Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ научно- технической литературы, постановка цели и задач исследования 9
1.1. Обзор способов переработки стружки путем переплава брикетов 10
1.2. Материалы, полученные из стружки и стружковых порошков... 15
1.3. Пропитанные материалы, полученные с использованием стружковых отходов 24
1.4. Выводы, постановка цели и задач исследований 35
Глава 2. Методики и материалы исследований 38
2.1. Исследование характеристик бронзовой стружки на этапе ее получения и подготовки к переработке 38
2.2. Технологии получения образцов 48
2.3. Методики определения свойств материалов 53
2.4. Методики подготовки стружки и оценка их эффективности 55
2.5. Планирование и обработка результатов эксперимента 60
Глава 3. Исследование процессов уплотнения и деформации стружковых и инфильтрованных материалов 64
3.1. Закономерности формования стружковых брикетов 64
3.1.1 Осевое холодное прессование 64
3.1.2. Формование стружковых брикетов при перекрестном прессовании 67
3.2. Закономерности формования биметаллических заготовок при холодном прессовании 70
3.2.1. Заготовки, полученные напрессовкой слоя бронзовой стружки на железную основу 70
3.2.2. Заготовки, полученные напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки 73
3.3. Закономерности уплотнения при спекании, совмещенном с инфильтрацией биметаллических заготовок 74
3.3.1. Спекание в среде диссоциированного аммиака заготовок, полученных напрессовкой слоя бронзовой стружки на железную основу 75
3.3.2. Спекание в среде диссоциированного аммиака биметаллических заготовок, полученных напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки 79
3.3.3. Спекание в расплаве стекла биметаллических заготовок, полученных напрессовкой слоя бронзовой стружки на железную основу 83
3.3.4. Спекание в расплаве стекла биметаллических заготовок, полученных напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки 94
Глава 4. Исследование структуры и свойств инфильтрованных материалов 102
4.1. Заготовки, полученные напрессовкой слоя бронзовой стружки на железную основу 102
4.2. Заготовки, полученные напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки 118
4.3. Многокритериальная оптимизация технологических параметров получения инфильтрованных порошковых материалов 123
4.4. Исследование структуры инфильтрованных порошковых материалов 125
4.5. Выводы 138
Глава 5. Обсуждение полученных результатов. опытно-промышленная технология изготовления изделий 140
5.1. Обсуждение полученных результатов 140
5.2. Опытно-промышленная технология изготовления инфильтрованных порошковых материалов с использованием стружковых отходов бронзы Бр05Ц5С5 в качестве инфильтрата 147
5.3. Выводы 153
Общие выводы 154
Литература 157
Приложения 166
- Технологии получения образцов
- Закономерности формования биметаллических заготовок при холодном прессовании
- Заготовки, полученные напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки
- Опытно-промышленная технология изготовления инфильтрованных порошковых материалов с использованием стружковых отходов бронзы Бр05Ц5С5 в качестве инфильтрата
Технологии получения образцов
В работе были реализованы различные технологические схемы получения стружковых материалов, представленные в табл. 1.
Применялись одностороннее и двухстороннее осевое холодное прессование, а также перекрестное на гидравлическом прессе ДБ 243 2А. Давление прессования изменялось от 600 до 1200 МПа. Призматические образцы получали в разъемной матрице на лабораторном гидравлическом прессе ПГ-125 при давлении 236...690 МПа. Цилиндрические образцы получали двухсторонним прессованием с плавающей матрицей на гидравлическом прессе ПГ-125 при 600 МПа.
При проведении спекания применялись различные среды с использованием компонентов: стеклоглыба Na2Si03, диссоциированный аммиак. Для проведения спекания в сухой засыпке с плавким затвором применяли порошки: А120з, FeCr, TiH2, с целью дегазации зоны спекания использовали парафин.
Для получения образцов инфильтрованных материалов «железо- бронза» с использованием в качестве инфильтрата бронзовой стружки применяли способ одностороннего осевого холодного прессования в жесткой матрице. Цилиндрические образцы изготавливали на гидравлическом прессе ПГ-125 давлением 136...620 МПа, а кольцевые- на гидравлическом прессе ДБ 2432А давлением 620 МПа. Спекание проводили в различных средах: вязкая среда расплава стекла Na2Si03, защитно-восстановительная среда диссоциированного аммиака и сухая засыпка дигидрида титана TiH2 с плавким затвором из расплава стекла.
Спекание в расплаве стекла проводили в графитовом и стальном тиглях при температуре 8Ю...910С в течение 1...6 ч. Применялись различные способы загрузки заготовок: в расплав стекла при температуре спекания; погружение заготовок в жидкое стекло nNa2Si03 mH20 при температуре окружающей среды и нагрев до температуры спекания вместе с печью; погружение заготовок в расплав стекла Na2Si03 при температуре спекания 910С; засыпка образцов стеклянным порошком с добавкой хлористого аммония NH4C1 в количестве 1 % мае. от массы засыпки и подпрессовка в стальном тигле давлением 10 МПа. Загрузку в печь производили при температуре 850...870С; погружение в расплав стекла - при температуре спекания 850...870 С образцов, обработанных обмазкой, состоящей из смеси стеклопорошка с водным раствором жидкого стекла.
Спекание в сухой засыпке с плавким затвором из расплава стекла осуществлялось в стальном тигле. Засыпка состояла, %мас: TiH2- 1, FeCr- 0,5, А1203, остальное. Тигель закрывали асбестовой крышкой, сверху засыпали стеклянным порошком. На дно контейнера укладывался слой парафина для вытеснения воздуха при нагреве. Контейнер загружали в печь при температуре 850...870С. Кроме того, применялась засыпка с использованием в качестве восстановителя хлористого аммония NH4C1 в количестве 1%мас. от массы засыпки.
Герметичный контейнер с образцами, после продувки диссоциированным аммиаком, помещали в печь при температуре спекания 850...870С. Для предотвращения окисления поверхности образцов использовали засыпку оксида алюминия А120з или талька с добавкой к нему хлористого аммония в количестве 1%мас. от массы засыпки. Инфильтрованные материалы «железо-бронза» спекали в среде диссоциированного аммиака и в расплаве стекла.
Нагрев под осевую горячую штамповку в интервале температуры 8Ю...970С осуществлялся в камерной электропечи в среде диссоциированного аммиака в течение 10...20 мин. Удельная энергия штамповки заготовок составляла 120... 180 МДж/м . Штамповка производилась на лабораторном копре с массой падающих частей 50 кг, а также на кривошипном прессе КО 8130. При штамповке для смазки инструмента применяли смесь коллоидного графита с индустриальным маслом И-20.
При изготовлении инфильтрованных материалов осевое холодное прессование в цилиндрической жесткой матрице проводили по двум технологиям: подпрессовка основы из железного порошка, засыпка бронзовой стружки и окончательное совместное прессование; прессование стружки с приложением повышенного давления, засыпка железного порошка и совместное прессование с приложением более низких давлений.
При реализации первой технологии железную основу прессовали давлением рре 672 МПа. Затем проводили засыпку слоя бронзовой стружки в количестве 20...53,6 %мас. от массы железного порошка. Совместное прессованиежелезного порошка и бронзового слоя проводили под давлением рБи= 200...704 МПа (рис.9).
Закономерности формования биметаллических заготовок при холодном прессовании
На свойства стружковых и инфильтрованых материалов оказывает влияние плотность стружкового слоя и железного каркаса в биметаллических заготовках. Задача данного исследования - выявить закономерности уплотнения железного каркаса с напрессованным брикетом из бронзовой стружки при различных способах формования биметаллических заготовок.
Анализ зависимости плотности холоднопрессованных образцов от давления прессования железной основы (рис. 22) показал, что при PF PBH плот-ность заготовок не изменяется и составляет 6,77 г/см , т.к. давление окончательного прессования биметалла рви= 452 МПа определяет плотность образцов. При pFe РБИ ПЛОТНОСТЬ прессовок определяется величиной pFe и непрерывно возрастает до максимального значения 7,0 г/см (см. приложение 6) при pFe= 670 МПа.
Минимальное значение рХп =6Д г/см (рис. 23) наблюдается рЬи == 200 МПа. Увеличение рБи до 704 МПа повышает рХп до 7,55 г/см3. При РБИ РРЄ рост плотности заготовок происходит за счет уплотнения слоя бронзовойстружки. При рБи pFe, в интервале рви =336...704 МПа, биметаллическая заготовка уплотняется за счет уменьшения плотности стружкового слоя и железной основы, при этом уплотняемость бронзовой стружки выше, чем железного порошка.
Плотность образцов (рис. 24) возрастает с увеличением содержания бронзовой стружки в биметаллической заготовке и достигает значения 6,77 г/см при ССтр=36,8 %мас. Дальнейший рост Сстр до 46,8%мас. не приводит к изменению рхп заготовок. Максимальное значение рХп =6,8 г/см достигается при СстР=53,6 %мас. Изменение рХп объясняется увеличением массовой доли стружки и, соответственно, значения рк заготовок, т.к. компактная плотность бронзы выше чем у железа. Стабильное значение плотности биметаллических заготовок в интервале изменения Сстр от 36,8 до 53,6%мас. объясняется тем, что наряду с ростом рк заготовок, увеличивается отношение hk/D напрессованного стружкового брикета и ухудшаются условия его уплотнения, вследствие увеличения потерь на внешнее трение.
Анализ зависимости рХп от рБи и ССтр (рис. 25) показал, что с ростом рБи, при минимальном и максимальном Сстр 20 и 48%мас, (см. приложение 7) плот-ность образцов возрастает от минимального значения 5,92 г/см при рБ„ = 260 МПа до С ростом ССтр от 20 до 34 %мас. в заготовке при рБи =200.. .260 МПа рХц: 5,92 г/см остается постоянной. Дальнейший рост ССтр до 34...48 %мас. приво дит к повышению плотности, которая достигает рхп =7 г/см3. При одновременном росте рБи и Сстр плотность возрастает менее интенсивно. Такой характер зависимости объясняется отношением hk/D предварительно спрессованного бронзового брикета и напрессованной железной основы.
При Сстр =20%мас. и рБи =620 МПа обеспечивается высокая плотность за счет приложения больших нагрузок. При максимальном ССтр =48%мас. и РБИ=620 МПа, такая плотность достигается вследствие малой высоты железной основы и эффекта вдавливания (индентирования) частиц железа в бронзовую стружку. В интервале значений ССтр =24...34%мас. и рБи =620 МПа происходит разуплотнение в граничном слое биметаллической заготовки «бронзовая стружка- железный порошок», вследствие перепрессовки последнего. Рост рхп с увеличением рБи наблюдается при всех значениях Сстр.
Различают твердо- и жидкофазное спекания. Жидкофазное осуществляется при наличии в многокомпонентной системе легкоплавкого компонента, с образованием в межчастичных слоях эвтектик и других случаях. Присутствие жидкой фазы при спекании способствует повышению плотности заготовок и улучшению физико-механических свойств спеченных материалов. При спекании протекают сложные физико- химические процессы: восстановление и диссоциация оксидных пленок, удаление адсорбированных паров и газов, рекристаллизация и т.д. Спекание стружковых заготовок проводится при повышенных температурах 870...900 С по сравнению с температурой спекания порошковых материалов аналогичного состава 800...860 иС. Необходимость применения повышенной температуры при спекании стружковых заготовок диктуется наличием на поверхности частиц трудновосстановимых оксидных пленок. Спекание заготовок на основе стружки цветных сплавов, как правило, протекает в присутствии жидкой фазы. Применительно к заготовкам из оловянистой броп
Заготовки, полученные напрессовкой железной основы на уплотненный слой бронзовой стружки
Максимальное значение прочности (рис. 62) образцов при испытаниях на срез 442 МПа (см. приложение 11) наблюдается при Сстр =34%мас. и рБи =260 МПа. Высокие значения прочности 391 МПа наблюдаются при низком рБи =260 МПа и высоком ССтр =44%мас, а также при высоком значении рБ„ =560 МПа и низком Сстр =24%мас. Минимальные значения прочности 235 и 249 МПа наблюдаются при рви - 410 и 620 МПа и Сстр - 24 и 34 %мас, соответственно.
При рБи =260 МПа прочность, с ростом Сстр, увеличивается от 346 МПа при СстР =24%мас. до 442 МПа при Сстр =34%мас. Рост Сстр до 44%мас. снижает прочность до 345 МПа. При повышенных значениях рБи =560 МПа, с ростом СстР от 24 до 44 %мас, прочность снижается от 391 до 358 МПа. При рБи=410 МПа прочность, с ростом Сстр непрерывно повышается от 334 МПа при 20%мас. до 432 МПа при 48%мас.
Рост рБи приводит к снижению пористости железного каркаса и увеличению площади его контакта со стружковым слоем. При этом улучшаются условия смачивания поверхности основы расплавом инфильтрата, и увеличивается скорость пропитки. При увеличении Сстр в холоднопрессованных заготовках возрастает избыточное объемное содержание инфильтрата и снижается неравномерность распределения прочности по сечению заготовки. При увеличении рБи ОТ 260 до 410 МПа прочность образцов снижается, возрастает неравномерность распределения инфильтрата по высоте.
В указанном интервале при снижении пористости основы количество бронзы в заготовках не изменяется. Протекает эрозия железного каркаса преимущественно в верхнем менее плотном торце заготовки. С увеличением содержания бронзы при указанных давлениях прессования прочность возрастает. Избыточное содержание инфильтрата по отношению к объему пор компенсирует эрозию железного каркаса, что снижает остаточную пористость.
Рост рБн от 410 до 560 МПа приводит к увеличению прочности и неравномерности ее распределения по сечению заготовок. Снижение пористости основы упрочняет межчастичные связи и затрудняет протекание эрозии каркаса, при этом плотность инфильтрованых заготовок возрастает. Рост неравномерности распределения объясняется преимущественной пропиткой нижнего более плотного торца. С увеличением Сстр в данном интервале рБи резко возрастает избыточное содержание инфильтрата по отношению к объему пор, что приводит к дезинтеграции каркаса за счет активного протекания эрозии (размывания) межчастичных контактов.
Рост рБи свыше 560 МПа приводит к снижению прочности материала торцов и увеличению неравномерности распределения свойств по высоте. Это объясняется формированием в каркасе закрытой пористости. Пропитывается преимущественно менее плотный верхний торец. Общее содержание бронзы снижается, ее распределение крайне неравномерно. Увеличение содержания инфильтрата приводит к незначительному повышению прочности материала нижнего торца, ввиду поглощения избыточного количества инфильтрата, и уменьшения прочности верхнего за счет его эрозии. Пониженная неравномерность распределения свойств достигается при ССтр =48 %мас.
Анализ зависимости прочности материала нижнего торца от рБи и ССтр (рис. 63) показал, что ее максимальное значение 450 МПа (см. приложение 11) наблюдается при рБи =560 МПа и Сстр =44%мас.Минимальное значение прочности 193 МПа наблюдается при рБи =620 МПа и ССтр =34%мас. При рБи =260 МПа, с ростом ССтр от 24 до 34 %мас, прочность основы возрастает от 318 до 442 МПа, затем прочность снижается до 383 МПа при Сстр =44%мас. При рБи =560 МПа прочность, с увеличением ССтр от 24 до 44 %мас, непрерывно увеличивается от 400 до 450 МПа. При максимальном рБи наблюдается снижение прочности основы до 193 МПа при Сстр =34%мас.
Повышенное Сстр (рис. 64) в биметаллической заготовке и пониженное РБИ приводит к увеличению площади контакта напрессованного стружкового брикета и среды спекания, обеспечивая переход значительной части стружки в среду спекания, т.е. скорость пропитки значительно ниже скорости плавления инфильтрата. При СсТр=27...30%мас. (см. приложение 11) и рБи =250...450 МПа неоднородность свойств минимальна-4%. Максимальная неоднородность свойств 50% соответствует Сстр =50%мас. и рБи =620 МПа, при этом скорость натекания расплава инфильтрата значительно превышает скорость пропитки.
Опытно-промышленная технология изготовления инфильтрованных порошковых материалов с использованием стружковых отходов бронзы Бр05Ц5С5 в качестве инфильтрата
На основании проведенных исследований разработана технология изготовления втулки разжимного кулака пневматической системы тормозов, применяемой на строительно-дорожных машинах, грузовых автомобилях и автобусах, из псевдосплава «железо- бронза» с использованием в качестве инфильтрата расплава бронзы, полученного из напрессованного стружкового брикета. На рис. 78 представлен эскиз втулки поворотного кулака.
Узел работает в агрессивной среде с наличием загрязнений в виде влаги, пыли, песка. При эксплуатации втулка контактирует с контр- телом- поворотным кулаком, изготовленным из стали 40ХН. Деталь работает на износ при повороте кулака и испытывает циклические нагрузки сжатия при его крайнем положении. Максимальное давление в зоне контакта составляет 0,8 МПа, рабочее- 0,6 МПа. Втулка работает в условиях граничного трения при периодической подаче консистентной смазки ЛИТО Л -24. Скорость скольжения не превышает 1 м/с. Материал для изготовления втулки должен обладать высокой износостойкостью, задиростойкостью и коррозионной стойкостью. Втулку изготавливают из компактной бронзы БрОЦС 5-5-5 путем механической обработкой литых заготовок. Предложенный псевдосплав «железо- бронза» с содержанием инфильтрата 42,9 %мас. по эксплуатационным параметрам не уступает компактной бронзе. При его изготовлении применяется дешевое сырье - бронзовая стружка. Коэффициент использования бронзы возрастает до 0,87. Технологическая схема изготовления втулки из псевдосплава приведена на рис. 79.
В качестве исходного материала инфильтрата используется стружка бронзы марки Бр05Ц5С5 фракции +0,63 -1, полученная в результате черновой механической обработки литых заготовок, без использования СОЖ, по следующим режимам: глубина резания t=l,8 мм; подача s= 0,4 мм/об; частота вращения шпинделя п= 200 мин" , скорость резания V= 62 м/мин. В качестве материала основы применяется железный порошок марки ПЖВ 2.160.26.
Стружку классифицируют на вибросите в течение 0,5 ч. Затем проводят формование легкоплавкого стружкового слоя давлением рБр=620 МПа. Количество стружки в заготовке 48 %мас. После этого засыпают в матрицу слой тугоплавкого материала основы- железного порошка и уплотняют его давлением рБи=410 МПа (рис. 80, 81).рБр=620 МПа1- верхний пуансон; 2-матрица; 3- нижний пуансон; 4- стержень; 5-стружковый брикет; 6- железная основа.
Спекание, совмещенное с инфильтрацией, двухслойных заготовок проводится в камерной электропечи в защитной среде расплава стекла при температуре 1150 С в течение 150 мин. После спекания тигель с деталями охлаждается на воздухе до температуры 300.. .400 С и в воде до полного охлаждения для охрупчивания стеклянной массы. Заготовки извлекают из тигля, отбивают остатки стекла и подвергают механической обработке с целью удаления дефектного слоя и снятия фасок (рис. 82). Обработку проводят по режимам чистовой обработки литой бронзы: t=0,5 мм; s= 0,2 мм/об; п= 400 мин"1, V= 98,9 м/мин. Калибрование осуществляют по внутреннему и наружному диаметрам давлением в пределах 300 МПа (рис. 83). 1. Разработана технология изготовления инфильтрованных материалов с использованием стружки в качестве инфильтрата, включающая операции: рассев стружки, ее подпрессовку, засыпку железного порошка каркаса и окончательное прессование биметаллической заготовки, спекание в расплаве стекла, совмещенное с пропиткой.2. По предложенной технологии изготовлена опытная партия втулок разжимного кулака пневматической системы тормозов грузовых автомобилей и автобусов.
