Анотація до роботи:

Джелялов С. І. Закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу інструментального призначення в системі ZrO₂–Al–C. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. – Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено розробці високов’язкої інструментальної кераміки змішаного типу шляхом дослідження закономірностей взаємодії компонентів реакційних сумішей ZrO₂–Al–C, кінетики її ущільнення, структуро- і фазоутворення при одержанні гарячим пресуванням щільних матеріалів, вивченню їх фізико-механічних властивостей та працездатності при лезовій обробці. Встановлено, що при гарячому пресуванні між компонентами вказаної системи в інтервалі температур 1400–1650 С проходить хімічна взаємодія з утворенням Al₂O₃, інтерметаліду Al₂Zr, а також ZrC, яке відбувається за рахунок карбідизації вказаного інтерметаліду. Отримано математичні залежності, для розрахунку фізико-механічних показників (HV15, K_1с), що дозволяють прогнозувати властивості гарячепресованих матеріалів при заданих значеннях концентрацій вихідних компонентів й параметрів ГП. Встановлено, що оптимальний рівень значень твердості і тріщиностійкості досягається при неповному відновленні Zr алюмінієм із ZrO₂, тобто в матеріалі, який включає фази Al₂O₃, ZrC, ZrO_2(м) як основні та включення Al₂Zr. Розроблений матеріал дозволяє підвищити стійкість інструменту з нього при ударному та чистовому безударному точінні залізовуглецевих сталей порівняно з інструментом із стандартної кераміки.

У роботі вирішена важлива науково-технічна задача, яка полягає в створенні нової високов’язкої кераміки інструментального призначення шляхом дослідження закономірностей взаємодії, структуро- і фазоутворення та властивостей матеріалів у системі ZrО₂–Al–C, що дозволило встановити оптимальні умови утворення матеріалу під час гарячого пресування та використати його в якості інструменту для обробки залізовуглецевих сталей.

У результаті проведених комплексних досліджень, які сприяли доведенню поставлених задач до практичної реалізації, зроблено наступні висновки:

1. Вперше на основі комплексного аналізу тенденцій розвитку сучасної металообробки, видів існуючих різальних керамічних матеріалів, їх властивостей і способів одержання обґрунтовано та запропоновано для розробки нової високов’язкої різальної кераміки змішаного типу в якості компонента реакційної суміші з алюмінієм і вуглецем використовувати моноклінний диоксид цирконію, який є сировиною вітчизняного виробництва.

2. Вивчено термодинаміку взаємодії компонентів стехіометричних сумішей ZrO_2(м)–Al й ZrO_2(м)–Al–C, та експериментально встановлено наявність в них багатостадійної взаємодії в процесі нагрівання з утворенням оксиду алюмінію, інтерметаліду Al₂Zr, а також ZrC в другій системі.

3. Вперше досліджено закономірності процесу гарячого пресування реакційних сумішей системи ZrО_2(м)–Al–С і показано, що ущільнення сумішей ZrO₂ – (16–26)Al –
(0–7) C (% за масою) в процесі гарячого пресування відбувається в дві стадії, при цьому, перша стадія починається при температурі 750–800 С як наслідок плавлення алюмінію, а друга – починається при температурах 1380–1420 С і супроводжується взаємодією між вихідними компонентами, що дозволяє досягнути пористості матеріалів близької до нуля.

4. Встановлено, що зі збільшенням концентрації вуглецю до 7 % у вихідній суміші, збільшується кількість карбіду цирконію та зменшується вміст інтерметаліду в структурі матеріалу. Це також приводить до зменшення розмірів фаз складових матеріалу, а при концентрації С вище за 5,5 % (за масою) підвищується нерівномірність їх розподілу у структурі матеріалу і спостерігається зникнення ZrO₂ у складі ГП-зразків.

5. Встановлено, що утворення Al₂O₃ і Al₂Zr в процесі гарячого пресування сумішей систем ZrО_2(м)–Al та ZrО_2(м)–Al–С в інтервалі 1400–1650 С відбувається незалежно від концентрації в них алюмінію і параметрів ГП, а утворення карбіду цирконію в другій системі – переважно шляхом карбідизації вказаного інтерметаліду.

6. Визначено склад вихідних компонентів реакційної суміші ZrО_2(м)–Al–С і параметри гарячого пресування, при яких формується оптимальне сполучення твердості (HV15=18,3–18,7 ГПа) і тріщиностійкості (К_1с = 5,2–5,6 МПам^1/2) щільного матеріалу, що досягається при неповному відновленні оксиду цирконію, тобто наявності в матеріалі двох основних фаз – Al₂O₃ й ZrС, залишку ZrО_2(м), який не прореагував, а також включень інтерметаліду і запропоновано математичні залежності для розрахунку HV і К_1с. Отримані результати були підтверджені актом промислових випробувань, які були виконані на ТОВ «Кермет-У» (м. Харків). Оригінальність розробки матеріалу підтверджено патентом України.

7. Встановлено, що ріжучий інструмент з нової кераміки, має більш високу стійкість, при циклічному ударному точінні, а також характеризується меншою інтенсивністю зниження стійкості при чистовому безударному точінні залізовуглецевих сталей у порівнянні з ВОК-71, і СС650 та, в другому випадку, приближається до стійкості інструменту з СС650. Отримані результати були підтверджені актами лабораторних випробувань, які були виконані в ІНМ НАН України, а також актом промислових випробувань на ВАТ НВО «Йодобром» (м. Сакі).

Публікації автора:

1. Прокопив Н. М. Формирование градиентной структуры при горячем прессовании смеси ZrO_2(м)–Аl / 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 ZrO_2(м) и Аl 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 ZrO_{2 (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 ^ZrO_2(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 ZrO_{2 (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 ZrO_2(м)–Al та ZrO_2(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.