Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса 9
1.1. Материалы, используемые для изготовления инструмента. Возможность и экономическая целесообразность утилизации стружки для изготовления металлообрабатывающего инструмента 9
1.2. Способы переработки стружки в изделия 12
1.3. Теории образования соединения между одноименными металлами в твердой фазе 15
1.4. Формирование структуры при деформировании металлов с развитыми поверхностями 20
1.5. Теории пластичности пористых металлов 23
1.6. Закономерности уплотнения пористых материалов при пластическом деформировании 27
Цели и задачи исследования 35
ГЛАВА 2. Исследование закономерностей образования соединения при деформировании некомпактных металлических материалов . 37
2.1. Механизм образования соединения в процессах обработки давлением некомпактных металлов 38
2.1.1. Образование физического контакта 40
2.1.2. Образование схватывания при пластическом деформировании некомпактных металлов 49
2.1.3. Объемное взаимодействие между элементами стружки в процессе пластической деформации . 55
2.2. Образование соединения между одноименными металлами при комнатных температурах в процессе пластической деформации (структурный показатель схватываемости) 62
2.3. Определение эффективных прочностных свойств материалов изготовленных деформированием стружки (математическая модель стружкового монолита) 65
2.4. Расчет эффективных прочностных свойств пористых материалов 80
Выводы 84
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование влияния термомеханических условий деформирования некомпактных металлических материалов на образование соединения
3.1. Материалы и методы исследования 91
3.2. Влияние физико-химических свойств материала стружки на образование соединения при пластическом деформировании 93
3.3. Влияние температуры на образование соединения при пластическом деформировании стружки 106
3.4. Влияние схемы деформации стружки на образование соединения 119
3.5. Исследование деформированного состояния некомпактных металлов 133
3.6. Влияние гидростатического давления на структуру и свойства материалов, изготовленных из некомпактных металлов 142
Выводы154
ГЛАВА 4. Разработка тюшодогических процессов изготовления изделий и полуфабрикатов из некомпактных металлов и их технико-экономическое обоснование
4.1. Основные технологические операции изготовления полуфабрикатов из металлической стружки 137
4.2. Изготовление изделий типа "матрица" из стружки стали типа Р6М5160
4.3. Изготовление длинномерных полуфабрикатов для металлорежущего инструмента из стружки стали типа Р6М5 ... 163
4.4. Технологический процесс изготовления заготовок для резьбовых втулок "ДУ-10" и "ДУ-20" из бронзовой стружки Бр.АЖ9-4
4.5. Технологический процесс изготовления фильер из твердосплавной порошковой смеси "ТП-П" с использованием гидростатической обработки (ТОО) 174
4.6. Технико-экономическое обоснование эффективности процесса передела стружки в полуфабрикаты 176
Выводы по диссертации 181
Литература 186
- Теории образования соединения между одноименными металлами в твердой фазе
- Объемное взаимодействие между элементами стружки в процессе пластической деформации
- Влияние температуры на образование соединения при пластическом деформировании стружки
- Изготовление длинномерных полуфабрикатов для металлорежущего инструмента из стружки стали типа Р6М5
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС об экономическом и социальном развитии СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года и в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров GCGP № 612 от 30 июня 1981 г. указывается на усиление работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливо-энергетических и других ресурсов, В постановлении ЦК КПСС от 8 декабря 1984 г, указывается о целесообразности расширения тематики фундаментальных и прикладных исследований по замене первичного сырья вторичным, созданию малоотходных и безотходных технологий.
На заводах нашей страны ежегодно образуются десятки миллионов тонн отходов из высоколегированных сталей и сплавов, значительная часть которых (до 60%) образуется в виде стружки. Поэтому, наряду с внедрением новых технологических процессов, повышающих коэффициент использования металла (КИМ) при первичной обработке, рациональное использование металлоотходов -один из важнейших резервов экономии металлов, увеличения выпуска годной продукции и повышения технико-экономических показателей производства.
Основное внимание в данной работе уделено утилизации стружки из быстрорежущих сталей путем их переработки в заготовки для изготовления инструментов. Результаты исследования позволили также усовершенствовать технологию изготовления безвольфрамовых твердых сплавов и повысить их качество.
Существующие технологические процессы переработки стружки в полуфабрикаты включают операции: брикетирование очищенной стружки, нагрев брикета и его деформирование.
Брикет из стружки представляет собой конгломерат, состоящий из макрочастиц - элементов стружки покрытых окисными пленками. Поэтому технологический процесс изготовления полуфабрикатов должен обеспечивать уплотнение конгломерата и образование прочных связей на границах раздела элементов стружки. Плотную заготовку, изготовленную деформированием (прессованием, штамповкой и т.д.) стружки, будем называть в дальнейшем стружковым монолитом Опубликованные результаты исследований в указанной области относятся преимущественно к вопросам уплотнения и к особенностям пластического течения. Они позволяют выбрать схему деформации, обеспечивающую максимальное уплотнение пористого брикета, а также рассчитать усилие деформации. Шесте с тем, на процесс образования соединения между элементами стружки влияют термомеханические режимы деформирования и свойства материала стружки: температура, величина нормального давления на соединяемых поверхностях, история деформирования, величина накопленной деформации, степень легирования материала, количество окисных и других включений и т.д.
Указанные параметры и явления освещены в литературе недостаточно.
В процессе нагрева стружкового брикета даже в восстановительной среде полностью избавиться от окисных включений практически не удается. Разработка аналитического описания закономерностей образования соединения и прогнозирование прочностных свойств стружкового монолита в зависимости от распределения онисных включений, должны позволить рационально построить технологический процесс производства полуфабрикатов.
В настоящее время для изготовления некоторых деталей используются сплавы с большим содержанием вольфрама, так как безвольфрамовые сплавы не обладают достаточной стойкостью В данной работе предложен новый безвольфрамовый твердый сплав с высокими механическими и эксплуатационными свойствами и технология его обработки. Работа посвящена исследованию закономерностей образования соединения и формированию структуры некомпактных металлических материалов при их деформировании и, на этой основе, разработке технологических процессов производства полуфабрикатов металлообрабатывающего инструмента и некоторых других изделий.
При выполнении диссертационной работы проведено следующее:
- выполнено аналитическое описание процесса образования соединения при пластическом деформировании стружки с учетом термомеханических режимов деформирования и свойств материала;
- предложен структурный показатель схватываемости между одноименными металлами при их пластической деформации;
- создана математическая модель стружкового монолита (плоская задача), позволяющая вычислить эффективные прочностные свойства в зависимости от распределения окисных включений и пористости;
- экспериментально исследовано влияние термомеханических условий деформирования и физико-химических свойств материала стружки на закономерности образования соединения;
- разработан новый безвольфрамовый твердый сплав и исследовано влияние гидростатической обработки (ГСО) на структуру и прочностныеосвойства.
На основе обобщения результатов проведенных исследований, разработаны практические рекомендации по усовершенствованию технологических процессов производства полуфабрикатов из некомпактных металлических материалов, обеспечивающих повышение качества изделий Работа выполнена в ООУД НПО ЦНИИТМАШ. Экономический эффект от внедрения выполненных работ в промышленность составляет 100,78 тыс.руб.
Теории образования соединения между одноименными металлами в твердой фазе
Теории,объясняющие механизм образования соединения в твердой фазе в ряде случаев исходят из неодинаковых предпосылок. А.А.Алов, Г.Н.Кораб и др. [2,41] полагают, что процесс рекристаллизации является основным фактором, определяющим образование соединения в твердой фазе. Деформация и сопутствующий ей наклеп металла при одновременном воздействии относительно высоких температур, приводит к перестройке атомов в кристаллической решетке соединяемых тел и к образованию на их границах новых зерен, одновременно принадлежащих обоим телам, следовательно, соединению контактирующих металлов.
Раскристадлизационная гипотеза была подвергнута критике А. П.Семеновым, Н.Ф.Лашко, С.В.Лашко-Авакяном, С.Б.Айнбиндером, Ю.Д. Первицким [1,52,69,92]. Они показали, что в местах соединений, подученных холодной сваркой, изменений структуры,характерных для рекристаллизации не происходит Зона сцепления металлов имеет максимальный наклеп, а ее микротвердость в 1,5-2 раза выше, чем в менее деформированных объемах»
С.Б.Айнбиндер и др. [I] утверждают, что все металлы и сплавы обладают одинаковой способностью к схватыванию при сближении чистых поверхностей на расстояния, не превышающие радиуса действия межатомных сил Неодинаковую способность свариваться у различных металлов они объясняют появлением поверхностных пленок Способность металлов к сцеплению определяется соотношением твердостей соединяемых металлов и находящихся на их поверхности пленок окислов и адсорбированных веществ, которые препятствуют тесному сближению и сцеплению металлов При наличии пленок более твердых, чем основной металл, на жх поверхности при деформации образуются трещины и при дальнейшем сдавливании куски разрушенной пленки двигаются вместе с растекающейся поверхностью металла, сами при этом не деформируются Между кусками пленки появляются участки чистого металла, которые, сближаясь между собой, образуют прочное сцепление Если пленки мягче основного металла или столь же пластичны, как и основной металл, то при деформации они растекаются с нижележащими слоями металла без разрушения Участки поверхности, свободные от пленок, не появляются, и сцепления не происходит Однако А.П.Семенов, Г.П.Упит, И.Б.Баранов и др. [4,92, 106J показали, что при определенных схемах деформации роль пленок становится второстепенной.
По гипотезе А.П.Семенова [921, для схватывания находящиеся в контакте металлы должны иметь определенный уровень энергии атомов и ионов, который можно назвать энергетическим порогом схватывания» При достижении энергетического порога направленность связей атомов теряет определяющее значение; между поверхностными атомами образуются металлические связи, и поверхность раздела двух соприкасающихся объемов исчезает» Для начала схватывания требуется тем меньшая степень совместной пластической деформации, чем выше энергия атомов металла» Так, например, нагрев или упругая деформация, повышающие энергию атомов, прибдижают металл к состоянию, необходимому для схватывания» Схватывание металлов А»П.Семенов считает бездиффузионным процессом» При высоких температурах на бездиффузионное явление схватывания накладывается диффузионный процесс спекания, но и в этом случае схватывание имеет решающее значение» Энергетическая гипотеза не может дать удовлетворительного ответа на вопрос, почему выше определенной степени наклепа способность металлов к схватыванию не увеличивается, а уменьшается, хотя наклеп приводит к увеличению энергии кристаллической решетки» В противоречии с энергетической гипотезой находятся факты уменьшения способности металлов к сцеплению при пластической деформации при наличии в них примесей» Нерешенным остается вопрос о направленности связей атомов в кристаллической решетке» Энергетическая гипотеза не учитывает зависимость сцепления от физико-химических свойств металлов»
Согласно диффузионной гипотезе Н»Ф»Лашко, С.В.Лашко-Ава-кяна [52] в основе образования связей между контактирующими поверхностями лежат процессы взаимного диффузионного перемещения атомов вглубь соединяемых тел» Вместе с тем, холодная сварка металлов при низких температурах (-150 и -19бС) противоречит представлениям диффузионной гипотезы Е.И.Астров 13] исходит из предпосылки о том, что схватываемо сть металлов зависит только от свойств самих металлов. Он предлагает определять схватываемость металлов в зависимости от показателя //3/ Г$ (где ИВ - твердость в кгс/ммг и S - относительное удлинение в процентах при испытании на растяжение) Э.С Каракозов [34], рассматривая соединения в твердой фазе анализирует математические модели образования схватывания, учитывающие одновременное протекание стадий по всей макроскопической поверхности взаимодействия М.Х.Шоршоров [114], используя законы теории ползучести, предлагает математическую интерпретацию образования сварного соединения в твердой фазе Кинетику этого процесса автор изображает состоящей из двух стадий: стадия Л - преимущественное образование физического контакта, максимальное сближение поверхностей и очищение их от окисных и адсорбированных пленок; стадия В - возникновение между сближенными поверхностями прочных связей, имеющих химическую природу.
Объемное взаимодействие между элементами стружки в процессе пластической деформации
При температурах деформации 7 = (0,74-0,8) ТпЛ , характеризующих процессы ОМД, в металлах происходят процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации. Процессы возврата и по-лигонизации не имеют инкубационного периода. При этих процессах происходят аннигиляция дислокаций разных знаков и уменьшение количества точечных дефектов. Хотя плотность дислокаций при этом уменьшится в несколько раз, однако можно считать, что ее порядок будет такой же, как до возврата и полигонизации.
Затем наступает процесс рекристаллизации, характеризующийся зарождением и ростом в деформированной матрице зародышей, свободных от напряжений. Причем центры рекристаллизации образуются не сразу, а по истечении некоторого времени, названного инкубационным периодом . Инкубационный период рассматривается как время полигонизации, образования и укрупнения блоков в качестве центров рекристаллизации до макроскопических размеров. После начала процесса рекристаллизации избыточное количество дислокаций быстро уменьшается, и достигает номинального значения для отожженного металла J = 10 см .
Теперь рассмотрим горячее деформирование металлов (прессование, ковку), Увеличение степени деформации в течение инкубационного периода t будет увеличивать плотность дислокаций f по зависимости (2,41), По истечении времени Z , в металле будут проходить процессы рекристаллизации и уменьшение плотности дислокаций. Однако, в процессе последующего приращения деформации плотность дислокаций вновь увеличится. Вышеуказанный цикл в процессе деформирования будет повторяться.
Таким образом, если скорость деформации такова, что время инкубационного периода Г больше времени деформирования то плотность дислокаций в процессе пластической деформации определится зависимостью (2.41), причем интегрирование необходимо проводить по параметру -а , а глубина диффузионного слоя X, обусловленная пластической деформацией, определится зависимостью где 0 определяется из (2.42), a Z зависит от физико-химических свойств материала. Из полученных результатов можно заключить, что для увеличения глубины диффузионного слоя необходимо способствовать максимальному накоплению дислокаций в материале и увеличить время диффузионного взаимодействия в процессе деформирования.
Для материалов, время инкубационного периода которых меньше времени деформирования за один этап Т с0 , как следует из (2.42) и (2.44), увеличить зону диффузионного взаимодействия по "облегченным" путям возможно только за счет увеличения скорости деформации и времени деформирования, т.е. за счет увеличения степени деформации. А при заданной степени деформации, увеличить зону объемного взаимодействия для таких материалов невозможно.
Что касается материалов, у которых время инкубационного периода больше времени деформирования за один этап Т to , то увеличить зону диффузионного взаимодействия можно не только за счет увеличения степени деформации как в предыдущем случае, но и при заданной степени деформации.
Каждый этап деформации в случае Т to вызывает "накач-ку"в материале избыточных дислокаций, которые сохраняются в течение времени инкубационного периода Т и являются "магистралями" для ускоренного движения атомов. Следовательно, в течение этого времени, деформирование можно не проводить, и тем не менее ускоренная диффузия будет обеспечена.
Если после каждого этапа деформации делать выдержку в течение времени t /Т, то увеличение времени диффузионного взаимодействия по "облегченным" путям за счет деформирования с паузами (например, на осевой части прутка в случае протяжки) составит где Пі - число этапов (обжимов) в процессе протяжки; - время деформирования в течение одного этапа (обжима). При этом зона объемного взаимодействия увеличится в у/?, раз, по сравнению с деформированием в один этап с той же степенью деформации (например, по сравнению с осевой частью прессованного прутка).
При разработке технологических процессов производства полуфабрикатов необходимо учесть, что деформация с паузами резко повышает зону объемного взаимодействия между элементами стружки. При этом производительность процесса несколько падает.
Таким образом, на основе предположения о существовании связи пластического разрыхления с плотностью дислокаций по линейному закону, и с учетом аномального возрастания коэффициентов диффузии вдоль дислокаций и границ зерен, сформулированы уравнения объемного взаимодействия при обработке давлением некомпактных металлов.
Влияние температуры на образование соединения при пластическом деформировании стружки
Для экспериментальных исследований использовали стружко-вые отходы от фрезерования заготовок из армко-желеэа, средне-углеродистых сталей Ст.З и Ст.45, инструментальной стали "ШХ-І5", быстрорежущей стали F6M5, алюминия, дуралюминия Д-І6, меди и бронзы Бр.АЖ9-4.
Стружки из этих материалов обладают неодинаковыми свойствами, что позволяет исследовать влияние различных факторов на образование соединения при пластическом деформировании. Влияние гидростатической обработки на свойства безвольфрамового твердого сплава исследовали используя порошковую смесь сплава ПТПИ. Влияние термомеханических условий деформирования стружко-вых брикетов на качество полученных материалов нами исследовалось Путем Определения МехаНИЧеСКИХ СВОЙСТВ Испытания механических свойств выполняли: на одноосное растяжение - на испытательной машине ИМ-4Р; на сжатие - на машине HMTS і высокотемпературные испытания на растяжение -на машине "МТЗ". Твердость материалов определяли на приборах Бринеля и Роквелла по стандартным методикам. Металлографические исследования проводили на микроскопах ИМИМ-7П и " A/eophot-Z b Шлифы обрабатывали стандартными тра-вителями. Содержание легирующих элементов в материале определяли методом спектрального эмисионного анализа - на квантометре ДФС-36 Содержание кислорода определяли на приборе 0 17 фирмы LECO% методом плавления в потоке газоносителя. Содержание углерода - химическим анализом. Рентгеноспектральний анализ зоны объемного взаимодействия соединяемых материалов проводили на микроанализаторе фирмы "Самеса". Определение накопленной деформации проводили по искажению координатной сетки с использованием метода П.О,Пашкова [96], На плоскости разъема образца наносили координатную сетку штанген-рейсмусом. Затем образцы собирали и подвергали их деформациям в соответствии с программой экспериментов. Искажения координатных сеток измеряли на двухкоординат-ном микроскопе МИМ-8. Определение истинных деформаций материала в процессе формоизменения пористой заготовки проводилось с использованием зависимости [29] К - коэффициент пропорциональности, равный 2,0-2,8 (меньшая величина при исходной пористости заготовки менее 10-15%, большая - при более 35-40$) ; 0 0- относительный объем исходной заготовки; &лр- степень макродеформации; G0 - относительная плотность заготовки (до деформации). Очистку стружки от масел и эмульсий осуществляли следующим способом: в воде с температурой 90С растворяли 20-40 соды. В полученный раствор погружали стружку, и промывали ее путем тщательного перемешивания. После отстаивания продолжительностью несколько минут, отмытое масло собиралось в пленку на поверхности. После удаления пленки раствор со стружкой снова перемешивали и опять удаляли пленку. Операция повторялась пока пленка масла не перестала образовываться. После слива раствора стружку промывали горячей водой, а затем холодной. Стружку высушивали в центробежной сушилке, затем в сушильном шкафе при температуре I40-I60G. Очищенную стружку брикетировали в стальных цилиндрических контейнерах (0 35, 55 и 90 мм) под гидравлическими прессами давлениями 200-600 МПа.
Восстановление окисных пленок с поверхностей элементов стружек проводили путем нагрева брикета в осушенном водороде с точкой росы -45С, достигаемой с помощью установки УОГВ-0,5, а также в вакууме 1,33«Ю А Па (10 мм.рт.ст.).
Деформирование проводили на гидравлическом прессе модели 6330 с гидроприводом прямого действия номинальным усилием 1000 кн (100 тс) и на прессах с насосно-аккумуляторным приводом номинальными усилиями 4000 кн (400 тс) и 15000 кн (1500 тс), а также на кузнечных молотах НПО ЦНИИТМАШ.
Изготовление длинномерных полуфабрикатов для металлорежущего инструмента из стружки стали типа Р6М5
Это показано на примере деформирования алюминия (рис. 3.16). При этом схватываемость Са повышается, что также соответствует экспериментальным данным Таким образом, из вышесказанного следует, что образование схватывания между одноименными металлами при пластической деформации хорошо описывается показателем Са , предложенным в данной работе.
Анализируя полученные результаты можно заключить, что при повышении температуры деформирования до 0,74-0,8 от температуры плавления, происходит резкое увеличение прочностных свойств, характеризующее улучшение образования соединения у высоколегированных стружковых материалов. Улучшение механических свойств прутков; прессованных при этих температурах наблюдается и у малолегированных ихнелегированных материалов, но в меньшей степени. Полученные данные можно объяснить с позиции микромеханизма схватывания.
При относительно низких гомологических температурах соединение образуется в основном по дислокационному механизму, в местах выхода дислокации на границу раздела соединяемых поверхностей. В малолегированных металлах подвижность дислокаций облегчена и соединение образуется легко по сравнению с высоколегированными материалами, где легирующие элементы и дисперсные вьщеления блокируют дислокации. При повышении температуры подвижность дислокаций повышается как в малолегированных, так и в высоколегированных материалах, улучшая образование соединения. Повышается и диффузионная подвижность атомов, и наряду с дислокационным механизмом схватывания начинает действовать и диффузионный. При повышении гомологической температуры до 0,7-5-0,8, образование соединения по диффузионному механизму происходит настолько интенсивно, что по своей значимости он начинает превосходить дислокационный механизм.
Поэтому в высоколегированных металлах, где соединение при пластическом деформировании происходит в основном по диффузионному механизму, температура имеет столь важное значение. Каждый элемент стружки в брикете, предназначенном для получения монолита, покрыт окисной пленкой, устранить которую полностью в процессе нагрева в восстановительной среде практически не удается. Образование соединения при пластической деформации происходит преимущественно на ювенильных поверхностях, поэтому деформирование стружковой заготовки необходимо проводить таким образом, чтобы разрушить окисные пленки и перемешать их с металлом основы. Таким образом, важное значение при разработке технологического процесса получения доброкачественного стружкового материала имеет схема деформации.
Анализ кинематики течения металлов в очаге деформации в процессах ковки, штамповки, прессования и т.д. показывает, что в каждом из них реализуется весьма сложный вид нагружения, и в объеме очага деформации встречается почти любое сочетание напряжений и деформаций. Несмотря на большое разнообразие методов деформаций, ни один из них не применим для всех случаев передела стружки. Это обусловлено, главным образом, разнообразием физико-химических и механических свойств материала стружки и окисных пленок, разнообразием геометрии изготовляемого изделия и требуемых конечных свойств изделия » Эти факторы необходимо связать с выбором конкретного способа деформирования.
Для изыскания рациональных схем деформирования использовались брикеты из стружек меди и бронзы марки Бр,АЖ9-4 имеющих пластичные окислы, стали марки Ст.З, Р6М5, а также армко-железа, окислы которых относительно хрупки, алюминия и дуралю-миния марки Д-І6 с очень хрупкими окислами. Испытывались схемы деформаций, показанные в табл. 3,7,
В процессе деформации стружки границы раздела претерпевают значительные изменения. Если деформации в металле развиваются в одних и тех же направлениях и она достаточно мала, то окисные пленки вытягиваются в направлении максиальной деформации (рис, 3,17а). Это свойственно прессованию (центральная часть прутка) или осадке в замкнутом контейнере. При этом, окисные пленки не перемешиваются с материалом основы, а остаются по границам вытянувшихся элементов стружки в виде цепочки.
При дальнейшем увеличении степени деформации, окислы разламываются, обнажая нижележащие поверхности (рис, 3,176), Образование физического контакта улучшается, что в конечном итоге приводит к интенсификации элементарных актов сращивания и повышения качества полученного материала.
Пластичные окислы (характерные для бронзы Бр.АЖ9-4) располагаются на границах раздела в виде непрерывной цепочки и препятствуют образованию соединения (рис, 3.176), а хрупкие окислы располагаются в виде дисперсно упрочненных прослоек (волокон).
