автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Получение карбидостали "быстрорежущая сталь-карбид титана" горячей штамповкой спрессованных ударным способом пористых заготовок на основе неформующихся порошков

На правах рукописи

ДМИТРЕНКО Дмитрий Валерьевич

ПОЛУЧЕНИЕ КАРБИДОСТАЛИ «БЫСТРОРЕЖУЩАЯ СТАЛЬ - КАРБИД

ТИТАНА» ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКОЙ СПРЕССОВАННЫХ УДАРНЫМ СПОСОБОМ ПОРИСТЫХ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ НЕФОРМУЮЩИХСЯ

ПОРОШКОВ

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Новочеркасск - 2014

005554314

005554314

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Свистун Лев Иванович

Официальные оппоненты: Довыденков Владислав Андреевич, доктор

технических наук, профессор кафедры «Машиностроения и материаловедения», Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».

Литвинова Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение и прикладная механика», Волгодонский инженерно-технический

институт - филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Ведущая организация Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Защита состоится 17 декабря 2014 года в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» в 149 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» или на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 29 » октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук Б.М. Середин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В машиностроительных отраслях России имеется большая номенклатура конструкционных и инструментальных деталей, которым необходимы износостойкие свойства для достижения определенных требований к долговечности, надежности, экономичности. Уровень требований обусловливается работой материалов при высоких и низких температурах, в агрессивных средах и вакууме, при больших скоростях и нагрузках, без смазки.

Во многих случаях перечисленным требованиям удовлетворяют карбидо-стали, представляющие собой композиционные материалы с матрицей из легированных сталей и твердых дисперсных включений из карбидов с массовой долей до 50 %. Эти материалы широко применяют в узлах трения машин и механизмов, из них изготавливают режущий инструмент и инструмент для обработки материалов давлением. В России и за рубежом (Украине, Эстонии, США, Японии) проведены научно-исследовательские работы по созданию различных карбидосталей с применением технологических методов, которые позволяют обеспечить оптимальные структуру и фазовый состав материалов: жидкофазное спекание, горячее прессование, горячее изостатическое прессование (ГИП). В США, Японии, Германии основное внимание уделялось технологиям жидко-фазного спекания.

Однако разработанные технологические процессы получения карбидосталей имеют определенные недостатки. Технология «ГИП/экструзия» требует применения дорогостоящего специализированного оборудования и обеспечивает получение только крупногабаритных (длинномерных) заготовок. Жидкофазное спекание сопровождается значительным ростом зерна металлической связки. Технология горячей штамповки спеченных заготовок не позволяет обеспечить формирование качественных границ между сталью и карбидными включениями, что связано со структурной деградацией приконтактной зоны в процессе спекания.

С точки зрения экономики технологического процесса, определенной альтернативой разработанным методам может стать технология горячей штамповки неспеченных заготовок, которая, как известно, апробирована в Японии при изготовлении изделий из порошков быстрорежущих сталей. Горячая штамповка неспеченных заготовок обеспечивает получение деталей простой и сложной формы без припуска на обработку с заданной плотностью и прочностью.

Таким образом, комплексное исследование закономерностей процессов подготовки порошков и горячей штамповки неспеченных заготовок карбидоста-лей, направленное на создание научно-обоснованной технологии, предусматривающей использование промышленного стандартного оборудования и обеспечивающей получение износостойких материалов и изделий с повышенными свойствами, является актуальной научной и практической задачей в сфере порошковой металлургии.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной темы 4.02.06-10 «Разработка и освоение новых технологических процессов получения и производства деталей с особыми физико-механическими свойствами» и №4.1.11-15 «Повышение производительности и надежности автоматизированных технологических комплексов» кафедры «Систем управления и технологических комплексов» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» в 2007-2014 гг.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - повышение эффективности процесса производства карбидосталей «быстрорежущая сталь -карбид титана» горячей штамповкой пористых заготовок, полученных холодным ударным прессованием неформующихся порошков.

Для достижения цели сформулирован ряд задач, решение которых изложено в настоящей работе:

• установить закономерности шихтоприготовления карбидостали в аттриторе для последующего ударного формования и определить физические, химические и технологические свойства полученной шихты;

• изучить особенности формования неспеченых заготовок при ударном прессовании неформующихся порошков без использования связок;

• установить закономерности и технологические параметры ударного прессования неформующихся порошков карбидостали с последующей горячей штамповкой заготовок;

• выявить особенности структурообразования и фазовый состав карбидостали при горячей штамповке пористых заготовок, полученных ударным прессованием неформующихся порошков без использования связок;

• определить физико-механические свойства карбидостали, полученной горячей штамповкой пористых заготовок, спрессованных методом ударного прессования неформующихся порошков без использования связок;

• разработать и проверить на практике технологию производства конструкционных изделий с износостойкими свойствами методом горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием неформующихся порошков без использования связок.

Методы исследования и достоверность результатов.

При выполнении работы использовали оригинальные и стандартные методы исследования исходных и готовых материалов, процессов и способов производства.

Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных измерительных средств и современного оборудования. Достоверность полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается применением фундаментальных принципов физического материаловедения, механики, математики и прикладного программирования. Научные положения и выводы подтверждены экспериментальным материалом.

Основные положения, выносимые автором на защиту.

• оптимальное соотношение компонентов шихты для ударного холодного прессования заготовок карбидостали;

• особенности ударного холодного прессования неформующихся порошков карбидостали без использования связок;

• результаты исследования уплотняемости шихты карбидостали при ударном холодном прессовании без использования связок;

• результаты исследования структурообразования, фазового состава, физико-механических свойств карбидостали при горячей штамповке пористых заготовок, полученных ударным прессованием неформующихся порошков без использования связок;

• технологию производства конструкционных изделий с износостойкими свойствами методом горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием неформующихся порошков без использования связок.

Научная новизна.

1. Показано, что в отличие от статического ударное прессование неформующихся порошков компонентов карбидостали обеспечивает возможность получения пористых заготовок с достаточной технологической прочностью для последующей горячей штамповки с минимальным количеством дефектов, что

объясняется локализацией выделяющегося тепла и жидкой фазы в приконтакт-ных межчастичных участках.

2. Установлена необходимость проведения операции подпрессовки свободно насыпанной шихты карбидостали перед ударным прессованием. Предварительная подпрессовка, в отличие от известных способов холодного формования пористых заготовок неформующихся порошков, выполняет функцию стабилизации объема дискретной среды, сопровождается перегруппировкой частиц шихты, что определяет направление течения уплотняемого материала и распределение плотности в пористой заготовке.

3. Получены кривые уплотняемости шихты карбидостали при ударном холодном прессовании, отличающиеся от ранее изученных отсутствием связки.

4. Установлено оптимальное соотношение компонентов шихты для ударного холодного прессования заготовок карбидостали «быстрорежущая сталь -карбид титана», отличающееся учетом волнового характера нагружения агломератов частиц порошков карбида титана и быстрорежущей стали. Соотношение компонентов «карбид титана / быстрорежущая сталь» выбирается в интервале 1/9-1/11, что обеспечивает повышение однородности шихты на 10-15%.

5. Показано, что в отличие от горячей штамповки заготовок карбидоста-лей в пористых оболочках горячая допрессовка заготовок после ударного холодного прессования обусловливает формирование структуры с равномерно распределенными цепочками мелкодисперсных включений карбида титана, не коалесцирующими между собой.

Практическая значимость.

Разработан метод получения пористых заготовок карбидосталей ударным холодным прессованием шихт на основе неформующихся порошков в свободно насыпанном или подпрессовапном состоянии для последующей горячей штамповки. Метод обеспечивает получение пористых заготовок с минимальным количеством дефектов, и позволяет не использовать связки и оболочки, что повышает технико-экономические показатели процесса производства изделий. Данным методом получена износостойкая порошковая карбидосталь «быстрорежущая сталь - карбид титана», использование которой при изготовлении детали «Кольцо гидропяты» обеспечило повышение ее функциональных и технологических свойств.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась на кафедре систем управления и технологических комплексов Кубанского государст-

венного технологического университета. Основные научные и практические результаты диссертации представлялись на всероссийских и международных конференциях:

XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризм, январь-март 2009 года, г. Краснодар; всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009», декабрь 2009 года, г. Новочеркасск, работе присвоен Диплом 1 степени; международной на-учио-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ'2009), 24-26 июня 2009 года, г. Санкт-Петербург; научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», 2010 год, г. Брянск; научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», 2011 год, г. Брянск; научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», 2012 год, г. Брянск; международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», 1 февраля 2013 года, г. Орск.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 работ (в том числе четыре статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень ВАК РФ), получены два патента на полезную модель и один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (120 наименований) и приложений. Общий объем диссертации составляет 164 страницы машинописного текста и содержит 72 рисунка, 17 таблиц, 1 приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, показаны ее актуальность, новизна и практическое значение, указана связь диссертации с научной тематикой, сформулирована цель и определены задачи исследований.

В первой главе изучено современное состояние исследований и методов производства карбидосталей. Карбидостали являются композиционными материалами, которые образуют объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Они отличаются свойст-

вами, которыми не может обладать ни один из компонентов, взятый в отдельности. В СССР разработкой и исследованиями карбидосталей занимались С.С. Кипарисов, В.К. Нарва, Г.А. Меерсон, Я.П. Кюбарсепп, Ю.Г. Гуревич, Ю.Г. Дорофеев. Карбидостали производят методами жидкофазного спекания, горячего изостатического прессования, горячей экструзии, горячей штамповки.

Использование метода горячей штамповки промышленностью объясняется возможностью получения высокоплотных изделий сложной формы и снижением стоимости процесса по сравнению со штамповкой заготовок из проката. Наиболее важными факторами, снижающими стоимость, являются уменьшение числа ударов при штамповке до одного; снижение давления и температуры штамповки; большая стойкость штампов; уменьшение отходов материала; уменьшение или отсутствие отделочных операций; повышение надёжности работы оборудования. В связи с этим, целесообразнее штамповать заготовки, которые имеют минимальную плотность (в идеальном случае - свободно насыпанный порошок). Это возможно осуществить если порошок поместить в оболочку. Для некоторой номенклатуры изделий из порошковой неформующейся карбидостали это сделать невозможно. Поэтому необходимо применять различные методы получения пористой заготовки под штамповку. В диссертационной работе выбран метод ударного прессования пористой заготовки из неформую-щихся порошков, который обеспечивает возможность получения прессовки с необходимой плотностью и прочностью для последующей горячей штамповки.

В 60-х - 80-х гг. прошлого столетия особенности процесса ударного холодного прессования были изучены в работах сотрудников Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, а также в трудах представителей Новочеркасской школы порошковой металлургии. В последнее время на Западе получил развитие метод высокоскоростного уплотнения (high velocity compaction), который представляет собой одну из разновидностей ударного холодного прессования. Анализ имеющихся литературных данных показывает, что применительно к получению карбидосталей из неформующихся порошков возможность использования ударного холодного прессования, как метода производства заготовок под последующую горячую штамповку, подробно не изучался.

В конце главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описано экспериментальное оборудование и методики исследования физико-механических и технологических свойств порошков и по-

рошковой шихты (гранулометрический состав, удельная поверхность, текучесть, прессуемость, пористость), а также изделий из карбидостали (структура, упругопластические свойства, износостойкость).

Наиболее эффективным методом измельчения порошков твердых и хрупких материалов является размол в аттриторе. Спроектирован и изготовлен лабораторный аттритор с объемом рабочей камеры 500 см3 и частотой вращения мешалки от 0 до 2000 мин"1.

Свойства порошковой шихты карбидостали исследовали на оптическом микроскопе с анализатором изображений SIAMS-600 и SK Laser Micron Sizer, обеспечивающих автоматический расчет среднего размера частиц (диаметра Фере) и количественного или объемного их распределения по фракциям.

Для исследования фракционного состава порошковой шихты карбидостали и равномерности распределения карбида в ней применялся метод компьютерного имитационного моделирования процесса укладки полидисперсных частиц порошков, разработанный в Луцком государственном техническом университете HAH Украины.

Микроструктуру, фазовый и химический состав карбидостали и ее частиц изучали на электронном микроскопе JSM 7500F.

Для исследования энергосиловых параметров ударного прессования и штамповки карбидосталей разработана экспериментальная установка, которая включает: копёр с ускорителями, позволяющий провести исследования в диапазоне скоростей нагружения от 1 до 20 м/с; устройства для измерения скорости и пути движения ударника и пуансона, а также измерения усилий прессования. Установка позволяет проводить комплексные исследования процесса ударного прессования металлических порошков, и, в частности, порошков карбидосталей.

Для исследования механических свойств штампованной карбидостали, таких как поперечный изгиб и ударная вязкость, применены стандартные методики; для определения упруго-пластических свойств (твердость по Мейеру, модуль Юнга, характеристика пластичности) использован метод локального нагружения жестким индентором.

Третья глава посвящена изучению процесса приготовления шихты карбидостали, размолу в аттриторе исходных порошков составляющих карбидостали и их смесей, а также теоретическому описанию процесса ударного прессования неформующихся порошков карбидостали.

В работе установлено, что при размере частиц твердой составляющей шихты порядка 2 мкм рекомендуется выдерживать средний размер частиц металлической составляющей порядка 20 мкм. Предварительный размол порошка карбида титана до заданной фракции в технологическом цикле приготовления позволяет обеспечить оптимальное соотношение размеров частиц шихты карби-достали.

Форма размолотых частиц карбида титана с размером порядка 1..3 мкм сглаженная, форма крупных частиц быстрорежущей стали с размером 20..30 мкм - несимметричная, в основном, сглаженная. Округлость и сглаженность формы частиц является причиной неформуемости порошков, а их мелкодис-персность обусловливает отсутствие текучести. При установленных режимах размола шихты карбидостали получены следующие химические и технологические свойства: содержание кислорода 0,64 масс. %; прессуемость - 4,35 г/см3; насыпная плотность - 1,76 г/см3; порошок не формуется и не течет.

Приготовление шихты карбидостали осуществлялось по двум технологиям: 1 - совместный размол исходных порошков быстрорежущей стали и карбида титана; 2 - предварительный размол карбида титана до заданного размера ¡...3 мкм, затем совместный размол стали и карбида титана. Вторая технология, рисунок 1, обеспечивает возможность контроля верхнего размера частиц карбида титана и рекомендуется для промышленного использования.

Основной задачей теоретического анализа процесса ударного прессования

является выбор физической модели по- Рисунок 1 - Схема техпроцесса ристого порошкового тела и её математи- приготовления шихты карбидоста-ческого описания.

ли

Изучены особенности уплотнения порошка карбидостали, произведен выбор физической и математической модели, исследованы величины деформации порошкового тела, скорость прессования, возникающие напряжения, произведен расчёт начальной скорости нагружения.

В работе выбрана физическая модель уплотняемого тела (модель Праге-ра), учитывающая эффект запаздывания материала на ударную нагрузку, и дана её математическая интерпретация для случая ударного прессования порошка карбидостали. На основе модели разработан метод теоретического исследования напряжений, скорости нагружения, деформации уплотняемого порошкового тела и установлено уравнение для определения начальной скорости удара, учитывающее не только зависимость её от заданной плотности порошкового изделия, но и от соотношения масс ударника и прессуемого порошка.

Установлена применимость формулы определения начальной скорости нагружения Уц, м/с при ударном прессовании

М - масса ударника, г; т - масса пуансона, г, @к — конечная плотность порошка, г/см3, вц - начальная плотность порошка, г/см , ост — статический предел текучести, МПа.

В случае статического прессования основным параметром воздействия на порошок является величина давления прессования, которая определяется по известным характеристикам уплотняемости или теоретически. Ударное прессование отличается от статического прессования тем, что в качестве основных параметров воздействия выступают скорость и массы ударника и пуансона.

Формула (1) позволяет по известной массе порошка карбидостали, массам ударника и пуансона, начальной и конечной плотности брикета, пользуясь лишь данными по уплотняемости порошков, рассчитать необходимую скорость удара для получения прессовки заданной плотности.

Установлено, что прессование свободно насыпанного порошка карбидостали приводит к повторным соударениям в процессе прессования вследствие различных послеударных скоростей пуансона и ударника. Способом устранения повторных соударений является подпрессовка порошка.

Четвертая глава посвящена исследованию процессов ударного прессования карбидосталей. Экспериментальные исследования проведены с целью выявления отличия в значениях энергосиловых параметров процессов ударного прессования карбидосталей предварительно подпрессованного и свободно на-

(1)

сыпанного порошков. Кроме того, произведено сравнение расчётных и экспериментальных значений начальной скорости нагружения для установления границ применимости формулы (1).

При одних и тех же условиях ударного нагружения (одинаковая скорость нагружения и, соответственно, одинаковая совершённая работа), в случае уплотнения свободно насыпанного порошка, расчётная плотность брикета в конце процесса уплотнения составила 6,55 г/см3 , подпрессованного - 6,75 г/см3. Вьт-прессованные брикеты имели соответственно плотности 6,25 и 6,55 г/см3. На рисунке 2 показаны кривые нарастания давления прессования (на нижнем пуансоне) от плотности брикета, полученные при различных начальных скоростях нагружения.

Р. та

1250 1000 750 /

/

\ к /

/ /

ЯО 0 / 7

—а J Г^у А,

6 ^г/аг

а - свободно насыпанный порошок: 1 - V = 14 м/с; 2 - V = 16 м/с; 3 - V = 18 м/с; 4 - V = 20 м/с; б — подпрессованный порошок: 1 - V = 14 м/с; 2 -V = 16 м/с; 3 - V = 18 м/с; 4 - V = 20 м/с

jwt»"

Рисунок 2 - Зависимость плотности брикета от давления на нижнем пуансоне

По конечным величинам давлений и плотностей адиабат можно построить графики зависимости плотности от давления при прессовании свободно насыпанного и подпрессованного порошков (рисунок 3). На графиках показана плотность выпрессованного брикета.

1 '

Lá

ЛN

—____

1

т я» 75о /то ¡¡¡о тот Рисунок 3 - Зависимость плотности от давления (нижний пуансон): 1 - свободно насыпанный порошок; 2 - подпрессованный порошок

Графики показывают, что при одинаковом давлении плотность готового изделия получается более высокой в случае ударного прессования подпрессо-ванного брикета. Причины этого в снижении потерь на трение. Снижение усилия трения является положительным фактором: этот эффект улучшает распределение плотности в изделии и повышает износостойкость матриц.

Сравнивая значения работы прессования, подсчитанные по теоретическим значениям скорости нагружения, с общими затратами энергии (рисунок 4), можно видеть, что они отличаются друг от друга на 15 %. Это даёт возможность использовать формулу (1) с достаточной степенью точности при выборе оборудования по характеристике "совершаемая работа".

Ряд1 - расчётные данные; Ряд2 - экспериментальные данные по свободно насыпанному порошку; РядЗ - экспериментальные данные по под-прессованному порошку

Рисунок 4 - Зависимость плотности от скорости нагружения

На рисунке 5 представлены графики распределения плотности по высоте в брикетах, полученных методом ударного прессования свободно насыпанного порошка и с подпрессовкой. Анализируя графики можно утверждать, что предварительная подпрессовка порошка увеличивает плотность брикета на 3-5 % и способствует более равномерному ее распределению на всем диапазоне исследованных высот.

На рисунке 6 показана фотография продольного шлифа изделия. Можно утверждать, что при ударном прессовании не происходит перетекания порошка в радиальном направлении и происходит незначительное смещение порошка в центральной части в осевом направлении. Отсутствие перетекания можно объяснить малой длительностью процесса ударного прессования. Использование

этого эффекта даст возможность получения изделий с практически равномерной плотностью по его объёму.

да я в 17 $ в 1 5 1 3 со 2 / 0 ю д в з 7 г' 1 5 в 4 § з " г 1

•

Ппотмосгь, г/смЗ Плотность, г/смЗ 1 200МКЛ1

а б

Рисунок 5 - Распределение плотности Рисунок 6 - Микроструктура иро-образцов, полученных из: дольного шлифа изделия

а - свободно насыпанного порошка; б - подпрессованного порошка

В работе изучены особенности горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием.

Ключевыми операциями технологического процесса горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием, являются холодное ударное формование заготовки, ее нагрев и последующая штамповка. В сравнении с промышленными технологиями горячей штамповки порошковых изделий, данная схема имеет некоторые особенности. Особенностью изготовления заготовок из размолотой шихты карбидостали, является отсутствие у неё (шихты) текучести и формуемости. Поэтому целесообразно использовать метод холодного ударного прессования заготовок из порошков карбидостали. Особенностью нагрева заготовок под штамповку является необходимость его осуществления в защитной среде (азот, аргон, водород). Рекомендуется температура нагрева до 1170- И90°С. При такой температуре еще не успевает образоваться жидкая фаза.

Установлено, что при горячей штамповке полученных ударным прессованием заготовок формируется структура с равномерно распределенными цепочками мелкодисперсных твердых включений карбида титана. Особенностью структуры является отсутствие значительного диффузионного взаимодействия за счет исключения операции спекания и снижения температуры предцеформа-ционного нагрева, вследствие чего не наблюдается коалесценции мелкодис-

персных частиц карбида титана, как это имеет место в спеченных карбидоста-лях.

Уплотняемость карбидостали при горячей штамповке при температуре 1180 °С пористых заготовок, полученных холодным ударным прессованием не-формующихся порошков изучали на дугостаторном штамповочном прессе усилием 1,6 МН.

На рисунке 7 приведена кривая уплотняемости пористых заготовок, полученных ударным прессованием, в сравнении с пористыми заготовками, полученными с использованием связок (пластификатора). Уплотняемость заготовок, полученных ударным прессованием, выше уплотняемости заготовок, полученных с применением связок.

Это объясняется особенностями уплотнения шихты карбидостали при ударном формовании пористых заготовок. Волновой характер уплотнения приводит к тому, что мелкие карбидные частицы равномерно распределяются в объеме формуемой заготовки между частицами матричного материала (быстрорежущей стали). Это приводит к образованию цепочек карбидных частиц не коалесцирующих между собой, поэтому, частицы карбида распределяются мак-

горячая штамповка заготовок, полученных ударным прессованием

—»—Горячая штамповка

заготовок, полученных с

пластификатора

Линейная(Горячая штамповка

заготовок, полученных ударным прессованием)

--- Линейная(Горячая

штамповка

заготовок, полученных с использованием пластификатора)

Рисунок 7 - Кривые уплотняемости при горячей штамповке пористых заготовок карбидосталей

Выявлены особенности сгруктурообразования и свойств карбидосталей, полученных горячей штамповкой заготовок после ударного прессования не-формующихся порошков.

симально компактно.

у = 0,004х + 2,*еа-

400 600 ВОО 1000 Давление. МПп

Текстура металла-основы и измельченное зерно твердой составляющей являются отличительными особенностями структуры карбидостали, полученной по технологии горячей штамповки пористых заготовок, спрессованных холодным ударным прессованием. Рисунок 8 - Микроструктура карбидостали

В структурах сталей на границе зерен металла имеются отдельные светлые прослойки (рисунок 8). Эти прослойки представляют собой закристаллизованную оксикарбидную жидкую фазу. В состав прослоек, как правило, входят хром, ванадий, железо, вольфрам, молибден и их карбиды.

При вакуумном жидкофазном спекании (1280 °С) на границе «сталь -карбид» образуется кольцевая переходная зона. Образование этой зоны обусловлено появлением (уже при температуре ИЗО °С) жидкой фазы и ее последующей кристаллизацией. Происходит активное диффузионное взаимодействие между соседними частицами и, соответственно, переход в зерна карбида титана легирующих элементов быстрорежущей стали, таких как вольфрам, молибден, и ванадий и др. При этом наблюдается обезуглероживание зерен карбида титана. Механизм этого процесса изложен в работах Кипа-рисова С.С., Нарвы В.К. и других исследователей.

При горячей штамповке пористых заготовок карбидостали такая зона не образуется.

Анализируя микроструктуру карбидостали, полученной горячей штамповкой пористых заготовок спрессованных ударным способом (рисунок 9), можно утверждать, что, аналогично горячештамлованной карбидостали в пористой оболочке, переходная зона «сталь - карбид» не образуется. Это объясняется более низкой температурой нагрева заготовок под штамповку и кратковременным характером их термической обработки (нагрев, выдержка). При этом значительные диффузионные процессы на границах зерен «сталь -карбид» пройти не успевают. На основании приведенных результатов можно предположить, что прочность закрепления зерен карбида титана в матрице будет больше по сравнению с материалом, полученным традиционным мето-

дом порошковой металлургии. Еще одно преимущество заключается в отсутствии потерь углерода из зерна карбида титана, что сохраняет его высокие физические и функциональные свойства.

Рисунок 9 - Структура горячештампованной карбидостали, полученной из заготовок спрессованных ударным способом, вокруг частицы карбида титана

Оценка химического состава полученной карбидостали проведена при помощи энергодисперсионного анализа (рисунок 10).

Обработка спектра 3

Элемент Массовый %

ск 9,4

ОК 0,72

Т|К 16,75

V к 2,41

СгК З.У6

МпК 0.16

Ре К 51,67

Со К 5.03

Мо Ь 3,39

\УМ 6,51

Итого 100.00

Рисунок 10 - Результаты анализа элементного состава карбидостали

Определены упругопластические характеристики карбидостали (таблица 1).

Результаты исследований дают основания говорить о повышении упругих свойств карбидостали (НМ, Е) с увеличением ее плотности и твердости, при соответствующем снижении пластичности.

Таблица 1 — Упругопластические свойства горячештампованной карбидоста-ли «быстрорежущая сталь Р6М5К5 -TiC» после отжига__

№ исиытания Образец 1 (подпрессованный порошок) pi = 6,76 г/см3, 35...37HRC-, Образец 2 (свободно насыпанный порошок) Р2 = 6,35 г/см', 26...30HRC3

НМ, ГПа Е, ГПа 5 НМ, ГПа Е, ГПа S

1 17,563 345,303 0,627 8,749 235,738 0,749

2 15,772 357,235 0,668 8,636 291,026 0,739

3 16,483 346,517 0,668 8,169 276,125 0,757

4 15,416 383,647 0,646 8,354 247,224 0,756

5 14,579 333,942 0,676 8,786 283,160 0,761

6 14,710 351,298 0,638 8,886 266,530 0,765

7 13,815 321,095 0,657 - - -

Среднее значение 15,490 348,433 0,655 8,599 266,644 0,758

Изучение физико-механических свойств карбидосталей (плотности, твердости), полученных по различным технологиям, показало: прочностные свойства (прочность, ударная вязкость) закаленной карбидостали, полученной горячей штамповкой пористых заготовок, спрессованных ударным способом, превышают свойства карбидосталей, полученных методами жидко-фазного спекания и горячей экструзии при схожем химическом составе. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические свойства карбидосталей

Технология изготовления Плотность, г/см3 Твердость Прочность на изгиб, МПа Ударная вязкость, кДж/м2

Горячая штамповка заготовок в пористых оболочках, Тшт= 1180 °С 6,98 68... 70 HRC0 1920... 1940 51,6...52,2

Горячая штамповка заготовок, полученных ударным способом, Ту= 1180 °С 6,85 68... 70 HRC3 1840... 1860 43...45,5

Жлдкофазное спекание, Тс„ = 1280 °С 7,12 68...70 HRC3 1650.. .1670 23,2...26,8

ГИП / горячая экструзия, Т,= 1150 °С 7,15 88...89HRA 1400... 1700 30...40

Износостойкость карбидостали изучали при помощи универсальной машины трения модели 2070 СМТ-1. Данная машина позволяет провести испытания но двум схемам: контакт по цилиндрической поверхности и контакт

по «линии». Параметры испытаний: сухое трение при скорости скольжения 1 м/с. Контртелом выступала закаленная до твердости 60...62 HRC-j быстрорежущая сталь Р18.

Результаты испытаний на трение и износ горячештампованной и спеченной карбидосталей приведены в таблице 3.

Учитывая результаты испытаний физико-механических свойств горячештампованной карбидостали, полученной из пористых заготовок спрессованных ударным способом, можно рекомендовать её к применению взамен аналогичных карбидосталей, полученных спеканием и горячей экструзией.

Таблица 3 - Сравнительные характеристики износостойкости

Материал Удельная Дснствнн- Вееовой нзнос Линейный

нагрузка тсльная м г/км нзнос образ-

р, МНа нагрузка Р, кг ца мкм/км

образец контртело

Горяче- 1 5 0,28 4,1 0,6

штампованная 2 10 0,42 6,1 1,1

карбидосталь, 3 15 0,51 7,1 1,3

р = 6,76 г/см'1; 4 20 0,87 9,2 2,2

63-66 HRC

после закалки

Спеченная кар- 1 5 0,31 4,2 0,7

бидосталь 2 10 0,51 6,0 1,1

р = 7,03 г/см3; 3 15 0,62 7,6 1,6

62-65 HRC 4 20 1,02 10,2 2,6

после закалки

В пятой главе изложены аспекты практического использования результатов исследований.

Для практической оценки применимости технологии получения износостойкой горячештампованной порошковой карбидостали из пористых заготовок, полученных методом ударного прессования неформующихся порошков без использования связок, выбрана деталь «Кольцо гидропяты», выполняющая роль торцевой опоры центробежного насоса для поддержания пластового давления при добыче нефти. Были рассмотрены три способа получения указанной детали: 1 - горячая штамповка двухслойной кольцевой детали (с верхним износостойким слоем, спрессованным ударным способом) с оболочкой прямоугольной формы с последующей механической обработкой до заданных размеров (получен патент РФ на изобретение); 2 - горячая штамповка двухслойной кольцевой

детали (с верхним износостойким слоем, спрессованным ударным способом) с оболочкой переменного сечения без применения механической обработкой до заданных размеров (получен патент РФ на полезную модель); 3 - установкой в обработанную механическим способом металлическую матрицу равномерно расставленных горячештампованных износостойких цилиндрических вставок. Последний способ наиболее целесообразен при опытном и единичном производстве. Его технологический процесс включает следующие операции: предварительная подготовка порошка карбида титана до фракции 2...3 мкм; совместный размол/смешивание порошков быстрорежущей стали и карбида титана с последующим отжигом шихты; изготовление пористой заготовки под штамповку ударным способом; нагрев пористой заготовки (1180 °С); горячая штамповка пористой заготовки до плотности 6,86...6,88 г/см3; закалка изделия из карбидо-стапи при температуре 1200 °С до твердости 68...70 HRC3 с последующим отпуском до твердости карбидостали 63 - 66 HRC,; сборка готового изделия с его механической обработкой. -

Результаты опытно-промышленных испытаний деталей «Кольцо гидропяты», изготовленных по описанной технологии, показали увеличение на 30 % наработай насоса до замены торцевой опоры по сравнению с применением колец гидропяты, изготовленных промышленными методами порошковой металлургии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан и апробирован метод получения пористых заготовок карби-достапей ударным холодным прессованием шихт на основе неформующихся порошков в свободно насыпанном или подпрессованном состоянии для последующей горячей штамповки. Метод обеспечивает получение пористых заготовок с минимальным количеством дефектов, не предполагает использование связок и оболочек, что повышает технико-экономические показатели процесса производства изделий.

2. Разработана экспериментальная установка комплексных исследований энергосиловых параметров высокоскоростного прессования и штамповки кар-бидосталей, которая включает: копёр с ускорителями, позволяющий провести исследование в диапазоне скоростей нагружения от 1 до .20 м/с; устройства для

измерения скорости и пути движения соударяющихся частей, измерения усилий прессования.

3. Установлено, что прессование свободно засыпанного порошка карби-достали приводит к повторным соударениям в процессе прессования вследствие различных послеударных скоростей пуансона и ударника. Способом устранения повторных соударений является подпрессовка порошка.

4. Показано, что предварительная подпрессовка порошка карбидостали снижает потери на трение и за счёт этого обеспечивает более высокую плотность по сравнению с ударным прессованием свободно насыпанного порошка.

5. Установлено, что коэффициент бокового давления при ударном прессовании предварительно подпрессованного порошка карбидостали ниже, чем у свободно насыпанного порошка, что снижает усилие выпрессовки изделия из матрицы.

6. Предложено, при размере частиц твердой составляющей шихты порядка 2 мкм, выдерживать средний размер частиц металлической составляющей порядка 20 мкм. Учитывая, что после размола твердая составляющая в наибольшей степени состоит из частиц фракции 2...3 мкм, то следует ограничить размер частиц металлической составляющей до 20. ..30 мкм.

7. Выведена зависимость уплотняемости пористых заготовок карбидостали, полученных ударным холодным прессованием, при горячей штамповке при температуре 1180 °С. Эту зависимость можно рекомендовать при выборе рабочих давлений горячей штамповки карбидосталей для конструкционных изделий.

8. Установлено, что при горячей штамповке предварительно подготовленных ударным прессованием заготовок получается структура с равномерно распределенными цепочками мелкодисперсных твердых включений карбида титана. Особенностью структуры является отсутствие значительного диффузионного взаимодействия, что обусловлено исключением операции спекания и снижением температуры и длительности преддеформационного нагрева. Это предотвращает коалесценцию мелкодисперсных частиц карбида титана, как это имеет место в спеченных карбидосталях.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Дмитренко Д.В. Технология получения карбидостали горячей штампов-

кой пористых заготовок, полученных ударным прессованием, на основе нсформующнхся порошков / Д.В. Дмитренко // Политсматический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №07(101). - IDA [article ID]: 1011407163. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/163.pdf, 1,063 у.п.л.

2. Свистун Л.И., Павлы го Т. М., Дмитренко Д.В. Технология приготовле-

ния шихт крабидосталей //Порошковая металургия и функциональные покрытия. - 2011. - № 1. - С. 8 - 13.

Svistun L.I., Pavlygo Т.М., Dmitrenko D.V., Preparation Technology of Carbide Steels // Russian Journal of Non Ferrous Metals, 2013, Vol. 54, No. 1, pp. 7984.

3. Свистун Л.И., Дмитренко Д.В., Пломодьяло Р.Л., Сердюк Г.Г. Структура

и свойства горячештампованного композита «быстрорежущая сталь — карбид титана» II Порошковая металургия и функциональные покрытия. - 2009.-№ 1. - С. 29 - 33.

4. Свистун Л.И., Павлыго Т.М., Дмитренко Д.В. Структура и свойства ком-

позита быстрорежущая сталь Р6М5К5 - карбид титана в горячештам-пованном двухслойном изделии // Металлы. - 2009. - № 3. - С. 68 - 73. Svistun L.I., Pavlygo Т.М., Dmitrenko D.V. Structure and Properties of an R6M5K5 High-Speed Steel-Titanium Carbide Composite in the Form of a Hot-Forged Bilayer Product //Russian Metallurgy (Metals), Vol. 2009, No. 3, pp. 237-241.

5. Свнстун Л.И., Павлыго T.M., Дмитренко Д.В. Технология горячей штам-

повки порошков карбидосталей типа «легированная сталь — карбид» // Технология металлов. - 2009. - №6. — С. 30 - 35.

6. Пломодьяло Р.Л. Устройство для изготовления двухслойных заготовок из не-

формующихся порошков карбидоматериалов в оболочке сложной формы: Патент на полезную модель №137215. RU, МПК B22F 3/03 В30В 11/02 / Пломодьяло Р.Л., Дмитренко Д.В.; заявка №2013116635/02; заявитель ООО «КСДП»; заявл. 11.04.2013; опубл. 10.02.2014//Бюл.№ 4.

7. Свистун Л.И. Способ изготовления заготовок из неформующегося порошка

карбидостали в оболочке и устройство для его осуществления: Патент на изобретение №2369465. RU, МПК B22F 3/02 В30В 7/02 / Свистун Л.И., Пломодьяло Р.Л., Дмитренко Д.В., Сердюк Г.Г., Павлыго Т.М.; заявка №2007120826/02; заявитель ГОУ ВПО «КубГТУ»; заявл. 04.06.2007; опубл. 10.10.2009//Бюл.№ 28.

8. Свистун Л.И. Устройство для изготовления заготовок из неформующегося

порошка карбидостали в оболочке: Патент на полезную модель №67494. RU, МПК B22F 3/00 B22F 3/03 / Свистун Л.И., Пломодьяло Р.Л., Дмитренко Д.В., Сердюк Г.Г., Павлыго Т.М.; заявка №2007125029/22; заявитель ГОУ ВПО «КубГТУ»; заявл. 02.07.2007; опубл. 27.10.2007 II Бюл. № 30.

9. ГЛ. Баглюк, И.Д. Мартюхин, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, М.Б. Штерн, Д.В.

Дмитренко, P.JI. Пломодьяло, Л.И. Свистун, Горячая штамповка карбидо-сталей // Науков1 Нотатки. М1жвуз1вський зб^рник. -2007. - Випуск 20. - С. 14-19.

10. О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Д.В. Дмитренко, Л.И. Свистун,

Особенности уплотнения порошков в пористых оболочках - результаты компьютерного моделирования // Науков1 Нотатки. М1жвуз1вський зб1рник. - 2007. - Випуск 20. - С. 311-314.

11. Д.В. Дмитренко, Л.И. Свистун, Технология горячей штамповки порошков

карбидосталей // Тезисы докладов XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризм, часть 2. - 2009. - С. 45-46.

12. Свистун Л.И., Дмитренко Д.В., Установка комплексных исследований энер-

госиловых параметров высокоскоростного прессования и штамповки карбидосталей // Машиноведение: Межвузовский сборник научных статей. — вып. 3.-2009.-97-101.

13. Дмитренко Д.В., Абрамов Н.С., Получение износостойкого композиционно-

го материала на основе карбидостали // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009». - 2009. - 134-136. (Диплом 1 степени).

14. Дмитренко Д.В. Технология ударного прессования порошков карбидосталей

типа «легированная сталь - карбид» // Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2009): Труды международной научно-технической конференции. - 2009. - С. 131-133.

15. Дмитренко Д.В., Свистун Л.И., Михайлов О.В., Технология ударного прес-

сования порошков карбидосталей типа «легированная сталь - карбид» // Новые материалы и технологии в машиностроении/Под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов по итогам научно-технической конференции-Вып. 12,-2010. - С. 31-34.

16. Дмитренко Д.В., Свистун Л.И., Пломодьяло Р.Л., Особенности приготовле-

ния порошковой шихты для получения карбидосталей методом ударного прессования // Новые материалы и технологии в машиностроении/Под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов по итогам научно-технической конференции-Вып. 13, -2011. - С. 20-22.

17. Дмитренко Д.В., Механическое диспергирование твердых тел // Новые мате-

риалы и технологии в машиностроении/Под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов по итогам научно-технической конференции-Вып. 16, - 2012. - С. 23-26.

18. Дмитренко Д.В., Пломодьяло Р.Л. Технологии получения карбидосталей на

основе метода горячей штамповки // Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве/Материалы II Международной заочной конференции. — 2013. - С. 86-91.

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах состоит в следующем:

В работах [1, 2] сформулированы цели и постановлены задачи, проведены экспериментальные исследования, произведены расчеты и обобщены результаты, сформулироваиы основные научные положения и выводы.

В работах [3, 4, 9, 10, 11] автором выявлены причины образования дефектов при горячей штамповке карбидосталей, разработаны принципы построения технологических процессов получения горячешта.чпованных карбидосталей с минимальным количеством дефектов, сформулирована идея применения ударного прессования неформующихся порошковых компонентов карбидостали, обеспечивающего возможность получения пористых заготовок для последующей горячей штамповки с минимальным количеством дефектов.

В работах [5, 16, 17] автором установлено оптимальное соотношение компонентов шихты для получения карбидосталей, учитывающее волновой характер на-гружения агломератов частиц порошков карбида титана и быстрорежущей стали, проведено компьютерное имитационное моделирование укладки частиц размолотой шихты в матрицу, проведены эксперимента по размолу шихты карбидостали в аттриторе, определены параметры размола. Сформулирована основная идея математического обоснования возможности размола карбида титана до размера частиц в пределах 1 -3 мкм, что необходимо для создания качественных карбидосталей.

В патентах [6, 7, 8] автором предложено предусмотреть в конструкции устройств наличие элемента, обеспечивающего возможность ударного холодного прессования заготовок сложной формы.

В работе [12] автор изложил принцип работы, разработал компоновку и конструкцию установки для проведения комплексных исследований энергосиловых параметров высокоскоростного прессования и штамповки карбидосталей.

В работах [13, 14, 15, 18] автором предложена технологическая схема получения карбидосталей, методом горячей штамповки пористых заготовок, полученных ударным прессованием неформующихся порошков без использования связок, и создана опытно-промышленная технология. Автор лично проектировал оснастку, выбирал оборудование и отрабатывал технологический процесс.

Подписано в печать 13.10.2014. Печать трафаретна». Формат 60x84 '/,6. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 1226. ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120 тел. 8-918-41-50-571 e-mail: olfomenko@yandex.ru Сайт: http://id-yug.com