| Структура института | Отдел 43 |  Получение высокоизносостойких металло-матричных композитов      
ИНСТИТУТ  ИМПУЛЬСНЫХ  ПРОЦЕССОВ  И  ТЕХНОЛОГИЙ 
НАН УКРАИНЫ
© 2012  Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины.
            Все права защищены.
На предыдущую страницу

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРИЕМЫ  ПОЛУЧЕНИЯ 
ВЫСОКОИЗНОСОСТОЙКИХ  МЕТАЛЛО-МАТРИЧНЫХ  КОМПОЗИТОВ, 
ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ  НАНОЧАСТИЦАМИ

Микроэлектронные фотографии смеси порошков Fe-Tі-B  C
                                                                                                             4

Рентгенограмма смеси микропорошков Fe-Tі-B  C
                                                                                           4
а (8000х)
до обработки (d    ~ 80 мкм)
            cp
б (10000х)
после ВЭР обработки (высокодисперсная смесь частиц
d    ~ 0,7 мкм, в которой ~ 25 % частиц
                             cp
имеют размеры < 0,3 мкм и из них ~ 15 % < 0,1 мкм)
а - до обработки,
б - после ВЭР обработки
СУЩНОСТЬ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРИЕМОВ

Создание высокоизносостойких дисперсноупрочненных материалов базируется на возможности эффективного использования новейших
методов воздействия высококонцентирированных потоков энергии на дисперсные системы - диспергирования, активации и синтеза
                                                      -5         -7                                               -7          -9
полидисперсных микро - (от 10   до 10   м) и наноразмерных  (от 10   до 10    м) композиционных порошков  и их относительно
низкотемпературного метода компактирования - искроплазменного спекания.
За счет использования эффектов выделения необходимых дисперсных фаз при высоковольтном электроразрядном (ВЭР) воздействии на
элементарные порошки и их смеси возможно искусственно создавать гетерогенность шихты и целенаправленно влиять на скорость роста
зерен быстропротекающим методом искроплазменного спекания. Такие технологические приемы позволяют формировать мелкозернистую
микрогетерогенную структуру с высокими физико-механическими свойствами - повышенной прочностью (до 30%) и износостойкостью (до
60 %) деталей, работающих в экстремальных условиях.
Способы и устройства для их реализации запатентованы.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРИЕМЫ  РЕАЛИЗУЮТ
Технологические приемы направлены на получение высокоизносостойких композитов типа "карбидосталь" и новых композитов с металлическими связками для изготовления изделий конструкционного и инструментального назначения, работающих в условиях трения и высоких нагрузок, таких как детали нефтегазовых насосов, детали металлургического и горного оборудования, поддающиеся значительному износу (направляющие ролики проволокопрокатного стана и др.). 
Разработаны принципиально новые составы высокоизносостойких дисперсноупрочненных материалов на основе главным образом отечественной сырьевой базы, в частности - железа, титана, значительные запасы которых имеются в Украине, что обеспечивает значительный уровень экспортозаменимости сырья, а также новые высокоэффективные технологические подходы получения таких материалов с использованием современных методов синтеза композиционных дисперсных порошков карбидов и боридов железа и титана высоковольтными электрическими разрядами.

ПРЕИМУЩЕСТВА  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРИЕМОВ
Повышение как прочности, так и износостойкости материалов (на 30-60% и более) реализуется за счет того, что упрочняющие дисперсные частицы не вводятся механически в порошковую смесь в качестве дополнительного компонента при смешивании порошков, как в известных методах, а выделяются в результате реакционного электроразрядного синтеза при ВЭР обработке элементарных порошков и их смесей в углеводородной жидкости, что обеспечивает не только высокую степень диспергирования, но и существенно более высокую прочность адгезионной связи упрочняющих микрочастиц с материалом основы.
Использование высоких скоростей нагрева и меньшего времени выдержки при максимальной температуре при искроплазменном спекании полидисперсных микро и наноразмерных  композиционных порошков позволяет получать компакты с большей относительной плотностью и более тонко структурой, чем при использовании традиционных методов спекания, таких как горячее прессование и горячее изостатическое прессование.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСКРОПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ.
В ИИПТ НАНУ разработан экспериментальный комплекс для искроплазменного спекания "Гефест-10", который основан на непосредственном пропускании через порошковую композицию выходного тока с амплитудным значением 1 кА (суперпозиция постоянного и переменного тока повышенной частоты (10 кГц). Постоянный ток нагревает равномерно все сечение брикета, но за счет теплоотвода охлаждаются периферийные участки. Переменный ток, благодаря скин- эффекту, частично вытесняется к поверхности сечения образца и проводит преимущественно нагрев периферийной части. Это компенсирует влияние теплоотвода, выравнивает температурные условия по сечению.
Экспериментальный комплекс " ГЕФЕСТ -10" состоит из источника тока, пресса ручного гидравлического ПРГ -1, вакуумной камеры, насоса вакуумного 2НВР-5ДМ  и системы управления. Источник тока - генератор искроплазменного спекания, состоит из силового высокочастотного выпрямительно - трансформаторного модуля, высокочастотного инвертора с системой воздушного охлаждения, драйверов транзисторов и системы управления.


Экспериментальный
комплекс
для искроплазменного спекания
"Гефест-10"

Экспериментальный комплекс для искроплазменного спекания "Гефест-10" содержит цифровой интерфейс RS-485 для отображения на ПК контролируемых параметров температуры в зоне спекания, силы тока через спекаемый образец и напряжения на тоководах камеры спекания.
Основные технические характеристики
экспериментального комплекса
искроплазменного спекания "Гефест-10"
Параметр
Минимальное
значение
Максимальное
значение
Выходная средняя мощность, Вт
-
12 000
Среднее значение выходного тока, А
100
1 100
Амплитудное значение выходного тока, А
100
1 200
Глубина модуляции выходного тока, %
0
50
Частота переменной составляющей выходного тока, Гц
0
10 000
Выходное напряжение, В
-
10
Микроструктуры консолидированного материала, полученного искроплазменным спеканием
на установке "Гефест-10" из порошков после ВЭР обработки

а (5000х)

b (5000х)
карбидосталь системы железоуглеродистый сплав -
карбид (диборид) титана, твердость 68 HRC,
предел прочности σ = 1350 МПа, пористость 0,8 %

карбидосталь системы железоуглеродистый сплав - карбид титана твердость 45 HRC,
предел прочности σ = 650 МПа, пористость 1,2 %
Основные технические характеристики
экспериментального комплекса
искроплазменного спекания "Гефест-10"
Параметр
Минимальное
значение
Максимальное
значение
Температура спекания, °С
-
1 600
Время спекания, с
-
420
Давление на спекаемую заготовку, МПа
0,5
70
   

  
Давление в рабочей камере (вакуум), Па

     

         
10

       5
10
Диаметр образца, мм
5
20
Ход спекающего пресса, мм
0,5
10
ВНЕДРЕНИЕ
Разработанные технологические приемы позволяют предложить для продвижения на рынок упрощенную технологическую схему получения многофункциональных дисперсноупрочненных наночастицами материалов, используемых для значительного повышения износостойкости и термостойкости инструментов разного назначения и конструкционных материалов для реакторных сталей с повышенными характеристиками жаростойкости, двигателей разного назначения и т.д.
Упрощенная
технологическая схема
получения
многофункциональных
дисперсноупрочненных
наночастицами карбидосталей