Содержание к диссертации
Введение
1 Карбидостали (литературный обзор. Выбор номенклатуры для исследования процесса их ГШ) 16
1.1 Спеченные карбидостали и методы их получения 16
1.1.1 Промышленные карбидостали 16
1.1.2 Карбидостали опытно-промышленного производства 22
1.1.3 Промышленные методы изготовления карбидосталей 28
1.1.4 Технология ГШ и выбор номенклатуры карбидосталей для исследования 29
1.1.4.1 Преимущества метода ГШ для получения карбидосталей 29
1.1.4.2 Номенклатура карбидосталей для исследования 34
1.1.4.3 Выбор метода размола порошков карбидосталей 38
1.1 .4.4 Соотношение размеров частиц металла и карбидов 40
1.1.4.5 Особенности уплотнения размолотых порошков и заготовок из них 50
1.2 Характеристика размолотых мелкодисперсных карбидов 62
1.2.1 Карбид бора 63
1.2.2 Карбид титана 67
1.2.3 Карбид хрома 70
1.3 Характеристика сталей из размолотых порошков 73
1.3.1 Хромистая сталь 40X2 74
1.3.2 Быстрорежущая сталь Р6М5К5 84
1.3.3 Нержавеющая сталь XI8Н15 101
Выводы 109
2 Особенности уплотнения и напряженно-деформированное состояние штампуемых заготовок из карбидосталей 112
2.1 Деформирование заготовок в закрытом штампе 112
2.1.1 Деформирование неспеченных заготовок 113
2.1.2 Деформирование спеченных заготовок 131
2.2 Характеристика горячей осадки спеченных заготовок 133
2.2.1 Свободная горячая осадка 133
2.2.2 Горячая осадка в закрытом штампе с компенсационными зазорами 135
2.2.3 Напряженно-деформированное состояние спеченной заготовки при штамповке в открытом штампе 137
2.2.4 К вопросу о трещииообразовапии при ГШ карбидосталей 166
2.3 Напряженно-деформированное состояние при штамповке заготовок «порошок в пористой оболочке» 168
2.4 Напряженно-деформированное состояние при штамповке двухслойных изделий с вертикальной линией раздела 169
Выводы 175
3 Технологии ГШ карбидосталей 177
3.1. Выбор технологических схем изготовления порошковых изделий 177
3.2 Размол / смешивание шихт карбидосталей 181
3.2.1. Технологические параметры размола 181
3.2.2 Смешивание порошков 185
3.2.3 Свойства порошковых смесей карбидосталей 187
3.2.4 Технологические схемы приготовления шихт карбидосталей 189
3.3. Изготовление заготовок под штамповку 193
3.3.1 Изготовление неспеченной заготовки 193
3.3.2 Изготовление заготовки спеканием 195
3.3.3 Изготовление двухслойных заготовок с вертикальной линией раздела 195
3.3.4 Изготовление составных заготовок «порошок - оболочка» 197
3.4 Операция ГШ карбидосталей 200
3.5 ТО штампованных карбидосталей 205
3.6 Механическая обработка 209
3.7 Технологическая схема горячей штамповки карбидостали 214
Выводы 216
4. Структура и свойства карбидосталей 218
4.1 Особенности структурообразования гетерогенных материалов 218
4.2 Структура, уровень механических и функциональных свойств карбидосталей промышленного применения 225
4.3 Оценка упруго-пластических свойств исследуемых карбидосталей 229
4.4 Структура и механические свойства карбидосталей 234
4.4.1 Карбидостали типа 40X2 - В4С 234
4.4.2 Карбидостали типа Р6М5К5 -ПС 242
4.4.3 Карбидостали типа Х18Н15 - Сг3С2 254
4.4.4 Физико-механические свойства 257
4.5 Износостойкость карбидосталей 261
4.6 Теплостойкость карбидосталей типа Р6М5К5 - ТІС 270
4.7 Коррозионная стойкость карбидосталей типа Х18Н15 - Сг3С2 270
Выводы 273
5. Промышленная технология ГШ изделий из карбидосталей 275
5.1 Формообразующие элементы порошковых изделий сложной формы 275
5.2 Технология ГШ сферического шарнира из карбидостали 281 40X2 - 2 % 281
5.3 Технология ГШ корпуса пяты из карбидостали Р6М5К5 - 20 % ТІС 291
5.4 Технология ГШ седла клапана из карбидостали Х18Н15-25%Сг3С2 302
Выводы 308
Общие выводы 310
Список литературы 3 15
Приложения 342
- Карбидостали опытно-промышленного производства
- Напряженно-деформированное состояние спеченной заготовки при штамповке в открытом штампе
- Карбидостали типа 40X2 - В4С
- Технология ГШ седла клапана из карбидостали Х18Н15-25%Сг3С2
Введение к работе
Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы созданию научно обоснованной технологии горячей штамповки (ГШ) широкой номенклатуры порошковых композиционных материалов с дисперсной структурой (карбидосталей) для изделий конструкционного назначения, обладающих высокими функциональными свойствами износо-, тепло- и коррозионностойкостью.
Актуальность проблемы. Анализ структуры современного производства и потребления износостойких конструкционных материалов показывает, что они должны отвечать высоким требованиям надежности, долговечности, экономичности при работе в условиях отсутствия смазки, в вакууме, агрессивных газовых и жидких средах. Такими материалами являются композиты с дисперсной структурой. К этому классу материалов относятся карбидостали, матричным материалом которых являются стали, а роль твердых включений выполняют карбиды. Объемная доля последних может достигать 50 %.
В США и Германии промышленным способом по технологии спекания производят порядка десяти разных марок карбидосталей с использованием карбида титана. В СССР (в Украине) для получения такого рода карбидосталей использовали технологии горячего изостатического прессования (ГИП) и горячей экструзии (ГЭ). В настоящее время в России и Украине промышленное производство карбидосталей отсутствует. С точки зрения экономичности альтернативой указанным технологиям может стать технология ГШ порошковых материалов. Что касается номенклатуры карбидосталей, то при применении метода ГШ она может быть значительно расширена за счет использования промышленных карбидов бора и хрома. Это даст возможность получить новые карбидостали с высокими функциональными свойствами для применения в различных областях народного хозяйства – в машиностроении, вакуумной и высокотемпературной технике, в машинах и механизмах, предназначенных для работы с коррозионными средами.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Министерства образования и науки РФ по госбюджетным НИР (2006 2010 г.г.) 4.01.06-10 «Развитие высокоскоростных и прецизионных обрабатывающих систем на базе интеллектуальных обрабатывающих технологических комплексов и инструментов нового поколения» и 4.02.06-10 «Разработка и освоение новых технологических процессов получения и производства деталей с особыми физико-механическими свойствами». Часть работы выполнена на основе договора № 13-06/4-9 о взаимодействии, совместной научной и производственной деятельности между Государственным научно-техническим центром «Новейшие материалы и технологии порошковой металлургии» ИПМ НАН Украины, Кубанским государственным технологическим университетом и Производственным предприятием «Техоснастка-Инструмент» (2004 – 2007 г.г.).
Цель работы и основные задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка научных и технологических принципов применения метода ГШ для получения карбидосталей конструкционного назначения с повышенными функциональными свойствами, такими как износостойкость, теплостойкость, противокоррозионная стойкость.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обосновать выбор для исследования ряда карбидосталей на основе низко-, комплексно- и высоколегированных сталей с использованием расширенной номенклатуры карбидов (В4С, ТіС, Cr3C2), а также целесообразность применения технологии ГШ изделий из них для работы в условиях интенсивного износа, воздействия повышенных температур и в коррозионных средах;
- установить закономерности механического диспергирования порошков типа 40Х2, Р6М5К5, Х18Н15, карбидов В4С, ТіС, Cr3C2, смешивания порошков, определить физические, химические и технологические свойства размолотых порошков и смесей, и на этой основе разработать технологию приготовления шихт – исходного сырья для получения карбидосталей;
- установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния порошковых заготовок карбидосталей, в том числе двухслойных, в процессе их горячего деформирования в закрытых и отрытых штампах и рекомендовать наиболее эффективные методы ГШ;
- установить технологические параметры прессования, спекания и ГШ заготовок для получения карбидосталей 40Х2 В4С, Р6М5К5 – ТіС, Х18Н15 Cr3C2 и изделий из них конструкционного назначения и использовать полученные результаты при разработке технологических процессов;
- установить особенности формирования структуры, элементный и фазовый состав горячештампованных сталей 40Х2, Р6М5К5 и Х18Н15 и карбидосталей на их основе;
- определить физико-механические и функциональные свойства горячештампованных карбидосталей;
- разработать технологические схемы ГШ карбидосталей и получения из них износостойких изделий конструкционного назначения в условиях опытно-промышленного производства.
Научная новизна
1. Установлено, что в отличие от известных представлений, разработанных применительно к получению карбидосталей по технологиям «прессование - спекание» и «горячее изостатическое прессование (ГИП) - экструзия», заключающихся в необходимости выдерживания соотношения размеров мелких и крупных частиц 1:5 и ограничения максимального размера частиц стали 15-ю мкм, равномерное распределение частиц карбида в смеси, способствующее реализации эффекта дисперсионного упрочнения в горячештампованных порошковых карбидосталях, обеспечивается при условии соизмеримости их размеров со средним размером частиц стали: 2 – 3 мкм – для карбидов; 5 – 6 мкм – для сталей; максимальный размер карбидных частиц не должен превышать 5 мкм, стальных – 15 мкм.
2. Установлены особенности горячего уплотнения карбидосталей;
- в отличие от холодного прессования шихт односторонняя горячая допрессовка неспеченных пористых заготовок при получении карбидосталей в закрытом штампе приводит к образованию трещин отрыва в зоне контакта «торец пуансона – торец заготовки» в результате действия локализованных растягивающих напряжений, уменьшить значения которых и, соответственно, снизить вероятность трещинообразования позволяет применение схемы двустороннего нагружения;
- в отличие от объемной штамповки спеченных заготовок на основе железа и низколегированных сталей в открытом штампе, смена схемы всестороннего неравномерного сжатия на начальной стадии уплотнения карбидосталей на схему одноосного растяжения на заключительной стадии обусловливает формирование поверхностных трещин при меньших критических напряжениях поперечного течения материала;
- реализация схемы горячей осадки неспеченных заготовок карбидосталей в предварительно сформованных оболочках из пористого железа позволяет предотвратить трещинообразование на периферии деформируемой заготовки, характерное для схемы объемной штамповки в открытом штампе, за счет создания противодавления со стороны стенок оболочки.
3. Установлено, что в спеченных карбидосталях типа быстрорежущая сталь – карбид титана на поверхности частиц карбида возникает диффузионная зона не только из-за диффузии молибдена, как считалось ранее, но, в основном, за счет диффузии ванадия и вольфрама. В отличие от карбидосталей с карбидом титана, в карбидосталях с карбидом бора диффузионная зона возникает только в матричной (стальной) области за счет диффузии углерода и бора. В горячештампованных карбидосталях, в отличие от существующих представлений, диффузионные зоны образуются также, как и в спеченных карбидосталях, однако вследствие кратковременности тепловой обработки они имеют незначительные размеры, что уменьшает степень деградации материала.
4. Установлено, что механическая прочность горячештампованных карбидосталей выше (в среднем на 20 %) по сравнению с полученными методами спекания и ГИП, что обусловлено повышением качества сращивания за счет увеличения сегрегационной емкости границ субструктуры при механоактивации исходных компонентов шихты и использования в качестве активатора контактного взаимодействия «полезных» легирующих элементов и примесей, а также повышением плотности материала-основы в результате обработки давлением.
5. Впервые показано, что интенсивность износа рабочих поверхностей полированных карбидосталей уменьшается в ~3,5 раза в отличие от неполированных, что объясняется снижением нагрузки на карбидные зерна и практическим отсутствием их выкрашивания из стальной матрицы, а также формированием градиентного наноструктурного слоя и наличием в его структуре метастабильного аустенита, испытывающего деформационное мартенситное превращение при трении.
Практическая значимость и реализация полученных результатов
Практическая ценность работы заключается в разработке новых технологических схем, отличающихся от известных введением операций удаления из размолотых порошков крупных частиц и полирования рабочих поверхностей штампованного изделия, и устройств для получения изделий из заготовок карбидосталей, отличающихся от известных новой конструкцией оболочек, что позволяет проводить процесс уплотнения без осевой деформации оболочки и, следовательно, повысить равномерность распределения плотности в объеме изделия. Новизна ряда технологических схем и конструкций указанных устройств подтверждена патентами.
Установлены преимущества технологии получения карбидосталей методом ГШ механоактивированных шихт в оболочках из пористого железа по оптимальным рекомендованным энергосиловым и температурно-временным режимам, а также качественных показателей горячештампованных изделий в сравнении с известными аналогами:
- ГШ обеспечивает возможность получения заготовок деталей из карбидосталей типа «быстрорежущая сталь TiC» с минимальным припуском под последующую механическую обработку в отличие от технологии экструзии, которая предполагает производство полуфабрикатов; характеристики теплостойкости горячештампованных и экструдированных карбидосталей находятся на одном уровне;
- коррозионная стойкость горячештампованной карбидостали «нержавеющая сталь – Cr3C2» в 2 раза выше, чем у гетерофазного материала аналогичного состава, полученного спеканием неразмолотых порошков, что обусловлено измельчением зеренной структуры металла-основы при механоактивации и ограничением зоны диффузионного взаимодействия на границе «сталь - карбид» при ГШ;
- ГШ обеспечивает возможность получения карбидостали типа «сталь 40Х2 – В4С», в которой проявлению эффекта дисперсионного упрочнения способствует ограниченность диффузионного взаимодействия на границе «сталь - карбид», что существенным образом отличает данную технологию от технологий «прессование - спекание» и «ГИП - экструзия», обусловливающих развитие процессов деградации карбидных частиц; износостойкость карбидостали «сталь 40Х2 – 2 мас. % В4С» превышает соответствующий показатель стали ПК40Д2Н3 в 2 раза, стали 40Х – в 3 раза.
Предложенные варианты методов ГШ порошковых заготовок апробированы при изготовлении изделий из исследованных карбидосталей в опытно-промышленных условиях на производственном предприятии «Техоснастка – инструмент» (г. Краснодар»). Разработаны технологические процессы изготовления трех деталей: (1) сферического шарнира из карбидостали 40Х2 2 % В4С для сельскохозяйственной техники; (2) двухслойного изделия (корпуса опоры) с рабочим слоем из карбидостали Р6М5К5 – 20 % ТіС для буровой техники; (3) втулки клапана из антикоррозионной карбидостали Х18Н15 – 25 % Cr3C2 для использования в магистралях агрессивных жидкостей. На предприятии «Седин-Техмашстрой» (г Краснодар) проведены сравнительные испытания сферических шарниров из карбидостали и изготовляемых в настоящее время из стали 40Х. Установлена, что износостойкость шарниров из карбидостали в 6 раз выше. Это даст возможность экономить средства на ремонт сельхозоборудования и изготовление запасных частей.
Апробация результатов диссертации. Основные научные положения диссертации были представлены на девяти международных конференциях: “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, Ukraine, Kyiv, 4 – 8 November, 2002; “Новейшие технологи в порошковой металлургии и керамике”, 8-12 сентября 2003, Киев, Украина; “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”, 13-17 сентября 2004 г.; “Современное материаловедение: достижения и проблемы”, Киев, Украина, 26-30 сентября 2005 г., Кацивели, АР Крым, Украина; Proceeding of the International Conference DF PM 2005 “ Deformation and Fracture in Structural PM Materials”, September 27-30, 2005, IMR SAS, Kosice, Slovakia; EURO PM 2005, Congress & Exhibition Proceedings. October 2005, Prague, Czech Republic; “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия”, Минск, Беларусь, 16-17 мая 2006; «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», 22 26 сентября 2008 г., Автономная республика Крым; «Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування», Україна, Луцьк – Шацьк, 1 – 6 червня 2009 р.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 работ, в том числе 8 статей в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы (280 наименования) и приложений. Общий объем диссертации составляет 343 страницы машинописного текста и содержит 132 рисунка, 51 таблицу.
Карбидостали опытно-промышленного производства
В номенклатуре карбидосталей опытного производства наиболее широко распространены композиты, содержащие металлическую связку, как правило, из сложнолегированпых сталей [42, 95 j. В качестве карбидной составляющей для таких карбидосталей чаще всего применяли карбид титана. Соотношение карбидной и стальной составляющих выбирали в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к получаемому материалу. Чем выше содержание в карбидостали карбидной фазы, тем больше твердость и износостойкость композита, однако ниже ударная вязкость. При этом вне зависимости от состава стальной связки при ее объемном содержании свыше 45 — 50 % во всех случаях наблюдается существенное понижение прочности на изгиб [94]. Первоначально в качестве металлической составляющей карбидосталей использовали углеродистые стали, в дальнейшем с целью повышения физико-механических свойств начали применять высоколегированные стали марок Х12М, Х18Н15, Х6ВЗМ, Р18, Р6М5 и др. [42]. В работе [229] приводятся данные об использовании в качестве металлической связки стали Гадфильда (аустенитного класса).
Все карбидостали изготовляли методом жидкофазного спекания. С целью активирования спекания карбидостали и снижения минимальной температуры процесса рекомендуется в порошковую смесь вводить активирующие добавки. Так, ввод СіцР в количестве 7 % (мас.) в состав карбидосталей «быстрорежущая сталь- (5 - 10) % (об.) ТіС (или TiN)» позволил снизить рабочую температуру спекания до 1140 - 1170 С [95]. Исследование влияния содержания керамических частиц на механические свойства спеченного материала показало, что повышение содержания последних от 0 до 10 % вызывает рост микротвердости (от 671 - 699 МПа до 745 - 770 МПа), в то время как дальнейшее повышение содержания TiC (TiN) до 20 % приводит к снижению твердости вследствие повышенной пористости материала после спекания [95J.
Авторы работы [159] сообщают об использовании в качестве износостойкого конструкционного материала порошковой стали состава 3 % Сг - 2 % Ni -2 % Си - 0,8 % С - Fe (ост.) с добавкой 3 % WC. Такой композит со стальной связкой может успешно использоваться для изготовления режущего инструмента.
Для создания износостойких материалов перспективно применение карбида бора. Например, спеканием получают материалы из шихты состава «железо - (0,5 1,0) % карбида бора» [197, 198]. Карбид бора не только упрочняет материал, но и служит также активатором при спекании. Поскольку в системе Fe-В-С имеет место эвтектическое превращение, в порошковой смеси «железо -карбид бора» при температурах свыше 1100 С происходит контактное плавление, а возникающая жидкая фаза активирует уплотнение [199].
Разработаны износостойкие карбидостали на основе быстрорежущих сталей с включениями из набора тугоплавких карбидных и оксидных частиц [79]. По технологии ГИП получена карбидосталь Р12МЗК8Ф2 - 16 % TiC - 4 % А1203 (тип С), по технологии ГЭ - Р6М5Ф4 - 19 % TiC - 1 % В4С (тип Д). Добавки АЬ03 и В4С введены в состав материала для активизации процесса спекания при изостатическом горячем прессовании. Применение первой из указанных карбидосталей обеспечило повышение стойкости концевых фрез в 4,5 раза по сравнению с фрезами из твердого сплава ВК8. Промышленные испытания горнорудного инструмента, изготовленного из второй стали, показали работоспособность на уровне инструмента из ВК8.
Работы, где для создания карбидосталей применялся бы карбид бора (в количестве 10-50 об. %) не известны. Однако его физико-механические свойства (самая высокая твердость среди карбидов, низкая удельная масса) должны оправдать попытку создания карбидосталей с использованием карбида бора. Представляет интерес использование карбида хрома. У карбидосталей с Сі зС2 значительно ниже твердость и функциональные характеристики по сравнению с карбидосталями с TiC [95]. Однако доступность Сг3С2 вследствие наличия его промышленного производства и сравнительно невысокой стоимости могут сделать целесообразным для использования при создании карбидосталей па основе износостойких нержавеющих сталей типа Х17, Х25, Х17Н2 и др. Эти стали применяются для изготовления конструкционных изделий, работающих в низкоагрессивных средах, а карбид хрома также является корозионностойким материалом.
Карбид хрома достаточно часто используется в ПМ для упрочнения материалов на основе железа [84]. Спекание спрессованных образцов системы карбид хрома - железо - углерод в температурном интервале ИЗО - 1150 С сопровождается интенсивной усадкой, вызванной появлением жидкой фазы, образующейся в результате плавления эвтектики Fe-Cr-C. Увеличение содержания железа с 40 до 70 % приводит к снижению твердости и повышению прочности и ударной вязкости материала, что объясняется повышением содержания пластичного углеродистого феррохрома.
В ИПМ НАН Украины проведен цикл работ по получению композитов на основе нержавеющих сталей с присадками карбида хрома. По химическому составу эти материалы можно отнести к классу карбидосталей, однако их формирование не предусматривало применения составляющих в мелкодисперсном состоянии. Использовались составляющие композитов (железо, нержавеющие стали, карбид хрома) в состоянии поставки. Тем не менее такие композиты с ге-терофазной структурой обладали высокими износо- и коррозионной стойкостью. В работах [118, 119] изучены процессы структурообразования при спекании материалов на основе нержавеющих сталей Х18Н15, Х18Ы12, Х18Н12М2 и Х23Н18 с добавками 10 % Сг3С2. Использовали монодисперсные порошки карбида хрома со средними размерами частиц 30, 80, 130 и 200 мкм. Спекание образцов осуществляли при 1200 С в вакууме и водороде. Установлено наличие взаимодействия карбидов с основой. Дисперсные карбиды в образцах из менее легированных сталей преимущественно представляют собой (Cr, Fe)7C3, а из аустенитной стали Х23Ы18 - (Cr, Fe)3C2. Спекание в вакууме оказалось наиболее эффективным. После закалки и отпуска, микроструктура состоит из участков аустеиита с двойниками, характерными для безуглеродистых нержавеющих хромоиикелевых сталей, и областей, насыщенных углеродом в результате его диффузии из карбидных включений.
В этой же работе исследовалось структурообразование при спекании композиций Х18Н15 - Сг3С2 - MoS2 и Х18Н15 - Сг3С2 - MoS2 - С. Содержание в исходной шихте Сг3С2 составляло 10 %, графита - 0,8 %, MoS2 варьировалось от 2 до 8 %. Сульфид молибдена вводится в состав износостойких материалов с целью повышения антифрикционных свойств. Результатом взаимодействия карбида хрома и дисульфида молибдена с основой из нержавеющих сталей является образование сложных гетерофазных структур. Так, структура композита, спеченного при 1240 С и содержащего 5 % MoS2 и 10 % Сг3С2, представляет собой аустепит с включениями перлито-сорбита (они распложены вокруг введенных в шихту карбидов), дисперсных сульфидов и вторичных карбидов, которые образуются при взаимодействии серы и углерода с основой в процессе спекания. После ТО основа таких материалов — это высоколегированный троо-стосорбит с включениями первичных и вторичных карбидов и сульфидов.
Изменение микроструктуры нержавеющих сталей аустенитного класса, которые не относятся к разряду износостойких материалов, сопровождается принципиальным изменением их триботехнических характеристик, в результате чего они приобретают высокую износостойкость. В работе [117] исследована износостойкость композита па основе стали Х23Н18 с присадками Сг3С2 в количестве 2,5 и 10 %, а в [121] - совместное влияние присадок Сг3С2 (10 %) и MoS2 (2-8 %) на износостойкость стали Х18Н15. Спеченные в вакууме при 1200 С образцы из композита на основе стали Х23Н18 после ТО (закалка от 1150 С в масло, отпуск 300 — 350 С) обладают очень высокой износостойко 26 стыо в условиях сухого трения, выдерживая большие удельные нагрузки. Так термообработанные образцы с 4 - 6 % MoS2 сохраняют работоспособность при нагрузке 20,0 - 22,5 МПа.
Напряженно-деформированное состояние спеченной заготовки при штамповке в открытом штампе
Для исследования напряженно-деформированного состояния выбрана заготовка сложной формы (со сферическими торцами), имитирующая сферический шарнир. При штамповке такой заготовки уже на начальном этапе образуется облой. При решении технологических задач, связанных с течением порошкового материала, чаще других используется наиболее эффективно работающий метод проницаемых элементов [125, 126]. Для деталей сложной формы широко применяют также методы экспериментальных исследований [87, 133, 177, 194, 226], основанные на изучении искаженной координатной (делительной) сетки, когда на исследуемую поверхность наносят систему меток, изменение взаимного расположения и конфигурации которых позволяет оценить перемещения, деформации, скорости, напряжения. В методике координатных сеток вводится гипотеза об однородности деформации в пределах ячейки сетки, а полученные компоненты деформированного состояния являются средними и условно могут быть отнесены к центру ячейки. Данный метод выдает дискретную информацию. Основным достоинством метода координатных сеток является возможность применения его практически к любым материалам и условиям деформирования.
Оба метода исследования применены в настоящей работе. Для исследования напряженно-деформированного состояния сферической части изделия применен метод проницаемых элементов. Данное исследование ориентировано на разработку технологии ГШ сферического шарнира (со сферой радиуса 65 мм и высотой 50 мм) из карбидостали 40X2 - В4С, поскольку именно эта карбидо-сталь обладает наибольшей степенью поперечной деформации. Такого рода шарниры используются в гидронавесках тракторов типа ДТ. Они изготовляют 138 ся из стали 40Х и имеют износостойкость, не в полной мере удовлетворяющую современным требованиям. Чтобы гарантировать получение качественного изделия для экспериментов и при последующей разработке технологии ГШ, принято решение использовать карбидосталь 40X2 — 2 % В4С (вместо карбидостали 40X2 - 10 % В4С) с пониженным содержанием карбида бора и соответственно с повышенной пластичностью.
Определение поля скоростей и плотностей. Задача решается на основе математического аппарата теории пластичности пористых тел [68, 103, 219], пористый материал рассматривается как сплошной, в котором плотность распределена в объеме по некоторому закону, определяемым технологическим режимом получения изделия. Под выражением плотность в точке пористого тела понимается средняя плотность небольшого участка, окружающего интересующую нас точку.
Основные характеристики напряженно-деформированного состояния - напряжения, скорости деформаций, скорости движения частиц среды, а так же плотность в соответствии с основными положениями теории пластичности пористых тел удовлетворяют соотношениям, выражающим основные законы сохранения механики; импульса, массы, энергии, момента импульса.
Кроме того, в теории используются соотношения, специфичные для данного пористого материала, куда входят характеристики твердой фазы пористого материала (предел текучести, деформационное упрочнение), а также пористость. Определение напряженно-деформированного состояния состоит в анализе и решении перечисленных соотношений. Подчеркнем, что исследование напряженно-деформированного состояния преследует главную цель определения поля плотностей, тесно с ним связанного, поэтому в настоящей работе, в отли-чиот традиционных подходов теории обработки металлов давлением [25, 27, 28, 39, 43, 45, 113, 124, 128, 129, 153, 187, 204], где в основном анализируют поля напряжений, главное внимание уделяется определению плотности. Этим объясняется специфика принятого в работе метода исследований.
В соответствии с ним, заготовка разбивается на ряд участков, в каждом из которых плотность предполагается зависящей только от времени. Рассматривается совместное деформирование этих участков, причем, допускается, что возможен перенос массы через границы участка и, таким образом, обмен веществом между участками. Основная идея метода основана на балансе масс участков, причем, в выражения для баланса входят скорости перетекания порошка. Определение указанных скоростей основано на применении вариационного принципа в сочетании с методом проницаемых элементов [125, 126].
Поскольку детальный анализ картины течения порошкового материала при ГШ весьма трудоемок, связан с преодолением трудностей вычислительного характера и по этой причине чреват чрезмерным увеличением объема исследований, нижеследующий анализ связан с рядом упрощений, не затрагивающих, впрочем, наиболее характерные обстоятельства, соответствующие процессу. В частности, используется предположение о том, что основной вклад в неоднородное распределение плотности вносит кривизна поверхности пуансона. В силу изложенного, в дальнейшем внешним трением пренебрегаем. По этой же причине пренебрегаем влиянием начальной неоднородности плотности на окончательное ее распределение.
Для оптимизации процесса изготовления деталей, учета возможности разрушения заготовки необходимо знать распределение скоростей и плотностей в каждый момент времени в объеме заготовки, так как применение существующих критериев прочности и разрушения [33] связано с использованием именно этих технологических параметров. Скорость и плотность являются непрерывными функциями времени, однако для численного моделирования процесса деформирования, этот процесс необходимо апроксимировать конечным набором последовательных состояний заготовки. При этом каждое последующее распределение технологических параметров зависит от предыдущих.
Уточним, что состоянием заготовки будем называть совокупность параметров, определяющих в данный момент времени форму и свойства заготовки.
В случае одностороннего деформирования (или двухстороннего с симметричным ходом верхнего и нижнего пуансонов) множество состояний заготовки определяется одним параметром - положением пуансона. При одинаковых начальных свойствах заготовок для одинаковых положений пуансона свойства заготовок окажутся одинаковыми.
Процесс вычислений начинаем, предполагая, что пуансон находится в исходном положении и заготовка не деформирована. В этот момент времени известна плотность заготовки. Для того, чтобы перейти к следующему состоянию и, следовательно, проследить закономерность изменения параметров при движении пуансона необходимо установить поле скоростей в заготовке. Это будет первым шагом.
Определение поля скоростей существенным образом связано с предполагаемыми реологическими свойствами материала. В настоящее время поведение пористых тел наиболее эффективно удается описать в рамках модели сжимаемой пластической среды [68, 219, 234]. При этом нахождение поля скоростей сводится к проблеме минимизации некоторого функционала [45]
Карбидостали типа 40X2 - В4С
На структурообразоавание этих карбидосталей определяющее влияние оказывает карбид бора, теряет устойчивость при температурах выше 1000 С [198].
Он является источником атомарного бора и углерода при спекании материалов, его содержащих. При взаимодействии с железом образуются твердые соединения Fe2B и FeB, упрочняющие материал и локализующиеся вблизи источника диффузии или зарождающиеся на дефектах структуры [101].
Имеются работы по фазообразованию, структуре и свойствам спеченных материалов с исходным составом Fe-B4C при содержании последнего до 3 мае. % [197 - 199, 201, 202]. В этих работах показано, что карбид бора относится к числу соединений, легко диссоциирующих в контакте с железом при сравнительно невысоких температурах (1100 - 1130 С), продукты диссоциации при взаимодействии с железом образуют твердые соединения, упрочняющие материал. Спеченные материалы системы железо - карбид бора имеют доэвтектоидную структуру с карбоборидами железа, а также эвтектику.
Термодинамическая оценка скорости испарения бора из В4С и транспорта к поверхности железа через газовую фазу, проведенная в [202], показывает, что эти процессы не могут полностью объяснить наблюдаемую экспериментально интенсивность роста боридов железа. Диссоциация В4С, как легирующего компонента, в процессе спекания приводит к образованию карбидов и боридов железа. Поскольку В4С - соединение сравнительно бедное углеродом, можно рассчитывать на достаточно однородное распределение карбидов по объему, в то время как соединения бора с железом могут локализоваться вблизи источника диффузии или зарождаться на дефектах структуры. Это создает определенные предпосылки для управления структурой материалов.
В техническом В4С содержится 2 - 3 % (мае.) оксида бора [199], основная масса которого в процессе спекания находится в поре в виде расплава. Столь относительно малое количество оксида бора делает маловероятным диффузию бора к железной матрице через расплав В203 Это не отрицает возможности газофазного транспорта соединений бора на поверхность железа с последующим их разложениєм и образованием атомарного бора. Образующиеся атомы бора диффундируют вглубь железа, способствуя росту боридного слоя FeB-Fe2B на стенках поры, а молекулы В20з транспортируются к поверхности частицы В4С, где вновь вступают в реакцию. Некоторая часть углерода в виде частиц графита выделяется внутри поры.
Повышение температуры спекания свыше 1100 С приводит к образованию в системе Fe-C-B жидкой фазы, что предопределяет смену механизма структурооб-разования [201]. Плавление происходит на границе контакта стальной матрицы с карбидом бора, что вызывает формирование прослойки жидкой фазы. Карбид бора растворяется в жидкой фазе с образованием на границе «Fe - жидкая фаза» бори-дов железа. С повышением температуры после завершения разложения частицы B,jC на границе графита с FeB происходит контактное плавление, в результате чего расплав обогащается бором, и при охлаждении заготовки может выделиться незначительное количество карбоборида железа.
Приведенный краткий обзор результатов исследований процессов спекания систем железо-бор относится к легированию сталей, когда используется незначительное количество бора (1-2 %).
Применение бора в качестве основного легирующего элемента для изготовления износостойких порошковых композиций на основе сплавов железа обусловливается целым рядом его уникальных свойств. Так, авторы [100] считают, что использование бора (наряду с ванадием, титаном, ниобием и т.д.) открывает принципиально новые возможности для получения экономнолегированных сталей, эксплуатационные характеристики которых во многих случаях превосходят уровень свойств сталей, получаемых с применением традиционной системы легирования.
Выбор бора интересен тем, что его эвтектический сплав с железом имеет более высокую температуру плавления, чем чугун, хорошо смачивает твердофазное железо, восстанавливает оксиды и, что особенно ценно, склонен к гетерогениза ции при взаимодействии с другими легирующими элементами. Бориды железа характеризуются высокой твердостью, износе-, жаро- и коррозионной стойкостью [170J. Эти свойства боридов железа используют, в частности, для поверхностного борирования сталей [37].
Металлографический анализ спеченного материала железо-карбид бора, проведенный в ИІІМ НАНУ (Г. А. Баглюк), позволил установить, что он имеют неоднородную ферритно-перлитную структуру. После спекания наблюдается светлая фаза, локализованная в окрестности частицы карбида бора (рисунок 4.2). По данным рентгенофазового анализа, состав переходной зоны, возникающей вокруг частиц карбида бора, близок к составу бороцементита (около 75 % железа, 15 % углерода и 10 % бора).
Невозможность идентифицировать карбоборид методом фазового рентгено-структурного анализа объясняется, по-видимому, как близкими угловыми положениями дифракционных линий этой фазы и Fe3C, так и незначительным её содержанием в объеме материала. Последний фактор представляется положительным в плане обеспечения высокой износостойкости спеченных материалов, так как частицы бороцементита Fe3(C, В) характеризуются слабой связью с материалом основы и легко выкрашиваются в процессе трения. Преимущественное образование боридов по границам зерен сопровождается некоторым обезуглероживаниєм тонкой зоны, контактирующей с боридной фазой, которая отделяет источник диффузии (частицу В4С) от зерен перлита, образовавшихся благодаря действию этого же источника.
Что касается формирования переходной зоны на границе включений В4С при спекании порошка стали 40X2, то это явление проявляется в том, что карбиды железа входят преимущественно в состав перлита, а бориды локализуются, главным образом, по границам зерен. Поскольку переходная зона имеет хрупкий и поэтому нежелательный характер, ее расширение необходимо ограничивать применением пониженных температур (1000 С).
В неустойчивости соединения В4С заключается причина трудностей использования его как твердой фазы карбидостали. Температуру спекания заготовок следует ограничить 1000 - 1050 С. Однако технология может не предусматривать операцию спекания. В связи с изложенным целесообразно было провести экспериментальную проверку устойчивости карбида бора при его нагреве в смеси с матричным материалом до температуры штамповки.
Были изготовлены образцы из смеси Fe - 10 % В4С. Образцы нагревали в водороде до температур 1100 "С и 1200 С, выдержка составляла 5 минут. Исследование фазового состава проводили на установке ДРОН-ЗМ в железном Ка-из лучении.
В образцах, нагретых до 1100 С, зафиксирован углерод. Период идентичности кристаллической решетки основы a-Fe оказался равным 2,8675 А (в чистом железе 2,8796 А). Соединений типа Fe3C и FeB не обнаружено.
В образцах, нагретых до 1100 С, зафиксирован углерод. Периодом кристаллической решетки a- Fe равен 2,8655 А (в чистом железе 2,8796 А). При нагреве до 1200 "С четко проявились фазы Fe3C и FeB.
На рисунке 4.3 представлена микроструктура горячештампованной карбидостали 40X2 - 2 % В4С.
Технология ГШ седла клапана из карбидостали Х18Н15-25%Сг3С2
В очистительных установках, предназначенных для очистки жидкостей, и различных магистралях перекачки коррозионных жидких сред, применяются клапаны, запирающей деталью которых являются шарики. Как правило, рабочие детали клапанов изготовляются из нержавеющих сталей, которые не обладают про-тивоабразивной стойкостью. Стойкость седел клапанов можно повысить, если для их изготовления использовать карбидостали.
На рисунке 5.11 представлен чертеж седла клапана, для которого в настоящей работе использована карбидосталь Х18Н15 - 25 % Сг3С2. Технологические характеристики исходных порошков представлены в таблице 1.9 (для порошка Сг3С2) и в таблице 1.24 (для порошка XI8Н15).Повышенную износостойкость должны иметь поверхности отверстия и сфероидальная кромка, соприкасающаяся с шариком. Эта поверхность подлежит притирке.
Поскольку седло клапана должно изготавливаться цельным, то заготовка под штамповку изготавливалась в виде кольца, спрессованного на связке. В процессе штамповки (горячей допрессовки) заготовки применялась конструкция штампа, обеспечивающего плавание матрицы и, следовательно, двустороннее приложение нагрузки.
Операционная схема технологии ГШ представлена на рисунке 5.12.
Ниже представлена характеристика технологических операций.
Размол порошка Сг3С2 производится в аттриторе (среда - изопропиловый спирт) при вращении мешалки с частотой 900 мин-1. Время размола порошка карбида хрома до среднего размера частиц 6,5 мкм - 1,5 ч.
Сушка порошка Сг3С2. Размолотый в изопропиловом спирте порошок подвергается сушке в сушильном шкафу при температуре 100 С в течение 30 - 60 мин в зависимости от массы порции порошка.
Отделение крупных частиц порошка Сг3С2. Отделению подлежат частицы более 10 мкм. Отделение производили на ситах с размером ячейки 10 мкм. Операция выполнялась путем протирки сухого порошка вручную. Для отделения крупных частиц карбида хрома, как и в случае порошков карбидов бора и титана, целесообразно использовать воздушные сепараторы (просеиватели), которые производит немецкая фирма RHEWUM (г. Ремшайд, ФРГ) [160].
Совместный размол порошков. В аттритор загружали исходный порошок стали с соответствующей порцией размолотого порошка карбида титана. По истечении 2,5 часов получали смесь со средним размером частиц около 5 мкм, что обеспечивает получение верхнего размера частиц стали 15 мкм.
Сушка смеси. Размолотую смесь порошков подвергали сушке в сушильном шкафу при температуре 100 С в течение 30-60 мин в зависимости от массы порции порошка.
Отделение крупных частиц порошка Х18Н15. Отделению подлежали частицы с размером более 15 мкм. Отделение производили на ситах с размером ячейки 15 мкм. Операция выполнялась путем протирки сухого порошка вручную.
Контроль содержания кислорода. Контроль содержания кислорода производили методом восстановления (ГОСТ 29006-91). Содержание кислорода в смеси Х18Ш5 - 25 % Сг3С2 составляло 0,42 - 0,45 %. Для гарантированного восстанови -ления металлического порошка необходимо вводить в порошок графит в количестве 0,17%.
Смешивание порошков. Дозировка составляющих шихты осуществлялась из расчета обеспечить содержание требуемой массы графита в количестве 0,17 % от суммарной массы порций порошков стали и графита. Кроме того в шихту вводили связку (поливиниловый спирт) в количестве 0,8 % от массы шихты. Сухое перемешивание шихты проводили в конусном смесителе в течение 2-х часов.
Контроль после смешивания порошков проводится с целью оценки распределения ингредиентов. Для этого из разных частей смеси отбирали пять образцов для определения содержания углерода. Разброс показаний оценивался относительно заданной средней величины. Показания отличались друг относительно друга в среднем па 1,4 %, что считается удовлетворительным результатом.
Гранулирование осуществляли путем протирки шихты через сито с размером ячейки 5 мм.
Прессование гранулированного порошка осуществляли в пресс-форме при давлении 600 МПа до плотности 6,4 г/см 1 ( 85 %). Относительно высокая плотность заготовки необходима, чтобы предотвратить локальную усадку материала при нагреве под штамповку.
Нагрев заготовки под ГШ сначала осуществляли в муфельной электропечи в защитной атмосфере водорода в два этапа. Сначала прессовку нагревали до 750 С и выдерживали ее при этой температуре 1 ч, что обеспечивало полное удаление связки, а затем до 1200 С и выдерживали до полного прогрева 15 мин.
ГШ проводилась на кривошипном прессе мод. ЭП-160 с номинальным усилием 1600 кН, в закрытом штампе. Давление штамповки составляло 1000 МПа.
Контроль качества изделия осуществляли измерением плотности (7,39 - 7,41 г/см3 ( 98 %) и твердости (38-40 HRC) штампованных изделий.
Отжиг проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения поверхностной твердости до 160 - 180 НВ (для улучшения обрабатываемости резанием). Температура нагрева 480 С, время выдержки 3 часа.
