Введение к работе
Актуальность темы. Разработка новых и совершенствование известных технологий производства биметаллических и слоистых функционально градиентных материалов (ФГМ) является одним из приоритетных направлений современного материаловедения. Биметаллы (БМ) представляют собой наиболее распространенную группу ФГМ, их применение обеспечивает существенную экономию дефицитных и дорогостоящих элементов, возможность сочетания в одном изделии комплекса необходимых эксплуатационных свойств, зачастую взаимоисключающих друг друга.
Известные способы производства БМ из компактных материалов обладают рядом недостатков, одним из которых является высокая трудоемкость процесса. Применение методов порошковой металлургии (ПМ) существенно упрощает технологию, однако не все они могут быть использованы в условиях машиностроительного предприятия. Это относится, прежде всего, к взрывному прессованию и связано со спецификой проведения взрывных работ.
Наиболее эффективным и технологически простым способом получения высокоплотных порошковых материалов является горячая штамповка (ГШ) пористых заготовок. Технология ГШ может быть реализована не только на специализированных предприятиях ПМ, но и в условиях обычного машиностроительного производства. Однако до настоящего времени для производства БМ она практически не использовалась. Количество исследований, посвященных изучению возможностей производства БМ типа «сталь-бронза» с порошковым рабочим слоем методом ГШ, ограничено. Не изучены особенности процессов струк-турообразования на различных технологических этапах получения изделия, не выяснена возможность обеспечения удовлетворительного качества сращивания слоев БМ, необходимых прочностных и антифрикционных свойств. Одна из основных причин недостаточной изученности ГШ данного типа БМ заключается в том, что температура горячей деформации стали выше температуры солидуса бронзы. Это обстоятельство ограничивало проведение исследований БМ с рабочим слоем из бронз, у которых температура солидуса была не менее 1000 С, что существенно выше, чем у многих антифрикционных бронз. Задача оптимизации технологических условий ГШ может быть решена с применением пеизотермиче-ского нагрева (НН) заготовок, создающего градиент температур по их сечению и обеспечивающего хорошую деформируемость подложки и рабочего слоя. Для этого необходимо создать адекватную математическую модель (ММ) процесса, описывающую распределение температур в теле заготовки в любой момент времени.
Высказанные соображения определили необходимость проведения специальных исследований, которые были выполнены в соответствии с заданиями межвузовской инновационной научно-технической нроіраммм Российской Федерации «Исследования в области порошковой технологии» (темы 94/1 и і и 95/5И), межвузовской научно-технической программы «Перспективные материалы» (тема 95/17Ф), госбюджетной темы 49.94 «Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а
также их деформирования при горячей обработке давлением» на 1994-98 г.г., госбюджетной темы 2.99Ф «Исследование закономерностей формирования структуры и свойств порошковых композиционных материалов и формирования заготовок при термомеханической обработке» на 1999 - 2003 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка технологии получения БМ типа «сталь - бронза» с порошковым рабочим слоем, обеспечивающей повышение технико-экономических показателей производства.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Разработать ММ, алгоритм и программу расчета режимов нагрева заготовок БМ на подложках из порошковой и компактной сталей.
-
Изучить особенности массопереиоса на границе контакта слоев БМ при его получении ГШ с применением предварительного НН.
-
Исследовать процессы структурообразования в БМ «сталь - бронза» на различных технологических этапах его получения методом ГШ.
-
Изучить физико-механические и триботехнические свойства БМ, провести оптимизацию технологических условий ГШ.
-
Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследований.
Научная новизна. Предложена математическая модель печного и высокочастотного нагрева заготовки биметалла с порошковым рабочим слоем на подложках из компактной (БМКП) и порошковой (БМПП) стали, учитывающая теп-лофизические свойства материалов, характеристики применяемого оборудования и позволяющая с заданной точностью проводить расчет температурного поля заготовки.
Установлена возможность термической и деформационной интенсификации массопереиоса на контактной границе при ГШ заготовки БМ. Ускорению массопереиоса способствует образование жидкой фазы в материале рабочего слоя при НН заготовки и пластическая деформация приконтактньгх объемов материала подложки в процессе горячей допрессовки. Вследствие интенсивного массопереиоса формируются адгезионные связи на контактной границе слоев БМ, и обеспечивается высокая прочность их соединения.
Предложена гипотеза, описывающая структурообразование в материале заготовок БМКП и БМПП в виде последовательности актов термического и деформационного воздействия на материал заготовки БМ в процессе НН и ГШ. На первом этапе при НН заготовки происходит подплавление рабочего слоя в при-контактной зоне. В случае использования порошковой подложки это сопровождается пропиткой ее пор на ограниченную глубину в режиме автоколебаний. Второй этап заключается в незначительном, а потому не приводящем к существенным структурным изменениям, ііодстужишшии заготовки при ее передаче из печи в матрицу. На третьем этапе в процессе ГШ нагретой заготовки последовательно ппотекают де<Ьог>миг)Ование материала рабочего слоя, пнсЬлений, нанесенных на торцевую поверхность подложки, и самой подложки. На заключительном этапе последеформационного охлаждения заканчивается кристаллиза-
ция жидкой фазы бронзы, и протекают фазовые превращения в материале подложки.
Установлен структурный и фазовый состав рабочего слоя БМ, полученного ГШ заготовки с заданным градиентом температур по высоте, наличие которого обусловило формирование нескольких структурных зон, отличающихся между собой количеством жидкой фазы, имевшейся в них на момент деформации. Наибольшее количество жидкой фазы характерно для зоны подплавления, прилежащей к контактной границе, наименьшее - для поверхностного слоя, структура которого представляет собой зерна а-твердого раствора, окруженные сеткой эвтектоида.
Практическая ценность. Определены технологические схемы и режимы, обеспечивающие получение БМ типа «сталь-бронза» с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками и улучшенными технико - экономическими показателями их производства.
Обоснована возможность улучшения качества сращивания слоев БМ и его антифрикционных свойств за счет формирования жидкой фазы при НН заготовки и ее локализации на контактной границе слоев: во впадинах рифлений, нанесенных на торцевую поверхность подложки БМКП; в порах подложки БМПП; на границах зерен а-твердого раствора в приповерхностных зонах бронзового слоя.
Разработана компьютерная программа расчета температурного поля заготовки БМ при печном и индукционном НН, позволяющая прогнозировать распределение температур и назначать режимы нагрева.
Установлены оптимальные режимы ГШ заготовок БМКП и БМПП, обеспечивающие высокую прочность соединения слоев и антифрикционные свойства на уровне известных аналогов.
Получены БМ и изделия антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для работы в условиях резкой смены температур, а также подвергаться термообработке с целью упрочнения стальной подложки.
Реализация результатов работы. Разработаны технологические процессы производства деталей «распределитель» двух модификаций, получаемых ГШ неизотермически нагретых заготовок БМ с попонгковим рабочим слоем из бронзы Бр05Ц5С5 и основанием из компактной или порошковой стали. Ожидаемый экономический эффект от внедрения на ОАО «Гидропривод», г. Шахты, составляет 71570 и 24760 руб. на 1 тыс. деталей «распределитель» модификаций РМНА 32/320 - 0005 и МН 56/32 - 0014 соответственно.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
XVII Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (г. Миасс, 1998 г.);
Международной коніусрскцки «v-лоистыс композиционные Материалы-98» (г.Волгоград, 1998 г.);
- ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 1997 -2000 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ и получено 1 решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения и содержит 221 страницу машинописного текста, 64 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 233 наименований.