автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка литейных материалов для прессоснастки твердо-жидкой штамповки

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОСТОЙКОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ТВЕРДО-ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ.

1.1 Особенности нагружения штампов для твердо-жидкой штамповки.

1. 1. 1. Тепловое воздействие.

1.1.2. Влияние внешнего силового воздействия.

1.1.3. Взаимодействие инструментальных материалов с расплавами.

1.1.3.1. Взаимодействие инструментальных материалов с расплавами на основе меди.

1.2. Материалы, применяемые при изготовлении прессоснастки.

1.3. Существующие способы и методики исследования материалов для прессоснастки.

1.4. Существующие способы производства литой прессоснастки и теоретические предпосылки их совершенствования.

Общая характеристика работы, актуальность темы

Прогресс ведущих отраслей машиностроения тесно связан с внедрением в производство высокопроизводительных процессов получения заготовок, приближающихся по конфигурации и размерам к готовым деталям. Такими процессами, в частности, являются литьё под давлением и твёрдо-жидкая штамповка сплавов. Однако расширению масштабов их внедрения противостоят высокая стоимость и низкая стойкость прессоснастки.

Проблема повышения работоспособности прессоснастки приобретает особую остроту в связи с новыми задачами таких отраслей промышленности как автомобильная, приборостроение, ракетная, авиационная и другие. Дополнительную сложность при решении рассматриваемой проблемы создаёт всё возрастающий дефицит вольфрама - одного из основных легирующих компонентов теплостойких инструментальных сталей, широко используемых в настоящее время для изготовления прессоснастки. Поэтому, вопросы увеличения работоспособности, а также разработки экономно легированных сплавов, рациональных технологий изготовления и упрочнения прессоснастки являются актуальными и требуют оперативного решения.

Несмотря на многочисленные исследования в этой области, удовлетворительного решения рассматриваемая проблема не имеет, из-за разнообразных и, часто, взаимосвязанных факторов, оказывающих комплексное влияние на работоспособность прессоснастки.

Большинство учёных сходятся в мнении о том, что для повышения работоспособности прессоснастки разработка новых или выбор известных перспективных материалов, а также разработка новых технологий изготовления и оптимизации режимов упрочнения должны базироваться (наряду с определением основных механических свойств) на информации, полученной при исследовании специальных характеристик инструментальных материалов, таких, как теплостойкость, разгаростойкость и других. Многое в этом направлении уже сделано. В трудах Ж. Робертса, Б.Ф. Трахтенберга, В.Г.Асташова, Ю.А. Геллера, B.C. Ивановой и других [1-12] установлены важные закономерности, что нимало способствовало внедрению в производство целесообразных технических решений. Перспективным в указанном плане является метод полунатурных испытаний. Принципиальной особенностью такого метода является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса прессоснастки.

В настоящее время решение вышеуказанной проблемы осуществляется главным образом за счёт создания новых экономно-легированных сталей, совершенствования технологий их выплавки, ковки, термической обработки на различных этапах в процессе изготовления прессоснастки, а также применение различных способов упрочнения готовых изделий. В то же время другое направление - разработка новых литейных материалов и способов производства литой прессоснастки, несмотря на его перспективность, реализуется слабо.

Весьма актуальной является задача решения этой проблемы применительно к материалам и технологическим процессам производства литых штампов для твёрдо-жидкой штамповки (ШТЖШ) сплавов на медной основе.

Цель работы

Основной целью настоящей работы является разработка литейных материалов и выбор технологий получения литых штампов для твёрдожидкой штамповки вместо традиционно применяемых штампов из кованых сталей мартенситного класса.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выбор объекта исследования: штампы установки «Автофордж».

2. Экспериментально-аналитическая оценка температурно-напряжённого состояния рабочих слоев штампов при эксплуатации.

3.Исследование закономерностей разрушения штампов на натурных объектах. Выбор критерия работоспособности материала для штампов.

4. Разработка методики исследований термомеханической усталости (ТМУ) инструментальных материалов методом полунатурных испытаний.

5. Сравнительные испытания сопротивления образованию трещин ТМУ инструментальных сталей в исходном (литом) и деформированном (кованом) состояниях, применяемых для изготовления ШТЖШ при штамповке сплавов на основе меди.

6. Исследование влияния скорости кристаллизации стали мартенситного класса ЗХ5МНФС на дендритную ликвацию легирующих элементов.

7. Улучшение трещиностойкости стали мартенситного класса ЗХ5МНФС с целью реализации возможности использования её для изготовления литых ШТЖШ.

8. Разработка технологии литья заготовок для литых штампов с применением ускоренной кристаллизации расплава.

9. Разработка сплава с ферритной матрицей и карбидами, не претерпевающего полиморфных превращений в интервале рабочих температур ШТЖШ, исследование его литейных, механических свойств и сопротивления образованию трещин ТМУ.

10. Разработка технологии изготовления литых заготовок для штампов из железоуглеродистого сплава с повышенным содержанием титана.

Актуальность работы

Работа посвящена решению проблемы повышения стойкости прессос-настки, которая является актуальной в экономическом, техническом и научном планах.

Научная новизна

1. Установлены закономерности распределения температур и напряжений при эксплуатации ШТЖШ.

2. Установлены закономерности процесса ТМУ традиционно применяемых для штампов сталей в литом и кованом состояниях.

3.На основе электронно-микроскопических исследований установлены закономерности дендритной ликвации легирующих элементов стали ЗХ5МНФСЛ при различных скоростях её кристаллизации.

4. Сформулированы принципы разработки новых сплавов для работы в условиях циклического температурно-силового нагружения, учитывающие необходимость обеспечения пластичной высокотеплопроводной основы, не претерпевающей полиморфных превращений в процессе эксплуатации и введение твёрдых изолированных включений, обеспечивающих высокую износостойкость.

Практическая ценность и реализация работы

Проведены сравнительные испытания сопротивления термомеханической усталости инструментальных сталей, на базе которых определены области рационального использования сталей при изготовлении ШТЖШ.

Предложен рациональный состав и технология изготовления литых заготовок штампов из стали ЗХ5МНФСЛ с ускоренной кристаллизацией расплава.

Разработана монолегированная титаном железоуглеродистая литейная сталь для ШТЖШ. (На разработанную сталь получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 99101472/02 (001901) от 28.01.99). 9

Разработана технология изготовления литых заготовок для ШТЖШ из титановой стали, позволяющая минимизировать его угар.

Апробация работы. Основное содержание работы по теме диссертации доложено и обсуждено на международных научно-технических конференциях «Механика машиностроения» (г. Набережные Челны, 1995 и 1997 гг.), «Молодая наука - новому тысячелетию» (г. Набережные Челны, 1996 г.), а также в публикациях. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и получено положительное решение по заявке на патент РФ.

На защиту выносятся:

1. Методика полунатурных испытаний и критерий оценки работоспособности материалов для ШТЖШ;

2. Рекомендации по изменению состава стали ЗХ5МНФСЛ и технологии получения из неё литых штампов;

3. Состав титановой стали и технологические рекомендации по изготовлению из неё литых штампов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование показателей механических свойств: твердости, прочности, ударной вязкости и других не может быть использовано при разработке материалов для высокостойкой прессоснастки, работающей в условиях ЦТСН. Для оценки надежности материалов в условиях циклического температурно-силового нагружения при контакте с расплавами должны быть использованы другие методы испытаний, учитывающие конкретные условия эксплуатации. В частности, таким методом является метод полунатурных испытаний, принципиальной особенностью которого является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса прессоснастки.

2. Исследование температурно-напряжённого состояния штампов показывает, что максимальный уровень напряжений в варианте без внутреннего охлаждения штампа имеет место на контактных поверхностях в первые циклы штамповки после 3 секунд и составляет с^-1 900 МПа; что намного превышает предел прочности материалов, используемых для ШТЖШ. В водоохлаждаемых конструкциях на поверхности штампа величина напряжений ещё более усиливается до сг=-2520МПа. При этом напряжённая зона сильно локализована.

3. Основной причиной выхода из строя штампов ТЖШ является образование трещин ТМУ, приводящее к выкрашиванию инструмента.

4. Марганец снижает теплопроводность стали ЗХ5МНФСЛ и увеличивает коэффициент температурного расширения, снижая, тем самым, её работоспособность в условиях ЦТСН. Рекомендовано установить верхний предел содержания марганца в стали ЗХ5МНФСЛ 0,2%.

5. Разработана термокинетическая диаграмма кристаллизации стали ЗХ5МНФСЛ, позволяющая определять состояние системы при различных тепловых условиях кристаллизации (области равновесного расплава, переохлаждённого расплава, двухфазная область, область неоднородной по составу твёрдой фазы, область однородной (с подавленой ликвацией легирующих элементов) твёрдой фазой). Диаграмма позволяет зная время кристаллизации слоя отливки толщиной 2,1 мм (определяемое либо экспериментальным, либо аналитическим методом) при различных условиях охлаждения определять степень ликвации легирующих элементов.

6. Разработан литейный железо углеродистый сплав (титановая сталь) с повышенным содержанием карбидов титана в ферритной матрице с содержанием углерода 0,9. 1,1% и содержанием титана 5,0.5,5% для литых ШТЖШ. Испытания разработанной стали в качестве литейного материала для ШТЖШ показали увеличение стойкости штампов по сравнению со штампами из кованой стали ЗХ5МНФС на 20%, при этом себестоимость оснастки уменьшилась в 2 раза.

7. Во всех исследованных сталях мартенситного класса в литом состоянии при ускоренной кристаллизации, несмотря на более раннее начало образования трещин ТМУ, их развитие происходит более медленно по сравнению с теми же сталями в кованом состоянии, что подтверждает перспективность замены кованых штампов ТЖШ на литые.

1. Роберте Ж., Гроб Е. Виды эксплуатационных разрушений пресс-форм я литья под давлением. Пер. с англ. М.: ГПНТБ, 68/83543.-1969.-27 с.

2. Трахтенберг Б.Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения,- Куйбышев, 64. 372 с.

3. Бучинский В.В., Овечкин А.К. Материалы для прессформ алюминиевого тья под давлением. В сб.: Прогрессивная технология машиностроения,- Тула, 66.-С. 71-75.

4. Кузнецов Б.Л. Бузанов В.В. Процесс «Автофордж»,- Литейное производ-во, 1978.-№6,- С.30-31.ч

5. Асташов В.Г. Стойкость штампов для прессования расплавов стали. В !.: Стали для штампов и прессформ и их термическая обработка. М., 1975.- С.60

6. Геллер Ю.А. Об основных направлениях исследований в области штам->вых сталей. В сб.: Стали для штампов и прессформ и их термическая обработка.-., 1975,- С.3-7.

7. Трахтенберг Б.Ф., Светличнов К.В., Раппопорт С.Р., Шубина М.А. груктурные изменения при циклическом ударно-повторном нагружении высоко-рочной стали. В сб.: Порошковая металлургия.- Куйбышев, 1974.-С. 136-142.

8. Геллер Ю.А., Сагидеева Т.Г., Ительман В.М. Пути повышения тепло-гойкости и технологических свойств штамповых сталей высокой теплостойкости.сб.: Стали для штампов и прессформ и их термическая обработка. М., 1975.- С.42-4.

9. Трахтенберг Б.Ф. Основные пути повышения стойкости инструмента дя объемной штамповки. Дисс. на соиск. уч.ст. д.т.н: 05.05.04.- М., 1971.-341 с.

10. Геллер Ю.А., Голубева Е.С., Павлова Л.П., Юадис А.П. Исследование тали 4Х5В2ФС для прессформ литья медных сплавов. Литейное производство, 967, №2,- С.32-36.

11. Пляцкий В.М. Литьё под давлением.- М.: Оборонгиз, 1957.-516 с.

12. Геллер Ю.А., Голубева Е.С., Новые стали для прессформ литья под злением. Известия ВУЗов,- Черная металлургия.-1964,- №9,- С. 61-62.

13. Тишаев С.И., Политаев Ю.М., Гриб В.Д. Малоцикловая усталость амповых сталей при повышенных температурах. В сб.: Стали для штампов и ессформ и их термическая обработка.- М.-МДНТП, 1975 .-С. 115-119.

14. Горячее гидропрессование металлических материалов. А.И.Колпаш-ков, В.А.Вялов, А.А.Фёдоров и др.- М.: Машиностроение,!977.-270 с.

15. Трахтенберг Б.Ф., Котельников Г.А., Колесников М.С., Исследование сериалов для форм литья под давлением. Литейное производство, 1971,- № 7,21-24.

16. Coffin L.E. The effects of cycle thermal stresses on a Ductile metal. Trans SME.- 1957.-№7.-p.716-718.

17. Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали, М.: еталлургия. - 1980, с. 243 с ил.

18. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. -М.: Металлургия, 1984. 381с. с ил.

19. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, ?62. - 276 с. с ил.

20. Иванова B.C., Терентьев Е.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Метал-ургиздат, 1976- 312 с.

21. Шубина М.А. Исследование основных закономерностей микроско-ических и микроструктурных изменения в контактной зоне горячих штампов рессового назначения. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.к. Куйбышев, 1968.

22. Куранов В.Н. Влияние параметров технологического процесса и конст-уктивных особенностей прессформ на их температурные режимы, напряжения и ^формации. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., Красноярск.- 1971.-143 с.

23. Фридман Я.Б., Соболев Н.Д., Егоров В.И. Способ испытаний ТМУ мате-шалов.-Заводская лаборатория.-1960.-№4,- С.1413-1415.

24. Архаров В.И. Исследование разгаростойкости штамповых сталей.-Трудыстатута физики металлов.: Свердловск.-1955.- №16.-С.72-76.

25. Залесский В.И., Корнеев Д.М. Производство и обработка стали.-Труды ИСиС.: М,- Металлургиздат, 1954.-№32,- с.107-108.

26. Epstein L.F. A thermal cycling and super placid of steel.-On the Peaceful Uses Atomic Energy.- Geneva.- 1955,- №12,- p. 137-140.

27. Трахтенберг Б.Ф., Иванов А.И. Исследовние ТМУ штамповых сталей.-атериалы для штампов и прессформ и их термообработка.- М.МДТНП, 1966.113-117.

28. Глухов Ю.А., Котельников Г.А., Трахтенберг Б.Ф. Критерии прочности условия подобия при испытаниях разгаростойкости штамповых сталей. В сб.: овое в теории конструирования деформирующего и формообразующего инстру-жга, Куйбышев, 1976, с. 83-87.

29. Тылкин М.А. Прочность и износостойкость деталей металлургического юрудования.- М.: Металлургия,- 1965,- 111 с.

30. Одинг И.А., Косточкин Ю.В. Металловедение и термическая обработка еталлов.- I960,- №4,- С.32-33.

31. Костенко Д.И. Новые штамповые стали,- Передовой научно-технический пыт ГОСИНТИ,- М, 1957.-3 с.

32. Зуйкова A.A. Влияние природы, состава и структуры некоторых сплавов а их размерную и структурную стабильность в условиях термических циклов. ТЩМ.-М., I960,- №3,- СЛ73-176.

33. Баландин Г.Ф., Формирование кристаллического строения отливки,- 2-е зд.- М.: Машиностроение, 1973,- 388 с.

34. Глухов Ю.А. Исследование влияния технологических факторов на пока-атели надежности штампового инструмента. Дисс. на соиск. уч.ст. к.т.н, Куйбышев, 973,- 131 с.

35. Трахтенберг Б.Ф., Колесников М.С., Котельников Г.А., Шубина М.А. 0 (ыборе критериев оценки работоспособности диффузионно-упрочненных инструментальных сталей. В сб.: Порошковая металлургия, Куйбышев, 1974, с. 109-116.

36. Клейнер М.Н. Исследование воздействия расплавленного металла на руктуру и свойства материала прессформы при литье под давлением. Дисс. на иск. уч.ст. К.Т.Н., JL, 1969,- 164 с.

37. Дробязко И.С., Иванов A.A., Климашина А.И. Вопросы оптимизации жимов термической обработки штамповых сталей. В сб.: Стали для штампов и юссформ и их термическая обработка. М., 1975, с. 36-42.

38. Миркин И.Л., Крипггал М.А. Исследование новых жаропрочных спла-)в.-Труды ЦНИИТМАШа,- М.: Машгиз,1961,- Кн.101.- С.74-77.

39. Журков С.Н., Санфирова Т.Н. Температурно-временная зависимость точности чистых металлов,- Доклады АН СССР.- 1955,- Т.100,- С.117-121.

40. Кац A.A. Термическая обработка, структура, свойства и пути улучшения «того инструмента для горячего деформирования: Дисс. на соиск. уч.ст. к.т.н,- М., т.-154 с.

41. Производство и исследования сталей и сплавов.- М.: Металлургия, 970,- Вып.4,- С.81-83.

42. Меськин B.C. Основы легирования стали.- М.: Металлургиздат, 1959.30 с.

43. Ломер В.М. Точечные дефекты и диффузия в металлах и сплавах: Пер. с нгл.- М.: Изд-во иностр. лит., 1961,- С.99-124.

44. Лейрих И.В. Исследование свойств и структурных изменений при тер-юциклировании сталей для меташюформ: Автореф. дисс. на соиск. уч.ст. к.т.н., Донецк., 1983,- 16 с.

45. Заводнов А.Л. Исследование стойкости прессформ для литья под давле-шем медных сплавов: Дисс. на соиск. уч.ст. к.т.н., Владивосток., 1970,- 152 с.

46. Brown W.R. A new concept of the heat-checking on Brass-Pressure-Casting 3ies.- Metal Progress.- 1953.- vol. 63, №6,- p.73-78.

47. Литьё под давлением.- Ред. Винберга.- M.: Машгиз, 1983,- 346 с.

48. Hiller Н.М. Noue Erfahrungen mit Druckguss Formen - Stahlen.-Zeitschrift/Gusserei.- 1953.- Bd. 40, №1,- s.16-24.

49. Тороповская Н.Н. Исследования избирательного воздействия расплавов I деформируемые твёрдые металлы: Дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н., Львов, 1970.4 с.

50. Чаевский М.И. Шатинский В.Ф. Влияние рабочих сред на свойства ма-риалов,- Киев: АН УССР, 1963,- Вып.2,- С.71-73.

51. А.С.194384 СССР Способ испытания трубчатых образцов на ТУ.-Р.И. зйцман, М.П.Розанов.-Б.И,- 1965,- №17.

52. Никитин В,И. Физико-химические явления при взаимодействии жидких зталлов с твёрдыми.- М.: Атомиздат, 1967,- 365 с.

53. Ростокер У., Мак-Коги Д., Меркус Г. Хрупкость под действием жидких еталлов: Пер с англ.- М.: Изд-во иностр. Лит.,1962,- 162 с.

54. Серенсен С.В., Котов П.И. Способы испытания сталей на разгаростой-зсть,- Заводская лаборатория,- 1958.-№9.-С.38-41.

55. А.С. 169853 СССР Способ исследования металлических образцов на фмическую усталость,- Б.Ф.Трахтенберг, Г.А. Котельников, М.С. Колесников, С.Р. аппопорт.- Изв.ВУЗов. Чёрная металлургия, 1973,- №1,- С.151-154.

56. Оболенцев Ф.Д., Лесковский Н.Д. Прогрессивная технология процессов ормирования литых деталей,- Материалы 23-й ВНТК литейного производства.-.,1968,- С.87-89.

57. Жаропрочные сплавы для газовых турбин. Материалы международной онференции.- Под ред. Котсорадис Д., Феликс П, Фишматстер X,- М.: Металлурга, 1981,-479 с.

58. Оно А. Затвердевание металлов: Пер. с англ. под ред. В.А. Ефимова.- М.: Металлургия, 1980.-304 с.

59. А,С.914177 СССР Способ поверхностного легирования отливок.-В.А. Е>руль.- Б.И.-1981,- №43.

60. Гуляев Б.Б. Литейные процессы,- М.-Л.: Машгиз, 1960,- 416 с.

61. Грузных И.В., Оболенцев Ф.Д. Надёжность и технологичность в произ-юдстве стальных отливок,- СПб.: Политехника, 1992.-272 с.

62. Чалмерс Б. Теория затвердевания. Пер. с англ.- М.: Металлургия, >68,- 228 с.

63. Колмогоров А.Н. К статистической теории кристаллизации,- Известия Н СССР /серия математическая/, 1937.- №3,- С.17-21.

64. Колесников М.С. Пути повышения стойксти штампов,- КГШП, 1980.->4,- С.13-14.

65. Абрамов В.В. Остаточные напряжения и остаточные деформации в метлах,- М.: Машгиз, 1963,- 350 с.

66. Курдюмов A.B., Михайлов A.M., Бауман Б.В. и др. Лабораторные рабо-»I по технологии литейного производства.- М,- Машиностроение, 1970.- 200 с.

67. A.C.879400 СССР Способ исследования термомеханической усталости атериалов. Колесников М.С., Кузнецов Б.Л., Кондратенко B.C.,Шишкин А.Г.-,И.-1981.-№41.

68. Аркин В.И., Пресман Э.Л., Сонин И.М. Оптимальный выбор в условиях еполноты информации,- Экономика и матем. методы, 1975, т.11.-№3.

69. Берж К. Теория графов и её применение. М., ИЛ, 1962.

70. Корниенко Э.Н., Венгер В.В., Панов А.Г. Мелкодисперсные модифика-эры для производства высокопрочных чугунов.-Литейное производство, 1996, о10.-С.18-19.

71. Колесников М.С., Столяр О.Ю., Панов А.Г. и др. Разработка и исследо-ание новых материалов для литых биметаллических штампов и прессоснастки,-/ШТК «Механика машиностроения».Тезисы докладов,- Набережные Челны, 1995, U79-180.

72. Колесников М.С., Панов А.Г., Корниенко Э.Н. Разработка штамповой тали мартенситного класса для литой биметаллической прессоснастки.-МНЖ Механика машиностроения».Тезисы докладов,- Набережные Челны, 1995, С. 18081.

73. Burton I.A., Prim R.C.-Principles of solidification.- I.Chem. Physics.- 1953,-r.2\.- p.1987-1991.104

74. Пфанн В.Дж. Зонная плавка: Пер. с англ.- М.: Металлургиздат, 1960.12 с.

75. Кристаллизация из расплавов. Справочник под ред. К. Хайна и Э. Бури I.- М.: Металлургия, 1987.-318 с.

76. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов,- М.: Металлургия, 1984,- 160 с.

77. Гудремон Э. Специальные стали,- М.: Металлургия, 1959-1960,- 1202 с.

78. Панов А.Г. Литейная сталь для работы в условиях циклического темпе' атурно-силового нагружения.-Литейное производство, 1999, №8.-С.18.

79. Патент РФ. Сталь. Панов А. Г. Заявка № 99101472, 1999.