Введение к работе
Актуальность проблемы.
Горячая штамповка пористых заготовок (ГШПЗ) является одним из прогрессивных металлосберегающих технологических процессов получения изделий, при котором происходит совмещение в едином технологическом цикле формования конструктивных элементов детали с формированием самого материала и реализуется возможность полностью или частично исключить механическую обработку.
Дальнейшее расширение номенклатуры деталей, получаемых ГШПЗ, тесно связано с проблемой повышения их качества. В связи с тем, что ГШПЗ обеспечивает получение практически беспористых материалов, для улучшения показателей механических и эксплуатационных свойств данных материалов необходимо оптимизировать условия структурообразования как на межчастичных границах, так и внутри объёмов частиц и зёрен. До настоящего времени в качестве основного метода повышения качества межчастичного сращивания использовали различные схемы нагружения при выполнении горячей допрессовки, которые обеспечивали протекание сдвиговых деформаций внутри объёмов порошкового тела и, в частности, на границах частиц. При этом происходило дробление примесных слоёв на поверхностях частиц, обнажались ювенильные контакты, что способствовало улучшению качества межчастичного сращивания. Однако при изготовлении целого ряда деталей сложной конфигурации не всегда возможно реализовать протекание больших сдвиговых деформаций. Поэтому на повестке дня стоит вопрос разработки эффективной технологии, обеспечивающей формирование межчастичных связей высокого качества и получение порошковых материалов с заданным комплексом механических и эксплуатационных свойств.
Технология порошковой металлургии изначально заключала в себе потенциальную возможность проведения процессов обработки материалов при одновременном присутствии жидкой и твёрдой фаз. Хорошо известны и нашли широкое применение в промышленности технологии жидкофазного спекания. Большой вклад в изучение процессов, протекающих при жидкофазном спекании, внесли В. В. Скороход, И. М. Федорченко, В. Н. Еременко, Ю. В. Найдич, П. А. Витязь, А. Ф. Ильющенко, Л. Н. Дьячкова, В. Н. Анциферов, В. С. Панов, М. Ристич, Р. Герман и др. Однако применительно к проведению процессов деформации, в частности, при допрессовке пористых заготовок, использование жидкой фазы в настоящее время весьма ограничено. Известны работы, в которых рассматривалось формирование жидкой фазы в поверхностном слое горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ), однако систематических исследований, посвященных изучению вопросов проведения ГШПЗ в присутствии жидкой фазы во всём объёме порошкового тела до настоящего времени не проводилось.
Изложенные выше обстоятельства обусловили актуальность проведения соответствующих исследований, которые были осуществлены на кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова и в Институте порошковой металлургии «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина». Работа соответствует заданиям госбюджетной темы 1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов. Фундаментальное исследование».
Цели и задачи исследования.
Целью настоящей работы является повышение механических и эксплуатационных свойств горячедеформированных порошковых материалов и изделий на основе железа за счёт проведения горячей штамповки пористых заготовок в присутствии жидкой фазы.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить целесообразность и возможность применения эвтектикообразующих добавок для получения жидкой фазы при технологически допустимых температурах проведения горячей штамповки (ГШ).
-
Разработать технологию приготовления исходной шихты, обеспечивающей равномерное распределение легирующей добавки в объёме заготовки.
-
Изучить особенности протекания процессов структурообразования и сращивания на межчастичных поверхностях при выполнении ГШ в присутствии жидкой фазы.
-
Установить зависимости характеристик размерной точности, шероховатости поверхности и физико-механических свойств порошковых материалов и изделий от температурно-временных и энергетических режимов ГШ в присутствии жидкой фазы.
-
Разработать рекомендации для практической реализации результатов исследований.
Научная новизна
-
Установлено, что проведение горячей штамповки пористых заготовок в присутствии жидкой эвтектической фазы систем Fe – B и Fe – P – C обеспечивает снижение энергетических затрат на уплотнение и улучшение качества межчастичного сращивания, а также условий уплотнения остроконечных кромок в изделиях сложной конфигурации по сравнению с ранее используемой допрессовкой в твёрдой фазе.
-
Установлена оптимальная технологическая последовательность выполнения операций получения борсодержащего материала горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы, которая в качестве обязательного элемента включает проведение предварительного спекания в вакууме при 1200 0С, что обеспечивает возможность рафинирования межчастичных поверхностей от оксидов и улучшения качества межчастичного сращивания при последующей допрессовке по сравнению с материалами, спечёнными в защитной атмосфере.
-
Показано, что контактное взаимодействие жидкой эвтектической фазы системы Fe – P – C с поверхностью частиц железного порошка сопровождается восстановлением оксида железа входящими в состав феррофосфора фосфидами Fe2P и Fe3P, которое, в отличие от ГШ заготовок системы Fe – B, реализуется при атмосферном давлении, а не в вакууме.
-
Установлено, что во избежание «выпотевания» капель расплава и формирования дефектов на поверхностях заготовки нагрев заготовок перед ГШ следует проводить при температуре ТГШ12000С, что обеспечивает удовлетворительную смачиваемость эвтектикой частиц порошка основы.
-
Показано, что проведение отжига фосфорсодержащих порошковых материалов, полученных ГШ в присутствии жидкой фазы, способствует распаду сетки эвтектики на поверхностях частиц железного порошка при диффузии фосфора в глубь зёрен и конкурентной зернограничной сегрегации углерода и фосфора на границах зёрен, обеспечивающему улучшение качества межчастичного сращивания по сравнению с материалами, полученными без применения отжига.
Практическая значимость
1. Борсодержащие порошковые материалы, полученные ГШ в присутствии жидкой фазы обладают повышенной износостойкостью в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания. По сравнению с образцами-свидетелями из эталонного материала У30Х25РС2Г значения показателей абсолютного износа при сухом трении скольжения уменьшились на 83,6 %, а коэффициент трения – на 55 %. При абразивном изнашивании величина износа оказалась меньше на 40%.
2. Износостойкость фосфорсодержащих порошковых материалов полученных ГШ в присутствии жидкой фазы, превышает в 3 раза износостойкость эталонного материала – фосфористого чугуна марки М для тормозных колодок локомотивов ГОСТ 30249 – 97. Увеличению характеристик износостойкости исследованного материала по сравнению с углеродистым способствуют включения фосфидной эвтектики.
3. Предложенная технология получения порошковых материалов системы Fe – P – C обеспечивает возможность получения изделий конструкционного назначения, характеристики шероховатости поверхности и точности геометрической формы которых соответствуют аналогичным показателям, обеспечиваемым при чистовом обтачивании наружных поверхностей штампованных поковок дисков.
Реализация полученных результатов
Внедрение предложенной технологии ГШ пористых заготовок в присутствии жидкой эвтектической фазы систем Fe – B и Fe – P – C при изготовлении деталей 2-х наименований в условиях ООО «Ростовский литейный завод» и ООО ПК «НЭВЗ» обеспечивает получение экономического эффекта в сумме 514,9 тыс. рублей за счет повышения коэффициента использования материала, снижения трудоемкости обработки и повышения эксплуатационной стойкости деталей. При этом высвобождается станочное оборудование и производится загрузка не полностью загруженного печного и прессового оборудования.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается применением современного исследовательского и технологического оборудования, измерительной аппаратуры, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных измерительных средств. Достоверность полученных в работе результатов определяется также их согласованностью с общепризнанными положениями порошкового материаловедения.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
-53-й науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, апр. 2004 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск : ЮРГТУ, 2004;
- 57-й науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ун-та / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2008;
- Втором международном научно-практическом семинаре «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение». (ТПП-ПМ 2008), 17-19 июня 2008, Йошкар-Ола;
- 2-ой международной Самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений», май 2010, Киев;
- II-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2010, Москва;
- Международном симпозиуме «Инженерия поверхности . Новые порошковые композиционные материалы. Сварка», 23 – 25 марта 2011г., г. Минск, Беларусь;
- III-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2011, Москва;
- IV-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2012, Москва.
-. IV-й международной конференции «HighMatTTech», Киев, октябрь 2013.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки. Общий объём опубликованных по теме диссертации работ составляет 1, 08 авторских листа.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 161 страницу. Диссертация содержит 60 рисунков, 19 таблиц, приложения. Список цитируемой литературы включает в себя 98 источников.
