Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования и разработка технологии получения и обработки функционального наноструктурированного износостойкого материала на основе карбосилицида титана для изделий машиностроения.

Номер контракта: 14.574.21.0065

Руководитель: Оглезнева Светлана Аркадьевна

Должность руководителя: научный руководитель

Докладчик: Сомов Олег Васильевич, старший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
карбосилицид титана, плазменно-искровое спекание, износостойкость, композиционный материал, увеличение долговечности

Цель проекта:
Разработка технологии получения и обработки функционального материала на основе карбосилицида титана методом плазменно-искрового спекания с целью повышения износостойкости пар трения ответственных изделий машиностроения, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации.

Основные планируемые результаты проекта:
По результатам анализа и теоретических изысканий будут получены закономерности уплотнения механоактивированных порошковых материалов системы Ti-SiC-C при плазменно-искровом спекании, зависимость плотности конечного продукта от температуры и продолжительности выдержки, зависимости фазового состава от параметров плазменно-искрового спекания. Полученные закономерности могут быть использованы для создания нового функционального наноструктурированного износостойкого материала с заданными триботехническими и механическим свойствами.
Будут разработаны рекомендации по реализации вновь созданных методов и технологических решений получения и применения функционального износостойкого материала на основе карбосилицида титана в реальных секторах экономики.
При выполнении ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1) лабораторный регламент плазменно-искрового спекания порошковых материалов системы Ti-SiC-C;
2) экспериментальные образцы износостойкого материала на основе карбосилицида титана (далее КМ (композиционный материал);
3) экспериментальные образцы деталей пар трения из карбосилицида титана для проведения трибологических и климатических испытаний;
4) ЭКД на экспериментальные образцы материалов на основе карбосилицида титана;
5) ЭКД на экспериментальные образцы деталей пар трения из износостойкого материала на основе карбосилицида титана;
6) Проект ТЗ на ОКР по теме: «Разработка функционального материала на основе карбосилицида титана с заданными триботехническими и механическими свойствами для повышения износостойкости деталей пар трения торцевого уплотнения системы охлаждения двигателя Д -160»

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальные образцы износостойкого материала на основе карбосилицида титана должны иметь следующие характеристики:
- Средний размер зерна износостойкой фазы, мкм не более 10;
- Скорость окисления на воздухе при Т= 900 оС в течение 10 часов, г/(м2 х с) не более 0,06;
- Коэффициент сухого трения в паре КМ на основе Ti3SiC2- КМ на основе Ti3SiC2 при нагрузке 0,2-2 МПа и скорости скольжения 0,1-16 м/с 0,35-0,45;
- Твердость, ГПа 5,0-7,0;
- Повышение износостойкости в 2 раза по сравнению с карбидом кремния (износ элементов пары трения не более 7 × 10-9 мм износа/мм пути трения)
-Температура эксплуатации, °С 900-1100
- Предел прочности при сжатии не менее 600 МПа (хрупкое разрушение не менее) 300 МПа (на воздухе при 1300 °С, вязкое разрушение);
- Предел прочности при изгибе не менее 300 МПа (хрупкое разрушение) не менее 100 МПа (на воздухе при 1300 °С, вязкое разрушение);
- Предел прочности при растяжении не менее 120 МПа (хрупкое разрушение) не менее 50 МПа (на воздухе при 1300 °С, вязкое разрушение)
- Модуль Юнга не менее 300 ГПа;
- Трещиностойкость К1С не менее 7 МПа • м 1/2;
- ресурс работы пары трения КМ на основе карбосилицида титана - КМ на основе карбосилицида титана превышающими в 1,5 раза существующий ресурс работы (350 моточасов) пары трения сталь - графит центробежного насоса системы охлаждения дизеля Д-160.
Предлагаемый метод консолидации (плазменно-искровое спекание), является современным методом получения износостойких материалов, имеющим преимущества перед используемыми методами (горячее прессование) и является патентоспособным.
Решение проблемы, связанной с комплексом экспериментальных исследований и технологических разработок для создания функционального наноструктурированного износостойкого композита на основе карбосилицида титана заданного состава, размера, равномерности и плотности, позволяет сделать существенный вклад в развитие нанотехнологий получения высокоэффективных функциональных наноматериалов для ответственных изделий машиностроения, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Для автомобильного и тракторного машиностроения замена экологически вредных технологий изготовления отечественных торцевых уплотнений из графита и свинцовосодержащих соединений деталей пар трения торцевых насосов системы охлаждения высоко нагруженных двигателей мобильных машин (дизели промышленных тракторов ОАО «ЧТЗ-Уралтрак») на принципиально новый материал на основе карбосилицида титана для деталей торцевого уплотнения. Замена импортной технической керамики SiC, используемой в качестве материала трущихся пар современных торцевых уплотнений, как более подверженной риску растрескивания в условиях высоких оборотов (более 4000 мин -1 ) вращения и в «момент сухого трения» (двигатели ОАО «ЯМЗ»), на более трещиностойкий материал на основе карбосилицида титана. Для замены торцевых и радиальных пар трения в скважинных нефтяных насосах из карбида кремния на более износостойкие и с меньшим коэффициентом трения скольжения и меньшим пусковым моментом из композиционного материала на основе карбосилицида титана.
Создаваемые результаты интеллектуальной деятельности ПНИ имеют высокий потенциал в части новизны и патентоспособности и имеют перспективность продажи лицензий.
На основе результатов данного ПНИ будет показана перспективность применения нового функционального износостойкого материала на основе карбосилицида титана исходя из подхода к нему как более надёжного из существующих материалов и покрытий для ответственных изделий машиностроения, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации. Возможность автоматизации технологии получения износостойкого материала на основе карбосилицида титана и снижения ручного труда обеспечит повышение интереса к данной производственной специальности и приток молодых кадров.

Текущие результаты проекта:
В результате проведения патентных исследований составлен патентный отчёт, отражающий существующие РИД в области
создания износостойких керамических материалов на основе карбосилицида титана. Обоснован выбор научно-технических
средств и направлений исследований в сторону получения материалов из механоактивированных порошков методом
плазменно-искрового спекания.
Установлено, что оптимальной частотой вращения мельнице для механоактивации порошковой смеси является 280 мин-1, при
обработке в течение 20-30 мин и охлаждении в течение 60 мин, общее время обработки - 3 ч. При этом расчётная
энергонасыщенность механоактивации составляет 550 Дж/кг.
При варьировании температуры плазменно-искрового спекания (ПИС) в диапазоне 1100 - 1400 град.С и времени выдержки 1 -
25 мин получены материалы на основе карбосилицида титана. Определены их плотность и пористость.
Методом рентгеноструктурного анализа получены рентгенограммы материалов на основе
карбосилицида титана, спечённых при различных параметрах ПИС.
Установлено влияние температуры и времени выдержки при ПИС на взаимодействие титана, карбида кремния и углерода в
условиях протекания импульсных токов с плотностью до 500 А/см2. Методом ренгеноструктурного анализа и последующими
расчётами определён фазовый состав образцов на основе карбосилицида титана.
Выявлены закономерности повышения плотности механоактивированной композиции при увеличении температуры и времени выдержки в процессе плазменно-искрового спекания.
Построены графические зависимости плотности и пористости материалов на основе карбосилицида титана от параметров
ПИС. Расчёт пористости проводился с учётом фазового состава образцов.
Разработана КД экспериментальных образцов и оснастки для изготовления экспериментальных образцов.
Изготовлена оснастка для проведения плазменно-искрового спекания и экспериментальные образцы из композиционного
материала на основе карбосилицида титана.
Полученные в результате исследований зависимости пористости и фазового состава композиционных материалов от
параметров плазменно-искрового спекания позволяют получать материалы с необходимыми для конкретных условий
эксплуатации характеристиками.
Получены образцы из износостойкого материала на основе карбосилицида титана.
Подана заявка на патент РФ №2015128393 от 13.07.2015 "Способ получения композиционного материала на основе
карбосилицида титана"