автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Применение химико-термической обработки с последующим облучением электронами для повышения стойкости пресс-форм

Введение.4.

Глава 1. Литературный обзор.6.

1.1. Факторы, определяющие стойкость пресс-формы при литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД).6.

1.2. Материалы для пресс-форм при ЛКД.9.

1.3. Стойкость пресс-форм в зависимости от химико-термической обработки (ХТО).13.

1.4. Влияние облучения электронами на структуру и свойства металлов и сплавов.18.

1.5. Постановка задачи исследования.32.

Глава 2. Материалы и методика исследования.33.

2.1. Выбор материалов и состава смесей для проведения ХТО.33.

2.2. Проведение алитирования и хромоалитирования.35.

2.3. Проведение многокомпонентного диффузионного насыщения.36.

2.4. Методика проведения и обоснование технологических параметров электронного облучения.37.

2.5. Испытания механических свойств.40.

2.6. Изучение структуры и фазового состава, диффузионного слоя поверхности пресс-форм.42.

Глава 3. Исследование структуры и стойкости пресс-форм из сталей

20X13 и 4Х5В2ФС после термической обработки.44.

3.1. Структура и механические свойства сталей после термической обработки.44.

3.2. Физико-химические условия работы пресс-форм.51.

3.3 Выводы.54.

Глава 4. Повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм для ЛКД после разных видов ХТО.54.

4.1. Формирование алитированного слоя при диффузионном насыщении.54.

4.1.2. Влияние термической обработки на структуру и свойства алитированного слоя.61.

4.1.3. Влияние алитирования на эксплуатационную стойкость пресс-форм.64.

4.2. Влияние хромалитирования на структуру и стойкость пресс-форм из стали 40Х.68.

4.3. Влияние диффузионного насыщения на структуру и стойкость стали.73.

4.4. Разгаростойкость диффузионных покрытий на разных марках стали.

4.5 Выводы.84.

Глава 5. Повышение стойкости пресс-форм методом облучения после химико-термической обработки.85.

5.1.1. Влияние электронного облучения на стойкость пресс-форм из стали 40Х.85.

5.1.2. Влияние электронного облучения на стойкость пресс-форм из легированных сталей 20X13 и 4Х5В2ФС.93.

5.2. Исследование структуры диффузионного слоя сталей 40Х, 20X13, 4Х5В2ФС после электронного облучения.97.

5.3. Обсуждение результатов исследования.119.

5.4 Выводы.123.

Глава 6. Опытно-промышленное опробование результатов исследования на производстве.124.

С каждым годом всё более широкое применение находят специальные способы литья, особенно те из них, которые обеспечивают получение отливок с высокими физико-механическими свойствами и минимальными припусками на механическую обработку.

Повышение требований к физико-механическим, технологическим и служебным свойствам отливок, обусловленное научно-техническим прогрессом в машино- и приборостроении, заставляет литейщиков искать те принципы, методы и средства, которые необходимы для решения новых и сложных задач современного литейного производства - получения литых деталей с заданными свойствами.

Формирование большинства свойств отливки определяет первичная кристаллизация. Улучшение эксплуатационных свойств отливок достигается главным образом в результате повышения физической и химической однородности металла, сокращая число макро-, микро- и субмикроскопических дефектов, значительная часть которых возникает в процессе формирования отливки в литейной форме.

Один из путей повышения качества отливок - использование физико-механических методов воздействия на кристаллизующийся в литейной форме расплав. Для этой цели используют различные формы давлений (механическое, газовое, электромагнитное и пр.)

Одним из наиболее прогрессивных процессов изготовления отливок является литьё под давлением, к разновидностям которого относится прессование металла при его кристаллизации (жидкая штамповка).

Прессование металла при кристаллизации — процесс, способствующий снижению расхода металла и трудоёмкости изготовления отливок по сравнению с заготовками, получаемыми ковкой. Он позволяет получать отливки сложного профиля, не уступающие по своим механическим свойствам кованым или штампованным. Однако, сдерживающим фактором более широкого внедрения процесса в промышленность, является низкая стойкость оснастки. Низкая стойкость обусловливается значительным количеством факторов, основными из которых являются высокие температуры заливаемого металла, высокий температурный градиент в объёме формообразующих частей пресс-форм, воздействие на инструмент больших удельных давлений.

Физическое взаимодействие жидкого металла отливки с материалом рабочего вкладыша пресс-формы проявляется в виде диффузии, эрозии, коррозионного растрескивания и пр. Наблюдается приваривание металла к стенкам рабочих частей пресс-форм. В качестве мероприятий по уменьшению налипания и приваривания применяют диффузионные покрытия, полученные химико-термической обработкой. Поэтому были проведены исследования по изучению влияния химико-термической обработки на стойкость рабочих вкладышей пресс-форм.

С целью улучшения технологических свойств диффузионных слоёв ставилась задача проведения серии экспериментов по изучению влияния облучения пучком быстрых электронов на свойства поверхностного слоя.

Экспериментальные данные подтверждают, что под действием облучения в поверхностном слое могут протекать структурные и фазовые превращения, изменяться условия диффузии, которые могут оказывать существенное влияние на физико-механические свойства диффузионного слоя и повысить стойкость пресс-форм.

В настоящей работе показано влияние химико-термической обработки и последующего электронного облучения на стойкость пресс-форм при жидкой штамповке деталей с температурой плавления заливаемого метало ла около 1000 С.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1.Показано, что стойкость (ц.т.) рабочих частей пресс-формы из сталей 4Х5В2ФС и 20X13 после алитирования, хромоалитирования и многокомпонентного диффузионного насыщения повышается приблизительно в два раза.

2. Показано, что химико-термическая обработка методом диффузионного насыщения в смесях сложного состава и последующее облучение электронами приводит к повышению твердости и стойкости пресс-формы в три раза.

3. Повышению стойкости пресс-форм способствует образование в диффузионном слое структуры, характерной для композиционных материалов, представляющих собой чередующиеся слои с разной микротвердостью. При этом граница между зонами отсутствует, что уменьшает вероятность скалывания диффузионного слоя при термоциклировании.

4. Показано, что диффузионный слой состоит из мягкой матрицы и карбидов хрома, количество и морфология которых в разных слоях различна.

5. Чередование зон с разной микротвердостью облегчает процессы релаксации напряжений при термоциклировании, что способствует значительному повышению разгаростойкости таких покрытий.

6. Установлена, возможность использования как альтернативы высоколегированным сталям, низколегированой стали 40Х.

7. Установленно, что оптимальным режимом облучения сплава 40Х, прошедшим ХТО, является W=2,75 МэВ, t=550°C, Т=60 мин. При таком режиме образуется 6 слоев разной твердости.

8. Результат исследований опробован на предприятии «ЭПИАМ», годовой экономический эффект составил 193,8 тыс. руб. за счет уменьшения количества вкладышей пресс-форм с 45до15 штук.

АКТ

Промышленного опробования пресс-формы из стали 40Х после комбинированной обработки для литья методом кристаллизации под давлением отливки «Корпус часов».

Научно-исследовательские разработки, проведенные в Московской Государственной Академии Приборостроении и Информатики на кафедре МТ-4, позволили применить низколегированную сталь 40Х после комбинированной обработки для рабочих вкладышей пресс-формы.

Предприятию ЗАО «ЭПИАМ» по рекомендации МГАПИ предложено использовать для вкладышей пресс-формы сталь 40Х, прошедшую комбинированную обработку (многокомпонентное диффузионное насыщение и последующее облучение электронами). Вместо сложнолегирован-ных сталей и стандартной ХТО (хромоалитирование).

Предварительные испытания показали, что пресс-форма после комбинированной обработки по разработанной технологии, обеспечивает стойкость пресс-форм с вкладышами из стали 40Х до 6500 циклов теплосмен до образования трещин разгара, что в 3,5 раза выше по сравнению с ранее использованным хромоалитированием стали 4Х5В2ФС, при литье отливок «Корпус часов» из сплава латуни JI63

В результате производственных испытаний выявлено: возможность использования вместо дорогостоящей легированной стали 4Х5В2ФС, дешевой низколегированной стали 40Х подвергнутой комбинированной обработке; внедрение предложенной технологии позволит сократить использование вкладышей пресс-форм с 45 до 15 штук в год; полученные отливки «Корпус часов» соответствуют требованиям ГОСТ 26645-95; количество некачественного литья не превышает 5% от общего количества отливок.

В соответствии с полученными результатами решено использовать для рабочих частей пресс-форм вкладышей из стали 40Х прошедшей комбинированную обработку (изготовленную по технологии с применением ХТО и облучения электронами). Соответствующие изменения будут внесены в технологическую карггу при изготовлении пресс-форм.

1. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка инструмента. //Инструмент. - 1997. - № 8 - 9. - с. 19.

2. Кудрявцева Н.Я., Громов Ю.Н., Котофеев В.А. Химико-термическая обработка штамповой стали 5ХНМ.// Металловедение и термическая обработка металл ов.-1991.-№5.-с.7-8.

3. Глазков Л.А., Желудкевич М.С., Жилянин Д.Л., Макеров Л.В., Сиводед А.В. Ресурсосберегающий технологический процесс термической обработки крупногабаритных штампов. //Белорус. Гос. Политехи. Академ. Минск,-2000.-10 с.

4. Горюнов. И.И. Пресс-формы литья под давление.//Л. Машиностро-ение.-1973.-256 с.

5. Клименов В.А., Иванов Ю.Ф., Перевалова О.Б., Проскуровский Д.И. и др. //Физ. и хим. обраб. матер. 2001. - № 2. — с. 41 - 47.

6. Земсков Г.В., Коган Р.Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. //М.: Металлургия 1978. - с. 208.

7. Коваленко В.О., Коваленко И.В. Способ вакуумного диффузионного хромоалитирования стали. //-№ 94033202; Заявл. 22.3.94; Опубл. 31.8.98, Бюл. № 4.

8. Тихонов А.К., Шендерей П.Э. Особенности проектирования и регулирования процессов химико-термической обработки с помощью системы

9. Карбокс ЭВМ» //Металловедение и терм, обраб. мет. - 1999. -№11-с.12- 14.

10. Чернига С.М. Комплексное насыщение углеродистых сталей бором и хромом в активированной среде. //Изв. вузов. Чер. Металлургии. 1999. -№11-с. 58-60.

11. Гюлиханданов E.JL, Хайдаров А.Д. Ускорение процессов диффузионного насыщения при неизотермической химико-термической обработке. //Металловед, и терм, обраб. мет. 2001. - № 6 - с. 16 - 20.

12. Владимирский Р.А., Лившиц В.Б. «Влияние потока электронов высокой энергии на распределение примесей и компонентов сплавов в поверхностных слоях». //АН СССР, Поверхность. № 6. - 1987 .

13. Wang Shugi, Jiang Qichuan, Chui Xianghong, He Zhenming. Effect of trace elements on eutectic carbide morphology during heat treatment //J. Mater/ Sci/ Let. -1998. -17, № 23. -c. 2017 2019.

14. Tsipas P.N., Triantafyllidis G.K. Thermochemical treatments for protection of steels in chemically aggressive atmospheres at high temperatures. //Mater and Manuf. Progresses. 1999. - 14, № 5. c. - 697 - 712.

15. Защитные покрытия на металлах. Вып. 4. Киев: //Наукова думка 1971. -с. 276.

16. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минск: БПИ. — 1974.-с. 265.

17. Защитные покрытия на металлах. Вып. 11. Киев: Наукова думка. 1977. -с. 103.

18. Минкевич А.А. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М.: Машиностроение. 1965. - с. 492

19. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. М.: Машиностроение, 1964,452 с.

20. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минск: БПИ. -1977.-217 с.

21. Чуняева JI.O. Кинетика насыщения углеродистых сталей карбидом хрома. //Защита мет. -2001. 37. -№1. - с. 50-54.

22. Карпман М.Г. и др. Защитные покрытия для штампов и пресс-форм цветного литья. //Металловедение и термическая обработка металлов. 1977.-№9.-с. 53-56.

23. Дехтяр И.Я., Михаленков B.C. Влияние дефектов кристаллического строения на параметры диффузии в никелевых сплавах. //В кн. Вопросы физики металлов и металловедения, вып. 4. Киев: изд-во АН СССР. -1960.-106 с.

24. Foro Fakeyama and Heishichiro Fakahashi (Metals Reseach Institute Faculty of Engineering Hokkaido University, Sapporo 060) The Effect of Electron Irradiation on Quench Aging of Fe-e Alloy, I. phys. Soc. yapan 1973, 35, 939.

25. Шалаев A.M. Радиационно-стимулированная диффузия в металлах. М.: Атомиздат. 1972. - 183 с.

26. Дамаск А., Дине Дж. Точечные дефекты в металлах. Пер. с англ., Мир, М.: 1966,236 с.

27. Шалаев A.M., Адаменко А.А. Радиационно-стимулированное изменение электронной структуры. М.: Атомиздат. 1977. - 176 с.

28. Замбржицкий В.Н., Максимова О.П., Грузин П.Л., Радионов Ю.Л., Ис-фандияров Г.Г., Селезнев В.П. Влияние термической и радиационной обработки аустенита на мартенситное превращение в сплавах. ФММ. -№49.-в. 3.- 1980.-с. 562.

29. Неустроев B.C., Шамардин В.К. К вопросу о взаимосвязи радиационных явлений в облученных аустенитных сталях.// 5 Межотраслевая конференция по реактор, материаловедению, Дмитровград 8-12 сент.1997 :Тез. докл.- Дмитровград 1997.-е 103-104.

30. Будылкин Н.Н., Миронова Е.Г. Подход к выбору легирующих элементов для снижения радиационного распухания и внутри реакторной ползучести аустенитных сталей и сплавов.// Вопр. атом наук и техники. Сер. Материаловед, и нов. матер. -1999.-№1.-с.З-9.

31. Внутреннее трение алюминия, облученного высокоэнергетичными электронами. Радиационные повреждения в твердых телах. Укр. респ. сов., Киев: -1974.-№ 1.-е. 8-12.

32. Быстров J1.H., Иванов Л.К., Платов Ю.М. -В сб. Диффузия в металлах и сплавах. Тула: Тульск. Политехнический институт. 1963. - 263 с.

33. Орлова А., Чадек И., Лазоренко В.М., Иванов Л.И. Радиационное повреждение аустинитной хромоникелевой стали электронами с энергией 1 МэВ в высоковольтном электронном микроскопе. ФХОМ. - № 2. — 1980.-с.11-15.

34. Быстров Л.Н., Иванов Л.И., Платов Ю.М. ФММ, т. 25. - 1968. - 950 с.

35. Быстров Л.Н., Иванов Л.И., Мастооров С.В. Влияние электронного облучения на механические свойства закаленной бериллиевой бронзы. — ФХОМ. № 4. -1973.23 с.

36. Рыкалин Н.Н., Быстров Л.Н., Иванов Л.И. Effect of Energetic Irradiation on Mechanical Properties of Metals, Radiation Effect, Vol. 1973,17, pp. 241244.

37. Быстров Л.Н., Иванов Л.И., Банных O.A. Влияние электронного облучения на химические свойства термомеханически обработанной стали. -ФММ, т. 19, в. 5,1965,791 с.

38. Хайновская В.В., Смирнов Л.С. -Физика твердого тела, т. 8. № 11. -1966.-34 с.

39. Пронман И.М. -В ст. Действие ядерных изменений на материалы. М.: изд-во АН СССР. 1962. - 81 с.

40. Шалашов В.А. О влиянии ядерных изменений на термодинамику металлических сплавов. ФММ, т. 16, в. 2. - 1963. - 278 с.

41. Шалашов В.А. и др. Влияние нейтронного облучения на сплав белого чугуна. М.: 1966. 42 с.

42. Шалаев A.M. Действие ионизирующих излучений на металлы и сплавы. М.: Атомиздат. 1967. - с. 59-61.

43. Троцкий О.А., Глазунов П.Я., Лихман В.И. Действие предварительного электронного облучения на прочность цинка с покрытиями из легированных эвтектик. ФММ, т. 15, в. 4. - 1963. - 534 с,

44. Лившиц В.Б., Гудзий А.Е., Владимирский Р.А. Повышение стойкости штампового инструмента методом облучения с химико-термической обработкой. // Передовой производственный опыт. 1982. - № 5. - с. 8-10.

45. Марков В.В. Пресс-формы для жидкой штамповки. -Литейное производство 1976. - № 7. - с. 27.

46. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование сталей. М.: Машиностроение. -1976.-255 с.

47. Бураковский Т. и др. Состояние и перспективы применения диффузионных слоев с высокой износостойкостью. Металловедение и термическая обработка. -1984. - № 3. - с. 11-13.

48. Бабад-Захряпин А.А., Дыбенко Л.Т. Устройство для нанесения покрытия из парогазовой фазы на трубчатые изделия. Авт. св. СССР №590371, кл. С.23С 13/10. Заявл. 11.05.72. Опубликовано 30.01.78. Бюллетень №4.- 1978.

49. Зейтц Ф., Келлер Дж. Радиационное повреждение кристаллов. -В сб. тр. Примеси и дефекты. //М.: Металлургиздат, 248. — 1960. с. 239.

50. Быстрое JI.H., Иванов Л.И., Платов Ю.К. Нестационарная радиационная диффузия в металлах. Доклад АН СССР. - 1969. - т. 185 - № 2 - 309 с.

51. Быстрое Л.Н. и др. Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов. //Киев: Наукова думка. 1968. - 250 с.

52. Быстрое Л.Н., Иванов Л.И., Платов Ю.М. Образование и отжиг радиационных дефектов в металлах с ГЦК-решеткой. -ФиХОМ. 1969. - № 6.-25 с.

53. Виниард Дж. Динамика радиационного повреждения, «Успехи физ. наук». 1961. - т. 74, № 3.-436 с.

54. Воронин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. //М.: Металлургия. 1978.-250 с.

55. Adda G. Beyeler, М. Brebec G. Thin Solid Films 1975,25.

56. Тамарин Ю.А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток ГТД. //М.: Машиностроение. 1978. - 138 с.

57. Колымцев. П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. //М.: Металлургия. 1979. - 252 с.

58. Криштал М.А. и др. Внутреннее трение в сплавах. //М.: Металлургия. -1964.-221 с.

59. Дубинин Г.Н., Соколов B.C. «Изв. вузов. Цветная металлургия». -1974.- №5.-с. 133-136.

60. Мескин B.C. Основы легирования стали, //М.: Металлургия. -1972.-480 с.

61. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. //М.: Машиностроение. -1974.-т. 2.-368 с.

62. Геллер Ю.А., Кремнев JI.C., Голубева Е.С. и др. Разработка высокопроизводительной безвольфрамовой стали для форм литья под давлением. //Отчет по научно-исследовательской работе № 69-14. Московский станкоинструментальный институт. 1971.

63. Сорокин Г.М. и др. Абразивная износостойкость легированных сталей. //Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. - № 11.-с. 41 -44.

64. Городнов П.Т. Повышение жаростойкости стальных изделий методом алитирования. //М.: Машгиз. 1962. - 112 с.

65. Кузнецов Г.Д. Влияние ионной бомбардировки на структурные и фазовые превращения при химико-термической обработке в тлеющем разряде МиТОМ. - 1981. - № 11. - с. 21-27.

66. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. //М.: Металлургия. 1978. - 248 с.

67. Бродяк Ч.П., Далисов В.Б. Повышение долговечности калибровочных оправок с помощью диффузионных покрытий. ФХММ. - 1978. - № 2. с. 77-79.

68. Похмурский В.И. и др. Хромоалитирование среднеуглеродистой стали. -МиТОМ. 1975. - № 3. - с. 68-69.

69. Горленко О.А. и др. Экономия материалов и энергии при лазерном упрочнении. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. - № 5. - с. 14.

70. Удовский В.И. Технология и практика внедрения силицирования стальных деталей. //Металловедение и термическая обработка металлов. — 1984.-№5.-с. 15.

71. Бродяк Я.П. Эффективность использования диффузионных покрытий на основе хрома. //Металловедение и термическая обработка металлов. -1984.- №5. -с. 19.

72. Домбровский Ю.М. Опыт работы по внедрению прогрессивной упрочняющей технологии. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1984.-№ 5.-24 с.

73. Самсонов Г.В. и др. Тугоплавкие покрытия. //М.: Металлургия. 1973. -400 с.

74. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. //М.: Металлургия. 1972. - 400 с.

75. Протасевич В.Ф., Евлашев Н.Д., Машков К.Н. Диффузионное хромирование в средах с легкоплавкими компонентами. //Белорус. Гос. Политехи. Академ. Минск, 2000. 4 с. Деп. в ВИНИТИ 31.10.2000. - № 2742. — В2000.

76. Материалы конференции материаловедческих обществ в России. «Новые конструкционные материалы». Звенигород, 13-15 дек. 2000 г. //Физика и химия обработки материалов. 2001. - № 4. -с. 5 - 108.

77. Бахтин С.В., Козырь И.Г. Механизм формирования и свойства поверхностных карбидохромовых слоев на стали, полученных с применением электронного пучка. //Физическое металловедение: Сборник научных трудов. Липецк: издательство «ЛЭГИ». 2000, - с. 27 - 36.

78. Сизов И.Г., Смирягина Н.Н., Семенов А.П. Структура и свойства борид-ных слоев, полученных в результате электроннолучевой химико-термической обработки. //Металловед, и терм, обраб. мет. 2001. - № 11.-с. 45-46.

79. Лившиц В.Б., Платицин А.В. Способ изготовления ювелирных изделий методом прессования при кристаллизации. (Сборник научно методических трудов. Выпуск 4). Москва, МГАПИ, 2000.

80. Лившиц В.Б., Платицин А.В. Факторы определяющие стойкость пресс-форм для прессования при кристаллизации художественных отливок. (Сборник научно методических трудов. Выпуск 5). Москва, МГАПИ, 2001.

81. Лившиц В.Б., Платицин А.В. Особенности изготовления изделий методом литья с кристаллизацией под давлением. (Сборник научно методических трудов. Выпуск 5). Москва, МГАПИ, 2001.

82. Лившиц В.Б., Платицин А.В. Стойкость пресс-форм в зависимости от видов химико-термической обработки. Материалы научно-технической конференции. "Новые материалы и технологии". Москва, МГАПИ, 2001.

83. Лившиц В.Б., Платицин А.В., Савченко Е.Г. Серийный способ изготовления корпусов наручных часов в художественном исполнении. "Новые материалы и технологии". Москва, МГАПИ, 2001.

84. Куманин В.И., Лившиц В.Б., Платицин А.В. Влияние облучения электронами и химико-термической обработки на стойкость пресс-форм для жидкой штамповки. //Международная научно-техническая конференция "Современные материалы и технологии 2002". Пенза. - 2002.

85. Куманин В.И., Лившиц В.Б., Платицин А.В. Улучшение стойкости пресс-форм при электронно-лучевой обработке. Москва, //Металлург-2002.-№7. -с. 50-51.

86. Куманин В.И., Лившиц В.Б., Платицин А.В. Влияние радиационной химико-термической обработки на стойкость пресс-форм. Москва, //Технология металлов — 2002. №7.- с. 11-14.

87. Бондаренко Г.Г., Касьянов О.М. Структурно-фазовые изменения в ау-стонитной стали при воздействии высокоэнергетических электронов. //Поверхность: физ. хим. мех.- 1995.-№4.- с. 117-119.

88. Тихонов А.К., Пономарев Н.Н. Особенности конструкции и эксплуатации автоматических линий для ХТО вирмы «Холкрофт». //МиТОМ. -1996.-№11.-с. 16-17.

89. Абромян Е.А. Промышленные ускорители электронов. //М. Энерго-атомиздат. — 1986. -246 с.