Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ научно-технической и патентной литературы...13
1.1 Карбидостали с включениями карбида титана 14
1.2 Приготовление шихты карбидосталей 16
1.3 Статические методы формования заготовок из карбидосталей 18
1.4 Методы высокоскоростного формования заготовок из карбидосталей.22
1.5 Технологии получения карбидосталей 28
1.6 Выводы. Цель и постановка задачи 35
2 Материалы, оборудование и методики для исследования 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.1.1 Карбид титана 38
2.1.2 Быстрорежущая сталь Р6М5К5 41
2.2 Оборудование для проведения экспериментальных работ 43
2.2.1 Оборудование для механического размола 43
2.2.2 Оборудование для формования заготовок 46
2.3 Методы и оборудование для определения свойств порошков 47
2.4 Укладка частиц размолотой смеси порошков 50
2.5 Измерение кинематических параметров ударных систем 52
2.6 Измерение усилий прессования 54
2.7 Исследование механических свойств материала, после горячей штамповки 56
2.8 Выводы 60
3 Теоретические исследования 62
3.1 Особенности укладки частиц смеси карбидостали 62
3.2 Параметры размола порошков карбидостали 71
3.2.1 Размол карбида титана 72
3.2.2 Размол быстрорежущей стали 78
3.2.3 Совместный размол порошков быстрорежущей стали и карбида титана 79
3.2.4 Влияние размола на свойства размолотых порошков 80
3.3 Технология приготовления шихты карбидостали 87
3.4 Теоретические исследования процесса ударного прессования карбидосталей 89
3.4.1 Особенности уплотнения порошка карбидостали при ударном прессовании 89
3.4.2 Аналитическия исследования энерго-кинематических параметров ударного прессования 92
3.4.3 Эффект запаздывания и модель идеально затвердевающего тела...97
3.4.4 Определение начальной скорости удара 98
3.5 Выводы 105
4 Экспериментальные исследования 106
4.1 Исследование процессов ударного прессования карбидосталей 106
4.1.1 Усилие и давление прессования 106
4.1.2 Боковое давление 111
4.1.3 Работа прессования 113
4.1.4 Усилие выталкивания и упругие последействия 116
4.1.5 Распределение плотности 118
4.1.6 Микроструктура и прочность материала 119
4.2 Особенности горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием 121
4.2.1 Технология изготовления пористых порошковых заготовок под штамповку 122
4.2.2 Особенности уплотняемости порошка карбидостали при горячей штамповке 124
4.2.3 Распределение плотности в горячештампованном изделии 125
4.3 Структура и свойства горячештампованной карбидостали 127
4.3.1 Структура 127
4.3.2 Упругопластические свойства горячештампованной карбидостали 132
4.3.3 Механические свойства горячештампованной карбидостали 135
4.3.4 Износостойкость карбидостали 137
4.4 Выводы 140
5 Пример опытно-промышленного использования технологий производства карбидосталей 142
5.1 Технологическая схема изготовления детали 143
5.1.1 Характеристика исходной порошковой шихты 144
5.1.2 Предварительная подготовка порошка карбида титана 145
5.1.3 Совместный размол порошков быстрорежущей стали и карбида титана 145
5.1.4 Отжиг шихты 145
5.1.5 Изготовление пористой заготовки под штамповку 146
5.1.6 Нагрев пористых заготовок под горячую штамповку 146
5.1.7 Горячая штамповка пористых заготовок 147
5.1.8 Механическая обработка горячештампованного изделия 147
5.1.9 Термическая обработка горячештампованного изделия 147
5.1.10 Сборка 148
5.1.11 Шлифование поверхностного слоя детали 148
5.2 Выводы: 149
Общие выводы 150
Список использованной литературы
- Статические методы формования заготовок из карбидосталей
- Оборудование для механического размола
- Размол карбида титана
- Усилие выталкивания и упругие последействия
Статические методы формования заготовок из карбидосталей
Карбидостали являются композиционными материалами, которые образуют объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Они отличаются свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов, взятый в отдельности. В композиционных материалах сочетаются лучшие свойства различных составляющих фаз – прочность, пластичность, износостойкость, малая плотность и т. п.
Карбидостали состоят из пластичной основы (матрицы), служащей связующим материалом, и включений в виде частиц порошков. Включения обеспечивают жесткость и износостойкость композиций, а связующий материал - адгезионную связь между составляющими, передачу нагрузки на частицы наполнителя, а также прочность и пластичность композита, как единого целого, при воздействии механических и других нагрузок. Иногда связующий материал предохраняет наполнитель от агрессивного воздействия окружающей среды. Физико-механические свойства таких материалов зависят не только от количества твердых включений и связующего материала, их физико-химических свойств, но и от их взаимного расположения, размеров, прочности адгезионной связи на границе включений и связующего материала.
Твердость карбидосталей в основном характеризуется связующим материалом (металлом-основой). Термической обработка карбидосалей позволяет получать изделия с высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с достаточно высокой пластичностью и вязкостью, что характеризуется достаточно большим содержанием металла-основы в сочетании с высокоизносостойкими твердыми включениями.
В настоящее время имеются данные об использовании в качестве твердых включений в связующей матрице таких материалов как карбид титана, карбид вольфрама, карбид титана, легированный хромом или азотом, карбонитрид титана, карбид хрома [32, 53].
Имеются данные, что замена твердых включений карбид вольфрама WC на карбид титана TiC с одной стороны приводит к уменьшению теплопроводности карбидостали, росту коэффициента термического расширения, снижению вязкости, пластичности, жаропрочности и снижению абразивной износостойкости, однако, с другой стороны увеличивается жаростойкость, понижается коэффициент трения скольжения по металлическим материалам и самое важное – снижается стоимость. Замена карбида титана TiC на карбид хрома Cr3C2 значительно снижает твердость, уменьшаются вязкость, пластичность, жаропрочность. Замена карбида титана TiC на карбида титана, легированный хромом или азотом, приводит к увеличению физических, механических и технологических свойств получаемой карбидостали, однако, при этом значительно увеличивается и ее стоимость из-за технологической сложности легирования карбида титана [24, 64, 117, 119].
Выбор материала-основы карбидосталей в первую очередь обуславливается необходимыми условиями работы получаемых из них изделий. Однако, общая тенденция для повышения физико-механических свойств - это применение материала-основы, способного обеспечить хорошую смачиваемость применяемых в ней твердых включений. Изначально применяли углеродистые стали, однако, их применение не позволяло значительно повысить твердость получаемых карбидосталей, поэтому исследования были направлены на получение карбидосталей с использованием нержавеющих сталей типа Х18Н15, Х13М2, Х12М, быстрорежущих сталей типа Р18, Р6М5, легированными типа Х4Н2М8, Х6В3М, 5Х6ВМ2 и др. [32, 53, 93, 98].
В работах С.С. Кипарисова и В.К. Нарвы исследовано влияние интенсивности износа от металла-основы: если ее прочность низкая, твердые включения могут выкрашиваться. Испытания проводили по принципу торцевого трения [45]. Трение производили при комнатной температуре без применения смазки и в жидком азоте. Результаты износа представлены в таблице 1.1.
Приготовление шихты карбидосталей Физико-механические свойства карбидосталей зависят не только от количества твердых включений и связующего материала, их физико-химических свойств, но и от их взаимного расположения и размеров включений и связующего материала.
Предварительную подготовку порошков карбидосталей до необходимого размера включений и металла-основы, а также их последующее смешивание проводят в основном ударом и истиранием, так как применение химического метода осаждения из растворов на поверхности частиц металла-добавки при одновременном интенсивном перемешивании с порошком основного металла нетехнологично и экономически невыгодно.
В настоящее время в качестве механического размольного оборудования наибольшее применение имеют шаровые мельницы, потом конусно-инерционные дробилки [8], вибромельницы [3, 104], планетарные мельницы [4, 62, 102], аттриторы [4, 2, 10, 44, 55, 69, 108, 109].
При подготовке шихты карбидосталей используют размол в жидкости для разрушения агломератов, образующихся при размоле твердых включений, а также для защиты от воздействия с кислородом.
В настоящее время применительно к карбидосталям наибольшей эффективностью обладают высокоэффективное размольное оборудование, сочетающее в себе как ударное воздействие металлическими шарами, так и истирающее воздействие – аттриторы и планетарные мельницы [1, 17, 101].
В работе [89] приведены сравнительные данные по эффективности размола порошков карбида титана TiC и стали Р6М5К5 (таблица 1.2). Критерии для эффективности размола – размер частиц размолотых порошков и удельная поверхность.
Представленные результаты однозначно указывают на большую эффективность использования аттриторов и планетарных мельниц при приготовлении мелкодисперсных шихт карбидосталей. Также отмечается, что в процессе размола в планетарной мельнице значительно увеличивается намол, поэтому экономически более выгодно использовать аттриторы, которые к тому же более удобны в обслуживании.
Оборудование для механического размола
Физические и химические свойства порошков изучали по международными стандартами ISO, государственными стандартами. Если на методику исследования стандарта нет, то пользовались общепринятыми методами.
Изучение дисперсных свойств порошков: размер и форма частиц. Размер частиц. Размер частиц исходного порошка быстрорежущей стали составляет более 45 мкм, размер частиц карбида титана – 1…15 мкм. Фракционный состав порошка быстрорежущей стали Р6М5К5 в исходном состоянии определяли по методике по стандарту ISO 4497, сущность которого в сухом просеивании порошка на ситах. Фракционных составов размолотого порошка стали с размером частиц менее 40 мкм определяли в соответствии со счетным методом исследования по ГОСТ 23402-78. На основе этого метода работает анализатор изображений SIAMS-600 или SK Laser Micron Sizer, обеспечивающих автоматический расчет среднего размера (диаметра Фере) и распределения количественного или объемного распределения по фракциям.
В анализаторах данного типа сочетается оптический микроскоп с телевизионным считывающим устройством, что дает возможность классифицировать порошки с размерами от 1 до 160 мкм по 60 интервалам. Компьютер, входящий в состав анализатора, позволяет быстро получить информацию о порошке: визуальную картину, кривую распределения частиц по размерам в виде графических гистограмм. Анализатор оценивает эффективность размола порошков по значениям их наиболее вероятного размера (мода распределения) и среднеквадратичным отклонением.
На рисунке 2.6, а показан пример графического отчета анализатора в виде гистограммы. Эта гистограмма описывает гранулометрический состав порошка железа после размола его в аттриторе в течение 2 часов. Рисунок 2.6, б иллюстрирует график объемного распределения частиц по размерам.
Химический состав. Химические свойства порошков зависят от газов, содержащихся в объеме смеси и сорбированных на поверхности ее частиц. Все операции, связанные с обработкой металлических порошков, меняют его химический состав: размол порошков может увеличивать содержание кислорода и снижать содержание углерода, спекание изделий из порошков также снижает содержание углерода.
Содержания кислорода в порошках определяли восстановительными методами, предусмотренными международным стандартом ISO 4491. В соответствии со стандарт ISO 4491-3 содержание кислорода определяется методом восстановления его водородом. Этот метод применим для порошков металлов и их сплавов, смесей карбидов и металлов, с содержанием кислорода 0,05…3 мас. %. Содержание углерода в порошках определялось газообъемным методом в соответствии со стандартом ГОСТ 16412.7-80.
Технологические свойства. Методы определения таких технологических свойств порошков как насыпная плотности, текучесть и прессуемоть стандартизованы. Насыпная плотность порошков определяется на волюмометре по стандарту ISO 3923. Текучесть порошков и их смесей определяется с помощью калиброванной воронки (прибор Холла) по международному стандарту ISO 4490.
Прессуемость металлических порошков устанавливается международным стандартом ISO 3927. Методы определения формуемости порошков не стандартизованы, поэтому оценивали формуемость способностью прессовки сохранять свою форму под давлением прессования. Укладка частиц размолотой смеси порошков
При засыпке порошковой шихты в матрицу для последующего прессования происходит перераспределение фракций шихты, что может привести к появлению областей с различным содержанием элементов и составляющих шихты. Это обстоятельство оказывает негативное влияние на конечные свойства прессуемого материала. В связи с этим, целесообразно провести исследование механизма осаждения мелких частиц в смеси при засыпке ее в цилиндрическую матрицу. Для этого можно востпользоваться компьютерной имитационной моделью случайной упаковки частиц в насыпанном порошке, разработанной в Луцком государственном университете НАН Украины.
В работе [86] описана модель упаковки полидисперсных частиц порошка. В модели частицы представляют собой замкнутые кривые с известными координатами центров, радиусами и уравнениями формы частиц. Каждая частица обладает индивидуальной характеристикой – угол сцепления частиц . Он представляет собой угол между вертикалью и прямой, соединяющей центры частиц. Угол учитывает топологические характеристики частиц, которые, в свою очередь, влияют на фактор формы. Материал делится на три группы: значение может находится в пределах 0...30 градусов (форма частиц близка к идеально круглой), в пределах 30…60 градусов (форма частиц отклоняется от идеальной до 50%), в пределах 60…90 градусов (форма частиц значительно отличается от идеальной). Подобное представление позволяет моделировать полидисперсную упаковку частиц со случайной закономерностью их распределения.
Размол карбида титана
По результатам анализа моделей укладки частиц можно сделать ряд выводов: – в макроструктуре композиционного материала «быстрорежущая сталь – карбид титана» из-за большого числа малоразмерных частиц твердые включения образуют преимущественно скопления (агломераты) и цепочки частиц. Рекомендуется стремиться к появлению цепочек частиц, поскольку крупные скопления приводят к снижению характеристик материала; –распределение мелкой фракции по объему изделия наилучшим образом обеспечивается, если размеры частиц матричного материала превышают размеры частиц карбидного материала не более чем в 10 раз, а наличие крупных частиц матричного материала сведено к минимуму.
Используя эти выводы можно сформулировать следующую рекомендацию: при размере частиц твердой составляющей шихты около 2 мкм рекомендуется выдерживать средний размер частиц металлической составляющей около 20 мкм. Учитывая, то что вероятность наличия крупных частиц (1...3 мкм) твердой составляющей велика, следует ограничить размер частиц металлической составляющей до значений, не превышающих 20…30 мкм. 3.2 Параметры размола порошков карбидостали
Основной задачей исследования размола порошков карбидостали является установление закономерностей шихтоприготовления карбидостали и определение параметров размола на физические, химические и технологические свойства полученной шихты. Эта задача решается посредством установления фракционного состава порошка и выявление кинетических зависимостей его изменения. Для описания кинетических зависимостей используется соотношение «средний диаметр Фере dср – время размола t», по которому оценивается рациональность размола.
В настоящей работе кинетические кривые порошков быстрорежущей стали (Р6М5К5), карбида титана (TiC) и их смеси строили по результатам размола указанных порошков в течение 6 часов, путем равномерного отбора проб для исследования на фракционный состав. Далее описаны результаты исследований.
Процесс диспергирования включает стадии механической деформации и релаксации. С атомно-молекулярной точки зрения можно выделить три основных этапа деформации [19]. Первый этап - это разупорядочение структуры вещества (изменение межатомного расстояния, параметров решетки, появления новых структурных дефектов). Следствием этого разупорядочения может стать аморфизация вещества без разрушения кристалла. Второй этап рассматривается как путь к возникновению особой подвижности структуры, которая обусловлена ослаблением внутренних напряжений, что, в свою очередь, может привести к размножению и движению дислокаций, возникновению и росту трещин. Следствием третьего этапа является структурная релаксация, связанная с движением и исчезновением дефектов, желанием системы вернуться к равновесному состоянию. Эти процессы, как правило, экзотермические. Энергия, которая выделяется при исчезновении дефектов, достаточно велика и может достичь таких значений, которых хватает для распада связей, электронного возбуждения, ионизации атомов.
Способность материала к разрушению независима от типа оборудования, используемого при измельчении, зависит от таких параметров твердого тела, как упругость, прочность и пластичность. Эволюция этих параметров во время нагрузки в значительной степени определяет способность веществе к разрушению. Приложение к твердому телу внешних напряжений стимулирует появление локальных перенапряжений, что приводит к разрыву межатомных связей, к нарушению сплошности твердого тела и появлению микротрещин. Рост микротрещин и их последующее слияние формирует трещины, распространение которых в конечном итоге разрушает твердое тело.
В теории прочности существуют два подхода - механический и кинетический, которые имеют непосредственное отношение к разрушению твердых тел при их механической обработке. Механическая концепция рассматривает разрушение материала как потерю устойчивости твердого тела под воздействием внешних и внутренних напряжений при достижении порогового значения, характерного для каждого твердого тела, и не изучает особенности прохождения стадий, предшествующих разрушению.
Однако механический подход позволяет провести количественную оценку границы измельчения (минимального размера частиц) при механическом диспергировании. Базой для этого может быть рассмотрение баланса между упругой энергией, которая накапливается в каждой частице при измельчении, и дополнительной свободной энергией образования новой поверхности. На этом принципе построена известная теория прочности хрупких тел Гриффитса, которая изложена в [92].
Усилие выталкивания и упругие последействия
Экспериментальные исследования предприняты с целью выявления отличия в значениях энергосиловых параметров процессов ударного прессования карбидосталей предварительно подпрессованного и свободно насыпанного порошков. Кроме того, необходимо сравнение расчётных и экспериментальных значений начальной скорости нагружения для установления границ применимости формулы, выведенной в предыдущей главе.
Исследованы зависимости давления прессования от плотности, потери на трение, боковое давление, работа прессования, усилие выталкивания, скорость нагружения, упругое последействие и распределение плотности в изделиях.
Усилие и давление прессования На рисунке 4.1,а представлены графики нарастания давления на нижнем пуансоне и усилие трения от плотности брикета при ударном прессовании со скоростью нагружения 20 м/с, причём графики 2 и 3 построены по данным, относящимся к свободно насыпанному в пресс-форму порошку (QН = 2,2 г/см3 ), 2 и 3 - к подпрессованному ( QН =3,8 г/см3).
Сложив давление на нижнем пуансоне и усилие трения, получим давление на верхнем При одних и тех же условиях динамического нагружения (одинаковая скорость нагружения и, соответственно, одинаковая совершённая работа), в случае уплотнения свободно насыпанного порошка, расчётная плотность брикета в конце процесса уплотнения составила 6,55 г/см3 , подпрессованного - 6,75 г/см3. Выпрессованные брикеты имели соответственно плотности 6,25 и 6,55 г/см3.
Сравнивая давления прессования, можно видеть, что в процессе нарастания величины давлений (в случае подпрессованного порошка) с некоторого момента становятся больше. Максимальное превышение составляет 35 %. Однако конечное давление оказывается больше всего на 5 % (на нижнем пуансоне). На верхнем пуансоне превышение давления ещё меньше.
Увеличение давления прессования становится возможным, потому что одинаковая работа прессования затрачивается на меньшем пути. Увеличение давления (при одной и той же совершённой работе) обусловливает некоторое повышение плотности брикета.
При ударном прессовании подпрессованного порошка карбидостали изменяется форма кривой нагружения: она имеет S -образную форму.
Повышение давления прессования и изменение характера нагружения можно объяснить изменением физических свойств материала при высокоскоростном нагружении. При прессовании подпрессованного порошка процесс проходит с большей скоростью деформации. В рассматриваемом конкретном случае средние скорости деформации у свободно засыпанного порошка 184,1 с-1, у подпрессованного - 370 с-1, т.е. более чем в 2 раза выше. Как известно, с увеличением скорости деформации увеличивается сопротивление материала нагрузке. Отсюда увеличение давления прессования в процессе деформации. Поскольку скорость деформации не постоянная величина, с течением процесса уменьшается, то изменяется (сначала резко увеличивается, затем несколько падает) и скорость нарастания давления прессования.
Следует подчеркнуть, что приведённые зависимости давлений от плотности относятся только к данным условиям динамического нагружения, определяемым скоростью нагружения и соотношением ударных масс. Это означает, что при заданном соотношении ударных масс в другое конечное состояние уплотняемого порошка можно прийти только по другой кривой динамического нагружения.
На рисунке 4.2 показаны адиабаты - кривые нарастания давления прессования (на нижнем пуансоне) порошков, полученные при различных начальных скоростях нагружения. Видно, что каждому значению скорости соответствует своя кривая нагружения.
