Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей конструкционного значения (12.04.2010)

Автор: Свистун Лев Иванович

- 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечено, что в СССР родоначальниками научного направления, связанного с исследованием и созданием крабидосталей, являются Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» и Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, которые начали соответствующие работы в 70-х г.г. ХХ ст. (С. С. Кипарисов, В. К. Нарва). Значительный вклад в развитие этого направления внесли также Ю. Г. Гуревич, Н. Р. Фраге, Я. П. Кюбарсепп. Показана целесообразность дальнейшего развития этого научного направления.

В разделе 1 «Карбидостали (литературный обзор). Выбор номенклатуры карбидосталей для исследования процесса ГШ» проанализированы современные тенденции в области создания и производства порошковых износостойких карбидосталей. В основу настоящей работы положен метод ГШ порошковых материалов.

Для исследований и разработки технологии ГШ выбраны следующие карбидостали: (1) низколегированная износостойкая сталь 40Х2 - карбид бора; (2) комплекснолегированная износостойкая инструментальная сталь Р6М5К5 – карбид титана; (3) высоколегированная износо- и коррозионностойкая нержавеющая сталь Х18Н15 – карбид хрома. Каждая карбидосталь изготовлялась в трех вариантах: с содержанием карбидов 5, 15 и 30 об. %. Под штамповку могут использоваться как спеченные, так и неспеченные заготовки, которые изготовляются из дисперсных порошков сталей и мелкодисперсных порошков карбидов. Размол порошков проводился в аттриторе при частоте вращения мешалки 900 мин?1. Размеры, форму частиц, их гранулометрический состав исследовали на анализаторе изображений SIAMS–600.

Проведена оценка свойств всех исходных порошков до и после размола. Исследованы прессуемость и спекаемость размолотых порошков сталей, показатели прочностных характеристик и функциональных свойств заготовок из них. Чтобы рекомендовать размерные параметры частиц, проведено компьютерное моделирование укладки частиц в полиди-сперсных смесях (рисунок 1). На основе полученных результатов рекомендовано: (1) осуществлять размол порошков карбидов до среднего размера 2 ? 3 мкм, порошков металлов – до 5 мкм;

(2) верхний размер частиц металлической составляющей огра-ничивать величиной 15 мкм.

Чтобы выполнить условия относительно средних размеров, оставшиеся после размола крупные частицы (до 40 мкм) нужно удалять. После этого резко увеличивается (почти в 4 раза) относительное содержание частиц с размером, приближающимся к заданному среднему, как это показано на рисунке 2 для порошка карбида титана.

Рисунок 1 ? Модель укладки частиц полидисперсной смеси при количественном содержании «карбидных» частиц 42 %, что соответствует 20 об. %, и при отношениях размеров крупных («металлических») частиц к мелким («карбидным») 1,5; 2,5 и 4

Рисунок 2 – Количественное (Vк) и объемное (Vоб) содержание фракций в порошке TiC: а? после размола (0,5 ч), б ? после удаления частиц > 5 мкм

В порошках сталей в результате размола повышается содержание кислорода (в 2 – 3 раза) и несколько (на доли процента) понижается содержание углерода. Рекомендовано для восстановления оксидов и компенсации потери углерода к размолотым порошкам примешивать графит в необходимом количестве и довосстановление проводить в процессе изготовления заготовок под штамповку.

Общим свойством мелкодисперсных механоактивированных порошков является отсутствие формуемости и повышенная спекаемость. Чтобы исключить обособленную усадку при спекании заготовок карбидостали «сталь – карбид титана», разложение карбида бора (при температурах выше 1100 0С), деградацию частиц карбидов (при высоких температурах) рекомендовано проводить температурную обработку (спекание, нагрев под штамповку) в условиях твердофазного взаимодействия составляющих: для карбидосталей на основе сталей 40Х2 ? 1050 0С, Р6М5К5 ? 1180 0С, Х18Н15 ? 1150 0С.

Исследованы структуры и свойства горячештампованных сталей из мелкодисперсных порошков при указанных температурах (таблица 1).

Таблица 1 – Свойства образцов горячештампованных сталей из размолотого порошка

Термическая

обработка, оС Структура ?в, МПа ?и,

МПа ак,

Дж/см2 Твердость,

HRC I,*


загрузка...