Введение к работе
Актуальность темы. Проблема повышения эффективности и качества производства порошковых изделий из высокопрочных конструкционных сталей стала актуальной практически сразу же, как только технологии порошковой металлургии вышли за рамки экспериментальных исследований. Наилучшим образом эта проблема решается сочетанием различных технологических методов получения изделий, таких как; горячая обработка давлением порошковых заготовок (ГОДПЗ), термическая (ТО), механическая (МО), и химико-термическая обработка (ХТО). По мере освоения промышленностью сложных и высокоточных деталей такой подход стал очевидным. В настоящее время уже не подвергается сомнению тот факт, что обработка резанием отдельных поверхностей порошковых деталей, таких как посадочные поверхности высокой точности, пазы, резьбы, отверстия малого диаметра и ряд других подобных элементов, является наиболее эффективным методом формообразования. Помимо этого, достижение предельной точности размеров на операции ГОДПЗ без применения МО не всегда технически и экономически целесообразно, так как вынуждает неоправданно завышать точность рабочих элементов штамповой оснастки и ограничивать срок ее эксплуатации их размерным износом. Наилучшие технико-экономические показатели технологического процесса изготовления порошковых изделий, как правило, достигаются при рациональном сочетании операций ГОДПЗ и МО.
Особый интерес при производстве порошковых изделий представляет сочетание таких технологий, как ГОДПЗ, МО и ХТО. При этом возможно получение деталей из углеродистых сталей сложной формы с высокой прочностью, твердостью и размерной точностью, а также со свойствами поверхностей, не уступающих деталям, изготовленным из легированных сталей. Однако комплексных исследований в этом направлении практически не велось.
Всем этим обусловлена актуальность исследований в области повышения эффективности и качества изготовления изделий из горячедеформи-рованных порошковых сталей (ГДПС) конструкционного назначения. В качестве приоритетных следует выделить исследования, связанные с улучшением показателей обрабатываемости резанием ГДПС в сочетании с совершенствованием методов их ТО и ХТО.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданиями Единого плана проведения исследований, разработок и опытных работ МНТК "Порошковая металлургия" на 1986-1990 гг. (приказ Минвуза СССР № 600 от 18 августа 1986 г.); межвузовских научно-технических программ Российской Федерации: "Исследования в области порошковой металлургии" (темы 94/16Т и 95/5И) и "Перспективные материалы" (тема 95-99/17Ф); госбюджетных тем: 49.94 "Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их формирования при горячей обработке давлением" на 1994-1998 гг., 2.99Ф "Исследование закономерностей формирования структуры и свойств порошковых композиционных материалов и формирования заготовок при термомеханической об-работке" на 1999-2003 г.г., 002 "Научные исследованШ^усда^іданжльИАЙ-]
1 yaswj
ласти новых материалов" на 2000 г., раздел "Функциональные порошковые материалы" (проект 04.01.09), а также заданий большого числа производственных и научно-исследовательских организаций страны и др.
Цель исследования: обеспечение заданного качества изделий из порошковых сталей посредством разработки теоретических предпосылок и практических рекомендаций по усовершенствованию технологических решений на основании исследований структуры, состава и свойств материалов, формируемых в процессе ГОДПЗ, их МО, ТО и ХТО.
Для реализации поставленной цели требуется решить следующие задачи:
1. Теоретически и практически обосновать предпосылки повышения
эффективности и качества изготовления изделий из ГДПС путем построения
рациональной структуры технологических процессов ГОДПЗ в сочетании с
МО, ТО и ХТО.
2. Определить влияние технологических параметров получения,
структуры и свойств ГДПС на физические закономерности процессов их по
следующей МО и ХТО, выявить особенности формирования структуры и
свойств поверхностей изделий.
-
Обосновать состав и методы получения ГДПС с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами. Выявить особенности их структурообразования и оптимизировать технологические параметры изготовления.
-
Разработать эффективные методы ХТО ГДПС, выявить особенности формирования структуры диффузионных слоев, оптимизировать технологические параметры процессов.
-
Сформулировать практические рекомендации по обеспечению заданного качества изделий из ГДПС и повышению эффективности их изготовления для различных областей применения, обеспечить их внедрение в производство.
Автор защищает.
-
Теоретические предпосылки и практические рекомендации по обеспечению заданного качества изделий из ГДПС, полученные на основании исследований их структуры и свойств в процессе ГОДПЗ, МО, ТО и ХТО.
-
Результаты исследований влияния структуры и свойств ГДПС на физические закономерности процессов их МО и ХТО и особенности формирования структуры и свойств поверхностей изделий, подвергшихся этим видам обработки.
-
Методы совершенствования состава и технологии получения ГДПС с улучшенными технологическими свойствами, результаты исследований процессов их структурообразования.
-
Разработки по совершенствованию процессов ХТО, направленные на их интенсификацию, улучшение технологических и эксплуатационных свойств ГДПС, а также результаты исследований процессов структурообразования и формирования диффузионных слоев.
-
Рекомендации по повышению эффективности и качества изготовления изделий из ГДПС, методы оптимизации технологических решений.
Научная новизна:
-
Доказано, что такие свойства ГДПС, как высокая прочность и твердость, пониженная теплопроводность, повышенное содержание твердых неметаллических включении, склонность материала к окислению при высоких температурах, наследственная мелкозернистость, возможная гетерогенность структуры и повышенная дефектность субструктуры значительно ухудшают их обрабатываемость резанием, интенсифицируют все виды износа режущего инструмента, приводят к снижению параметров резания. Обосновано, что технологические процессы, сочетающие ГОДПЗ с МО, ТО и ХТО позволяют изготавливать из ГДПС изделия сложной формы, повысить их точность, качество и эксплуатационные свойства, снизить себестоимость изготовления.
-
Показано, что с увеличением остаточной пористости в пределах, характерных для ГДПС, обрабатываемость резанием улучшается, так как в этом случае прочностные свойства порошковых сталей (ПС) снижаются более интенсивно, чем теплофизические. Установлена функциональная зависимость между пористостью ГДПС и оптимальными параметрами механической обработки.
-
Выявлено, что в процессе резания ГДПС слой обработанной поверхности уплотняется до остаточной пористости 0,5% и менее. Это приводит к тому, что параметры субструктуры поверхностного слоя ГДПС с различной исходной пористостью после МО на оптимальных для каждого значения пористости режимах практически не отличаются. Дефектность субструктуры ГДПС после МО выше, чем у горячекатаных сталей, что объясняется изначально большей величиной дефектности субструктуры исходных ПМ.
-
Определено влияние структуры ГДПС на обрабатываемость резанием. Показано, что наивысшая производительность обработки и стойкость режущего инструмента наблюдаются после высокотемпературного отжига, приводящего к залечиванию дефектов структуры и коагуляции неметаллических включений^Лучшая шероховатость обработанной поверхности обеспечивается при ТО на мелкодисперсный пластинчатый перлит, что связано со склонностью ПС к адгезионному взаимодействию с материалом режущей части инструмента. Установлено, что термоциклическая обработка (ТЦО) ГДПС существенно улучшает как обрабатываемость резанием, так и прочностные и пластические свойства материала, так как способствует интенсивному дроблению и коагуляции цементита и твердых неметаллических включений.
5. Установлена возможность улучшения технологических свойств
ГДПС за счет легирования их легкоплавкими металлами (свинец и висмут),
не вступающими во взаимодействие с железной матрицей и углеродом, а
также кальций- и кальцийфосфорсодержащими соединениями, разлагающи
мися на стадии спекания с образованием активных восстановительных эле
ментов. Выявлены особенности структурообразования этих материалов и оп
тимизирован состав присадок. Определены закономерности влияния леги
рующих присадок на физико-механические свойства и обрабатываемость ре
занием. Показано, что улучшение обрабатываемости резанием ГДПС связано
с благоприятным влиянием легирующих элементов на состав и морфологию
неметаллических включений, состояние межзеренных и межчастичных границ, а также на свойства материала в зоне стружкообразования.
6. Показано, что при интенсивных методах ХТО разветвленность межзеренных границ и высокая степень дефектности субструктуры способствуют ускоренному формированию диффузионных слоев без образования в поверхностных слоях сплошной карбидной зоны.
Практическая ценность.
-
Предложены практические рекомендации по повышению эффективности технологических процессов изготовления деталей из ГДПС с применением операций МО и ХТО.
-
Разработаны технологические процессы получения нескольких марок ГДПС, легированных свинцом, висмутом, кальции- и кальцийфосфорсо-держащими соединениями с улучшенными показателями обрабатываемости резанием и не уступающими по физико-механическим и эксплуатационным свойствам нелегированным материалам. Для всех предлагаемых ГДПС разработаны расчетные зависимости по выбору оптимального сочетания элементов режимов резания.
-
Предложены режимы ТО ГДПС, позволяющие повысить производительность обработки резанием и стойкость режущего инструмента в 1,5 -1,8 раза, улучшить показатели качества обработанных поверхностей.
-
Разработаны технологии диффузионного хромирования (ДХ) ГДПС, позволяющие значительно улучшить коррозионо- и износостойкость деталей из ПС, а также интенсифицировать процессы ХТО в 5 -10 раз.
Реализация результатов работы. Разработанные технологии были применены на ПО "Эльбрус", г. Изобильный Ставропольского края, для изготовления корпусов штекерных разъемов; на АО "Ростсельмаш"; на ПО "Артемовский машиностроительный завод" для изготовления детали "стакан" редукторов центробежных вентиляторов; на ОАО "Армалит", г. Санкт-Петербург, для производства детали "втулка специальная" запорной арматуры корабельных устройств. Годовой экономический эффект, приведенный к ценам 2000 года, составляет более 5 миллионов руб.
Апробация работы._Основное содержание диссертации отражено в 101 публикации, в том числе монографии и статьях, опубликованных в журналах "Порошковая металлургия", "Известия вузов Северо-Кавказского научного центра высшей школы" и др. рецензируемых изданиях, 6 авторских свидетельствах и патентах. Результаты работы доложены и обсуждены на 10 международных и 7 всесоюзных конференциях, а также других форумах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и содержит 258 страниц текста, 52 таблицы, 120 рисунков, 284 наименования литературных источников и приложения на 12 стр.
