автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Горячедеформированные порошковые биметаллы, эффективные технологии получения, структура, свойства

На правах рукописи

Бессарабов Евгений Николаевич

Горячедеформированные порошковые биметаллы, эффективные технологии получения, структура,

свойства

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

Автореферат на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554557

Новочеркасск - 2014

005554557

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель Дорофеев Юрий Григорьевич

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты Кем Александр Юрьевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов».

Пломодьяло Роман Леонидович

кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет», доцент кафедры «Системы управления и технологические комплексы».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ВолГТУ)

Защита состоится «16» декабря 2014 г. в 1200часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 (гл. корпус, ауд. 149).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Автореферат разослан «23» (О 2014 г.

Ученый секретарь ¿у диссертационного совета ______/у ~ Середин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена получению и исследованию структуры и свойств горячедеформированных порошковых многофункциональных биметаллов (БМ). Для получения БМ порошковых заготовок с повышенными прочностными характеристиками в переходной зоне была разработан способ, включающий в себя дополнительную пошаговую операцию «регулируемую подпрессовку» одного из слоевна этапе статического холодного прессования(СХП) и последующую горячую штамповку (ГШ). Выбор темы для исследования многофункциональных порошковых БМ заготовок обусловлен значительной потребностью машиностроения втакого рода изделиях. Также в диссертационной работе учтены результаты уже имеющихся научных разработок и практических исследований по данной теме, которые могут подтвердить научную перспективность и практическую ценность работы. Выбранная тема исследования удовлетворяет всем этим требованиям.

Актуальность темы. Развитие современной техники возможно только при условии обеспечения ее все возрастающих потребностей в материалах, разнообразных по свойствам, зачастую высоких, в ряде случаев уникальных. Среди таких материалов особое место занимают порошковые БМкоторые вследствие сочетания необходимых свойств, и использования всех многообразных известных возможностей порошковой металлургии имеют огромное преимущество перед классическим методами изготовления деталей.

Их применение позволяет сочетать физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства различных материалов, экономить дорогие металлы, создавать новые материалы с недостижимыми дня сплавов свойствами, а также снизить трудоемкость производства изделий с различной комбинацией слоев.

Одним из наиболее перспективных направлений производства материалов и изделий с резко различающимися свойствами в отдельных элементах их объема является получение дву- или многослойных материалов. Неразъемные соединения этих элементов получают различными способами, среди которых многие положительные качества имеют прессовые соединения. Входящие в них детали могут быть порошковыми или один из их элементов используется в виде компактной заготовки, полученной методами традиционной обработки литьем, обработкой давлением, резанием и т.д. Однако многие направления по созданию инструмента и оборудования для производства таких деталей оказались недоработанными или незатронутыми вообще. Это относится как к холодной, так и горячейнапрессовке пористых втулок на валы.

Степень разработанности проблемы. Исследованиям в области получения БМ методом порошковой металлургии с применением ГШ посвящены работы

Ю.Г. Дорофеева, Н.Т. Жердицкого, Б.Г. Гасанова, С.Н. Сергеенко, A.C. Цебикова, Л.И. Свистуна, P.JI. Пломодьяло, и других ученых.В их работах отмечается актуальность получения БМ изделий методом порошковой металлургии с применением ГШ и определены факторы, влияющие на их качество. Эти факторы можно условно разделить на 3 группы.

1. Факторы, определяемые характеристиками материала слоев получаемого изделия: структурой и формами частиц, их геометрическими и технологическими параметрами.

2. Геометрией соединяемых слоев, их положением по отношению к действующим уплотняющим нагрузкам, характером последних, технологическими параметрами холодного, горячего прессования и последующей обработки.

3. Геометрией контактного слоя, ее изменением в процессе получения изделия, химическим составом слоя, его толщиной и стимулами для их изменения.

Если первые две группы факторов служили предметом пристального внимания со стороны исследователей многих стран, в результате которых по многим вопросам здесь сложились определенные представления, то этого никак нельзя сказать о факторах третьей группы. Различие плотности и уплотняемое™ слоев может служить причиной вдавливания отдельных приграничных объемов или даже частиц более жесткого материала в менее жесткий. Наряду с ускорением диффузионных процессов это может привести к так называемой деградации материала переходного слоя и ухудшению его эксплуатационных свойств. Вместе с тем, может происходить и изменение геометрии переходного слоя с ухудшением его несущей способности. Все это определило необходимость изучения влияния на качество биметаллов в основном третьей группы факторов. При этом, представляя всю сложность поставленной задачи, мы решили ограничить ее рассмотрение только цилиндрическими сплошными корозионно стойкими, антифрикционными, триботехническими, инструментальными и некоторыми другими изделиями.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение прочностных свойств зоны сращивания в биметалле и уменьшение погрешности формы детали за счет уменьшения толщины, погрешности формы н деградации переходного слоя путем совершенствования схем прессования и условий нагрева заготовок.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать способ получения порошковых БМ холоднопрессованных заготовок с улучшенными свойствами переходной зоны за счет регулирования начальной плотности одного из слоев на этапе СХП.

2. Установить закономерности механизма формирования межслойных границ в

порошковой биметаллической заготовке при термическом воздействии и при ГШ.

3. Выявить особенности напряженно-деформированного состояния материала переходного слоя (слой сращивания).

4. Разработать математические методы расчета процесса теплопереноса в БМ заготовке с материалами слоев со значительно различающимися температурами спекания и ГШ.

5. Разработать и апробироватьтехнологические схемы получения антифрикционных, износостойких, коррозионностойких биметаллических горячештампованных порошковых изделий в производственных условиях. Объектом диссертационного исследования являютсятехнология

изготовления порошковых БМ заготовок с улучшенными свойствами переходной зоны за счет регулирования начальной плотности одного из слоев на этапе СХП.

Предметом исследования являютсяфакторы, влияющие на прочностные характеристики переходного слоя в БМ, подверженным ГШ, а также его погрешность формы и деградацию. Научная новизна диссертации.

1. Выявлено, что в отличие от ранее известных схем прессования наилучшие параметры соединения биметалла после горячей штамповки достигаются при относительной плотности подпрессованного слоя 50-60%, это приводит к уменьшению толщины переходного слоя, увеличению его плотности и прочности. Полученные результаты легли в основу разработанной технологииизготовления антифрикционных, износостойких, коррозионностойких биметаллических горячештампованных порошковых изделий в производственных условиях и рекомендащш по изготовлению инструментальной оснастки для холодного прессовашм.

2. Установлено, что после горячей штамповкибиметаллических образцов, изготовленных с применением «оптимальной» предварительной подпрессовки одного из слоев, наблюдается наименьшая толщина переходной зоны (30-70 мкм), зависит от материалов слоев, а деградация ее материала сводится к минимуму.

3. Выявлены закономерности нагрева каждого из компонентов биметалла для достижения требуемого градиента температур, обеспечивающего достаточную деформируемость тугоплавкого материала основы и твердую фазу легкоплавкого материала рабочего слоя, отличающиеся от известных тем, что температурный градиент обеспечивается за счет теплопереноса от материала основы к материалу рабочего слоя, а при недостатке тепла он обеспечивается предварительным нагревом рабочего слоя до определенной температуры.

Теоретическая и практическая значимость работы 1. Предложен и запатентован новый способ прессования двухслойных

порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев, отличающийся введением в СХП операции «оптимальной» предварительной подпрессовки наружного слоя с последующим совместным доуплотнением обоих слоев.

2. Предложена новая методика определения предела прочности БМ цилиндрических образцов на срез в Зх зонах образца (рабочий слой, переходная зона, основа).

3. Разработана технология получения БМ изделий, системы «железографит -бронза» методом ГШ, отличающаяся тем, что нагрев легкоплавкого материала бронзы перед ГШ для обеспечения рационального температурного градиента, осуществляется за счет теплопередачи от прогретого тугоплавкого материала основы.

4. Разработан алгоритм расчета температуры и времени нагрева легкоплавкого компонента БМ перед ГШ, обеспечивающий рациональный температурный градиент, за счет теплопередачи от прогретого тугоплавкого материала.

5. Разработана технологическая оснастка для операции СХП, позволяющая изготавливать порошковые БМ холоднопрессованные заготовки для ГШ с улучшенными свойствами переходной зоны за счет регулирования начальной плотности одного из слоев.

6. Разработана технологическая оснастка для определения предела прочности БМ цилиндрических образцов на срез в Зх зонах образца (рабочий слой, переходная зона, основа).

7. Разработанная технология прошла производственную апробацию на ОАО Шахтинский завод «Гидропривод» при изготовлении детали «распределитель аксиально-поршневой гидромашины МГ12/32-1003».

Методы исследования

Металлографические исследования выполняли на оптическом металлографическом микроскопе «AltamiMET-lM» с диапазоном увеличения 40800 раз. Изучение микроструктуры и элементного состава фаз проводились на растровом электронном микроскопе TescanVegaLMU системы рентгенофлуоресцентного микроанализа INCAEnergy450 (фирмы OXFORD Instruments Analytical) при ускоряющем напряжении 20 kV.

Триботехнические испытания проводились на торцевой машине трения типа МИ в условиях сухого трения, с усилием нагружения образца F- 100 кг; площадь контакта - 0,25 см2; окружной скоростью 0,55 м/с; диапазон измерения момента трения - 0,2-150 кг-см.

Прочностные характеристики биметаллической заготовки определяли при испытаниях на срез тср на цилиндрических образцах с регистрацией кривых разрушения, используя прибор КСП 4; твердость HRB (ГОСТ 24622-81)

определяли после спекания образцов и спекания + ДГП на твердомере ТР5056 УХЛ, (с!ш=1,588 и 3,175 мм, нагрузка Ь'=980,7 Н с выдержкой 10 е.). Микротвердость на микрошлифах при малых нагрузках определяли на цифровом микротвердомереНУБ-1 ООО (0,2 Н, Юс).

Значение тср определяли с учетом усилия разрушения Ир и площади поперечного сечения срезаемой юбки (Ь=1мм). Испытания проводили в специальном приспособлении на разрывной машине УМТ.

Определение поверхностной пористости (Ппое) производили линейным методом на нетравленых микрошлифах на оптическом металлографическом микроскопе «АИагги МЕТ-1М» с диапазоном увелтения 40-800 раз.

Определение обгцей плотности. Плотность материалов определялась методом гидростатического взвешивания с покрытием исследуемых образцов парафином по ГОСТ 18898-89.

Положения, выносимые на защиту

Способ прессования двухслойных порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев, отличающийся введением в СХП операции «оптимальной» предварительной подпрессовки наружного слоя с последующим совместным доуплотнением обоих слоев.

Закономерности механизма формирования межслойных границ в порошковой биметаллической заготовке при термическом воздействии и при ГШ.

Особенности напряженно-деформированного состояния материала переходного слоя (слой сращивания).

Методика и алгоритм расчета температуры и времени нагрева легкоплавкого компонента БМ перед ГШ, обеспечивающий рациональный температурный градиент, за счет теплопередачи от прогретого тугоплавкого материала.

Технология получения антифрикционных, износостойких,

коррозионностойких биметаллических горячештампованных порошковых изделий в производственных условиях.

Степень достоверности результатов проведенных исследований

Степень достоверности результатов подтверждается:

- согласованностью полученных результатов с фундаментальными положениями порошкового материаловедения, а также соответствию экспериментальных данных и научных выводов общепринятым положениям, опубликованным в печатных изданиях;

- использованием в экспериментальных исследованиях современных методов анализа (энергодисперсионная рентгенофлуоресцентная спектрометрия, элементное картирование, рентгеноспектральный микроанализ, рентгенофазовый

анализ вещества), поверенного оборудования и стандартных методик, в сочетании с комплексом методов исследований структуры и свойств.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований сопоставляли с результатами других исследователей, работающих в данной области. Выводы, сделанные по результатам работы, являются достоверными, научные положения аргументированными и прошли апробацию на международных и всероссийских научных конференциях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, отражены основные направления, объекты и цели исследований.

В первой главе проведен литературный обзор ранее опубликованных работ, касающихся темы диссертации, проведен анализ вопросов, определивших выбор направления получения БМ, сформулированы цель и задачи исследований.

Биметаллические порошковые материалы находят широкое применение в различных отраслях машино- и приборостроения. Одним из важнейших технологических преимуществ методов порошковой металлургии является возможность получения при меньших энерго- и материало- затратах биметаллических и многослойных изделий. Их применение позволяет сочетать физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства различных материалов, экономить дорогие металлы, создавать новые материалы с недостижимыми для сплавов свойствами, а также снизить трудоемкость производства изделий с различной комбинацией слоев.

Существующие методы изготовления порошковыхБМ и изделий из них по способу формирования рабочего слоя на пористой заготовке можно разделить на следующие основные группы: получение поверхностного слоя напылением или наплавкой на поверхность пористой заготовки; взрывное прессование, различные способы диффузионной сварки в процессе спекания или припекания; пропитка поверхностного пористого слоя заготовки расплавом требуемого состава; введение в поры поверхностного слоя повышенной пористости необходимой порошковой шихты различными способами. Кроме того, возможно получение биметаллического изделия в результате образования при горячей допрессовке неразъемного соединения порошкового элемента с частью детали, изготовленной из конструкционной стандартной стали.

Анализ существующих сплавов и устройств для получения биметаллических и многослойных материалов показал, что основная сложность заключается в получении цельно прессованных заготовок и оптимизации технологических параметров с целью исключения различного вида дефектов при

прессовании, спекании и последующем термомеханическом воздействии.Также возникает вопрос материаловедческого характера: обеспечение в процессе горячей допрессовки надежного сращивания, формирования структуры и свойств материалов как внутри слоев, так и в межслойной прослойке (переходной зоне). Ведь с одной стороны необходимо обеспечить надежное межслойное сращивание в переходной зоне, за счет улучшения межчастичного сращивания слоев путем создания, в процессе СХП, в переходной зоне напряжений, способствующих межчастичному сращиванию, при последующей ГШ,а с другой - необходимо минимизировать деградацию переходной зоны.

Во второй главе даны характеристики используемых материалов, исследовательского оборудования, описаны методики исследования. Для получения порошковых, двухслойных горячештампованных образцов использовали несколько технологических схем (рис.1), которые включали в себя: раздельное приготовление порошковых шихт, засыпку порошка одного из слоев (обычно рабочего) и его подпрессовку на 0, 10, 15, 20 мм., совместное доуплотнение слоев ХП заготовки, выпрессовку из матрицы. После чего образцы спекались и подвергались ГШ.

Раздельное приготовление

Б.и с материалами слоев с незначительно различающимися температурами спекания Т

Совместное прессование слоев с регулируемой платностью

Спекание а защитной среде

Охлаждение

Равномерный нагрев в л печи заготовки в защитной срсдс

ЬМ е,материалами слоев со значительно различающимися температурами спекания 1 í

Раздельное прессование с: двухслойной т

легкоюанкш

Спекание тугоплавкой заготовки_

\омерпыи нагрев и 3

Предварительный нагрев легкоплавкой заготовки н чащ. ер.

Окончательный нагрев легконзавкон заготовки в защитной среде за счет

Рис.1. Технологические схемы получения биметаллических заготовок с применением ГШ

Для получения образцов БМ использовали шихты из следующих материалов: порошок железный марки ПЖР 3.200.28-30 (основа), изготовленный методом распыления ГОСТ 9849 на ГП «Завод порошковой металлургии» г.Бровары; распыленный низколегированный стальной порошок Аэш1оу Мо,

содержащий 1,50 масс. % Мо, производства фирмы Нс^апаз АВ; карбид титана ("ПС), полученный карботермическим методом, порошок бронзы БрО -10, полученный методом распыления на заводе «Мосцветмет» г.Батайск; порошок нержавеющей стали 304 ЬГОпроизводства фирмы 1^апа$ АВ; порошок быстрорежущей стали РХ/М2/04 производства фирмы Нб§апаз АВ. В роли пластификатора выступал порошок Кепо1иЬ. Углерод вводили в шихту в виде графита карандашного марки ГК-3 ГОСТ 4404-78, имеющего зольность- 4,7%, массовую долю влаги 1,1%.

Статическое холодное прессование (СХП) производилось разработанным нами «Способом прессования двуслойных порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев». Для данного способа специально была разработана и изготовлена лабораторная пресс-форма, которая позволяет осуществлять двустороннее холодное прессование двухслойных порошковых формовок с требуемым распределением плотности и прочности каждого из слоев. Технологическая схема формования БМ заготовки изображена на рис.2. Подпрессовку рабочего слоя осуществляли на 0, 10, 15, 20 мм., совместное доуплотнение слоев ХП заготовки при давлении Рсхп=600 МПа.

9

Рис. 2. Технологическая схема деформации при СХП исходных шихт и горячей штамповке (ГШ) биметаллических образцов (оси симметрии являются границами между этапами прессования):а - засыпка порошка наружного слоя; Ь - окончание подпрессовки наружного слоя трубчатым пуансоном 2; с - удаление стержня 3, установка нижнего внутреннего пуансона 4, засыпка шихты внутреннего слоя и установка верхнего внутреннего пуансона 4, ё -подпрессовка внутреннего слоя порошка до совпадения торцев пуансонов 2 и 4; е - окончание совместного деформирования наружного и внутреннего слоев всеми пуансонами 2 и 4 (после чего идет операция СП и ГШ); ГШ спеченных заготовок; g- выбивка горячештампованного образца из матрицы.

Спекание БМи ГШ образцов проводили при температуре 1150°С.Защитная среда - диссоциированный аммиак (ДА) с температурой точки росы -20...-30°С. ГШ заготовок осуществляли на лабораторном копре. Высота подъема падающих частей выбиралась из расчета обеспечения приведенной работы деформации \\'=230-250 МДж/м3.

В третьей главе описаны общие характеристики предложенного способа прессования биметаллических порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев,математическая модель процесса, разработана схема XII БМ заготовки с регулируемой подпрессовкой одного из слоев, определены основные факторы, влияющие на качество ХП БМ и ГШ изделий, оптимизированы параметры технологии их получения.

При изготовлении биметаллических двухслойных порошковых заготовок с вертикальным расположением слоев в формовке, за счет разноплотности слоев а, следовательно, и различного сопротивления поперечной деформации, наблюдаются искажение формы переходной поверхности заготовки, перемешивание частиц слоев на этапе холодного прессования и горячей допрессовки, что приводит к снижению качества изделий (искажение переходного слоя «седло- и бочкообразность», размытие переходной зоны). Для решения данной проблемы был предложен математическийрасчет процесса СХП БМ, который позволил рассчитать объем шихты /?„, необходимый для дифференцированного уплотнения обоих слоев БМ изделия при доуплотпении и величину превышения начальной высоты наружного слоя по сравнению с внутренним слоем Д И.

чн

Где рм- относительный объем шихты наружного слоя в свободно засыпанном состоянии.

Все это помогло, улучшить и качество соединения слоев по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений, в частности, прессовых. Причиной здесь может являться возникновение сращивания на контактной поверхности, которое увеличивает силы, препятствующие сдвигу элементов соединения при больших нагрузках (рис.З в). Предложенный способ обеспечивает формирование переходного слоя значительно меньшей толщины, что уменьшает вероятность структурной деградации материала по сравнению с заготовкой, полученной холодным

прессованием шихт

материалов слоев в состоянии свободной насыпки при наличии съемной перегородки (рис.З а), а также по сравнению с заготовкой, рабочий слой которой подвергался предварительной

Рис.3 Переходный слой биметаллов: в насыпанном состоянии порошков материалов рабочего слоя и основы (а), предварительно подпрссованный рабочий слой- порошок основы в насыпанном состоянии (б), спрессованные и спеченные порошки слоев после горячей [опрессовки (в).

гтодпрессовке (рис.36). Последнее объясняется предотвращением смешивания порошков обоих слоев, так как биметаллическое соединение формируется в процессе горячей допрессовки. При этом возможно лишь незначительное проникновение основы в поверхностные поры, что улучшает условия формирован™ сращивания в переходной зоне.

Схема действующих на поверхности раздела слоев давлений на разных этапах приведена на рис.4(а).

/ / I1 Р

/ ДА

1

1 \

'ЩЩ РпЛ

У

г

г

Рис. 4 Действующие давления на поверхности раздела слоев на разных этапах процесса: а) начальный этап, б) промежуточный этап холодного уплотнения с одновременным уплотнением слоев, в) конечный этап совместного холодного уплотнения обоих слоев, г) положение торцов пуансонов на различных этапах уплотнения БМ формовки.

1'«; 4",- верхние наружный и внутренний пуансоны; 2',,; 5"я- нижний наружный и внутренний пуансоны; З'к; 6'\ - наружный и внутренний слои заготовки; }г'(г высота наружного слоя в состоянии засыпки;

й -й"- высота заготовки к моменту начала совместного уплотнения слоев; ¿/г- изменение величины /г в момент увеличения нагрузки с!р„ ; ^.-конечная высота при конечном давлении рк ;

р'/; р"2 - давления на торцевых поверхностях наружного и внутреннего пуансонов в момент начала их совместного прессования; р',„р",„ с!р'„, ф"„-давления в слоях в процессе прессования и их изменения; рк~ конечное давление.

Во всех случаях обозначения величин, относящихся к наружному слою, имеют индекс - « ' », а к внутреннему - « " ». На рис. 4 (а) показана начальная

стадия уплотнения БМ заготовки. На промежуточной и конечной стадии уплотнения давления стремятся к выравниванию. Схема положения пуансонов и слоев заготовки в процессе уплотнения показана на рис.4 (б,в),а их расположение в конце процесса формования заготовки - на рис.4 (в). Здесь же обозначены основные высотные характеристики заготовки на различных этапах ее формования.

Полученная формовка состоит из наружной оболочки Зк' (рис.4 г), полученной из предварительно подпрессованного порошка и менее плотной внутренней части 6К". Давления в объемах заготовки к концу процесса прессования выравниваются, однако внутренняя часть, состоящая из более прочного и менее пластичного материала, чем наружная, уплотняется в меньшей мере.

Указанные особенности процесса определяют его преимущества:

- двухслойная холоднопрессованная заготовка производится в едином технологическом цикле, в одном штампе, без дополнительных конструкционных элементов пресс-формы (перегородки, оболочки и т. п.), что позволяет снизить затраты материалов и труда на ее изготовление;

- повышенная плотность наружного слоя позволяет более надежно предохранить заготовку при последующем нагреве от взаимодействия с окружающей средой, препятствует внедрению в граничную зону частиц менее плотного внутреннего слоя, «размытию» границы, деградации материала и искривлению приграничной зоны и изделия в целом;

- предложенная схема облегчает условия регулирования плотности наружного слоя путем изменения превышения его верхнего торца в состоянии засыпки над торцом заготовки перед началом совместного уплотнения слоев АИ = к0- Л/(рис.4 а).

Одним из главных условий качественного формования двухслойной заготовки является минимальная разница между давлениями, действующими со стороны наружного р' и внутреннего р "слоев, которые можно определить из соотношений:

Рп =//>'£' = ? к'шхП'ф^-п.Ч>" =ГР"Я" = <Г где р„' и р„" - поперечное (боковое) давление прессования со стороны наружного и внутреннего слоев:

р'и р" - осевое давление пуансонов на торцы заготовки;

и £" - коэффициент бокового давления материалов слоев; f и Г - коэффициент трения на границе слоев;

у'тах !<№'"„„„ - максимальные приведенные значения удельной работы уплотнения материала слоев (отнесенные к единице объема);

п' и п"- показатели степени в силовых уравнениях уплотнения материала; /?' и [}" — относительные объемы материала слоев.

Большинство приведенных величин определяются экспериментальным путем, для некоторых из них существуют определенные соотношения, например,

- 0,8, увеличиваясь с повышением пластичности материалов.

Анализируя причины, способные дестабилизировать межслойную зону заготовки (геометрические

характеристики, состав,

структура и свойства), в числе основных можно назвать неравенство поперечных

давлений, возникающих со стороны слоев. Значения этих давлений изменяются на протяжении всего процесса уплотнения. На рис. 5 представлены зависимости к (р„) для наружного (I) и внутреннего (II) слоев.

Выбор параметров технологического процесса производства двуслойных порошковых деталей должен определяться следующими соображениями:

- температура нагрева заготовки перед горячей допрессовкой должна быть близкой к температуре плавления легкоплавкого слоя но, не допускатьобразования жидкой фазы.Это обеспечивает его максимальную пластичность и минимальное сопротивление деформированию;

- давление динамической допрессовки должно быть максимально приближено к сопротивлению деформированию более легкоплавкого слоя;

- скорость горячего деформирования должна быть наиболее высокой для оборудования;

- нагрев холоднопрессованных заготовок необходимо проводить в защитной газовой среде.

В четвертой гливептвопятся результаты исследования порошковых ГШ БМ с незначительно различающимися температурами спекания, с вертикальным расположением слоев типа «железографит-карбидосталь», «железографит-быстрорежущая сталь», «железографит- нержавеющая сталь».

Установлены четкие зависимости толщины переходного слоя БМ образца (рис.6), пористости обоих слоев от степени подпрессовки наружного слоя на всех этапах его изготовления. С увеличением ее степени переходный слой становится тоньше, а напряжения, действующие в переходной зоне, возрастают. Это сводит к

к, (мм) А

I В \

h, // \ ________ _____ U

К D С

р„.(МПа)

Рис.5. Зависимости h(p,J ;щя наружного (1) и внутреннего (II) слоев.

минимуму смешивание материалов слоев и деградацию переходного слоя.После ГШ переходный слой становится немного толще, так как формовка осаживается на 17-22% от своего объема.

Рис. 6 Зависимости толщины переходного слоя от степени предварительной подпрессовки

Зависимос ть юлиншы переходного слоя от степени предварительной полпрсссовки наружного после СП и ГШ БМ (железографит-карбидосталь)

Зависимость толщины переходного слоя от степени предварительной подпрессовки наружного после СП и ГШ БМ (железографит -б.рез М2)

Также установлена прямая зависимость влияния степени предварительной подпрессовки наружного слоя на конечную плотность обоих слоев как после СП так и в дальнейшем после ГШ. Она указывает на то, что чем больше начальная подпрессовка более мягкого материала, тем меньше остаточная пористость трудно деформируемого материала после совместного доуплотнения (рис.7).

Рис. 7.Зависимости конечной пористости слоев БМ от предварительной подпрессовки рабочего слоя.

Зависимости пористости слоев от предварительной подпрессовки рабочего слоя КМ (железографит - б.рез М-2) при применении различных технологии (после

о ' \ ——-

О 5 10 15 20 25

нодпр Карбидосталь ГШ »" ПК-40 ГШ

Зависимость конечной пористости сдоев от предварительной подпрессовки рабочего слоя БМ (железографит - нсрж.ст. 3041Л-ГО)

Зависимость конечной пористости слоев от предварительной полпрсссовки рабочего слоя БМ (железографит • карбидосталь)

10 15 20 25 Иподпр. мм

Для используемых материалов установлены такие параметры как: предел минимальной формуемости (при которой можно совершать операции с ХП заготовкой, например «выпрессовка стержня», необходимую для нашей технологии прессования) и предел максимальной подпрессовки (при которой внешний слой перепресовывается и в дальнейшем при окончательной совместной допрессовке происходит расслоение заготовки по зоне предполагаемого сращивания) (таблица 1 ).

Параметры подпрессовки наружного слоя Таблица I

Материал Неож. сталь 304 LHD Б.резМ-2 ЖелезографнтПК-40

h|lac 1 ММ 65 65 65

ЬподцММ 0 15 20 25 0 10 15 20 0 10 15 20

Ршмш МПа 0 145 320 440 0 60 145 320 0 60 145 320

0ПОДП % 32,5 57 63 69 32.5 45 57 66 38 43 48 53

ЬХ„ММ 30 30 30

6x11 % 78 81 81

Проведенные испытания на предел прочности на срез указывают на то. что наилучшие показатели получены в свободнозасыпанном состоянии и с установленной оптимальной подпрессовкой. Объясняется это тем, что при свободной засыпке обеспечить идеально ровный переходный слой невозможно, а

также происходит смешивание порошков происходит деградация материала (рис. 8).

Предел прочности на срез в Зх зонах образцаБМ (жслезографит - карб.ст.)

20 0

linodnp, мм

20 3(

—е«— Переходная зона

ПК-40

~™a?"»Ast3loy Mo ITiC

гз>

45

0 5

~*~Перех.сш

25

переходной зоне, в результате чего

Предел прочности на срез в Зх зонах образца БМ (жслезографит- б.резШ)

Предел прочности на срез в Зх зонах образцаБМ (Жасзогр.-нерж.ст)

^ЩтТг.....izTrf^i''-'''1': ::

о Р=±Н±Ь :=:±ЕЕ—\ 0 5» ®4„„Л1. ж

■*-СП-ДГП(«ерех. ami) -*-ПК-40 Clh ГШ~иг Ы-2 СП-ГШ

Рис. 8. Результаты испытаний предела прочности на срез БМ в Зх точках (основа, рабочий, переходный слои).

При «оптимальной»

подпрессовке в процессе формирования СХП заготовки и последующей ГШ происходит повышенное уплотнение материала в переходной зоне, отчасти связанное с тем, что при формовании

внутреннего слоя навнутреннюю поверхность основы действует радиальное давлениеравное 320 МПа.

Повышенное уплотнение переходного слоя косвенно подтверждается при исследовании микротвердости БМ образца. Оно выражается, либо в скачке твердости в переходной зоне БМ, или в плавном ее переходом, при котором на границе слоев наблюдается рост микротвердости более мягкого материала и заниженное значение более твердого (рис. 9).

ь микротвердостн III 'в переходной зоне, от О карГтдосталн, трапа ПК-40 800

Зависимость микротвердости HV в переходной зоне. Слева от О ЛК-40. справа б.рез М-2

—то-

.X"

зоне. Слева от О I/K-40, справа 304 LHD.

400 200 0

3 -2 1 0 1 2

ММ.

Рис. 9. Зависимость микротвердости (HV) материалов в зоне сращивания горячештампованного образца.

Проведенные испытания на термоудар показали, что наилучшие свойства БМ образец имеет при «оптимальной» предварительной

подпрессовке наружного слоя, после операций СП и ГШ. Это доказывает то, что качество сращивания слоев при изготовлении СХП БМ формовок по схеме с применением предварительной подпрессовки одного из слоев, с применением последующего ГШ, улучшается на 20-35% в зависимости от используемых материалов.

Проведенный микроанализ с применением EDS-микроанализатора INCA ENERGY 450не выявил дефектов, деградации и смешивания материалов слоев в переходной зоне после СП и последующего ГШ.асама зона сращивания (взаимодействия) имеет толщину 10-15 мкм (рис.9).

___щ

—s—

Спектр С V Сг Fe Mo W Итог

1 3.27 0.68 3.07 1186.19 2.83 ¡3.36 99.40

2 2.92 0.49 1.67 91.55 1.40 1.40 99.43

3 ||3.43 0.30 1.24 94.90 0.70 0.81 101.37

4 2.68 0.16 0.51 95.66 0.49 0.42 99.92

5 2.33 0.23 96.87 0.31 0.10 99.84

6 2.30 96.85 99.15

7 2.02 96.48 98.50

Рис. 9. Результаты микроанализа с применением EDS-микроанализатора INCA ENERGY 450.

Структуры материалов слоев биметалла не отличаются от структур, присущих соответствующим монометаллическим порошковым материалам.

В пятой главе представлен метод, помогающий рассчитать и реализовать процесс сращивания БМ порошковых многофункциональных изделий с различной деформируемостью, со значительно различающимися температурами плавления, а следовательно и ГШ, состоящих из материалов «железографит-бронза» с вертикальным и горизонтальным расположением слоев. Представлен математический расчет процесса теплообмена, в системах «спеченая железографитовая порошковая основа (втулка) - порошковый рабочий слой БрО 10 (втулка)» и «спеченая железографитовая порошковая заготовка основа (стакан) - порошковый рабочий слой БрО 10 (пятак)», позволяющие рассчитать не только оптимальные параметры, такие как: температуру, время, необходимые для передачи тепла от одного слоя другому, но и производить расчет температуры нагрева основы при заданном времени нагрева рабочего слоя, что позволяет варьировать временем, отведенным на манипуляции с собранной горячей БМ заготовкой.

Алгоритм расчета времени достижения БМ теплового равновесия:

1. 5= =ndpch; где:шг масса рабочего слоя;

2. К = 2 Штр-с1рХ /г - высота заготовки;

3. S, = KS/(m,-с,); (1ре - диаметр переходного слоя;

4. & = XS/(m2-c2); с г удельная теплоемкость материала раб.слоя;

5. а -- т2 - масса основы;

6. А = (.£1Г20 + &Т10)/а; с!,шр - наружный диаметр изделия;

7. В с2 - удельная теплоемкость материала основы;

8. Y - Л - коэффициент теплопроводности;

9. t = (1п /)/а; Температура материала рабочего слоя в начальный

момент времени/=0,Тю=2ОоС;Т2о= 1150°С;Г,*= 950°С.

Проанализированы факторы, влияющие на качество сращивания слоев горячештампованных биметаллических изделий обоих видов. Описаны методы оптимизации параметров технологии получения БМ порошковых горячештампованных изделий типа «железографит - бронза» с горизонтальным и вертикальным расположением слоев.

Математически рассчитано и экспериментально подтверждено, что при предварительном подогреве бронзы до 520 С при последующей сборке БМ с горячей основой, нагретой до 1150°С, возможно получить градиент температур, при котором система уравновешивается на температуре 970-990°С (время зависит от объема площади и конфигурации заготовки), что практически соответствует температуре плавления бронзы, которая соответствует 1020-1030°С и удовлетворяет параметрам ГШ железографита (рис. 10).

Скорость остывания (нагрсваклоев БМ заготивкитииа «втулка ■ втулка» перед ГШ без предварительного подогрева ЬрО 1 0.

1400 L 1 2411 ~ 1D00 Z 8 СЮ I йОО = JOO

I :оо

/

Скорость остывания (на)рева) слоев БМ заготовки типа «стакан - пятак» перед ГШ без предварительного подогрева БрОЮ.

Зависимость значений коэффициента А от предварительного на]-рева Т,,, рабочею слоя БрО 10 в заготовке типа «втулка - втулка».

-БрОК)

Рис. 10. Скорости остывания (нагрева) материалов слоев БМ различных типов.

Применение ГШ к БМ типа { 500 _/* «железографит - бронза» с

о« горизонтальным расположением слоев и

° Время сек " • -^Брою8 с предварительным спеканием основы и

последующим подогревом обоих слоев до различных температур позволилодостичь более качественного сращивания материалов слоев, чем при использовании вышеуказанной технологии примененной к БМ этого же типа, но с вертикальным расположением материалов слоев (рис. 11).

Предел прочности насрез в 3-х зонах образца с вертикальнымраслжшжением слоев (рабочий слой, переходная зона, основа) после ГШ

50 - - ,------

, 45 5 40 I 35 30 тЗ

Переходная

зона

ПК-40

*-БрО 10

200 400

/ предварительного подогрева

V . . „■■'■ '

Предел прочности на срез в Зх зонах образцае горизонтальным расположением слоев (рабочий слой, переходная зона, основа) после ГШ

Переходная зона -«-ПК-40

-&-БрО 10

200 400

' преоеаритс.шюго подогрет

600

Рис. 11. Результаты испытаний предела прочности на срез БМ «железографнт - бронза» с вертикальным и горизонтальным расположением слоев в Зх точках (основа, рабочий, переходный слои) -слева, микрошлифы переходного слоя полученные аналогичным методом справа.

Происходит это потому, что при ГШ БМ с горизонтальным расположением слоев имеется ряд преимуществ:

- направление удара при ГШ совпадает с направлением сращивания и энергия тратится более эффективно;

- возможность небольшого перегрева в железографитовой основе;

- более герметичная композиция, не позволяющая окислять зону сращивания железографитовой основы и способствующая проникновению материала бронзы в поры материала основы;

- меньшая площадь охлаждения обоих слоев, что делает процесс изготовления образцов более стабильным к внешним факторам.

Все выше изложенное говорит о том, что процессы нагрева, сборки горячей БМ заготовки и ее ГШ в дальнейшем необходимо автоматизировать для получения более качественных изделий.

В шестой главе описано обсуждение результатов экспериментов и предложены рекомендации по применению метода ГШ с предварительным подогревом обоих слоев до различных температур БМ порошковой заготовки с бронзовым рабочим слоем.

Разработан технологический процесс получения деталей «распределитель» МГ 12/32-1003 аксиально - поршневых гидромашин для ОАО «Гидропривод», г.Шахты.

Общие выводы

1. Теоретически установлена и экспериментально доказана возможность получения БМ холоднопрессованных заготовок с использованием материалов с незначительно различающимися температурами спекания с повышенным качеством зоны сращивания (переходной зоны) за счет регулирования начальной плотности одного из слоев. Оптимальная подпрессовка - осадка слоя, при которой достигается максимальная прочность переходного слоя при минимальной его толщине на всех этапах процесса, составила 50-60% плотности материала слоя (зависит от применяемых порошков).

2. Установлены закономерности влияния степени предварительной подпрессовки наружного слоя на конечную плотность обоих слоев как после спекания, так и после спекания и ГШ. Уменьшение степени подпрессовки слоя влечет за собой увеличение пористости одного из слоев заготовки после спекания и ГШ, что крайне негативно отражается на ее механических свойствах в дальнейшем и, наоборот, увеличение степени подпрессовки влечет уменьшение конечной пористости.

3. Установлены закономерности механизма формирования межслойных границ в порошковой биметаллической заготовке при термическом воздействии и при ГШ.Установлено, что регулировка плотности одного из слоев БМ на стадии предварительной подпрессовки для выравнивания давления при дальнейшем совместном их СХГТ и на конечной стадии ГШ, приводит к уменьшению толщины переходного слоя. После ГШ образцов, полученных таким способом, происходит незначительное ее увеличение (30-70 мкм), зависящее от материалов слоев и степени предварительной подпрессовки.

4. Выявлены особенности напряженно-деформированного состояния материала переходного слоя (слой сращивания).При «оптимальной» подпрессовке, в процессе формирования СХП заготовки и последующей ГШ происходит повышенное уплотнение переходной зоны за счет действия на нее радиального давления при формовании внутреннего слоя.Наилучшне показатели предела прочности на срез получены при установленной «оптимальной» подпрессовке. Во всех случаях тср переходной зоны превышало тср одного из слоев, как правило, более мягкого и заниженное значение более твердого материала.

5. Теоретически установлена и экспериментально доказана возможность получения БМ со значительно различающимися температурами спекания системы

«железографит- бронза» методом порошковой металлургии с применением ГШ с полным нагревом основы заготовки и регулируемым нагревом рабочего слоя «бронзы» за счет теплопередачи от нагретого слоя основы.

6. Выявлены закономерности нагрева каждого из слоев БМ для достижения требуемого градиента температур, обеспечивающего качественное сращивание материалов слоев в системе «железографит- бронза». Для БМ «железографит-бронза» наилучшие результаты получены в образцах с применением предварительного нагрева бронзового слоя до 520 °С с последующим нагревом от материала основы перед ГШ,так как при этом система уравновешивается в интервале температур 970-990°С, что практически соответствует температуре плавления бронзы, но не допускает ее перегрева.

7. Разработан алгоритм расчета температуры и времени нагрева легкоплавкого компонента БМ перед ГШ, обеспечивающий рациональный температурный градиент, за счет теплопередачи от прогретого тугоплавкого материала.

8. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований, которые положены в основу технологии получения распределителей аксиально-поршневых гидромашин типа МГ12/32-1003. Ожидаемый экономический эффект на ОАО «Гидропривод» за счет снижения материало- и трудоемкости изготовления, а также необходимости закупок у поставщиков, составит 160 ООО рублей на 1000 деталей.

Основные положения и результаты диссертационной работы достаточно полно изложены в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Бессарабов E.H. Теоретические предпосылки производства бездефектных двухслойных порошковых заготовок со слоями, имеющими направление, совпадающее с направлением прессования // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2011. - № 6. - С. 110-112 (0.29 пл.);

2. Бессарабов E.H. Порошковые горячештампованные биметаллы железографит-карбидосталь, технология получения, структура, свойства / Бессарабов E.H., Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Ганшин A.B. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2014. - № 3. - С. 54-58 (0.56/0.2 пл.);

3. Бессарабов E.H. Факторы, влияющие на качество горячештампованных порошковых биметеллических изделий / Яси М.К., Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю. // Металлург. - 2014. - № 5. - С. 88-91 (0,47/0,21 пл.);

в патенте РФ на изобретение:

4. Пат. 2475335 Рос. Федерация, МПК B22F 7/02, B22F 3/02. Способ прессования двухслойных порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев/ Бессарабов E.H., Дорофеев. Ю.Г.

-№2011147063/02 ;заявл. 18.11.2011 ; опубл. 20.02.2013 , Бюл. № 5;

Результаты диссертации отражены также в других научных изданиях:

5. Бессарабов E.H. Напряженно-деформированное состояние пористой порошковой заготовки / Бессарабов E.H., Бессарабов А.Н. // Студенческая научная весна - 2010 : материалы регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской обл. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск : ЮРГТУ, 2010. - С. 111-112 (0,09/0,05 пл.);

6. Бессарабов E.H. Двухслойные порошковые заготовки и изделия, получаемые горячей штамповкой/ Дорофеев Ю.Г., Бессарабов E.H.// Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение (ТПП-ПМ2011) : сб. тр. третий Междунар. науч.-практ. семиар, г. Йошкар-Ола, 28-30 июня 2011 г. - Йошкар-Ола, 2011. - С. 101-104 (0,38/0,19 п.л.);

7. Бессарабов E.H. Особенности формирования биметаллических и многослойных порошковых изделий// Результаты исследований - 2011 : материалы 60-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. - С. 256-257 (0,11 п.л.);

8. Бессарабов E.H. Оптимизация технологических параметров производства биметалических горячештампованных порошковых изделий / Дорофеев Ю.Г., Ганшин A.B. // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка : материалы 10-й Междунар. науч.-тех. конф. (Минск, 12-14 сент. 2012 г.) / Нац. акад. наук Беларуси, Ин-т порошковой металлургии. - Минск :Беларусканавука, 2012. - С. 50-52 (0,23/0,12 п.л.);

9. Бессарабов E.H. Получение и свойства порошковых биметаллических материалов и изделий/ Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Бабец A.B., Бессарабов E.H.// Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка : сб. докладов 8-го Междунар. симпозиума (Минск, 10-12 апр. 2013 г.) : в 2 ч. / Нац. акад. наук Беларуси. - Минск :Беларускаянавука, 2013. - Ч. 1. - С. 182-188 (0,41/0,20 п.л.);

10. Бессарабов E.H. Технологические схемы производства Би- и полиметаллических порошковых изделий/ Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Бабец A.B., Бессарабов E.H.// Повышение качества обучения студентов по материаловедению и технологии конструкционных материалов: материалы Всеросс. совещ. зав. кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 47-52 (0,35/0,17 п.л.);

11. Бессарабов E.H. Биметаллические порошковые горячештампованные изделия с повышенными свойствами / Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Бабец A.B., Бессарабов E.H. // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка : материалы 11-й Междунар. науч.-тех. конф. (Минск, Беларусь, 28-30 мая 2014 г.) / Нац. акад. наук Беларуси, ГНУ Ин-т порошковой металлургии. - Минск :Беларуска навука, 2014. - С. 75-77 (0,29/0,1 п.л.);

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования (1, 3), проведении экспериментальных исследований и обработке данных (2,4, 5, 7, 8, 9, 10).

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,5. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 110 экз. Заказ № 1525/14 Отпечатано в Издательстве «НОК» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а