Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Актуальность проблемы изготовления изделий из порошковых материалов с заданными свойствами 11
1.1 Эффективность изготовления деталей из конструкционных порошковых материалов 11
1.2 Анализ существующих и перспективных методов изготовления изделий из порошковых материалов 14
1.3 Обоснование направления и методик исследований, выбор оборудования 31
1.4 Выводы 43
Глава 2 Исследование влияния факторов активирования взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью сплавов на основе железа и титана на технологичность изготовления и свойства конструкций 44
2.1 Взаимодействие в обычных атмосферных условиях 45
2.2 Взаимодействие в изолированном объеме 48
2.3 Взаимодействие с атмосферой сухого воздуха при ГЛР в среде аргона и азота 51
2.4 Выводы 54
Глава 3 Исследование влияния активирующих факторов процесса холодного прессования на изменение структуры и усадки образцов имитаторов конкретных изделий 55
3.1 Общие закономерности формования порошков 55
3.2 Исследование образцов имитаторов колец припоя из сплава ВПР-16 бо
3.3 Исследование на образцах имитаторах корпуса замка из порошкового сплава на основе титана 66
3.4 Исследование на образцах имитаторах гермошайб из порошкового сплава на основе титана 70
3.5 Выводы 73
Глава 4 Кинетика, температурная зависимость и механизм активирования образования диффузионного соединения порошковых частиц из материалов ЖГр1 и 2М2А 75
4.1 В природе образования соединения в твердофазном состоянии 75
4.2 Исследование активизации процесса диффузионного взаимодействия порошковых частиц в холоднопрессованных заготовках 80
4.3 Закономерности формирования пористости и свойств спеченных заготовок 88
4.4 Выводы 94
Глава 5 Влияние условий диффузионного взаимодействия порошковых частиц сплава 2М2А и листовых заготовок сплава ВТ20 на свойства композиционных конструкций 95
5.1 Исследование условий взаимодействия порошковых частиц из сплава 2М2А и листовых заготовок из сплава ВТ20 при спекании 95
5.2 Исследование влияния условий спекания на свойства комбинированных из порошка и листа деталей 101
5.3 Проведение ресурсных испытаний и оценка эксплуатационных свойств конкретных деталей 104
5.4 Выводы 115
Общие выводы 117
Список использованных источников 120
Приложения 128
- Анализ существующих и перспективных методов изготовления изделий из порошковых материалов
- Взаимодействие с атмосферой сухого воздуха при ГЛР в среде аргона и азота
- Исследование на образцах имитаторах корпуса замка из порошкового сплава на основе титана
- Закономерности формирования пористости и свойств спеченных заготовок
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы наблюдается резкое увеличение доли металлических композиционных материалов в конструкциях перспективных изделий авиационной, космической, энергетической и другой техники. Интегральное снижение эксплуатационных расходов, которое дает достижение нового уровня потребительских характеристик, перекрывает издержки на разработку и изготовление этих материалов. В общем технологическом процессе изготовления металлических композиционных материалов заслуживают процессы получения различного рода изделий, изготовленных методом малоотходной технологии (порошковая металлургия, литье и др.), которые требуют постоянного совершенствования и разработки новых наиболее эффективных и экономически выгодных технологических процессов их осуществления.
Развитие нефтяной, химической, газовой и других отраслей про-мышленности невозможно без использования пористых фильтров из спеченных материалов, которые по сравнению с имеющими широкое распространение тканевыми, картонными и другими, более прочны, выдерживают повышенные температуры и их резкие колебания, не загрязняют очищаемую среду материалом фильтра, обеспечивают высокую тонкость фильтрации, позволяют фильтровать кислоты, щелочи, высокотемпературные агрессивные газы, горючие и смазочные материалы, жидкие металлы и т.д.
Пористые материалы находят также широкое применение и в других отраслях промышленности (текстильная, кондитерская, фармацевтическая). Например, внедрение в промышленную практику не требующих смазки пористых подшипников скольжения с уникальными физико-механическими свойствами вообще недостижимо традиционными методами изготовления. Изготовление тугоплавких порошков с особыми свойствами, например, нитридов титана из отходов ГЛР титана и его сплава.
В области создания пористых изделий можно выделить работы отечественных и зарубежных учёных : Федорченко Н.М., Андриевского Р.А., Джонс В., Раковского В.С., Кипарисова С.С., Либенсона Г.А., Шатта В. И. и др. Из них наиболее перспективными является исследования создания композиционных материалов методом диффузионной сварки в твердофазном состоянии, но эти процессы весьма длительны, требуют создания определенного давления и заданной температуры, существуют ограничения из-за сложности формы детали. Заслуживают внимания процессы активизирования диффузионного взаимодействия путем предварительного окисления порошковых материалов. Поверхностная диффузия усиливается при восстановлении оксида на 2-3 порядка и ускоряет образование и рост контактов и сфероидизацию пор.
Таким образом, актуальным направлением исследования является повышение качества готовых изделий за счет управления их пористым строением, физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, технологическими параметрами процесса формообразования, которые до настоящего времени наименее изучены, что и послужило основанием для выполнения данной диссертационной работы.
Цель работы:
Комплексное исследование влияние закономерностей формирования пористой структуры в изделиях на основе железа и титана с заданными физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами путем активирования диффузионного твердофазного взаимодействия порошковых материалов и внедрение их результатов в производство.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-проанализировать известные методы и средства создания пористости в изделиях на основе титана и железа, управление их физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами и на их основе обосновать выбор направления исследования;
-оценить технологические возможности изготовления порошковых изделий и обосновать выбор материалов, разработку методик и оснастки для получения и исследования свойств изделий с заданной пористостью;
-исследовать взаимодействие атмосферы сухого воздуха с поверхностью сталей и сплавов на основе железа и титана в изолированном объеме;
-исследовать влияния факторов активирования процесса твердофазного диффузионного взаимодействия порошковых металлов: холодным прессова-нием; нагреванием в автономном вакууме в защитной среде и в вакууме на структуру и свойства традиционных и пористых изделий на основе железа и титана;
-анализ физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и структуры полученных пористых изделий на основе титана и железа;
-разработать технологию изготовления сложных деталей комбинированных из листа и порошковых заготовок на основе титана;
-исследовать состав, структуру и свойства порошковых отходов ГЛР титановых сплавов;
-провести опытно-промышленную отработку и внедрение в производство технологических процессов получения изделий с заданной пористостью, физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Методы исследования.
При выполнении данной диссертационной работы применялись как общеизвестные методики исследования свойств пористых материалов и изделий, так и специально разработанные с участием автора. Из числа известных использовали методы определения прочности на разрыв, плотности гидростатическим взвешиванием, твердости по Бринеллю, коэффициента трения, металлографические и рентгеноструктурные исследования, электронная микроскопия и другие экспериментально-аналитические методы.
Для исследований макро и микроструктуры, химического состава использовались приборы: большой металлографический микроскоп ІNeoрhot-21І, металлографический комплекс фирмы ІКарл ЦейсІ, растровый электронный микроскоп “JEOL" JSM 5600 с энергодисперсионным микроанализатором ІENERGYІ, дифрактометр рентгеновский "ДРОН-6", машина для испытания материалов на износ “МИ” и другое оборудование.
Научная новизна:
1. Определены условия взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью металлов в обычной атмосферных условиях и изолированном объеме. Защитные свойства окисной пленки на поверхности титановых сплавов сохраняются: а) при нагреве в обычных атмосферных условиях: в течении 1 часа при нагреве в электропечи до 650С,- 30 мин. при ЭКН до 900С,-5 мин. при ЭКН до 1000С; б) в герметичном контейнере неограниченное время за счет автономного вакуумирования гетерами, что позволяет вести нагрев спла-вов на основе титана и железа. Патенты: № 2020187; № 2021058; № 2076029.
2. Уточнены особенности формирования структуры пористых изделий на основе титана и железа в зависимости от условий активирования диффузионных процессов; установлена зависимость параметров пористости и физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств сплавов на основе титана и железа от температуры и времени спекания. Активирование процесса спекания путем скоростного нагрева и предварительного окисления холоднопрессованных заготовок с последующим восстановлением автономным вакуумированием с температур 700-800С гетерами позволяет увеличить плотность спеченных заготовок более чем на 19% по сравнению с традиционным вакуумным спеканием. Кроме того позволяет снизить удельное давлении прессования с 13т/см2 до 8-10т/см2. Выведена эмпирическая зависимость электропроводности от пористости заготовок из сплава 2М2А. Патент № 1784006.
3. Разработаны новые антифрикционные материалы; ЖГр1,2Х1Н0,8Д2-Т0,7 + 2%Мо2S, ЖГр1,5Х1Н0,9Д3Т0,5 +2% Мо2S для которых установлена их зависимость коэффициента трения от давления. Патент № 2068021.
4. Для порошковых отходов ГЛР титановых сплавов установлены состав, структура и свойства частиц в зависимости от вида используемого вспомогательного газа. Патент № 2247070.
Практическая значимость.
Разработаны новые пористые материалы, новизна которых подтверждена патентами. Отработаны оптимальные технологические режимы процессов получения изделий на основе железа и титана с заданной пористостью, внедренные в производство на КнААПО с общим экономическим эффектом более 180000 рублей по ценам до 1991г, что подтверждено соответствующими актами внедрения. На основе ресурсных испытаний корпусов замков и гермошайб была разработаны и внедрены отраслевые технологические рекомендации ТР 1.2.271-82 по изготовлению деталей из спеченного материала 2М2А. Отработаны и внедрены в производство серийные технологии по изготовлению колец припоя из сплава ВПР-16, позволившие производить монтажную пайку титанового трубопровода в агрегатно-сборочных цехах, фильтров системы вооружения ЛА и деталей велосипеда «Космос».
Результаты работы в виде методик и исследований пористости и оснастки внедрены в учебный процесс на кафедре «МИТНМ» КнАГТУ, а также используются при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.
На защиту выносятся следующие основные положения;
-условия взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью металлов в изолированном объеме;
-исследования пористой структуры материалов и изделий;
-особенности активирования диффузионного взаимодействия порошковых заготовок и закономерности формирования пористой структуры в изделиях на основе железа и титана;
-закономерности влияния структуры и свойств изделий с заданной пористостью на их физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства;
-технологические параметры и режимы операций при получении изделий с заданной пористостью;
-особенности формирования структуры частиц (порошковых отходов) при ГЛР титановых сплавов.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в оценке технологических возможностей изготовления порошковых изделий из титановых сплавов; анализе литературных источников; в проведении экспериментов с последующим анализом и обработкой полученных данных; в проведении оптических, металлографических, физико-механических и др. исследований.
Данная работа выполнялась в соответствии с программой ОАО «КнААПО» «Глубокая модернизация и разработка новых технологий производства изделий на уровне вхождения в международную систему разделения труда на 2001-2006гг.»
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом статистических и экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно- технической конференции “Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле” (г.Хабаровск, 1984г.); на 7-мом международном конгрессе «Термическая обработка МОТО VII» (г.Москва,
1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции “Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и в металлургии” (г.Новокузнецк, 1991г.); на международной научно-технической и методической конференции “Технические средства, методы расчета прочностных характеристик, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций новых материалов в машиностроительной промышленности” (г.Комсомольск-на-Амуре, 1992г.); на международном научно-техническом семинаре “Наукоемкие технологии, проблемы их внедрения на предприятиях Дальнего Востока” (г.Комсомольск-на-Амуре, 1994г.); на III Собрании металловедов России (г.Рязань, 1996г); на всероссийской научно-технической конференции «Стратегия технического прогресса технологий производства ХХI века» (г.Комсомольск-на-Амуре, 1999г.); 4-ой международной конференции "Лазерные технологии и средства их реализации" (г.Санкт-Петербург, 2003 г.); Международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений: достижение и проблемы» (г.Киев, 2008); 4-ой международной конференции «Современные проблемы машиностроения» (г.Томск, 2008г.); ХV международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» (г.Томск, 2009); на научной технической конференции студентов и аспирантов (г.Комсомольск-на-Амуре, 2009).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 16 статьях, 6 изобретениях, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 111 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков, список литературы из 91 наименования.
Анализ существующих и перспективных методов изготовления изделий из порошковых материалов
Процесс формования металлических порошков состоит в уплотнении порошка под влиянием приложенного давления и в сохранении заданной формы после снятия нагрузки. Процесс формования слагается из трех основных стадий: плотной упаковки, упругого сопротивления и деформации (рис. 1.2).
На первой стадии уплотнение идет за счет перераспределения частиц и их более плотной упаковки, на второй стадии сжатый порошок упруго сопротивляется возрастающему давлению, и на третьей стадии уплотнение происходит за счет пластической деформации или хрупкого разрушения частиц (в зависимости от природы и свойств прессуемых порошков). Для большинства порошков вторая стадия очень мала и практически почти не обнаруживается.
Рядом авторов предложены различные математические уравнения, характеризующие процесс прессования (табл. 1.3).
В современной технологии порошковой металлургии получили распространение различные методы формования исходных металлических порошков. Характеристика важнейших из них дана ниже.
Прессование в стальных пресс-формах применяют для формования сравнительно небольших изделий с соотношением высоты к диаметру (или к ширине) не более 2,0 - 2,5. Формование осуществляется под давлением 1-10 т/см2 на гидравлических или механических прессах.
Современные гидростаты позволяют осуществлять сжатие под давлением до 10 тыс. атм. Преимуществом этого метода является создание в изделии весьма равномерной плотности независимо от его величины и формы.
Этим способом формуют крупногабаритные заготовки типа цилиндров или труб. Изостатическое прессование - прессование порошков в стальных пресс-формах с помощью резинового или другого эластичного резервуара, вставленного в пресс-форму (рис. 1.4).
Динамическое прессование (взрывное) осуществляют с помощью давления газов, создаваемого в результате взрыва пороха. Применяется для изготовления плит, труб, цилиндрических и других заготовок из различных материалов.
Непосредственная прокатка порошка представляет собой обжатие порошка между горизонтально расположенными валками. Применяется для получения пористых и компактных лент, полос, листа из железа, никеля, нихрома, нержавеющей стали, титана и других металлов (рис. 1.5).
Шликерное литье. Исходной смесью для формования служит взвесь (суспензия) порошка в жидкости (спирт, бензол и др.). Взвесь заливается под давлением в соответствующую форму, изготовленную из влагопоглощающего материала (например, гипса и др.).
Экструдирование осуществляется в двух вариантах. 1. исходный порошок замешивают с каким-либо пластификатором (парафин, воск и др.), взятым в таком количестве, что порошок приобретает консистенцию пластилина. Пластифицированную смесь продавливают через соответствующее очко. 2. исходный порошок засыпают в оболочку и подвергают горячему экструдированию вместе с оболочкой. Вибрационное уплотнение - обычное прессование в стальных пресс-формах с одновременным воздействием вибраций высокой частоты (12 000—16000 Гц). Для улучшения прессуемости порошков и придания им консистенции пластилина или же для создания возможности механической обработки в полу спеченном состоянии применяют следующие наполнители: -раствор синтетического каучука в бензине. Применяют обычно 7 - 8%-ный раствор в количестве 100 - 150 см3 на 1 кг смеси. Порошки замешивают либо вручную, либо в специальных смесителях. Назначение - улучшение прессуемости. Замешанную смесь сушат сначала на воздухе, а затем в сушильном шкафу при 80 -100 С. Спрессованные изделия подвергают дополнительной сушке в течение 12 -24 ч. - парафиновый наполнитель вводят в смесь обычно с целью создания возможности механической обработки полуспеченных заготовок. Предварительно спеченные заготовки .пропитывают расплавленным парафином. В ряде случаев применяют сплав парафина с воском с содержанием последнего 30 - 50%. Такой пластификатор удаляют путем прогрева пропитанных полуспеченных изделий при 300 - 400С в течение 15 - 18 ч. В практике порошковой металлургии обычно применяются поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые, адсорбируясь в дефектах кристаллических решеток частиц порошка, способствуют процессу деформации и тем самым облегчают процесс прессования порошков. ПАВ вводят непосредственно в шихту либо в виде порошков путем смешивания с шихтой, либо в виде растворов путем ее пропитки. В отличие от наполнителей ПАВ специально не удаляют, они разлагаются или сгорают в процессе спекания изделий.
Взаимодействие с атмосферой сухого воздуха при ГЛР в среде аргона и азота
Исследования взаимодействия атмосферы воздуха с поверхностью титановых сплавов;проводили при, газолазерном раскрое заготовок из сплава ВТ20 и 0Т4-1 в. среде азота на лазерной установке «Bystronic»(BSTAR3015): Как известно, использование азота в.качестве вспомогательного газа взамен; кислорода-[40] позволяет вести FJTP титановых сплавов в управляемом режиме за счет образования тугоплавкого соединения нитрида титана и расширяет диапазон толщин для получения качественного реза. Газонасыщение, в частности азотом, при FJIP образцов из; сплава ВТ20 в среде азота практически не происходит, кинетика реакции образования нитрида титана лимитируется не собственно химической реакцией (время нагрева намного меньше времени адсорбции азота), а диффузией и переносом вещества через слой образовавшегося нитрида.
Диффузионная подвижность азота в нитриде титана более чем на порядок меньше в сравнении с а - и Р - титаном. Содержание газовых примесей в поверхностном слое образцов после ГЛР в среде азота и аргона практически соизмеримо с содержанием газовых примесей в основном металле; значительное газонасыщение наблюдается в частицах грата (таблица 2.2) [41 - 43]. Частицы грата (рис. 2.7), образовавшиеся в процессе ГЛР образцов имеют со стороны реза продолжение бороздок и насыщенный светло-желтый цвет, характерный для нитрида титана. Обратная сторона частиц покрыта белым налетом, похожим на окись титана ТЮ2, округлая, каплеобразная, характерная для закристаллизовавшегося расплава металла при выдувании из канала реза вспомогательным газом. У частиц грата (рис. 2.7, б), образовавшихся в процессе ГЛР образцов в аргоне в отличие от частиц образованных в азоте отсутствуют бороздки. Частицы имеют четкую округлую, каплеобразную форму, покрыты белым налетом оксидной пленки. Для получения зернистого порошка нитрида титана [43] листы из титановых сплавов ВТ20, ОТ4 - 1 подвергались плавлению сфокусированным лазерным излучением, одновременным азотированием расплава техническим азотом, выдуванием и дроблением расплава направленным газовым потоком технического азота. Плотность мощности сфокусированного лазерного излучения составляла Е=(6,5-11,7)-105 Вт/см2. Скорость обработки поверхности детали составляла Vi=l,8 - 2,5 м/мин; V2=2,8 - 4,0 м/мин. Как видно из данных таблицы 2.3 и Приложения 2 образование структуры в поверхностном слое: аморфная, кристаллическая, нанокристаллическая и сложной структуры с многослойным строением зоны термического влияния в образцах из сплава ВТ20 после ГЛР в азоте приводит к существенному увеличению микротвердости.
Используя в качестве защитного газа азот удалось решить проблему безотходной технологии при ГЛР титановых сплавов, а именно создать перспективный порошковый материал нитрид титана (таблица 2.3) для изготовления деталей для эксплуатации в экстремальных условиях. 1. Исследованы процессы взаимодействия атмосферы сухого воздуха с поверхностью деталей из сплавов на основе железа и титана при традиционных и перспективных режимах нагрева в воздушной среде. 2. Показано, что в определенных (до температуры 650С, 1час; 900С, 30 мин.; 1000С 5 мин.) температурно-временных условиях возможно осуществлять нагрев в воздушной среде титановых сплавов без существенного роста окисной пленки и газонасыщения, значительно повысить качество и надежность деталей, особенно сложных крупногабаритных после штамповки с электроконтактного нагрева и отпуска в воздушной среде. 3. Установлены закономерности формирования макроструктуры поверхности образцов из титановых сплавов в условиях разрежения в атмосфере воздуха в изолированном объеме без доступа воздуха и с доступом его. При этом в считанные секунды устанавливается автовакуум, особенно при соотношении объема воздуха V к поверхности детали S более 0,1. 4. Показано, что в изолированном контейнере с титановой стружкой в воздушной среде можно проводить нагрев заготовок из различных сталей без окисления и последующей очистки и доработки, а также процессов термообработки и спекания. 5. Установлена возможность использования газолазерного раскроя в среде технического азота без защиты обратной стороны реза в атмосфере воздуха титановых сплавов, при этом содержание газовых примесей в поверхностном слое образцов после ГЛР соизмеримо с содержанием газовых примесей в основном металле. Показано, что образующийся при ГЛР титановых сплавов можно использовать для изготовления порошкового материала - нитрида титана. Для уплотнения порошков при формовании заготовок разработано много методов [44]. Но есть "немало факторов, ограничивающих их применение. Лишь немногие из них могут быть действенны в промышленных условиях. При создании новых методов формования порошков, прежде всего, стремятся к достижению однородного уплотнения заготовки по всему объему, минимальной пористости спеченного материала, увеличению масс изготовляемых деталей и большего- разнообразия их форм. Одновременно необходимы, повышение производительности и снижение себестоимости. Как правило, ни один из известных методов не удовлетворяет всем перечисленным требованиям, которые отчасти противоречивы, поэтому в каждом случае необходим выбор оптимального при заданных условиях метода формования. Для формования порошков используют две группы более или менее распространенных методов: формование без давления и уплотнение со статическим или динамическим давлением при комнатной или повышенной температуре. К первой группе относится свободная засыпка в форму (например, для фильтров), утряска и вибрационное уплотнение (например, для топливных элементов ядерной техники), а также шликерное литье (например, при изготовлении защитных оболочек для термопар). Ко второй труппе относятся одно- или многостороннее- статическое формование деталей из порошка в матрицах через верхний и нижний пуансоны, спекание под давлением, изостатическое всестороннее уплотнение, экструзия (при производстве нагревателей и других подобных изделий), прокатка порошков (для получения листов или лент), а также горячее прессование.
Исследование на образцах имитаторах корпуса замка из порошкового сплава на основе титана
Конструкционные титановые сплавы, выпускаемые в России, США, Англии, используемые Францией, Германией и другими странами, содержат в своем составе А1, а примерно половина всех сплавов Мо или V, совместно или раздельно [45]. Фазы и структурные составляющие, образующиеся при взаимодействии титана с легирующими-,элементами А1 и Мо приведены нарис. 3.1 ОІ Легирование алюминием (а-стабилизатор) вызывает значительное повышение предела прочности, при некотором снижении пластических характеристик. АлюминиЙ4 благоприятно влияет на жаропрочность и жаростойкость. Легирование молибденом (J3 - стабилизатор) вызываешь значительное повышение предела прочности и пластичности.
Композиционное легирование позволяет уменьшить усадку, увеличить предел прочности- и пластичность. Из всего многообразия композиций была выбрана порошковая смесь на основе титана 2% молибдена и 2 % алюминия. Технологические возможности изготовления1 корпуса замка методом порошковой металлургии: Известно, что для изготовления деталей методом порошковой металлургии должны выполняться следующие условия: для одностороннего:! H/d 3 прессования для двустороннего: H/d 3 H/S 17, где Н - высота детали для данного сечения, d - диаметр детали, S - толщина стенки. Как видно из рис. 3.11 для корпуса замка выполняется условие для двухстороннего прессования, т.е. H/cHHj/d AHl; H/d=H2/d2=6/2=3 Малое сечение лепестков крепления корпуса замка представляет сложность в изготовлении методом прессования. Было принято решение исследовать возможность комбинированного способа изготовления корпуса замка: лепесток изготавливать на вырубном штампе и прессовать совместно цилиндрическую часть замка и затем спекать. Образцы-имитаторы и детали изготавливались МПМ изготавливались из легированного порошка титана ПТЭМ-1 (порошок титановый электролитический мелкий).
Влажность порошка 5-10%, После просушки при 100С в течение 3-х часов и перемешивании в течение 6-ти часов готовились навески. Навески готовились как из чистого титанового порошка, так и с добавлением 2% алюминия и 2% молибдена. Порошок титана ПТЭМ-1 - ТУ 48-10-22-73, порошок алюминия - ТУ 6-02-848-74, порошок молибдене - ТУ 248-19-69-73. Предварительный расчет навесок [46] производился по общей пористости по формуле: где VH - объём заготовки, м3; р -плотность компактного материала, кг/м3; х - заданная пористость спеченной заготовки, %. Усилие прессования рассчитывали по формуле : где к = 1,25- коэффициент запаса; q- удельное давление прессования, т/см2; S - площадь горизонтальной проекции изделия, см2. Удельное давление прессования определяется экспериментально из условия: при дальнейшем увеличении усилия прессования плотность прессовок не растет. Для сплавов на основе железа оно равно 5-6 т/см2, на основе титана -8-Ю т/см2. Спекание проводили в вакуумной печи СШВ-1-2.5/25-ИЭ по режимам изображенным на рис. 3.12 Исследование усадки деталей производилось обмерами основных геометрических параметров по схеме приведенной на рис.3.13, как после прессования, так и после спекания. Как видно из данных рис. 3.13, после прессования с усилием Р = 9 т/см2 с увеличением температуры спекания происходит непрерывное увеличение усадки, повышается плотность заготовок.
Закономерности формирования пористости и свойств спеченных заготовок
Одним из перспективных методов изготовление трущихся деталей строительных машин, обеспечивающих повышение их работоспособности, является метод порошковой металлургии. Названный метод позволяет получить материалы с высокими антифрикционными свойствами за счет формирования гетерогенной структуры и наличия остаточных пор, которые служат как бы резервуарами, удерживающими смазку, выделяющуюся во время работы узлов трения. Увеличения прочности порошковых сталей можно добиться путем повышения содержания углерода и введения легирующих элементов, а также посредством термической обработки, которая является эффективным средством получения высокого комплекса механических свойств»
Для установления оптимального состава материала в работе исследован ряд физико-механических свойств по стандартным методикам: определение прочности на разрыв и сжатие, твердости, микротвердости, коэффициента трения и износостойкости в условиях сухого трения и недостаточности смазки. В- состав антифрикционного материала вводили графит коллоидный (С), дисульфид молибдена (MoS2), медь (Си), титан (Ті), нержавеющую сталь (ПХ18Н15) при следующем соотношении компонентов, вес %: Перед смешиванием шихты проводили восстановительный отжиг железного порошка при температуре 800 К в течение 2 часов. Шихту готовили сухим механическим смешиванием в течение 24 часов. Предлагаемый антифрикционный спеченный материал работает в условиях сухого трения при скоростях скольжения от 0,4 до 0,7 м/с и нагрузках от 4 до 6 МПа (испытания проведены на машине трения типа "МИ" в паре с закаленной сталью ЗОХГСА). Холоднопроссованную заготовку (усилие прессования 450 МПа) из сложнолегированного порошка указанного состава спекали в вакууме при 1100-1200 С в течение 4-5 часов.
Спеченную заготовку подвергали термообработке: нагрев до температуры 900 С, выдержка в течение 1 часа, охлаждение в масле с последующим отпуском при 180 С в течение 2 часов. Структура полученных материалов представляет собой легированный перлит с троосто-мартенситными участками с включением первичных карбидов. Плотность спеченных образцов у = 6,24 г/см определяли геометрическим способом, относительная погрешность составляла 1 % . Микротвердость отдельных структурных составляющих измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г, относительная погрешность 3-5 %, Твердость образцов измеряли на приборе Роквелла по стандартной методике НРВ 82. Испытание на удар осуществляли на маятниковом копре. Вид изломов образцов характерен для вязкого разрушения даже в зоне дополнительной цементации (рис. 4.10). Механические свойства оценивали по результатам испытаний трех образцов. Разброс значений измеряемых величин составлял 5-7 Уо. Из табл. 4.2.следует, что полученные материалы, используемые в качестве подшипников скольжения, могут успешно конкурировать с литыми сплавами типа баббитов и бронз, имеющими более низкие антифрикционные свойства. Установленные закономерности формирования пористости за счет окислительно-восстановительных реакций, активизирующих процесс спекания, позволили получить спеченные изделия с высокими механическими характеристиками и разработать целый ряд технологических процессов изготовления деталей из сталей и сплавов различного назначения. Была разработана технология изготовления металлокерамических фильтров из порошков стали и титана с тонкостью фильтрации 5-7 мкм в наиболее плотной зоне и до 12-20 мкм в наименее плотной зоне. В результате исследований подобран оптимальный состав материала и разработан технологический процесс изготовления замка и шайбы методом ПМ. У заготовок, изготовленных методом ПМ из сплава 2М2А, где в качестве основы применен титановый порошок ПТЭМ или ПТЭС, обеспечиваются следующие механические свойства: ав 700МПа, 5 6%, \]/ 12%. Прочность шайб изготовленных из сплава 2М2А в сборе с болтами в 2,5 раза превышает прочность болтов. Применением метода порошковой металлургии для изготовления корпуса замка позволило снизить трудоемкость в 4 раза и повысить КИМ от 0,06 до 0,92.
Изготовление обгонной муфты по разработанному технологическому процессу ПМ из ЖГр1 позволило на порядок сократить трудоемкость по сравнению с изготовлением этой детали вырубкой из листа и последующей обработкой резанием. Установлены особенности формирования структуры порошковых сталей, легированных медью, титаном, хромом, никелем и добавками дисульфида молибдена. Разработаны новые [57 - 60] антифрикционные материалы для изготовления подшипников скольжения вместо литых сплавов типа баббитов и бронз: При этом установлено, что коэффициент трения, исследуемых антифрикционных материалов в зависимости от нагрузки находится в пределах от 0,04 до 0,09 (рис.4.9). Показана возможность получения литых эвтектических сплавов на никелевой основе для прессоснастки, используемой для получения пористых изделий, способных самоупрочняться при значительных выдержках и повышенных температурах, имеющих высокую твердость, благодаря карбидам на основе титана и интерметаллидными частицами типа Ni3 (А1, Ті), когерентно связанных с матрицей материала. 1. Активирование процессов спекания путем скоростного нагрева и предварительного окисления холоднопрессованных заготовок с последующим автономным вакуммированием с температур 700-800С гетерами позволяет увеличить плотность более чем на 19% по сравнению с классическим холодным формованием и спеканием. У образцов изготовленных по предложенному технологическому процессу максимум плотности, временного сопротивления разрыву, твердости ударной вязкости; 2. Кинетика процесса формирования плотности холоднопрессованных заготовок из сплава 2М2А при спекании в автономной вакуммированой гетерами атмосфере сухого воздуха подчиняется экспоненциальному закону, а температурная - параболическому закону; 3. Выведена эмпирическая зависимость электропроводности от пористости заготовок из сплава 2М2А: сг =ст0-4,2л/в 4. Установлены особенности формирования структуры порошковых сталей, легированных медью, титаном, хромом, никелем и добавками дисульфида молибдена, для изготовления подшипников скольжения, которые обладают необходимыми механическими и антифрикционными свойствами, износостойкостью, что позволило использовать их в качестве подшипников скольжения вместо литых сплавов типа баббитов и бронз. Патент № 2068021.
