автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологических процессов многостадийной деформации порошковых заготовок

ИНСТИТУТ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ШОР,

Г.ПОЗНАНЬ, ПОЛЬША.

На правах рукописи

ВИСЬНЕВСЬКА-ВЕЙНЕРТ ХАННА

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МНОГОСТАДИЙНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОРОШКОВЫХ

ЗАГОТОВОК

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Лещинский Вольф Михайлович

доктор технических наук, профессор,ВУГУ

МОСКВА - 1999

ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологии порошковой металлургии (ПМ) в ряде отраслей машиностроения в настоящее время осуществляется по пути применения новых порошковых материалов для различных деталей усложненной формы и повышения их точности. В Польше, как и в мировой практике использование металлических порошков постоянно растет, и технологии ПМ развиваются быстрее, чем другие отрасли металлообработки, из-за очевидной экономической эффективности, расширения номенклатуры порошковых изделий массового производства качественных деталей высокой точности (например, из железа и его сплавов). При этом на первый план выступают задачи получения высокоплотных деталей повышенной плотности и надежности.

Длительное время проблемы изготовления высокопрочных изделий решались путем производства новых порошков, разработки порошковых легированных композиций с целью создания новых материалов, совершенствования процессов спекания. В этих направлениях достигнуты значительные результаты. Однако вопросам компактирования порошковых высокоплотных материалов, штамповке высокоплотных деталей сложной формы из спеченных заготовок уделялось существенно меньшее внимание. Несмотря на значительное количество опубликованных в литературе работ по достижению высокоплотного состояния, деформационные технологии получения таких деталей применяются крайне редко. При этом мало внимания уделяется рассмотрению процессов многостадийной деформации, влиянию на неё контактных условий.

Таким образом, исследование технологических операций уплотнения и деформации при получении высокоплотных деталей сложной формы из порошковых материалов является актуальным.

Целью работы является исследование и разработка технологических принципов получения высокоплотных деталей сложной формы на основе применения рациональных режимов многостадийной пластической деформации при регулируемых контактных условиях.

Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач: исследование закономерности уплотнения и контактного взаимодействия между инструментом и порошковой заготовкой; создание модели и технологических схем деформации с регулированием сил трения в соответствующих областях контакта; проведение компьютерного моделирования технологических операций деформации порошковых заготовок и создание программного обеспечения расчетов параметров технологии; технологическая реализация процессов многостадийной деформации при калибровке сложнопрофильных деталей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально установлены и теоретически обоснованы закономерности уплотнения порошковых заготовок при различных режимах деформации и контактных условиях;

- разработана методика моделирования процессов деформации пористого тела с помощью решений для несжимаемого жестко-пластического материала и аналитическим путем получены уравнения, описывающие механизмы доуплотнения порошковой среды;

- разработаны критерии, позволяющие оценить характер взаимодействия инструмента с порошковой заготовкой при пластическом

контакте, которые включают основные параметры контактного взаимодействия - нормальное давление на контакте, коэффициент трения, толщину слоя смазки, его вязкость.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны:

- технологические методы многостадийной деформации деталей из порошковых материалов, обеспечивающие однородное распределение плотности и свойств;

- новые конструкции формообразующего инструмента для постадийной деформации и компактирования порошковых композиций с одновременным регулированием контактных условий;

- компьютерные программы для расчёта процесса калибровки порошковых заготовок по различным технологическим схемам;

- технологии компактирования высокоплотных порошковых материалов при оптимальных контактных условиях, позволяющие достичь однократным прессованием относительную плотность до 97% без введения смазки в шихту.

Результаты работы были опробованы и используются на участке порошковой металлургии завода топливной аппаратуры, г.Варшава; агрегатном заводе коробок скоростей автомобиля «Полонез», г.Вышков.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на: XII Научно-технической конференции "Конструкция и технология штампованных заготовок", Институт обработки давлением (ШОР), Познань 18-19 мая 1995г.; международный семинар "Избранные технологии пластической обработки", ШОР, Познань 20-21 мая 1996г.; XIII Научно-техническая конференция "Конструкция и технология штампованных заготовок", ШОР, Познань 12-13

мая 1997г.; международная конференция "Новые процессы и материалы в порошковой металлургии", ИПМ, Киев, 22-25 ноября 1997г.; Европейская конференция "Достижения в производстве конструкционных порошковых деталей", Германия, Мюнхен, 15-17 октября, 1997г.; международная научно-техническая конференция по обработке металлов давлением, ШОР, Познань, 28-30 сентября 1998г.; Мировой конгресс и выставка "Порошковая металлургия и порошковые материалы", Гренада, Испания, 18-22 октября 1998г.

По результатам исследования опубликовано 12 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 191 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 24 таблиц и список литературы из 122 наименований.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Современное состояние порошковой металлургии (ПМ) и перспективы развития рынка порошковых изделий

В настоящее время ПМ прочно утвердилась в ряду малоотходных промышленных технологий. Каждые десять лет общий объём выпуска ПМ продукции в промышленно развитых странах увеличивается примерно вдвое.

Мировой рынок металлических порошков в 1990г. составлял более чем 740 тыс.т. По прогнозам Американского института порошковой металлургии, до 2000г. Мировое производство металлических порошков должно утроиться (таблица 1.1) [I, 2].

Самым крупным изготовителем ПМ продукции в мире является Северная Америка. После некоторого спада в 1989-1991гг. Поставки металлических порошков в Северной Америке, а именно в США, в 1994г. достигли рекордного уровня - примерно 380 тыс. т. [3,4] Особенно сильно возросли поставки порошков железа - почти на 50% за несколько последних лет, так в 1996г. они достигли 318 тыс.т. (рис. 1.1а) [5]

Объём поставок порошков меди и сплавов на её основе за последние годы увеличивался не очень высокими темпами: так в 1996г. он достиг 20770 тонн (рис. 1.16). [5]

Значительный рост выпуска ПМ-изделий в США за последние несколько лет вызван в основном увеличением спроса со стороны автомобильной промышленности. Использование порошковых изделий в автомобилестроении расширяется за счёт как традиционной так и новой продукции, в частности изготавливаемых ковкой ПМ-деталей. Всё большее

Рисунок 1. La Обьём поставок порошков железа в США

Lata

Рисунок 1.1.6 Обьём поставок порошков меди и сплавов на её основе в США.

количество ПМ-деталей используется в автомобильных двигателях, коробках скоростей, тормозных системах и воздушных фильтрах. Типичный американский автомобиль, год изготовления 1997, в среднем содержит 14 кг ПМ-изделий, по сравнению с 12,3 кг в 1994г; 10,6 кг в 1991г. и 7,0 кг в 1997г. [2, 5]

В автомобилях некоторых марок содержится ещё больше ПМ-изделий. Например, в машинах марки "FORD" масса порошковых деталей возросла с 10,8 кг в 1990г. до 18,0 кг в 1997г. ожидается, что к 2000г. масса их возрастёт до 22,6 кг.(Таблица 1.2) [2, 5]

Масса ПМ-деталей в коробках передач автомобилей фирмы "FORD" увеличивается: в 1994г. она была равна 9,5 кг по сравнению с 5,8 кг в 1990г. (Таблица1.3) [3, 6]

По данным фирмы "FORD" мировое потребление ПМ-изделий в автомобильных двигателях растёт со скоростью 4% в год; ожидается, что к 2000г. этот показатель составит 5%

Выпуск ПМ продукции в 1993 г. составлял: см. табл. 1.4 [2].

В настоящее время в Северной Америке ежегодно выпускается около 16 млн. шатунов, изготавливаемых ковкой ПМ-заготовок. Впервые такие шатуны были установлены фирмой "FORD Motor Со" в 1987г. В 1,9 литровом двигателе автомобилей "Eskort" и "Lunex". В настоящее время кованные ПМ-шатуны используются в двигателях фирмы "Ford Motor Со" : V-4 (1,9 dm3 , 2,5 dm3 ); V-6 (2,5 dm3); V-2 и V-4 (4,6 dm3) . Установлено , что около 25 млн. шатунов из ПМ работали без разрушения. Предполагалось также использовать кованные ПМ-шатуны и в новых двигателях V-6 (3dm3, 4,6 dm3) и V-4,8 (5,4 dm3) грузовых автомобилей. Масса ПМ-деталей в двигателе типа V-8 достигает 7 кг. [7]

Фирма "General Motors" использует кованные ПМ-шатуны в двигателе типа V-8 (4,6 dm3 5,7 dm3) модели 1995г. Масса ПМ-деталей составляет 5,46

кг. Фирма "СИп^ег" применяет кованные ПМ-шатуны, изготавливаемые из порошков стали с добавкой 2% меди, в новых двигателях У-4 (2 с!т3, 2,4 <Зт3); масса порошковых деталей в двигателях этой фирмы составляет 2,8 кг. [2, 8]

Таблица 1.1 Мировое производство металлических порошков в 1990-2000 г.г.

Порошок За год, в тыс. т

1990 1995 2000

Железо и низколегированные стали 540 945 1530

Нержавеющие стали 13,5 20 31

Быстрорежущие стали 9 14 18

Медь и сплавы на её основе 43,2 61 90

Алюминий 90 140 225

Никель 19,8 27, 36

Вольфрам (карбид вольфрама) 27 36 41

Таблица 1.2 Средняя масса ПМ-изделий в машинах марки "FORD"

Год 1990 1991 1992 1993 1994 2000

Масса в кг 10,8 12,2 14,4 16,3 17,2 22,6

Таблица 1.3 Средняя масса ПМ-изделий в коробках скоростей машин марки "FORD"

Год 1990 1991 1992 1993 1994 2000

Масса в кг 5,8 6,3 7,2 8,1 9,5 13,6

Таблица 1.4 Выпуск ПМ-продукции в Северной Америке, в 1993 г. [2]

Порошок Конструкционные ПМ-изделия, в тыс.т Другие, в тыс. т Итого, в тыс. т

Железо 10,893 2,728 13,621

Медь и сплавы на её основе 1,452 0,726 2,178

По прогнозам, до 2003г. предполагается, что 15-20% всех шатунов для автомобильных двигателей будут изготавливаться ковкой порошковых деталей.

В Северной Америке уделяется большое внимание разработке и производству ПМ-подшипников нового типа. <t>HpMa"Zenith Sintered Products,Ins." Недавно заключила 7-летний контракт с фирмой "General Motors" о выпуске подшипников с новой манжетой из стального порошка для двигателей типа V-8. На их изготовление ежегодно будет расходоваться около 5 тыс. т стального порошка. Фирма "Chrysler" планирует использовать подшипники с манжетой из порошков стали взамен подшипников с чугунной манжетой в новом двигателе V-8 (2,7 dem3), а фирма Ford Motor Со" для двигателя V-6(3,0 dem3) иУ-8(2,7 dem3) [9]

В Южной Америке ПМ развита в значительно меньшей степени, чем в Северной Америке. Основным потребителем ПМ-изделий здесь также является автомобильная промышленность: на её долю приходится около 70% продукции, далее следуют бытовая техника и оргтехника. Среди южноамериканских стран автомобильная промышленность наиболее развита в Бразилии (7 автомобильных фирм) и Аргентине (3 фирмы). Из 20 фирм -изготовителей ПМ-продукции, 8 расположены в Бразилии и 4 в Аргентине; 3 фирмы выпускают конструкционные изделия, одна - подшипники. Кроме того, несколько бразильских фирм изготавливают изделия из карбида вольфрама и тяжёлых сплавов на основе вольфрама. [2,10] ПМ-изделия выпускают также в

Парагвае, Венесуэле и Боливии, однако сведений о состоянии данной отрасли промышленности в этих странах очень мало.

В Западной Европе развивается высокими темпами производство ответственных и тяжелонагруженных особо точных ПМ деталей. Развитие ПМ направлено на получение новых материалов, которые обеспечивают оптимальное сочетание технологии получения структурных и эксплутационных характеристик готового изделия. По данным ЕРМА во второй половине 80-тых годов среднегодовой прирост производства ПМ-продукции в Западной Европе был равен 3-5%. Полагают, что к 2000г. он увеличится до 4-7% (таблица 1.5). Этому, в частности, способствует значительное повышение спроса на ПМ-изделия со стороны автомобильной промышленности, потребляющей в настоящее время до 80%) такой продукции (таблица1.6). Объём выпуска порошковых изделий в Западной Европе в два раза меньше, чем в Северной Америке , и примерно такой же, как в Японии. Но в западноевропейском легковом автомобиле в среднем содержится только 4,7 кг ПМ-изделий по сравнению с 5,9 кг в японском и 12,3 кг в североамериканском. Такую ситуацию можно объяснить разными подходами в Европе и Северной Америке к использованию в автомобилестроении ПМ-изделий взамен традиционных. В США внедряются новые изделия с адекватными техническими характеристиками при одинаковой их стоимости с традиционными. Порошковая металлургия рассматривается как процесс серийного изготовления дешёвых изделий путём простого прессования и спекания при средних температурах. В Европе при замене традиционных деталей новыми упор делается на достижение более высоких механических характеристик ( в частности, более высокой плотности). С этой целью применяются дорогостоящие легирующие добавки и высокие температуры спекания. Это, в свою очередь, делает необходимым калибрование готовых

изделий, что влечёт за собой значительное удорожание процесса изготовления ПМ-изделий и, следовательно, повышает их стоимость. Так цена средней ПМ-детали в Западной Европе составляет 9$, а в США-6$. Это является причиной менее широкого использования ПМ-изделий в автомобилях производства Западной Европы. Таким образом при условии снижения трудоемкости калибровочных операций, последние позволяют повысить качество ПМ-деталей. Структуру потребления ПМ-изделий и поставки металлических порошков в Западной Европе можно проследить по данным таблиц 1.7 и 1.8. В отличие от других стран Западной Европы, в Италии рост производства ПМ-продукции достигнут благодаря широкому использованию ПМ-деталей в машиностроении, в частности, в электроинструментах. Из 18000т ПМ-продукции, изготовленной в 1994г., 16000т составляли изделия из порошков железа и 1400 т - изделия из бронзы и нержавеющей стали.

Таблица 1.5 Выпуск ПМ-продукции в Западной Европе [ 10 ]

Продукция Объем выпуска (1992 г.) в тыс.т Ежегодный прирост (1985-1990) Оцененный объём выпуска к 2000 г., в тыс. шт. Оцененный прирост (1991-2000), в%

Конструкционные изделия 96,0 3-5 135,0 4-7

Твердые сплавы 5,4 0-0,5 6,25 0,5-2

Полуфабрикаты 20,0 30-50 45,0 10-20

Таблица 1.6 Объемы производства конструкционных ПМ-изделий из порошков железа в западной Европе (по состоянию на 1992 г.) [2]

Страна Потребление (в тыс. т)

Австрия 5,00

Бельгия 1,00

Франция 9,00

Германия 27,00

Италия 13,00

Скандинавский район 2,00

Испания 12,00

Швейцария/Лихтенштейн 5,00

Турция 2,00

Великобритания 11,00

Таблица 1.7 Поставки металлических порошков в Западной Европе

в 1992 -1994 годах (в тыс. т)

Порошок 1992 1993 1994

Железо и сталь 92,9 70,3 93,6

Медь и сплавы на её основе 9,5 9,7 13,05

Таблица 1.8 Структура потребления ПМ- изделий в Западной Европе в

1992-1994 годах (в %)

Область применения Год

1992 1994

Автомобилестроение 77 80

Общее машиностроение 17 15

Электрооборудование и бытовая техника 4 3

Прочие 2 2

Среди Скандинавских стран порошковая металлургия наиболее развита в Швеции. Вместе со своими зарубежными филиалами шведские фирмы владеют 50% мировых мощностей по выпуску порошков железа, 70% по выпуску стальных порошков и 40% мощностей по производству твёрдых сплавов. Ежегодно поставки железных и стальных порошков в Швеции составляют более ЮОтыс.т. Шведская фирма "Е^апаБ АВ" является наибольшим мировым поставщиком порошков железа. Фирма постоянно улучшает свои технологии, как в производстве новых типов порошков, так и в области новых производственных ПМ-процессов. Например: запатентованный в 1994г. "АпсогёепБе" (технология теплового прессования) позволяет за одну стадию уплотнения получить дешёвые изделия из порошков железа с высоким и улучшенными ударными и усталостными свойствами.

В Советском Союзе до 1990г. ПМ-изделия были разнообразными и объём выпуска был довольно значительным - 72000т [2]. Упор делался в большей мере па технические характеристики, чем па повышение конкурентноспособности на рынке. К тому же большая часть разработок в

области ПМ предназначалась для военной промышленности. Все эти факторы привели к глубокому кризису порошковой металлургии в Восточной Европе в настоящее время. Производство ПМ-изделий в странах СНГ с 1990 по 1994г. снизилось почти на половину и продолжает падать. Можно предположить, что стабилизация политической ситуации в странах Восточной Европы, преодоление кризиса в экономике, упрощение процесса изготовления изделий снижение их себестоимости будут способствовать расширению области применения ПМ-продукции.

Аналогичное положение сложилось и в Болгарии. В конце 80-х годов ежегодно производилось 2500т продукции из порошков железа, а в 1993г. -200