Введение к работе
Актуальность темы. Темпы научно-технического прогресса во многом определяются не только свойствами используемых и вновь создаваемых машин и механизмов, но и реализацией новых материалов и инновационных технологий. Создание техники, способной работать в экстремальных условиях, требует разработки новых надежных материалов, отвечающих высоким, порой, казалось бы, взаимопротиворечащим требованиям. Поэтому в последние годы интенсивно развиваются исследования в области создания биметаллических и многослойных порошковых материалов различного функционального назначения. Это обусловлено тем, что технология порошковой металлургии имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами изготовления слоистых материалов, в частности, позволяет варьировать в широких пределах состав и свойства деталей. Кроме того, методы порошковой металлургии позволяют экономить дорогостоящие стали и сплавы, за счет производства изделий, основной слой которых выполнен из менее дорогих порошков железа, а рабочий – из смеси с высоким содержанием карбидов, боридов, нитридов и других соединений.
Наиболее перспективными методами изготовления порошковых биметаллических изделий являются те, при которых слоистая заготовка формируется в процессе холодного прессования. Несмотря на расширение в последнее время применения спеченных биметаллических материалов, а также на увеличение количества публикаций в области теории и технологии производства многослойных ПМ, существуют определенные трудности, связанные с формированием заданной структуры легированного слоя и переходной зоны, в том числе появление при спекании межслойной пористости, а также обеспечением требуемого уровня механических, эксплуатационных и технологических свойств. Это связано с тем, что большинство работ посвящено исследованию технологии производства спеченных изделий, в которых изучается влияние вида и количества легирующих добавок, а также технологических параметров и режимов термомеханической обработки. Не достаточно исследована кинетика диффузионных процессов, определяющая структуру и свойства изделия, при изотермическом и неизотермическом спекании заготовок. Мало изучено влияние добавок ферросплавов, сродных легирующим соединениям, а также температурно-временных характеристик нагрева ТВЧ и последующей термической обработки на процессы структурообразования и свойства биметаллических и многослойных порошковых материалов.
Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005-2010 гг. (1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов»).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка энергосберегающей технологии получения биметаллических материалов и изделий с прогнозируемыми механическими и эксплуатационными свойствами износостойкого слоя при использовании двухступенчатого спекания.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование кинетики диффузии компонентов и процессов структурообразования биметаллических материалов при изотермическом и неизотермическом процессах спекания.
2. Разработка способа расчетного определения технологических параметров двухступенчатого спекания.
3. Исследование влияния состава и количества вводимых в рабочий слой легирующих добавок, пористости, гранулометрического состава шихты на свойства биметаллических материалов с износостойким слоем.
4. Исследование влияния параметров высокочастотного нагрева на второй ступени спекания на свойства биметаллических материалов.
5. Разработка технологии и составление рекомендаций по практическому применению двухступенчатого спекания для производства биметаллических изделий с износостойким рабочим слоем.
Научная новизна.
1. Составлены феноменологические уравнения диффузии компонентов в гетерогенных сплавах, отличающиеся от известных тем, что впервые учтено влияние градиента температуры на плотность и скорость диффузионных потоков в пористых системах. Это позволило рассчитать эффективные коэффициенты диффузии, концентрацию компонентов в переходных зонах межчастичных контактов и частиц порошков железа и карбида хрома, определить параметры высокочастотного нагрева износостойкого слоя спеченных на первой стадии заготовок.
2. Теоретически и экспериментально доказана эффективность новой технологии получения биметаллических изделий с заданными свойствами, отличающейся от известных тем, что на первой стадии печного изотермического спекания формируется структура основы изделия, а на второй стадии – при нагреве спеченной заготовки токами высокой частоты протекает контролируемый диффузионный массоперенос и структурные превращения только в наружном (износостойком) слое.
3. Впервые выявлено, что при циклическом термическом воздействии нагревом токами высокой частоты активируется массоперенос хрома из частиц карбида и феррохрома в частицы железа, что позволяет регулировать его концентрацию в -железе и обеспечить после закалки аустенитно-мартенситную структуру, с требуемым уровнем свойств износостойкого слоя.
Практическая значимость.
1. Экспериментально установлено, что добавление в шихту рабочего слоя, полученную из порошков железа и карбида хрома, порошка высокоуглеродистого феррохрома порядка 22-24% (масс.), приводит к формированию гетерогенной структуры с равномерно распределенными частицами карбидов в прочной и вязкой матрице, состоящей из мелкодисперсных выделений мартенсита в аустените, и улучшению механических и эксплуатационных свойств биметаллического материала.
2. На основе выявленных закономерностей формирования структуры и свойств биметаллических материалов, полученных двухступенчатым спеканием цельнопрессованных заготовок, предложена инновационная технология изготовления износостойких деталей с повышенной стойкостью против абразивного износа и вязкой нелегированной сердцевиной из порошков железа.
3. Разработанная технология позволяет совместить спекание на второй стадии и нагрев под закалку, снизить расход легирующих добавок, так как корпус деталей изготовляется из порошка железа, а рабочий слой из смеси порошков, что снижает себестоимость производства изделий при достижении требуемых механических и эксплуатационных свойств.
4. Разработана принципиальная конструктивная схема установки для высокотемпературного спекания ТВЧ тянущих роликов рубочных станков, позволяющая производить термообработку погружением в охлаждающую жидкость непосредственно с температуры нагрева после второй стадии спекания.
Автор защищает научно и экспериментально обоснованную новую технологию получения биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем, основной слой которых изготовлен из недорогих порошков железа, а рабочий легирован карбидом хрома и феррохромом. Теоретически и экспериментально обоснованные положения о механизме структурообразования в рабочем слое и межслойных границах, а также влиянии технологических факторов на свойства износостойких биметаллических изделий.
Апробация работы. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях и тезисах, а также по теме диссертации получен патент на полезную модель и положительное решение о выдаче патента по заявке на изобретение. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Международных конференциях: V Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010». 14-16 сентября 2010 г. г. Волгоград, Россия; Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем – 2009». 13-15 октября 2009 г. г. Волгоград, Россия; а также ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института): Студенческая весна 2008, 2009 и 2010; 59-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, изложена на 157 страницах, включая 57 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 113 наименований и приложения на 2 страницах.
