Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей конструкционного назначения

Скачать 446.39 Kb.

Название	Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей конструкционного назначения
страница	1/5
Дата публикации	01.04.2015
Размер	446.39 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Право > Автореферат

1 2 3 4 5

На правах рукописи

Свистун Лев Иванович

Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей

конструкционного назначения

05.16.06 − «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новочеркасск –2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Д-тор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации

Дорофеев Юрий Григорьевич
Д-тор техн. наук, доцент,

Александр Валентинович Скориков;
Д-тор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации

Юрий Григорьевич Гуревич;
Д-тор техн. наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Станислав Иванович Богодухов.
Донской государственный технический университет.

Защита состоится 23 декабря 2010 года на заседании

Диссертационного совета Д 212.304.09 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. Главного корпуса по адресу:

346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул Просвещения, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»; с авторефератом – на сайте i-tu.ru.

Автореферат разослан «_____» _______________2010 г.
Ученый секретарь диссертационного

совета, канд. техн. наук В. И. Устименко

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 % Cr₃C₂для 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


а	б
Рисунок 2 – Количественное (V_к) и объемное (V_об) 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).