерода на структуру и физико-механические свойства материала из смеси ZRO2 (м)-Al при горячем прессовании. / Н. М. Прокопив С. И. Джелялов // Матеріали третьої Всеукр. конф. молодих вчених та спеціалістів «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування». К.: ІНМ НАНУ ім. В. Н. Бакуля. 2006. С. 29-30.

11. Джелялов С. І. Особливості взаємодії в суміші ZRO2-Al-C з різною концентрацією вуглецю при гарячому пресуванні / С. І. Джелялов // Труди міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики «Еврика 2007». Львів: Львівський національний університет ім. І. Франка. 2007. С. D 13.

12. Прокопив Н. М. Влияние концентрации углерода на структуру и свойства материала горячепрессованного из смеси ZRO2-Al-C / Н. М. Прокопив С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Труды междунар. конф. «HIGHMATTECH». К.: ИПМ им. И. Н. Францевича НАНУ, 2007. С. 337.

13. Джелялов С. И. Керамика инструментального назначения, полученная из шихты системы ZRO2-Al-C. / С. И. Джелялов // Материалы докладов 8-й междунар. науч.-тех. конф. «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка». Минск: Институт порошковой металлургии НАН Беларуси. 2008. С. 136-138.

У роботах [10-13] автором було досліджено кінетику ущільнення сумішей систем ZRO2(м)-Al та ZRO2(м)-Al-С в процесі синтезу, зроблено термодинамічні та металографічні дослідження, проведено аналіз результатів рентгеноструктурних та мікрорентгеноспектральних досліджень, математичну обробку даних й встановлено представлені в роботі [13] математичні моделі; також взято участь у обговоренні результатів и формулюванні висновків.