Содержание к диссертации
Введение
1.Литературный обзор 11
1.1. Биметаллы, получаемые из компактных материалов 11
1.2. Биметаллы, получаемые из порошковых материалов 17
1.3. Особенности формования биметаллических и многослойных порошковых изделий 25
1.4. Сращивание материалов .28
2. Материалы, оборудование и методики, использованные при проведении исследований 34
2.1. Характеристики использованных материалов .34
2.2. Исследование свойств порошков .37
2.3. Технология и оборудование, использовавшиеся при изготовлении образ
цов 38
2.4. Методики исследований структуры и свойств полученных образцов .45
2.4.1. Микроструктурный анализ .46
2.4.2. Определение общей и поверхностной пористости обоих слоев БМ
линейным методом 48
2.4.3. Растровая электронная микроскопия и рентгенофлоуресцентный микроанализ 51
2.4.4. Триботехнические испытания 52
2.4.5. Исследование прочностных характеристик .55
2.4.6. Испытания на термоудар 56
2.5. Обработка экспериментальных данных 57
3. Общие характеристики предложенного способа прессования биметаллических порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев. Математические расчеты процесса .59
3.1. Способ прессования БМ порошковых заготовок с вертикальным расположением слоев 60
3.2. Разработка схемы холодного прессования заготовки БМ .65
3.3. Факторы, влияющие на качество холоднопрессованных и горячештампованных биметаллических цилиндрических изделий .69
3.4. Оптимизация параметров технологии получения БМ порошковых горячештампованных изделий 72
4. Порошковые горячештампованные биметаллы с незначительно различа ющимися температурами спекания 74
4.1. Биметаллы железографит-карбидосталь 74
4.2. Биметаллы железографит - быстрорежущая сталь 87
4.3. Биметаллы железографит нержавеющая сталь 102
5. Порошковые горячештампованные биметаллы со значительно различаю щимися температурами спекания 111
5.1. Математический расчет процесса теплообмена в системе «цилиндрическая железографитовая порошковая заготовка (основа) - порошковый рабочий слой БрО 10 (втулка) – окружающая среда .111
5.2. Расчет процесса теплообмена в БМ образце с горизонтальным расположением слоев системы «железографитовая порошковая заготовка (основа- стакан) - порошковый рабочий слой БрО 10 (рабочий слой пятак) 121
5.3. Порошковые горячештампованные биметаллы железографит-бронза (БрО10) с вертикальным расположением слоев .122
5.4. Порошковые горячештампованные биметаллы железографит-бронза (БрО10) с горизонтальным расположением слоев 127
6. Практическое использование результатов исследований 132
6.1. Выбор объектов промышленной реализации 132
6.2.Технологии изготовления биметаллических заготовок распределителя 137
Общие выводы .139
Список сокращений 140
Библиографический список использованной литературы
- Биметаллы, получаемые из порошковых материалов
- Методики исследований структуры и свойств полученных образцов
- Разработка схемы холодного прессования заготовки БМ
- Расчет процесса теплообмена в БМ образце с горизонтальным расположением слоев системы «железографитовая порошковая заготовка (основа- стакан) - порошковый рабочий слой БрО 10 (рабочий слой пятак)
Биметаллы, получаемые из порошковых материалов
Все возрастающие требования промышленности к уровню свойств используемых материалов служат стимулом для создания новых и совершенствования известных экономически эффективных технологий их производства. Среди таких технологий все большую роль играют технологии получения биметаллических материалов, рабочие слои которых обеспечивают необходимые эксплуатационные характеристики изделий (износо- и коррозионностойкость, фрикционные или антифрикционные свойства и др.). Несмотря на то, что на данный момент известно и изучено достаточно много способов изготовления БМ, их получение по-прежнему остается актуальной научной и практической задачей.
На данный момент известно большое количество способов получения БМ [5,6]. Все эти методы можно разделить на группы, объединенные по принципам их получения: заливкой, совместной пластической деформацией сваркой, пайкой, сваркой взрывом, наплавкой и т.д., а также не использующими пластическую деформацию методами, не нуждающимися в пластической деформации для создания прочного переходного слоя между компактными материалами.
Начнем обзор с наиболее простой технологической операции получения БМ – пайки [7,8]. В процессе пайки, для предохранения поверхностей от окисления при нагреве, улучшения смачиваемости, растекания припоя, удаления образовавшихся оксидных пленок и загрязнений, используются флюсы и защитные газовые среды. [9]. Пайка не вызывает изменения в структуре материала (таких как внутренние напряжения) и механических свойств соединяемых материалов.
К главным недостаткам данного вида соединений можно отнести малую прочность при переменных вибрационных нагрузках, сравнительно меньшую долговечность, по сравнению с другими видами неразъемных соединений и невозможность качественной проверки прочности соединения без его полного разрушения.
Следующий способ получения БМ – метод заливки. Самым распространен 12 ным способом получения БМ методом заливки является центробежное литье и последовательная заливка металлов. Данный вид соединения металлов менее чувствителен к переменным и вибрационным нагрузкам.
Изделия из БМ, имеющие форму тел вращения, получают преимущественно способом центробежного литья [10] двумя способами: заливкой расплавленного металла на твердую основу или последовательной заливкой двух расплавленных металлов во вращающийся кокиль; расплавлением легкоплавкой составляющей во вращающейся основе. Второй метод более прост и экономичен и имеет такое преимущество, как высокая производительность, высокое качество залитого слоя, отсутствие в нем газовых и шлаковых включений.
Главными недостатками данного метода являются высокие требования к качеству и свойствам шихты (большая насыпная плотность, высокая текучесть, небольшая удельная поверхность и т.д.), потребность в дополнительном технологическом оборудовании, увеличение использования ручного труда и дополнительные затраты.
Для получения БМ с горизонтальным расположением слоев используется метод заливки – когда жидкий металл заливается на твердую поверхность. Одной из разновидностей данного метода является расплавление более легкоплавкого компонента на стальной основе [11]. В кокилях или в земляных формах укладывается основа детали (стальная подложка) из стали или чугуна, после чего она заливается легированной сталью или сплавом. Данная технология не может обеспечить большой прочности связи слоев, так как при соприкосновении жидкого металла с холодной заготовкой происходит быстрая кристаллизация и образуется корковый слой. Исследования процессов диффузии металлов и опыт производства БМ показали, что диффузия металлов, достаточная для достижения прочной связи слоев происходит лишь при нагретой подложке и ее чистой, не окисленной поверхности заготовки. Обязательным условием для получения прочной связи слоев БМ является предварительный нагрев основы детали до температуры аустенитного состояния и сохранение чистой поверхности путем флюсования, или созданием нейтральной или слабо восстановительной атмосферы в форме.
Часто даже при выполнении всех перечисленных условий не удается обеспечить необходимую прочность связи слоев. В таких случаях заготовку после предварительного нагрева подвергают прокатке, но в связи с тем, что организация данного процесса на производстве в условиях литейного цеха малоэффективна, трудоемка, и требует дополнительных материальных затрат, он неперспективен. Кроме вышеперечисленных трудностей получения качественного соединения слоев БМ литьем, следует также упомянуть об образовании дефектов литейного происхождения вблизи поверхности плакирующего слоя. Необходимость удаления этого слоя снижает экономическую эффективность производства, особенно в случае, когда требуется получить плакирующий слой небольшой толщины.
Сварные соединения частично лишены указанных недостатков. Многочисленные способы сварки позволяют соединить материалы, которые невозможно соединить другими способами [12-14]. Все эти способы подразделяются на две большие группы - сварка плавлением и сварка давлением. Основными недостатками сварки плавлением, являются структурные изменения расплавленного металла в зоне сварки, внутренние напряжения и коробление сварных изделий, плохое восприятие переменных и, в особенности, вибрационных нагрузок, сложность и трудоемкость контроля качества сварных швов [12].
Широкое применение при изготовлении БМ нашли методы, основанные на совместной пластической деформации составляющих его слоев (сварка давлением). Эти методы применяются, главным образом, для производства двухслойных листов, полос и лент. Используются они также для получения фасонных профилей, прутков и проволоки [15,16].
Методики исследований структуры и свойств полученных образцов
Важнейшим показателем, определяющим эксплуатационную надежность БМ, является качественное сращивание материалов слоев. Качество сращивания зависит от химического состава, технологических процессов обработки изготовления монолитных и порошковых БМ, описанных ранее, его технологическими параметрами и т.д. Сращивание монолитных материалов – хорошо изученный процесс, который имеет за собой ряд гипотез в отличие от сращивания порошковых материалов, где работ по изучению межчастичного сращивания значительно меньше.
Межчастичное сращивание монолитных материалов
На данный момент существует несколько гипотез о природе сращивания монолитных материалов. «Пленочная теория» описана в работе [74]. Авторы утверждают, что все металлы и сплавы обладают одинаковой способностью к схватыванию при сближении чистых поверхностей соединяемых деталей на расстояния меньше радиуса действия межатомных сил. Различия в способности схватываться для различных материалов они объясняют свойствами поверхностных пленок. При применении холодного пластического деформирования соединяемых металлов или сплавов твердые, хрупкие оксидные пленки разрушаются [75], обнажая ювенильные поверхности, которые, сближаясь между собой на достаточно малые расстояния, меньше радиуса действия межатомных сил, прочно соединяются. Однако, если поверхностные пленки хотя бы у одного из свариваемых металлов пластичные, то при деформации они растекаются вместе со слоями металла, и сращивания в этом случае может не произойти.
«Дислокационная гипотеза» [76] основана на представлении об основной роли дислокационного механизма в образовании активных центров схватывания при сращивании металлов и сплавов между собой. При совместной пластической деформации дислокации выходят на контактные поверхности металлов, в результате чего происходит разрушение оксидных пленок и образуются ступеньки высотой в одно межатомное расстояние. Считается, что выход дислокаций на контактную поверхность металла или сплава уменьшает сопротивление пластической деформации, способствуя тем самым сращиванию металлов. Предполагают также, что образование ступенек высотой в одно межатомное расстояние увеличивает рельефность поверхности сращивания. Это создает условия для значительно большей пластической деформации контактных поверхностей, чем внутренних слоев металла, в результате которой и происходит сращивание.
Роль дислокационного механизма в образовании активных центров при сварке давлением изучена в [76]. Авторами показано, что прочное соединение образовалось там, где в результате появления достаточных касательных напряжений развивалась существенная пластическая деформация в приповерхностных слоях, сопровождающаяся движением большого числа дислокаций. Кинетика дислокационного процесса, идущего под действием внешних сил, определяется в основном скоростью деформации [77].
Согласно рекристаллизационной гипотезе [78], основанной на представлении о рекристаллизации как основном факторе, влияющем на сращивание, деформация и сопутствующий ей наклеп металла при одновременном воздействии относительно высоких температур на границе раздела, возникших в результате совместной пластической деформации, приводят к перестройке атомов в кристаллических решетках соединяемых тел и образованию на их границах общих зерен, одновременно принадлежащих обоим телам и обеспечивающих сращивание контактирующих тел.
Основой процесса сращивания металлов и сплавов, в соответствии с диффузионной гипотезой, является взаимное перемещение атомов вглубь соединяемых тел. Атомы, расположенные на поверхности, имеют свободные, ненасыщенные связи (вакансии), которые захватывают всякий атом или молекулу, приблизившуюся на расстояние действия межатомных сил [84]. Свободный атом имеет избыток энергии по сравнению с атомами конденсированной системы и его присоединение к ней сопровождается освобождением энергии. Для сращивания двух идеальных образцов их необходимо сблизить на расстояния, при которых между ними устанавливаются атомные связи. В работе [79] отмечалось, что взаимодействие двух сближающихся металлических поверхностей заключается в возникновении между ними сил взаимного притяжения и отталкивания, различных по своей природе и величине. Молекулярные силы притяжения и силы межатомного взаимодействия проявляются между поверхностями чистых металлов до появления металлических связей, которые имеют электрическую природу и объясняются поляризацией нейтральных частиц. Возникают они при сокращении расстояния между взаимодействующими частицами до величины порядка 1-10 нм вследствие образования общего электронного облака, взаимодействующего в равной степени с ионизированными атомами обеих поверхностей. Граница раздела исчезает и прочность получившегося соединения равна прочности самого металла. Этого можно достичь при соприкосновении двух ювенильных поверхностей в сверхвысоком вакууме. Реальные поверхности сращиваемых тел всегда имеют шероховатости и покрыты трудноотделяемыми адсорбированными слоями газов, воды и других веществ, от которых необходимо избавиться для получения надежного и прочного соединения. Надежность и прочность соединения возрастают, если зона сращивания расширится и приобретет объемный характер в результате диффузионных процессов.
При диффузионной сварке материалов с сильно отличающимися механическими и физико-химическими свойствами целесообразно в контакт между ними вводить промежуточный слой из другого материала. Промежуточный слой вводится в случае большой разницы в коэффициентах температурного расширения; при сращивании взаимно нерастворимых в твердом состоянии материалов; с целью ограничения взаимодействия соединяемых материалов, склонных к образованию хрупких интерметаллидов и для интенсификации процессов сращивания.
Разработка схемы холодного прессования заготовки БМ
В качестве матрицы, предотвращающей скалывание и образование завалов кромок микрошлифов, применялся эпоксидный универсальный клей марки ЭПД ТУ 07510508.90-94. Образцы устанавливали в пластиковую трубку и заливали эпоксидным клеем, который обладает необходимыми свойствами - сравнительно малой усадкой, высокой твердостью и хорошей сцепляемостью с материалом.
Толщину рабочего слоя и переходной зоны оценивали по микротвердости на цифровом микротвердомере HVS-1000 (0,2 Н, 10с) на травленых шлифах, в направлении, параллельном площади поперечного сечения образцов. Микротвердость (HV) материала слоев, их переходного слоя, микроструктур и фаз определяли также на микротвердомере HVS-1000 при нагрузках 50 - 200 г, 10 с.
По изменению величины микротвердости можно косвенно судить о наличии и распределении отдельных фаз и структурных составляющих. Для измерения микротвердости карбидов, присутствующих в рабочем слое, состоящем из карбидостали (AstoloyMo+TiQ, выбирались частицы размером не более 20 мкм. Для минимизации влияния неметаллических включений и микропор определение среднего значения микротвердости производили по 10-15 измерениям. Среднюю длину диагонали отпечатка фиксировали до третьего знака и округляли до десятых долей микрона. Для карбидов быстрорежущей стали РХ/М2/04 вышеуказанный метод не применим, так как в ней присутствует множество мелкодисперсных карбидов величиной от 0,5 до 3 мкм. Согласно данных работы [90], для структурных составляющих с высокой микротвердостью (карбиды - диагональ отпечатка 6-8 мкм) погрешность при измерении составляет +3%, а при диагонали отпечатка порядка 20 мкм она равна +0,75%.
Определение общей и поверхностной пористости обоих слоев БМ линейным методом
Механические свойства и износостойкость рабочего слоя материала в большой степени зависят от количества твердой фазы в составе материала рабочего слоя. Известно [91], что доля объема сплава, занимаемая какой-либо струк 48 турной составляющей, равна доле этой структурной составляющей на площади шлифа. Следовательно, структурный состав плоскости шлифа определяет и дей ствительный объемный структурный состав материала. А следовательно, опреде ление количества карбидных частиц, наличие пор в полученных образцах целесо образно осуществлять линейным методом [92] по фотографиям структуры плос кости шлифа. При количестве рассматриваемых полей на каждом шлифе, равном десяти, число исследованных точек составляло z =2025. Абсолютная ошибка точечного метода, согласно данных [79, 80] при содержании структурной составляющей 10 – 20%, равна 1,88 – 2,26% при z = 1000 исследованных точек и степени достоверности р = 0,9544. При z = 2000 и нормированном отклонении экспериментальной величины от истинной t = 2, абсолютная ошибка, при содержании в материале 20% карбидной фазы, равна:
Определение поверхностной пористости (Ппов) производили на нетравленых микрошлифах на оптическом металлографическом микроскопе «Altami МЕТІМ» с диапазоном увеличения 40-800 раз. Объемная доля пор измерялась линейно-аналитическим методом. Линейно-аналитические измерительные данные получаются путем автоматической развертки образцов с помощью сканирующего столика. Длина измерительной строки составляла 1…8 мм, величина шага - 0,25 мкм, увеличение - 500 раз.
Величина поверхностной пористости вычисляется автоматически по формуле Ппов = L-Ю0% , (2.1) где LA - суммарная длина частичных отрезков, приходящаяся на фазу А (поры); L - полная длина измерительной линии. Результаты измерений количества пор на всех этапах эксперимента (СП, СХП+СП+ГШ, СХП+ГШ) в обоих слоях биметаллического материала при различных режимах СХП позволили в дальнейшем судить о качестве материалов слоев, о качестве их сращивания и помогли оптимизировать используемую технологию СХП.
Определение общей плотности. Плотность материалов определялась методом гидростатического взвешивания с покрытием исследуемых образцов парафином по ГОСТ 18898-89. Сущность метода заключается в измерении массы образцов на воздухе и после закрытия поверхностных пор на воздухе и в воде с последующим определением их плотности и пористости.
Перед проведением испытаний образцы осматривались для выявления поверхностных дефектов. Затем образцы очищались. Начальная масса образца определялась взвешиванием на аналитических весах АДВ-200 с точностью + 0,01 г. Потом поверхностные поры образца закупоривались путем пропитки в расплаве парафина, приготовленного по ГОСТ 9090-81. Затем он взвешивался на воздухе и в воде. Образец в воде взвешивался на весах с применением специальной подставки, на которую устанавливался стакан с дистиллированной водой. Для определения плотности воды, ее температуру измеряли с погрешностью не более 0,5 С. После взвешивания в воде с поверхности образца фильтровальной бумагой удалялась влага и он повторно взвешивался на воздухе.
Расчет процесса теплообмена в БМ образце с горизонтальным расположением слоев системы «железографитовая порошковая заготовка (основа- стакан) - порошковый рабочий слой БрО 10 (рабочий слой пятак)
Полученная формовка состоит из наружной оболочки 3к (рис.3.4 г), полученной из предварительно подпрессованного порошка и менее плотной внутренней части 6к". Давления в объемах заготовки к концу процесса прессования выравниваются, однако внутренняя часть, состоящая из более прочного и менее пластичного материала, чем наружная, уплотняется в меньшей мере.
Указанные особенности процесса определяют его преимущества: – двухслойная холоднопрессованная заготовка производится в едином технологическом цикле, в одном штампе, без дополнительных конструкционных элементов пресс-формы (перегородки, оболочки и т. п.), что позволяет снизить затраты материалов и труда на ее изготовление; повышенная плотность наружного слоя позволяет более надежно предохранить заготовку при последующем нагреве от взаимодействия с окружающей средой препятствует внедрению в граничную его зону частиц менее плотного внутреннего слоя, «размытию» границы, деградации материала приграничной зоны и изделия в целом; предложенная схема облегчает условия регулирования плотности наружного слоя путем изменения превышения его верхнего торца в состоянии засыпки над торцом заготовки перед началом совместного уплотнения слоев h = h0- hj (рис. 3.4 а).
Одним из главных условий качественного формования двухслойной заготовки является минимальная разница между давлениями, действующими со стороны наружного р и внутреннего р "слоев, которые можно определить из соотношений [99]: Pn= f p = w max n -; (3.7) Рп" =ГрЧ" = t" w"max n"- , (3.8) где рп и рп" - поперечное (боковое) давление прессования со стороны наружного и внутреннего слоев; р up" - осевое давление пуансонов на торцы заготовки; f и " - коэффициент бокового давления материалов слоев; f uf - коэффициент трения на границе слоев; w max и w"max - максимальные приведенные значения удельной работы уплотнения материала слоев (отнесенные к единице объема ); п ип" - показатели степени в силовых уравнениях уплотнения материала; Р и Р" - относительные объемы материала слоев.
Большинство приведенных величин определяются экспериментальным путем, для некоторых из них существуют определенные соотношения, например, 0,3 - 0,8, увеличиваясь с повышением пластичности материалов.
Анализируя причины, способные дестабилизировать межслойную зону заготовки (геометрические характеристики, состав, структура и свойства), в числе основных можно назвать неравенство поперечных давлений, возникающих со стороны слоев. Значения этих давлений изменяются на протяжении всего процесса уплотнения. На рис. 3.5 представлены зависимости h (р„) для наружного (I) и внутреннего (II) слоев. h, (мм) і h рп, (МПа) Рис. 3.5. Зависимости h(рп) для наружного (І) и внутреннего (II) слоев. Определить значения рп при разных величинах h можно из выражений (I) и (II). Наилучшее качество заготовки обеспечивается при минимальном расстоянии между кривыми (I) и (II) в горизонтальном направлении. Возможны случаи, когда значение рп" становится больше чем рп , тогда следует увеличивать начальное превышение наружного слоя (отрезок АВ). В общем случае заканчивать процесс формования заготовки следует при рп" рп" примерно на 5-10% [100, 101].
Факторы, влияющие на качество холоднопрессованных и горячештампо-ванных биметалических цилиндрических изделий
Различие плотности и уплотняемости слоев может служить причиной вдавливания отдельных приграничных объемов более жесткого материала в менее жесткий (аналогичные процессы могут происходить и с отдельными частицами). Наряду с диффузионными процессами это может привести к так называемой деградации материала переходного слоя и ухудшению его свойств [102]. Кроме того, может происходить и изменение геометрии переходного слоя с ухудшением его несущей способности. Отмеченные ранее в 1 главе обстоятельства обусловили актуальность изучения влияния на качество биметаллов именно 3-ей группы факторов «Геометрия контактного слоя, его изменение в процессе получения изделия, химический состав слоя, его толщина и стимулы для их изменения». При этом, представляя всю сложность ставящейся задачи, в данной работе ограничились рассмотрением только цилиндрических БМ изделий с вертикальным расположением слоев высокими с износостойкими, коррозионностойкими и антифрикционными свойствами.
На рисунке 3.6 приведен пример распределения давления при холодном двустороннем прессовании двухслойной заготовки. При этом рабочий наружный слой 1 может быть антифрикционным и граничный слой приобретает бочкооб-разность за счет вдавливания в него материала основы. Тогда необходим набор его материала за счет предварительного уплотнения. При использовании для наружного слоя износостойкого, тугоплавкого материала, наблюдаются явления, имеющие обратную направленность.
Схемы напряженного состояния в двухслойной порошковой заготовке с антифрикционным рабочим слоем (сплошная линия – в наружном слое, штриховая в материалах основы): А – состояние засыпки; Б- после частичного уплотнения наружного слоя; С – после совмещения торцевых поверхностей верхних пуансонов; D- нижних пуансонов; Е – после окончания уплотнения. Для обеспечения надежности прессового соединения требуется наличие четких представлений о напряженно-деформированном состоянии формуемого в процессе горячей штамповки материала. В число факторов, определяющих это состояние, входят силы Ляме, зависящие от геометрии и площади межчастичных контактов, термические напряжения, зависящие от температурно- скоростных параметров нагрева и охлаждения, тепло-физические свойства материалов, условия и качество сращивания при деформации слоев и др.
