Анотація до роботи:

Уманський О.П. Наукові принципи вибору структурних складових і створення композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з підвищеною зносо- і корозійною стійкістю. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.01 – матеріалознавство. Інститут проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ, 2003.

Робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків і переліку літератури, що цитується.

Дисертація присвячена рішенню актуальної науково – технічної проблеми – розробці наукових основ створення зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану і кремнію з металевими зв'язками. Проведено системне дослідження процесів змочування і вивчені механізми міжфазної взаємодії карбонітриду титану і подвійного карбіду титану – хрому, матеріалів TiВ₂ – TiС і SiС – Al₂O₃ з металевими сплавами на основі заліза і нікелю, що дозволило сформулювати принципи вибору структурних складових нових зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів. Розроблені принципи дозволили одержати нові композити на основі тугоплавких сполук титану (TiCN, TiCrС, TiВ₂ – TiС) і кремнію (SiС- Al₂O₃). Досліджено закономірності структуроутворення нових матеріалів, а також вивчені їх фізико – механічні, триботехнічні і фізико – хімічні властивості. Проведено дослідження механізмів контактної взаємодії стандартних твердих сплавів і розробленого композита КТФХ(TiС – Fe – Cr) з долотною сталлю, розроблений композит рекомендований для армування долотного бурового інструменту.

Досліджено структуру і властивості керамічних композиційних матеріалів SiС - Al₂O₃ з додатками ZrО₂ і B₄C. Ці матеріали мають високі фізико – механічні (_виг=650 – 1025МПа) і триботехнічні характеристики (знос І=5-12мкм/км, коефіцієнт тертя f=0,28 -0,2).

Розроблені композиційні матеріали використовували для одержання зносо- і корозійностійких електроіскрових, детонаційних і газотермічних покриттів на сталях і сплавах. Апробація розроблених нових композиційних матеріалів на основі карбонітриду титану і карбіду кремнію успішно проведена на підприємствах нафтопереробної і гірничодобувної галузей промисловості і продемонстрована можливість їхнього практичного застосування.

1. Вперше сформульовані науково – обґрунтовані принципи вибору структурних складових нових зносо- і корозійностійких композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук титану, кремнію з металевою зв'язкою:

– зносостійка складова повинна мати високу термодинамічну стабільність стосовно металевих зв'язок при реалізації гарного змочування і високого адгезійного зв'язку між ними.

– металева зв'язка повинна бути багатокомпонентною і складатися з міжфазно – активних металів, що утворюють між собою тверді розчини в широкій області концентрацій, що знижує їхню хімічну активність (при високому адгезійному зв'язку з тугоплавкою складовою), тим самим зменшує інтенсивність взаємодії зі зносостійкою складовою і перешкоджає утворенню нових хімічних сполук.

2. Вперше досліджена контактна взаємодія складних тугоплавких сполук титану (TiС, TiCN, TiCrС, TiС – Mo₂C, TiВ₂ – TiС, TiCN – AlN) зі сплавами на основі нікелю (Ni – Cr, Ni – P, Ni – Mo) і заліза (Fe – Cr, Fe – Ni). Визначено кінетичні й енергетичні параметри змочування, вивчені структура і склад продуктів взаємодії, що утворюються. Показано, що дані системи характеризуються інтенсивним змочуванням (значення контактних кутів << 90⁰), що супроводжується утворенням взаємних обмежених твердих розчинів, які забезпечують високий адгезійний зв'язок металевих сплавів з тугоплавкою складовою.

3. На підставі виявлених особливостей міжфазної взаємодії тугоплавких сполук титану з металевими розплавами визначений вибір структурних складових і оптимальних складів нових композиційних матеріалів, розроблена технологія їхнього одержання. Аналіз структури, фазового складу і властивостей розроблених КМ дозволили сформулювати їхню класифікацію щодо складу і областей застосування.

4. Досліджено структуру і властивості керамічних композиційних матеріалів SiС – Al₂O₃ з додатками ZrО₂ і B₄C. Вивчені фізико – механічні (міцність при вигині складає 650 – 1025 МПа) і триботехнічні характеристики цих матеріалів (у залежності від складу і режимів випробування знос складає I = 5 – 12 мкм/км, а величина коефіцієнту тертя f = 0,32 – 0,2). Досліджено особливості контактної взаємодії розробленої кераміки SiС – Al₂O₃ з нікелевими сплавами, що дозволило зробити рекомендації зі створення КМ на основі карбідокремнієвої кераміки з металевою зв'язкою для детонаційних покриттів.

5. У широкому діапазоні складів і навантажно – швидкісних параметрів вивчені триботехнічні характеристики розроблених композиційних матеріалів на основі TiCN, TiCN – AlN, TiCrС, TiС з металевими зв'язками Fe(Ni) – Cr в умовах сухого тертя ковзання на повітрі в парі зі сталлю. Показано, що основний вплив на тертя і знос чинить склад вторинних плівок, що утворюються в процесі трибоокислення. Установлено, що з ростом швидкості ковзання і навантаження коефіцієнт тертя й інтенсивність зношування зменшуються, досягаючи для КМ на основі (TiCN – AlN) значень 0,11 і 3,2 мкм/км відповідно. При цьому утворенню щільної оксидної плівки сприяють оксидні фази, що утворюють тверді розчини TiО₂ – Al₂O₃, TiО₂ – Fe₂O₃, TiО₂ – Cr₂O₃ і адгезійно міцно зв'язані з поверхнею КМ.

6. Проведено комплексні дослідження корозійної стійкості розроблених матеріалів в агресивних середовищах: при високих температурах на повітрі й у морській воді. Показано, що металева зв'язка (Fe – Cr) у розроблених матеріалах на основі тугоплавких сполук титану приводить до утворення при температурах 800 ⁰С твердих розчинів Cr₂TiО₅ і Fe₂TiО₅, які утворюють щільну оксидну плівку, що має високу адгезію до основи. Це сприяє збільшенню корозійної стійкості матеріалів зі зв'язками при високих температурах (до 1200 ⁰С). Виходячи з вимірюваних значень стаціонарних потенціалів поляризаційних кривих, залежності швидкості корозії від прикладеного потенціалу установлена висока корозійна стійкість у морській воді розроблених матеріалів у порівнянні з конструкційними сталями.

7. Розроблено технологію формування і спікання гранул з нового КМ на основі карбіду титану з метою створення локально армованого породоруйнівного бурового інструменту. Вивчена сумісність гранул КТФХ із долотною сталлю, досліджена зона їхньої взаємодії. Показано, що твердосплавні гранули практично не взаємодіють з долотною сталлю і не піддаються розміцненню (зміні їхнього вихідного складу). Отримані гранули рекомендовані для одержання зубків бурового інструменту методом відцентрового лиття.

8. Дано рекомендації з використання розроблених матеріалів для нанесення електроіскрових покриттів. Застосування технології пошарового легування дозволило збільшити товщину і суцільність захисного покриття зі збільшенням зносостійкості в 2 – 2,5 рази. Показано принципову можливість застосування нових матеріалів для одержання зносо – корозійностійких покриттів методами газотермічного напилювання. Розроблений жаростійкий композиційний матеріал SiС – Al₂O₃ – ZrО₂ забезпечує одержання детонаційних покриттів на сталі 30ХГСНА, що перевищують зносостійкість покриттів із твердого сплаву ВК15 у 3,5– 4 рази.

9. Розроблені на основі карбонітриду титану композиційні матеріали пройшли апробацію як деталі торцевих ущільнювачів для нафтоперегонних насосів. Встановлено, що при зміцненні сталевих поверхонь (штампового оснащення) і карбідовольфрамових сплавів ВК 6 стійкість зміцнених деталей зростає в 1,3 – 1,8 разів. Карбідокремнієві КМ пройшли успішні випробування як конуси гідроциклону на Криворізькому Центральному гірничозбагачувальному комбінаті, з цих матеріалів виготовлені елементи ущільнювальної техніки і засоби індивідуального захисту. З нового керамічного матеріалу на основі карбіду кремнію виготовлені і випробувані торцеві ущільнювачі, що за експлуатаційними характеристиками перевершують закордонний аналог "Силайд".

Публікації автора:

1. Панасюк А.Д., Уманский А.П. Взаимодействие структурних составляющих композиционного материала на основе карбида титана // Порошковая металургия. – 1987. - №2. – С.79 -82.

2. Довгань А.Г., Ващенко А.Н., Панасюк А.Д., Уманский А.П. Взаимодействие диборидов титана и циркония с силикатными расплавами // Порошковая металлургия. – 1988. – №7. – С.84 – 88.

3. Панасюк А.Д., Уманский А.П., Смирнов В.П. Контактное взаимодействие тугоплавких соединений титана со сплавами железо – хром // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1988. - №21. – С.45 – 48.

4. Богданов Е.И., Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Столярова Н.С., Уманский А.П. Использование минерального сырья в получении новых электродных материалов для электроискрового легирования // Порошковая металлургия. – 1989. - №9. – С.85 – 90.

5. Уманский А.П., Шведова Л.К., Панасюк А.Д., Горбатов И.Н., Врублевс-кий А.С. Смачивание двойного карбида титана–хрома никелевыми сплавами // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1990. - №23. – С.69 -73.

6. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Верхотуров А.Д., Дятел В.П. Уманский А.П. и др. О возможности получения лазерных покрытий с использованием минерального сырья //Физика и химия обработки материалов. – 1990. - №4. – С.63 -68.

7. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Белобородов Л.Н., Врублевский А.С., Середа Н.Н. Особенности межфазного взаимодействия в системах (TiC–Mo₂C)– (Ni – Mo). Сообщение I.Смачивание материалов TiC–Mo₂C сплавами Ni – Mo // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1991. - №26. – С.38 – 41.

8. Панасюк А.Д.,Уманский А.П.,Середа Н.Н.,Белобородов Л.Н.,Черепин А.В. Особенности межфазного взаимодействия в системах (TiC – Mo₂C) – (Ni–Mo).Сообщение II.Исследование механизма межфазного взаимодейст-вия в системах (TiC – Mo₂C) – (Ni – Mo) методом микрозондового анализа // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1991. - №26. – С.41 – 45.

9. Горбатов И.Н., Панасюк А.Д., Шведова Л.К., Уманский А.П.,Талаш В.Н. и др. Газотермические покрытия из композиционных порошков на основе карбида титана – хрома // Защитные покрытия на металлах. – 1991. – Вып.25. – С.22 – 25.

10. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Бугай Ю.Н., Шишкин В.А. Взаимодействие безвольфрамовых твердых сплавов со сталью // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1991. - №25. – С.96 – 100.

11. Panasyuk A.D., Neshpor I.P., Umansky A.P. The Influence of Oxide Phases on the Structure Formation and Properties of SiC – Based Ceramics // High Temperature and Materials Science. – 1995. – V.34. – P. 1 – 6.

12. Горбатов И.Н., Шведова Л.К., Панасюк А.Д., Верещак В.М., Уманский А.П. Межфазное взаимодействие в системах „сложный карбид титана- хрома – никелевый сплав” // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1992. - №28. – С.43 – 46.

13. Подчерняева И.А. Панасюк А.Д., Лавренко В.А., Уманский А.П. и др. Электроискровое легирование конструкционных сплавов композиционным материалом на основе TiCN – AlN // Порошковая металургия. – 2000. - №5/6. – С.21 – 29.

14. Уманский А.П. Композиционный материал на основе карбонитрида титана со связкой железо – хром. // Порошковая металургия. –2001. - №11/12. – С.113 -117.

15. Umansky A.P., Panasyuk A.D., Polchernyaeva I.A. Manufacturing, Structure and (TiCN – AlN) – (Fe – Cr) Composite Material // Science of Sintering: Current Problems and New Trends, Serbian Academy of Science and Arts, Belgrade, Yugoslavia, 2003. – P.385 -390.

16. Panasyuk A.D., Polchernyaeva I.A., Schepetov V.V., Umansky A.P. Development of Advanced TiCN – based Composite Materials for Fine-Dispersion Wear- Resistant Coatings // Science of Sintering: Current Problems and New Trends, Serbian Academy of Science and Arts, Belgrade, Yugoslavia, 2003. – P.391 -397

17. Пушкарев О.И., Уманский А.П. Абразивоизносостойкий композиционный материал на основе карбида титана для нефтехимического машиностроения // Огнеупоры и техническая керамика. – 1999. – №9. – С.21 – 22.

18. Уманский А.П. Особенности межфазного взаимодействия безвольфрамовых твердых сплавов с долотной сталью // Порошковая металургия. – 2002. - №3/4. – С.122 – 127.

19. Чупров С.С., Проценко Т.Г., Уманский А.П., Луговская Е.С.,Радченко В.Г.Высокотемпературное окисление износостойких композиционных материалов на основе карбида титана // Материалы на основе карбидов. – Киев: ИПМ НАНУ. – 1987. – С.36 – 39.

20. Панасюк А.Д., Пшеничная О.В., Уманский А.П., Желуденко В.П. Межфазное взаимодействие нитрида, карбида и карбонитридов титана с никель – хромовыми сплавами // Материалы на основе нитридов. – Киев: ИПМ НАНУ. – 1988. – С.200 – 206.

21. Уманский А.П., Чупров С.С., Врублевский А.С. Физико – химические основы формирования композиционного материала на основе карбида титана // Физическое материаловедение и физико – химические основы создания новых материалов. – Киев: ИПМ НАНУ. – 1989. – С.138 – 142.

22. Чиплик В.Н., Нешпор И.П., Уманский А.П.,Врублевский А.С. Безвольфамовые электроискровые покрытия на основе карбонитрида титана и их триботехнические характеристики // Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов. – Киев:ИПМ НАНУ. – 1990. – С.124 – 128.

23. Коваленко В.С., Подчерняева И.А., Линкина Л.Д., Уманский А.П., Радченко В.Г. Влияние химического состава стали на параметры электроискрового легирования // Технология и организация производства. – 1990. – №1. – С.48 – 50.

24. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Врублевский А.С. Взаимодействие никель – фосфорных сплавов с тугоплавкими соединениями титана и хрома // Физическая химия и технология фосфидов и фосфорсодержащих сплавов. Алма – Ата: 1990. – С.98 – 103.

25. Панасюк А.Д., Нешпор И.П., Уманский А.П. Закономерности смачивания материалов системы SiC – Al₂O₃ никелевыми сплавами // Карбиды и материалы на их основе. – Киев:ИПМ НАНУ. – 1995. – С.103 – 107.

26. Композиционный спеченный материал: А.с. 1505053 СССР, МКИ С 22С 29/00/ С.С.Чупров, А.П.Уманский, В.А.Лавренко, А.Д.Панасюк, В.Н.Чиплик (СССР). – 4345036; Заявлено 17.12.87; Зарегестр. 01. 05. 89.

27. Спеченный электродный материал на основе карбида титана для упрочнения металлических поверхностей: А.с. 1433054 СССР, МКИ С 22 С

29/00/ А.Д.Панасюк, А.Д.Верхотуров, И.А.Подчерняева, В.Г. Радченко, А.П.Уманский (СССР). – 4184392; Заявлено 19.01.87; Зарегестр. 22.06.88.

28. Порошковый материал на основе диборида титана для лазерной нап-лавки покрытий:А.с. 1584416 СССС МКИ С 22 С 29/00 А.П. Уманский и др. (СССР). – 4652545; Заявлено 12.01.89; Зарегестр.08.04.90.

29. Антифрикционный износостойкий композиционный материал: Патент 1811711 СССР, МКИ С 22 С 29/00/ А.Д.Панасюк, А.П.Уманский, И.П. Нешпор, А.И. Камышников и др. – 4944863; Заявлено 13.06.91; Зарегестр. 10.10.92.

30. Электроискровые покрытия из новых гетерофазных материалов / А.Д. Верхотуров, И.А.Подчерняева, Н.С.Столярова, А.Д.Панасюк, А.П. Уманский, И.И. Тимофеева: Препр./АН СССР. Ин – т горного дела; Владивосток: 1987. - 60 с.

31. Umansky A., Panasyuk A., Beloborodov L. The Influence of Molybdenum Carbide on Wetting and Interphase Interaction in TiC – (Ni – Mo) System // International Adhesion Symposium in Japan, November 6 to 10 1994. Abstract book. – P.288 – 289.

32. Podchernyaeva I.A., Lavrenko V.A., Umansky A.P. Formation and Properties of Electric- Spark Coatings on WC – Co Alloy Surfase Using TiCN – AlN Electrode Material // Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, Brighton, Great Britain. – 1999. – vol.1. – P.233 – 234.

33. Umansky A.P. Development of Titanium Carbonitride-Based Materials, Study of their Structure and Properties // Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, Brighton, Great Britain.– 1999.– vol.1.– P.247– 248.

34. Umansky A., Panasyuk A., Beloborodov L., Smirnov V., Sereda N. Study of Structure and Phase – Formation in (TiC – Mo₂C) – (Ni – Mo) Composite Materials // Proceedings of 9^th Cimtec – World Ceramics Congress. Faence, Italy, 2000. – P.723 – 728.

35. Umansky A., Panasyuk A. Composite Material on Base of Double Titanium – Chromium Carbide with the High Resistance as for Wear and High Temperature Oxidation // „Materials and Coatings for Extreme Performances”. Proceedings of 2^th International Conference. IPMS, Kiev, Ukraine, 2002. – P.358 – 359.

36. Панасюк А.Д., Уманский А.П. Получение, структура и некоторые свойства композитов на основе материала TiB₂ – TiC со связкой железо – хром// „Принципы и процессы создания неорганических материалов”/ меж-дународный симпозиум. Тезисы докладов, Хабаровск, Россия, 2002.– С.48.