ВВЕДЕНИЕ
Тугоплавкие вещества - металлы и тугоплавкие соединения являются одним из источников новых материалов, способных надежно работать в самых жестких условиях эксплуатации. Основным технологическим процессом изготовления материалов на основе тугоплавких веществ и их композиций является порошковая металлургия, обеспечивающая сочетание высокой технологичности с возможностью соединения в одном материале самых разнородных компонентов и таким образом максимально широкого варьирования его физико-механических и эксплуатационных свойств. Действительно, порошковая металлургия имеет целый ряд существенных преимуществ перед такими традиционными технологическими процессами изготовления тугоплавких и композиционных материалов и изделий из них, как литье, обработка давлением, механическая обработка [1]. Основные преимущества порошковой металлургии можно сформулировать так:
1. На изготовление детали требуется меньше металла, т. е. экономия сырья;
2. Порошковая металлургия позволяет получать детали с нужными механическими, электрическими и магнитными свойствами;
3. Методы порошковой металлургии позволяют обрабатывать металлы, не допускающие обработки обычными методами. Так, например, вольфрам невозможно плавить и обрабатывать обычными методами литья, поскольку очень высока его температура плавления (3410°C). Например, вольфрамовую нить для электрических ламп накаливания вытягивают из вольфрамовых штапиков, полученных прессованием и спеканием вольфрамового порошка. Порошки карбидов вольфрама, тантала и титана смешиваются с порошкообразными кобальтом и никелем, затем формуются холодным прессованием и спекаются. В результате получаются твердые металлокерамические материалы (цементированные карбиды), пригодные для обработки металлов резанием и для бурения горных пород.
Примером тугоплавкого вещества получаемого методами порошковой металлургии является диборид гафния - HfB2. Диборид гафния обладает очень высокой температурой плавления в 3250°C и является самым термостойким из всех боридов. Эффективным методом промышленного получения диборида гафния является метод ударного синтеза. Ударный синтез - новый шаг в технологиях порошковой металлургии, сулящий большие перспективы, так как при ударном сжатии порошков развиваются очень большие давления за короткое время и тем самым обеспечиваются как уплотнение, так и требуемая физико-химическая активация порошков. Ударно-волновое воздействие фактически объединяет три технологических процесса: механическую активацию, уплотнение и спекание, что имеет большое значение для формирования трудно обрабатываемых порошковых материалов. Особенно важна в этом методе его экономичность: реакция боридообразования не требует внешнего притока энергии (только на поджог смеси) и есть возможность получения большого количества борида.
При интенсивном механическом воздействии может происходить увеличение реакционной способности порошковой смеси, т. е. понижение порога запуска химических превращений. Следует ожидать, что степень механической активации определяется интенсивностью механического воздействия. В серии экспериментов по ударному синтезу карбида титана было обнаружено, что существует некоторый интервал амплитуд ударного нагружения в котором, с ростом интенсивности воздействия выход реакции уменьшается. Этот эффект может быть связан с тем, что инициирование химических превращений в процессе действия ударного импульса может привести к локальному изменению агрегатного и фазового состояния материала компонентов порошкового тела, определяя нелинейный характер ударного уплотнения. Для исследования возможных причин такого спада продукта реакции с ростом амплитуды ударного сжатия модель была модифицирована с учетом поведения экзотермически реагирующих порошковых материалов типа Ti-C.
Тугоплавкий компонент смеси - графит и неспособен сопротивляться значительным сдвиговым нагрузкам. С некоторого уровня амплитуды динамического воздействия порошковый материал начинает вести себя как суспензия твердых частиц в расплаве. Такое поведение характеризуется уменьшением достижимой степени механической активации. Возможность реализации такого сценария смены режима уплотнения порошковой смеси титан-графит показана в работах Лейцина, Кобраль, Дмитриевой.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Проверка гипотезы о том, что в порошковой смеси гафний - бор может наблюдаться смена режима уплотнения с вязкопластического течения деформируемых твердых порошковых частиц на вязкопластическое течение суспензии взаимодействующих частиц в расплаве, наблюдаемая для порошковой системы титан-графит. Предпосылкой этого является близость температур плавления гафния и бора.
СОВРЕМЕННАЯ ПОРОШКОВОЯ МЕТАЛЛУРГИЯ
Изготовление материалов и изделий с помощью порошковой металлургии включает ряд последовательных технологических операций, логически объединенных и подчиненных конечной цели - достижению оптимальной структуры и оптимального сочетания свойств материала (изделия) при минимальных затратах на его изготовление сырья, энергии и квалифицированного труда. Стандартная схема изготовления деталей методом порошковой металлургии включает:
1. получение исходных порошков;
2. дополнительную обработку и смешивание полученных порошков;
. формование;
. спекание (свободное или под давлением);
. дополнительную обработку спеченных заготовок (давлением, механическую, термическую, химико-термическую).
Преимущества методов порошковой металлургии, становятся еще более значительными в случае материалов на основе тугоплавких металлов и соединений. Тугоплавкие материалы являются одновременно твердыми, хрупкими, плохо поддающимися или вообще не поддающимися механической обработке. Поэтому для них неоценимым преимуществом является возможность формования изделия из порошка и придания ему практически окончательной формы без существенной механической обработки. Материалы на основе тугоплавких металлов и соединений являются наиболее представительными объектами, изготавливаемые методами порошковой металлургии и применяемые в машиностроении.
Гибкая и динамичная технология порошковой металлургии позволяет на стадии формования и спекания соединять в одном изделии (детали) порошковые элементы с элементами, получаемыми по обычной технологии (литьем, штамповкой, точением и т. д.), и, таким образом, добиваться двойного эффекта - экономии дефицитного порошкового материала и повышения механической прочности детали в целом. Такое соединение особенно целесообразно в тех случаях, когда работоспособность детали в целом определяется ее стойкостью против поверхностного (контактного) воздействия, не проникающего на большую глубину или предельно локализованного. Примером таких комбинированных изделий, давно и широко применяемых на практике, является металлорежущий инструмент, армированный твердосплавными пластинами. Комбинирование порошкового и литого (кованого) металла в одной детали находит применение в машиностроении, особенно при использовании порошковых материалов на основе тугоплавких металлов и соединений. Так как, с одной стороны, их стоимость в десятки раз выше стоимости обычных углеродистых или низколегированных сталей; с другой - механическая прочность и особенно ударная вязкость порошковых тугоплавких материалов уступают соответствующим характеристикам стали. Вместе с тем в таких комбинированных деталях в полной мере реализуются уникальные специфические эксплуатационные свойства порошковых тугоплавких материалов при экстремальных внешних воздействиях, прежде всего - износостойкость и электроэрозионная стойкость.
Говоря о применении новых материалов и процессов в технологии машиностроения, следует иметь в виду несколько аспектов этой проблемы. С одной стороны, это - новые технологические процессы изготовления деталей машин, механизмов, аппаратов, повышающие производительность труда, экономичность и технологичность производства при сохранении на прежнем уровне эксплуатационных свойств отдельных деталей, узлов и машины в целом. В этом случае, как правило, новая технология не меняет принципиально химического состава и структуры материала деталей машин. С другой стороны, применение новых инструментальных материалов с особыми свойствами в самом технологическом процессе изготовления деталей машин и приборов, а также в их сборке может оказать в целом более революционизирующее влияние на технологию машиностроения, чем внедрение новой технологии изготовления одной или нескольких деталей машин. При этом, благодаря только повышению точности и воспроизводимости процессов обработки, не говоря уже о повышении их производительности, улучшению сопряжения деталей и качества их, разъемных и неразъемных соединений существенно повышаются надежность и долговечность в эксплуатации машины или прибора в целом. Хотя в результате оптимизации режимов обработки и структурного состояния поверхностных слоев могут повышаться физико-механические характеристики и отдельных деталей, в особенности износостойкость и усталостная прочность. Порошковые материалы на основе тугоплавких металлов и соединений играют ведущую роль среди новых инструментальных материалов. Наконец, особенно важным аспектом является применение новых материалов с особыми свойствами для изготовления наиболее ответственных деталей машин и приборов. Только на этом пути могут быть созданы принципиально новые машины и приборы, в которых реализуются чрезвычайно жесткие условия работы отдельных узлов и деталей, играющих определяющую функциональную роль. Безусловно, если говорить о материалах, изготавливаемых методом порошковой металлургии, то все аспекты, перечисленные выше, тесно взаимосвязаны, и оптимальным с точки зрения эффективности применения порошковой металлургии в машиностроении является их одновременное использование [1].
Для повышения качества изготовляемых материалов на основе тугоплавких металлов и соединений в машиностроении требуется (помимо улучшения условий производства) подробный анализ поведения порошкового материала ещё на стадии производства. Следовательно, изучения поведения тугоплавкого материала типа диборида гафния при динамическом уплотнении является актуальной задачей.
порошковый расплав гафний бор