автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и исследование штампового сплава для рабочих температур 950-1000° С

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДЕМЕНОК Олег Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ШТАМПОВОГО СПЛАВА ДЛЯ РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР 950 - 1000 °С.

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд.техн.наук, доцент Ганеев Альмир Амирович

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение. 3 ГЛАВА I. Обзор литературы.

1.1.Анализ условий работы штамповых материалов и требования к ним при штамповке в изотермических условиях.

1.1.1.Требования к штамповым материалам, работающим при 950-1000 °С 5 1.2.Анализ современных сплавов, применяемых для штамповой оснастки.

1.2.1.штамповые стали; 8

1.2.2. Со-сплавы; 11

1.2.3. №-сплавы; 15

1.2.4.сплавы на основе тугоплавких металлов; 20

1.2.5.керамические и интерметаллидные материалы. 24 1.3 .Классификация штамповых материалов по рабочей температуре. 24

1.4.Анализ существующих методов повышения стойкости штамповой 36 оснастки.

1.5.Синтез сплавов. 38

1.6.Выводы по обзору литературных источников. 42

1.7.Постановка задачи исследования. 43

ГЛАВА II. Методики исследования.

2.1.Общая методика синтеза дисперсно-упрочненного никелевого сплава. 44

2.2.Методика отливки образцов. 46

2.3.Методика испытаний образцов на разрыв при 20. °С 48

2.4.Методики испытаний образцов при повышенных температурах (900 -1000 °С

2.4.1. методика определения фрикционных параметров; 48

2.4.2. на горячую твердость; 52

2.4.3. на сжатие; 53

2.4.4. на длительную прочность. 53

2.5.Методики исследования литейных свойств. 55

2.6.Методика исследования жаростойкости и коррозионной стойкости при высоких температурах. 57

2.7.Методика металлографических и электронно-микроскопических исследований. 58

2.8.Методика математической обработки результатов эксперимента. 59

ГЛАВА Ш.Выбор тугоплавких дисперсных соединений.

3.1 .Выбор параметров для оценки дисперсных тугоплавких соединений. 60

3.2.Разработка методики ранжирования параметров. 77

3.3.Создание ИПС для выбора дисперсных частиц. 79 3.4.0боснование выбора тугоплавких дисперсных соединений для дисперсного

упрочнения №-сплава и выбор комплекса ТДС для его упрочнения. 84

стр

ГЛАВА IV. Разработка дисперсно-упрочненного штампового сплава и исследование его служебных свойств и структуры.

4.1. Разработка базового состава износостойкого никелевого сплава 95 4.1.1 .Определение зависимости между химическим

составом, физическими и служебными свойствами жаропрочных никелевых сплавов.

4.1.2.Влияние физических и кристаллохимических свойств сплава на жаропрочность. 97

4.1.3.Оптимизация химического состава износостойкого жаропрочного никелевого сплава. 100

4.1.4. Выбор базового состава износостойкого никелевого 104

сплава.

4.2. Оптимизация состава дисперсно-упрочненного сплава.

4.2.1. Разработка технологии введения тугоплавких

дисперсных соединений в сплав. 111

4.2.2. Разработка установки для исследования адгезионной составляющей коэффициента трения при высоких

температурах 114

4.2.3. Исследование влияния ТДС на физико-механические

свойства и структуру разработанного базового сплава. 123

4.2.4. Исследование комплекса свойств и структуры

разработанного сплава. 131

4.2.5. Обсуждение результатов исследования сплавов 138

ГЛАВА V. Производственные испытания штампов из дисперсно-упрочненного сплава и практические рекомендации.

5.1.Технология выплавки сплава и отливка пробной партии штампов из нового сплава. 141

5.2.Отливка штампов в производственных условиях и отработка технологических параметров литья из опытного

сплава. 143

5.3.Производственные испытания штампов при штамповке лопаток 8-ступени компрессора газотурбинного двигателя и

исследование их механических свойств. 150

5.4.Технологические рекомендации. 163 Выводы по работе. 164 Литература. 166 Приложения.

Введение.

В авиационной промышленности, при изготовлении газотурбинных двигателей, большое распространение получили детали из труднодеформируемых сплавов. Поэтому современное развитие кузнечно-штамповочного производства предъявляет повышенные требования к штамповой оснастке, что вызвано широким применением операций штамповки в жестких термомеханических условиях и распространением горячей штамповки труднодеформируемых материалов.

Использование литых штампов для данных условий эксплуатации является наиболее целесообразным с экономической точки зрения, так как снижается трудоемкость их изготовления за счет снижения или полного устранения механической обработки.

В настоящее время отечественная промышленность располагает широким ассортиментом жаропрочных износостойких сплавов различного назначения. Находясь по жаропрочности и износостойкости на уровне зарубежных сплавов, они оригинальны по составу и более экономичны. Однако низкая износостойкость штампов для изотермического деформирования , составляющая 450 - 500 поковок на комплект, делает разработку новых штамповых материалов наиболее актуальной.

Дисперсно-упрочненные материалы, являясь разновидностью композиционных, наиболее перспективны в этой области. Применение таких материалов позволило совершить резкий скачок в создании новых высокожаропрочных износостойких сплавов. Эти сплавы способны сохранять высокий и стабильный уровень прочностных свойств при температурах до 1200 °С, тогда как в стареющих никелевых сплавах уже при температурах 1050 °С и выше, происходит ускоренная коагуляция и растворение упрочняющей у' - фазы, и как следствие, быстрая потеря работоспособности сплава.

В дисперсно-упрочненных сплавах ведущая роль в упрочнении принадлежит структурным факторам. В этом классе, жаропрочных износостойких композиционных сплавов, повышение термической и структурной стабильности достигается искусственным введением в матрицу весьма дисперсных, и практически с ней не взаимодействующих, до температуры плавления, тугоплавких частиц: карбидов, боридов, нитридов и оксидов.

Дисперсные частицы, обладающие высокой термодинамической стабильностью, позволяют достигать рабочих температур соответствующих 0,95 температуры плавления матрицы, поэтому дисперсно-упрочненные сплавы являются наиболее жаропрочными и износостойкими материалами. Кроме того, они имеют высокое сопротивление циклическому и изотермическому окислению и сульфированию.

Целью данной работы является синтез дисперсно-упрочненного литейного штампового сплава, имеющего высокую износостойкость и механические свойства, способного работать в режиме изотермической штамповки (ИЗШ) и сверхпластично-^ сти. Однако прогресс в области синтеза новых сплавов в значительной степени сдерживается отсутствием эффективных методов определения области поиска. Все еще приходится руководствоваться чутьем исследователя в выборе нужных композиций сплавов и затрачивать огромные средства на исходные дефицитные материалы, дорогостоящее оборудование и проведение большого количества плавок. Эти затраты чаще всего не окупаются результатами поиска.

Нужны новые эффективные методы предсказания области существования материалов с необходимым комплексом свойств. Такой прогноз рационально сузит сферу поиска, сделав затрату тех же средств во много раз эффективней.

В работе использован новый подход к проблеме прогнозирования свойств и синтеза новых дисперсно-упрочненных износостойких сплавов. Он опирается на критериальный выбор дисперсных упрочнителей и применение методов физического металловедения с использование ЭВМ. Результатом работы стало создание методики синтеза дисперсно-упрочненных сплавов жидкофазными методами и произведен синтез износостойкого штампового сплава на основе никеля с помощью ЭВМ.

Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

■ сделан выбор оптимального легирующего ряда и легирующего комплекса для износостойкого сплава на основе законов физического металловедения;

■ оптимизирован состав штампового сплава с использованием ЭВМ и пакета прикладных программ;

■ разработаны критерии выбора тугоплавких дисперсных соединений для упрочнения штамповых сплавов;

■ создан банк данных тугоплавких дисперсных соединений (ТДС) на естественном языке;

■ разработана структура базы данных и алгоритм информационно-поисковой системы (ИПС) по ТДС;

■ экспериментально исследованы механические и литейные свойства синтезированного и базового сплава ЖС-6У.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что автором впервые сформулированы критерии выбора ТДС, позволяющие комплексно подходить к решению выбора упрочняющей фазы композиционного сплава, создан банк данных и разработана ИПС тугоплавких дисперсных соединений, разработана комплексная методика синтеза дисперсно-упрочненных композиционных сплавов. Данная методика доведена до инженерного уровня. Она позволяет эффективно разрабатывать жаропрочные и износостойкие сплавы на ЭВМ, базируется на выборе легирующего ряда и комплекса; физико-химических методах анализа элементов, учете их электронного строения, достижениях физики твердого тела и на базе данных, о современных сплавах и тугоплавких дисперсных соединениях. Впервые исследованы механические и литейные свойства синтезированного сплава, произведено сравнение их со свойствами базового сплава ЖС-6У. Исследованы зависимости износостойкости дисперсно-упрочненных сплавов от вида дисперсного упрочнителя.

Практическая ценность работы состоит в том, что произведен синтез нового, многокомпонентного, износостойкого сплава ЖСИ-95ДУ.

Разработана технология ввода ТДС в жидкий расплав. Для исследования адгезионной составляющей коэффициента трения при высоких температурах, разработана и изготовлена установка, моделирующая условия работы штампового инструмента в условиях изотермического деформирования и режима сверхпластичности.

Оценки показывают, что использование разработанной комплексной методики синтеза дисперсно-упрочненных материалов позволяет по сравнению с базовыми методами синтеза сплавов:

в 5-6 раз сократить сроки разработки новых сплавов;

снизить в 40-50 раз трудозатраты на разработку;

сэкономить в 15-20 раз дефицитные и дорогостоящие материалы.

Разработан износостойкий, дисперсно-упрочненный сплав на основе никеля для работы в режиме ИЗШ и сверхпластичности, имеющий более высокие показатели по износостойкости и жаростойкости, чем лучший промышленный сплав ЖС-6У. Произведена апробация синтезированного сплава в производственных условиях.

Глава I. Обзор литературы.

1.1 .Анализ условий работы износостойких штамповых материалов и требова-^ ния к ним при штамповке в изотермических условиях.

1.1.1 .Требования к штамповым материалам, работающим при 950-1 ООО °С. Практическое применение процесса высокотемпературного изотермического деформирования металлов с помощью инструмента, нагреваемого до температуры 700 -1000 °С, вызвало необходимость решения принципиально новых проблем: изыскания штамповых материалов, способных работать в условиях длительного нагрева при высоких температурах и нагрузках. В связи с этим можно указать на следующие основные условия эксплуатации штампового инструмента /2/:

1) Высокий разогрев, в следствии длительного контакта с заготовкой, когда поверхностные слои рабочих частей штампов разогреваются до 800 - 1000 °С.

2) Циклическое температурно-силовое воздействие. В теле штампа возникает сложно-напряженное состояние в результате наложения термических напряжений и напряжений, вызванных сопротивлением деформируемого материала.

3) Высокое давление на инструмент. Кроме того, циклический температурно-силовой режим работы инструмента вызывает изменение свойств участков гравюры, прилегающих к рабочим поверхностям.

Основные виды повреждений штампового инструмента определяются темпе-ратурно-силовым воздействием, а также вызванными им структурными изменениями приконтактных участков материала штампа /2,3/.

Основные повреждения гравюры штампов, работающих при горячей штамповке, можно классифицировать следующими видами:

1) Износ участков гравюры, приводящий к изменению размеров штамповой по-I лости вследствие удаления с ее поверхности слоя металла. Выделяют следующие виды износа : абразивный, адгезионный, окислительный /4-7/.

2) Пластическая деформация (смятие) элементов гравюры, приводящая к изменению ее размеров и формы, которая во многом определяется разупрочнением приконтактных участков материала штампов.

3) Возникновение трещин термомеханического характера, приводящее к образованию сетки разгара, объясняющееся значительным градиентом температур по сечению инструмента /8/.

4) Возникновение усталостных трещин, в результате воздействия циклических механических нагрузок.

В работе /9/ приводится анализ частоты появления тех или иных повреждений гравюры штампов в процессе эксплуатации на молотовых прессах. В порядке воз-I растания частоты повреждения они расположились следующим образом: образование разгарных трещин, пластическая деформация, усталостные трещины, износ.

На основании вышеприведенных особенностей и условий эксплуатации штампового инструмента, можно сформулировать ряд основных требований, которым должен отвечать материал для изготовления штамповой оснастки:

1) прочность (предел текучести) - для сохранения формы штампа при повышенных давлениях;

2) вязкость - для предупреждения поломок и выкрашивания;

3) разгаростойкость (сопротивление термической усталости) - для предупреждения трещин, возникающих при многократном чередовании нагрева и охлаждения;

*

4) износостойкость - для сохранения размеров гравюры и обеспечения долговечности работы штампа;

5) жаростойкость (сопротивление коррозии) - необходима при повышенных рабочих температурах для уменьшения окислительного износа гравюры штампа;

6) теплопроводность - для лучшего отвода тепла, передаваемого деформируемой заготовкой;

7) малая чувствительность к местным нагревам - для предупреждения локальных перегревов;

8) горячая твердость - для обеспечения устойчивости материала против истирания при высоких температурах.

Таким образом, штамповые материалы должны обладать комплексом физико-механических свойств, обеспечивающих штамповку трудно деформируемых материалов.

При традиционной штамповке обычно имеется три основных вида износа гравюры штампа: смятие, истирание и разгарные трещины/4/.

Смятие возникает при превышении удельных усилий деформирования над пределом текучести материала штампа. Для предупреждения смятия, материал штампа должен обладать некоторым минимальным запасом прочности при сжатии, растяжении и изгибе по отношению к удельным усилиям деформирования.

Истирание возникает при воздействии касательных напряжений на гравюру штампа . На этот вид износа оказывает существенное влияние коэффициент трения, и адгезия, между материалом штампа и заготовкой, горячая твердость и жаростойкость материала инструмента. В свою очередь коэффициент трения и адгезия между штампом и заготовкой зависят от используемой смазки, геометрии и шероховатости поверхности гравюры штампа, твердости образующихся окислов . В значительной мере коэффициент трения зависит от другого, не менее важного свойства - адгезии. При уменьшении коэффициента трения возрастает стойкость штампового инструмента за счет снижения интенсивности адгезии и налипания обрабатываемого материала на рабочую поверхность. Схватывание-адгезия, вызываемое образованием металлических связей в результате диффузии атомов одного металла в другой, приводит к свариванию отдельных участков контактирующих поверхностей инструмента и обрабатываемого металла, приводящего к образованию наростов, которые под действием усилий деформирования вырываются, возникают задиры и усиливается трение. Возникшие неровности препятствуют свободному течению металла, что способствует дальнейшему разрушению гравюры рабочего инструмента. Также твердость оторвавшихся частиц, в особенности учитывая их деформационное упрочнение, соизмерима или даже выше, твердости материала гравюры инструмента, что усиливает абразивное действие деформируемого металла.

Разгарные трещины возникают при многократном циклическом воздействии высоких температур. При сверхпластическом деформировании трещины на гравюре штампа не возникают, так как нет циклической смены температур. Они могут появляться лишь при недопустимо высокой скорости нагрева или охлаждении штампа, от комнатной до рабочей температуры.

Все перечисленные виды износа в процессе эксплуатации инструмента дополняют друг друга. Однако, для определенного вида штампов, выделяется один, который оказывает решающее воздействие, выводя инструмент из строя. Он является причиной преобладающего вида износа.

Можно �