автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка материалов и технологий термической и химико-термической обработки для аппаратов высокого давления

; г 5 ол

- , г-;-} На правах рукописи

Софрогяенков Алексей Федорович

Разработка материалов и технологий термической н химико-термической обработки для апнаря < с.п высокого давления

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новокузнецк -1996

Работа выполнена в Сибирской государственной горно-металлургической академии

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.К. Афанасьев

- доктор технических наук, профессор В.И. Лизунов

- доктор физико-математических наук, профессор Л.Б. 3уев

Ведущее предприятие - Кузнецкий металлургический комбинат

защита состоится февраля 1996 г. в. /о .час на заседат диссертационного совета Д063. 99. 01. при Сибирской государственнс горно-металлургической академии по адресу: 654 007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42.

3/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках академии

Автореферат разослан " //^ " января 1996

Ученый секретарь

диссертационного совета, ~

к.т.н., доцент А.Л. Никола*

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одним из главных резервов повышения производительности труда, качества продукции является применение в промышленности синтетических сверхтзердых материалов /СТМ/. Использование СТМ в значительной степени сокращает расход инструментальных сплавов.

В машиностроении широко используются новые материалы, обладающие высокими прочностными характеристиками, эффективность использования которых зависит от металлорежущего инструмента. Современные сплавы и стали, применяемые в инструментальной промышленности, уже не в состоянии выдерживать высоких тепловых нагрузок. Решается эта проблема путем использования синтетических сверхтвердых материалов /алмаза, кубического нитрида бора /КНБ/ и др./.

В нашей промышленности производство алмазов и кубического нитрида бора было осуществлено в начале 70-х годов. Промышленность производит алмазы и КНБ различных марок и зернистостей. Такие алмазы марок АС2 /АСО/, АС4 /АСР/, АС6 /АСВ/ и КНБ марки ЛО обладают высокой абразивной способностью, но имеют низкую прочность. Производство более донных монокристаллов: - алмазов марки АС32 /АСС/ и КНБ марки ЛП -ограничено в связи с низкой эффективностью аппаратов высокого давления АВД/. .

На Ташкентском производственном объединении "Эльбор" произво-[ятся марки алмазов АС4, АС6, АС15, АС32 и эльбор марки ЛКВ, ЛО, ЛП. Алмазные синтетические порошки предназначены для изготовления алмазно-о инструмента на органической, керамической и гальванической связках и [рименяются в свободном состоянии в виде паст и суспензий. Выпускаются ернистостью 160/125 - 50/40.

Алмазные порошки АС4, АС6, АС15 идут на изготовление шлифоваль-ых кругов для заточки и доводки твердосплавного, режущего и измеритель-

ного инструмента. Трудоемкость обработки изделий из твердых сплавов алмазными кругами по сравнению с обработкой абразивными кругами снижается в 2 раза, а стойкость твердосплавного инструмента повышается в 1,5 - 2 раза. Кроме этого, алмазные порошки идут на изготовление инструмента сложной формы путем гальваностегии.

Шлифовальные порошки из эльбора марки ЛК13, ЛО, ЛП идут на изготовление абразивного инструмента высокой механической прочности с зернистостью 200/160 - 50/40. Инструмент с эльборовым покрытием предпочтителен при обработке изделий из легированных и других труднообрабатываемых сталей при повышенных режимах шлифования.

Производство СТМ проводится на специальных прессах, которые создают высокие давления. Работают они следующим образом: две блок-матрицы, в которых размещен контейнер с реакционной смесью, устанавливаются между опорными плитами, иод усилием пресса блок-матрицы сближаются, создавая в рабочем объеме высокое давление. Контейнер из литографского камня деформируется и заполняет пространство в рабочей ячейке камеры, создавая изоляцию между двумя матрицами. При достижении определенного давления пропускается электрический ток и происходит синтез сверхтвердых материалов. Современная промышленность и лаборатории располагают АВД (аппараты высокого давления) различных моделей в зависимости от их назначения.

При производстве сверхтвердых материалов для изготовления камер высокого давления (к.в.д.) и вставок опорных плит применяют твердые сплавы ВК6 и ВК15 /пресс 500 т.е./. В прессах 1000 т.е. камеры высокого давления изготавливаются из стали Р6М5. Использование других материалов для изготовления к.в.д. и опорных плит носило эпизодический характер и положительного эффекта достигнуто не было. Изыскание новых материалов и упрочняющих технологий для замены твердых сплавов является актуальной за-

чей, так как при этом резко сокращается расход остродефицитного вольф-ма и кобальта и повышается эффективность АВД.

Выполняемые научные работы, в основном, посвящены анализу синтеза грхтвердых материалов, конструированию АВД, изучению напряженного стояния оснастки, повышению качества СТМ, технологиям изготовления струмента, порошков, паст из синтетических материалов и др. Таким обра-ч, одной из первоочередных задач, которая стоит перед промышленностью, тается замена остродефицитного твердого сплава более дешевыми мате-алами. а также повышение эффективности АВД.

Целью настоящей работы являлась разработка и исследование новых тавов и технологий термической и химико-термической обработки для ап-эатов высокого давления, а также разработка научных основ по использо-шю стальной оснастки в условиях синтеза сверхтвердых материалов и оп-(еление факторов, которые существенно влияют на долговечность АВД.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить сле-эщие задачи:

¡сследовать особенности влияния параметров синтеза на напряженное со-тояние и температурное поле АВД;

пределить оптимальное поддерживающее напряжение для к.в.д. н вставок порных плит, изготовленных из сталей;

азработать новые литые сплавы и требования к ним для изготовления

ВД:

сследовать влияние параметров синтеза на состояние сталей; азработать технологии термической обработки сталей с оптимизирован-ым химическим составом для повышения срока службы АВД; «работать новые технологии химико-термической обработки поверхно-ного упрочнения к.в.д. для защиты их от воздействия высоких цикличе-:их температур;

следовать влияние поверхностного упрочнения на долговечность к.в.д.;

— построить схемы разрушения к.в.д. и вставок опорных плит в условиях циклического воздействия высоких давлений и температур;

— определить способ восстановления обжимной обоймы для вставок опорных плиг.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработаны и проведены комплексные исследования новых литых безвольфрамовых и маловольфрамовых сплавов для к.в.д. и вставок опорных плит при производстве СТМ, что позволило резко сократить расход вольфрама и кобальта и повысить стабильность АВД. Экспериментально установлена возможность использования литых сплавов для АВД.

2. Установлена зависимость между величиной поддерживающего напряжения (натяг) и твердостью к.в.д. и вставок опорных плит, изготовленных из сталей, что позволяет регулировать величину натяга в зависимости от прочности сплава.

3. Построена схема разрушения деформированных и литых сплавов в условиях высоких циклических давлений и температур, которая определяется формой, размерами, распределением, составом структурных составляющих.

4. Установлено, что РЗМ в литых быстрорежущих сталях измельчает зерно, увеличивает вязкость, твердость, предел текучести и количество аусте-ннта остаточного. Оптимальное содержание РЗМ составляет 0,04-0,06 %. Морфология ледебуритной эвтектики определяется составом стали.

5. Показано, что в результате циклического давления во вставках опорных плит возникают пиковые напряжения на глубине 0,8-3 мм от контактной поверхности, что указывает на неоднородное распределение пластической деформации и является причиной образования микротрещин и выколов.

6. Установлено, что совместные воздействия давлений и температур приводят к изменению параметра кристаллической решетки, химического состава, появлению новых фаз, а также к изменению структурного состояния сплавов, что вызывает дополнительные напряжения в стали.

7. Разработаны новые технологические процессы борирования и хромирования, обеспечивающие высокие свойства диффузионных слоев н сокращение времени насыщения. Впервые установлено, что в условиях С Т М поверхностные методы упрочнения надежно защищают к.в.д. от воздействия высоких циклических температур, увеличивая срок службы и стабильность АВД.

Практическое значение и реализация работы. Результаты проведенных исследований составили научную основу по использованию деформированных и литых сплавов без вольфрама и с малым содержанием вольфрама для АВД. Применение новых сплавов для ряда АВД позволяет резко сократить эасход твердого сплава, снизить себестоимость продукции, повысить произ-юдительность и эффективность АВД. Использование ХТО дает возможность ¡ащитить к.в.д. от воздействия высоких температур. Новые сплавы и техно-тогии опробованы и внедрены на Ташкентском инструментальном объедине-«ш "Эльбор".

Автор защищает следующие основные положения: ) вклад в развитие литых сплавов для аппаратов высокого давления; !) технологию термической обработки к.в.д. и вставок опорных плит, изготовленных из литых сплавов для обеспечения высоких прочностных свойств; ¡) схему разрушения деформированных и литых сплавов в условиях синтеза верхтвердых материалов;

I) новые технологии химико-термической обработки для камер высокого ивления;

) способ изготовления камер высокого давления и вставок опорных плит ме-одом литья и горячей штамповки;

) восстановление обжимных обойм для вставок опорных плит после выхода х из эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Юбилейной региональной практической конференции (г. Новокузнецк, 1990 г.); 7ом Международном конгрессе по термической обработке металлов (г. Москва, 1990 г.); Республиканской конференции "Повышение качества и надежности инструмента" (г. Рубцовск, 1987 г.); Республиканской конференции "Пластическая деформация материалов в условиях энергетических воздействий" (г. Томск, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Технология и оборудование для новых прогрессивных методов ХТО деталей тракторов и с/х машин" (г. Волгоград, 1988 г.); Всесоюзном семинаре "Структура и свойства конструкционных и инструментальных материалов" (г. Новокузнецк, 1986 г.); Республиканской конференции "Совершенствование технологий получения и обработки сплавов и композиционных материалов" (Красноярск, 1990 г.); зональной конференции "Структура и свойства металловедческих материалов в широком диапазоне техники" (г. Новокузнецк, 1984 г.); зональной конференции "Структура и свойства металлов" (г. Новокузнецк, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и ХТО в машиностроении и металлур-гии"(г. Новокузнецк, 1991 г.); первом и втором собрании металловедов России (г. Пенза, 1993 г., 1994г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 32 статьях в центральных журналах и сборниках, получено 5 авторских свидетельств СССР.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 258 наименований, 98 рисунков, 53 таблиц и(2- приложений. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста.

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных самостоятельно, а также совместно с сотрудниками Сибирской государственной горно-металлургической академии, "лабораториями АО ЗСМК, ЦНИИ-

ЧЕРМЕТ, заводами "Трансмаш" г. Барнаула и г. Омска, "Тяжмаш" г. Иркутска.

Автору принадлежит постановка проблемы, задач экспериментальных исследований, разработка методик проведения эксперимента, создание модели напряженного состояния, обработка и анализ данных, непосредственное участие во внедрении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка современного состояния исследуемой проблемы, показана актуальность работы, а также научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе рассмотрены конструктивные особенности АВД различных типов и их эффективное применение. Показано, что при синтезе сверхтвердых материалов в промышленности широко используются камеры высокого давления из твердого сплава ВК6, углубления которых выполнены в виде сегмента или конуса, сопряженного со сферой. Аппараты имеют простую конструкцию, технологичны в изготовлении, имеют высокие параметры синтеза. Ставились задачи по созданию АВД с большим реакционным объемом, но из-за отсутствия материала высокой прочности и влияния маштабно-го фактора резко снижалась эффективность АВД. Стабильность работы АВД во многом определяется распределением температурного поля и уровнем напряжений, возникающих при эксплуатации.

Напряженно-деформированное состояние и температурное поле АВД рассчитывались методом конечных элементов, а также экспериментально, путем замера температуры термопарой на разной глубине к.в.д.

Аналитические, экспериментальные данные и струхтурное состояние камер показали, что максимальная температура концентрируется в тонких слоях рабочей лунки камеры. Температурное поле имеет большой градиент

по сечению камеры и меняется в процессе эксплуатации, что создает дополнительные напряжения по объему камеры.

Исследования напряженно-деформированного состояния с применением пояяризационно-оптического метода на просвечиваемых моделях показали, что камеры имеют максимальное напряжение на запирающей кромке, которая при эксплуатации смещается в зону реакционной лунки, изменяя ее геометрию и объем, нарушая параметры синтеза и работу АВД.

Изменение профиля камеры начинается после 15-30 циклов нагружений в результате смятия кромки и последующего ее разрушения. На основании анализа напряженно-деформированного состояния камер объемом 0,9 см3 и диаметром 35 мм была разработана, испытана в производственных условиях новая форма камеры с запирающей кромкой на периферии. Такая геометрия камеры обеспечивает более равномерное распределение напряжений и исключает изменения реакционного объема. Производственные испытания стальных камер новой формы показали увеличение стабильности их в работе на 15-25%. Рассчитанный запас прочности стандартной камеры не превышает единицы, а опытной равен 1,3.

Исследования напряженного состояния камер объемом 8,5 см3 и диаметром 72 мм показали, что в области перехода боковой конической поверхности к сферическому дну образуется излом с высокой концентрацией напряжений. Применение стальных камер со сферической лункой устранило пики напряжений в этой области и практически полностью было устранено разрушение камер в зоне перехода.

Описаны методики расчета температурнрго и напряженного полей в зависимости от поддерживающего напряжения.

Во втором разделе рассмотрены материалы для изготовления к.в.д. 1 вставок опорных плит. Основным материалом для изготовления к.в.д. объе мом 0,9 см3 и диаметром 35 мм служит твердый сплав ВК6, а для вставо! опорных плит - ВК15. Сплавы имеют высокие прочностные характеристики I

теплостойкость, а также низкую чувствительность к поверхностным дефектам.

Анализ разрушения сплавов ВК6 и ВК15 показал, что такие дефекты, как свободный графит, крупные зерна \УС и поры являются очагами усталостного разрушения. С целью повышения прочности твердых сплавов используется ряд способов объемного и поверхностного их упрочнения. Наиболее эффективным способом является закалка. Она позволяет повысить прочность при изгибе на 5-15%, а ударную вязкость на 15-30%. Для ликвидации остаточной пористости сплавы подвергают обжатию. При насыщении сплавов жидким кобальтом стойкость камер повышается на 14-100%.

При производстве эльбора и алмаза марки АС32 используют камеры объемом 8,5 см3 диаметром 72 мм. Камеры изготавливают из стали Р6М5 с Н КСоб 1 и теплостойкостью Тб1 =550°. Стойкость камер из этой стали составляла 20-22 цикла нагружеиия.

Анализ результатов долговечности к.в.д. и вставок опорных плит за 6 лет дал следующие показания: стойкость к.в.д. из ВК6 (режим 649/03) составляет 157 циклов нагружения; камеры из стали Р6М5 (режим ЛКБ) выдерживают 21 цикл; вставки опорных плит из ВК15 - 4500 циклов.

Исследования в течение трех лет стойкости камер и вставок опорных плит показали, что к.в.д. из ВК6 имеют стойкость ниже плановой 10 месяцев, к.в.д. из стали Р6М5 -13 месяцев, вставки опорных плит из ВК15 - 3 месяца.

Установлена корреляция стойкости стальных камер и вставок опорных плит от величины поддерживающего напряжения (натяг) и твердости стали. Так камеры диаметром 35 мм при натяге 6,2-6,3 мм(сгандартный 5,5 мм) повысили стойкость на 10-15%. Для вставок диаметром 72 мм оптимальный натяг составил 11-12 мм (стандартный 10-11 мм).

Вставки опорных плит с твердостью НЛС 63-64 со стандартным натягом имели стойкость 50-70% стойкости твердого сплава; с натягом, увеличенным на 9% и на 18%, она возрастает на 70-100%. Вставки с твердостью НКС

65-66 с натягом, увеличенным на 9%, повысили стойкость в 1,3 - 2 раза. Влияние натяга на вставки с твердостью HRC 67-69, оказывается, не столь значительно, чем для сталей с низкой твердостью. Вставки с меньшей твердостью требуют большей величины поддерживающего напряжения в связи с их меньшим пределом упругости.

Обоснованное установление оптимальной величины поддерживающего давления увеличило долговечность и стабильность к.в.д. и вставок опорных плит.

В третьем разделе приведены результаты по разработке и исследованию новых литых быстрорежущих сталей для АВД. Проведенные исследования позволили обосновать требования к стальным к.в.д. и вставкам опорных плит. Твердость должна составлять HRC 66-68, ударная вязкость 0,15-0,3 МДж/м2, предел упругости ау - 2800-3000 МПа.

Анализ различных групп сталей (штамповые, жаропрочные, быстрорежущие) и предварительные промышленные испытания показали целесообразность использования быстрорежущих сталей типа: Р10М4ФЗК10, Р18Ф2К8М, Р8МЗК6С, Р12Ф4К5. Данные стали обладают высокой твердостью (HRC

66-68), пределом упругости (о> 2800-3000 МПа), ударной вязкостью (0,11-0,22 МДж/м2) и теплостойкостью (HRCss 635-640). Все перечисленные стали имеют химический состав в пределах действующих стандартов.

Для разработки новых материалов был проведен научный поиск относительно недефицитных литых сталей, способных обеспечить свойства, требуемые для АВД. Разработаны две группы литых сплавов. Использовано факторное планирование, регрессивный анализ и движение по градиенту. Первая группа представляла литые молибденовые быстрорежущиеся стали, вторая - литые вольфрамомолибденовые.

Молибденовые стали типа Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р0М8К6С, Р0М8С, Р0М8 содержали в своем составе (%) 1,2-1,4 С, 1,1-2,0 Si, 5,6-6,0 Cr, 1,1-1,5 У,

8-9 Мо. Сталь Р0М8С* имела в своем составе РЗМ-0,04-0,06%, а сталь Р0М8К6С** содержала титан и РЗМ в пределах 0,04-0,06% каждого. Стали защищены авторскими свидетельствами. Вольфрамомолибденовые стали типа Р4М6С*, Р4М6К5С", Р4М6К5С, Р4М6С, Р4М6 имели в своем составе (%)1,2-1,6С, 4,8-5,2 Сг, 6,0-6,5Мо, 1,2-1,7У, 1,2-1,4 Б), 3,0-4,0 \У. Ста.тш Р4М6С* и Р4М6К5С** содержали в своем составе 0,02-0,06% РЗМ и 0,06-0,12 'П. Сталь Р4М6С* защищена авторским свидетельством.

Для изучения свойств сталей и разработки упрочняющих режимов в высокочастотной печи были выплавлены стали и разлиты в слитки и штанги весом 35-50 кг. Литые заготовки проходили диффузионный и изотермический отжиг. Структура и свойства сталей изучались после литья, отжига, закалки и отпуска. Исследовано влияние РЗМ, 81, Мо, С на структуру, свойства, карбидную фазу и строение эвтектики. Установлено, что в сталях с кремнием произошло увеличение карбидной фазы. Стабильное увеличение Мо и№в а-фазе не установлено. За счет кремния измельчается зерно, уменьшается количество аустенита остаточного, пик твердости смещается в область более низких температур на 10-15° С. Снижается температура ликвидуса и солидуса. Добавки РЗМ в литые стали измельчают литую структуру за счет более эффективного образования центров кристаллизации. Установленно, что оптимальное содержание РЗМ находится в пределах 0,04-0,06 %, при этом увеличивается вязкость, твердость, предел текучести и количество аустенита остаточного. Для сталей определены критические точки и построены диаграммы изотермического превращения аустенита.

Установлено, что морфология эвтектики различна и определяется составом стали. Тонкая ледебуритная эвтектика образуется в молибденовых сталях. Определены оптимальные температуры закалки и отпуска. Исследовано влияние различных охлаждающих сред на свойства сталей. В таблице 1 приведены свойства стали после ступенчатой закалки и отпуска.

Свойства литых сплавов

Таблица 1

Марка стали . Твердость, СГи, От, кса

HRC МПа МПа МДж/м

Р0М8С* 66-66,5 3800-3900 3700 0,25-0,30

Р0М8К6С** 66,5-68 4100-4200 3800-4000 0,20-0,25

Р0М8К6С 67 3900-4000 3700-3800 0,10-0,15

Р0М8С 64-65 3600-3700 3400-3500 0,15-0,20

Р0М8 62-64 3400-3500 3200-3300 0,15-0,20

Р4М6С' 66,5-67,5 3200-3400 3100-3200 0,15-0,20

Р4М6К5С" 66,5-68,5 3800-4000 3400-3500 0,15

Р4М6К5С 65-66 3700-3800 3300-3400 0,10-0,15

Р4М6С 64-65 • 3200 3000-3050 0,10-0,15

Р4М6 63-64 2650 2500 0,10

Для сталей Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р4М6С*, Р0М8С, Р12Ф4К5 определены коэффициенты трещеностойкости Кю.

В результате проведенных исследований разработана группа литых быстрорежущих сталей с высокими прочностными свойствами и удовлетворительной вязкостью для АВД.

Четвертый раздел посвящен исследованию и разработке технологических процессов химико-термической обработки дай поверхностного упрочнения камер высокого давления. В настоящее врем отсутствуют данные по влиянию высоких циклических давлений и температур на характеристики бо-рированных, хромированных и азотированных слоев при синтезе сверхтвердых материалов.

Свойства боридных слоев зависят от активности среды, температуры, скорости охлаждения. Недостаток борирования - повышенная хрупкость слоя. Для повышения активности расплава и получения твердых и нехрупких слоев бора разработан новый состав расплава, который обеспечивает получение качественных диффузионных слоев на быстрорежущих сталях с оптимальным соотношением боридных фаз РеВ и ЯегВ. В состав расплава входят следующие составляющие, (масс %): КагВЮ? 34 - 38; ЫаИ 15 -25; В4С 30 -45; СНз(СН2)]б СООН 3 - 5; "П 2-3. Состав расплава защищен авторским свидетельством. Активность расплава повышается за счет высокого содержа- , ния карбида бора. Наличие стеариновой кислоты и титана способствует увеличению активности бора, повышению конвективности расплава, а также дополнительному восстановлению активного бора.

В поверхностном слое стали достигается оптимальное соотношение фаз: РеВ - 30 - 35 %, РегВ - 65 - 70 %. Борирование в разработанном расплаве проводилось при Т = 950-1000°С. Быстрорежущие стали имеют ту особенность, что они требуют под закалку высокие температуры нагрева, которые превышают температуру образования боридной эвтектики, вызывая оплавление поверхности. В работе было исследовано две технологические схемы закалки и два режима термической обработки. Результаты проведенных исследований показали целесообразность применения технологии, в которой для закалки частично используется температура борирования. Нагрев под закалку ниже эвтектической температуры снижает твердость стали на 3-5 НЯС. Нагрев выше эвтектической температуры оплавляет боридный слой.

Производственные испытания борированых камер показали, что оплав-пенный слой боридов прочно связан с сердцевиной и надежно защищает камеру от воздействия высоких температур. Камеры, закаленные с температуры ииже эвтектической, выходят из эксплуатации в результате пониженной объ-гмной прочности.

В борированном слое имеются боридные и карбидные фазы. В переходной зоне обнаруживаются карбобориды. Ускоренное охлаждение оплавленных боридных слоев способствует образованию мелких дендритов. Слой кристаллизуется с боридной эвтектикой и формируется в процессе кристаллизации. В литых и деформированных сталях морфология слоя различна.

Производственные испытания к.в.д. показали, что боридные слои надежно защищают камеру от эрозии и стойкость камер диаметром 72 мм увеличивается в 3 раза, а камер диаметром 35 мм - в 1,5 раза. Данная технология внедрена в производство Для поверхностного упрочнения камер высокого давления.

Процесс хромирования широко применяется в промышленности для повышения износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости. Недостатком хромирования является невысокая скорость диффузии хрома, особенно в быстрорежущей стали. Для упрочнения камер была разработана новая технология хромирования, которая заключалась в нагреве образцов в смеси, состоящей из 50 % РеСг, 48 % АЬОз, 2 % КШО, до температуры 1000°С, выдержке при этой температуре в течение 4 часов, последующем охлаждении - до температуры 720 - 730° С, с выдержкой 0,5 - 1,0 часа, подъеме температуры - до 830 - 840° С, выдержке при этой температуре - 0,5 - 1,0 часа; затем второй цикл обработай-повторяется и проводится окончательное охлаждение. Предлагаемая технология за меньшее время обработки позволяет интенсифицировать процесс диффузионного насыщения в 2,0 - 2,3 раза по сравнению с известными.

Интенсификация процесса связана с фазовыми переходами, созданием дополнительной дефектной структуры и межфазовых границ. При замедленном охлаждении выпадают карбиды из аустенита, уменьшая его легирован-ность и увеличивая растворимость хрома. Низкий коэффициент диффузии хрома в -у - фазу создает на поверхности образцов повышенный градиент концентрации, который способствует диффузии при цикпировании.

В диффузионном слое выявлены карбиды СгцСб, СпСз и МбС. Переходная зона характеризуется повышенным содержанием углерода и меньшим числом основных карбидов стали, что связано с дополнительным растворением карбидов при диффузии углерода к слою.

Промышленные испытания камер после хромирования и последующей закалки и отпуска показали, что диффузионные спои хрома полностью защищают камеры от прогаров и выдерживают полный цикл испытаний. Долговечность камер диаметром 72 мм возросла в 2 раза, а камер диаметром 35,^ в 1,2 раза. Данная технология защищена авторским свидетельством и рекомендована к внедрению.

Азотирование является экономически выгодным процессом для повышения твердости, предела выносливости, коррозионной стойкости, износостойкости. Влияние параметров синтеза на характеристики азотированных слоев практически не исследовано.

Азотировались деформированные стали типа Р12Ф4К5 и Р18Ф2К8М. Из литых - Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р4М6С*, Р4М6К6С и Р0М8С в среде диссоциированного аммиака при температурах 500°С, 520°С, 540°С, 560°С в течение 24 и 48 часов в лабораторных и заводских условиях. Процесс азотирования осуществлялся по двум схемам. Часть образцов азотировалась после закалки, часть - после отпуска. Результаты азотирования показали, что характеристики слоя определяются исходной структурой, которая зависит не только от химического состава, но и предварительной обработки.

Образцы с полным циклом термической обработки перед азотированием имеют большую глубину слоя, чем образцы, азотированные сразу после закалки, что связано с большим количеством аустенита остаточного и разной степенью легированности матрицы после закалки и отпуска. Изучено влияние легирующих элементов на образование диффузионного слоя.

Азотированные слои представляют собой сложную гетерофазную область твердого раствора, карбидов, карбонитридов, нитридов. Упрочнение слоя достигается процессами дисперсионного твердения.

Азотирование при 500-560°С в течение 48 часов приводит к образованию на поверхности е - фазы, под которой выявляется зона с размытыми границами. Структура слоя состоит из трех зон. Зона, расположенная вблизи поверхности, состоит из с, у' - фаз, последующая зона имеет микротвердость НУ 6700-7000 МПа и представляет собой у' + карбиды + нитриды + карбонитри-ды. Зона, расположенная ниже, с микротвердостью НУ 6700-7000 МПа и темной травимости также представляет гетерофазную смесь различных фаз. Эта зона связана с повышением содержания углерода в результате оттеснения его в глубь металла при азотировании. В азотированном слое находятся г, у' и а -фазы, а также карбонитриды (РеМз)зМС, (РеМ)гМС, карбиды - МбС, МС, нитриды (МРе)2М, (МРе)4К, (СгРе^М.

Карбидообразующие элементы,' содержащиеся в стали, значительно влияют на. строение слоя. В зависимости от температуры закалки и последующего отпуска разное количество элементов будет связано в карбиды и образование специальных нитридов будет зависеть от количества связанных в карбиды шпрндообразующих элементов.

В сталях с кремнием диффузия азота предпочтительно идет по границам зерен с образованием прожилок е - фазы. Структура азотированного слоя литой стали с РЗМ имеет более развитую зону внутреннего азотирования с сохранением ледебуритной сетки по границам зерен, что положительно влияет на стойкость камер.

Азотирование значительно снижает твердость сердцевины закаленной или отпущенной стали. После азотирования при 560°С в течение 48 часов твердость снижается на 10-15 НЯС, при 540°С-на 4-7 НКС, при 520°С -

2-5 ИКС. Твердость более интенсивно снижается в сталях с высокой исходной твердостью. В стали уменьшается разброс периода решетки а - фазы, связанный с частичным перераспределением элементов в процессе азотирования.

Фрактографические исследования зоны, близкой к поверхности, выявили мелкие игольчатые фасетки, расположенные под разными углами, что характеризует хрупкое разрушение карбонитридной зоны.

Азотированные камеры при температуре 540-560°С не показали увеличение стойкости в результате снижения объемной прочности. Разброс по стойкости составил 30-60 %. Камеры, азотированные при 520°С в течение 48 часов, увеличили стойкость на 8-10% за счет уменьшения эрозии реакционной лунки. Азотирование в течение 24 часов при всех температурных режимах не привело к росту стойкости в результате разрушения диффузионного слоя в виде сколов.

Данная технология азотирования рекомендована для защиты к.в.д. от эрозии при низких параметрах синтеза.

Впервые показана перспективность использования процессов химико-термической обработки для повышения стойкости и стабильности работы камер высокого давления, изготовленных из быстрорежущих сталей.

В пятом разделе рассмотрено влияние высоких циклических давлений и температур на свойства быстрорежущих сталей при синтезе сверхтвердых материалов.

В зависимости от условий эксплуатации изделий в материале могут происходить различные структурно-фазовые процессы и физико-механкческие изменения, которые существенно изменяют уровень свойств материалов и влияют на долговечность изделий.

АВД работают в режиме малоцикловой усталости. Реакционная зона к.в.д. работает в условиях периодического нагрева и охлаждения наряду с циклическими нагрузками, в результате чего развивается термомеханическая усталость (ТМУ). Изучение этого явления показало, что при ТМУ может

происходить разупрочнение, связанное с распадом твердого раствора, повышение плотности дислокаций, растворение карбидной фазы, коагуляция карбидов и обеднение твердого раствора.

Поведение быстрорежущих сталей в условиях синтеза сверхтвердых ма-териаллов мало изучено. Проблема повышения стойкости к.в.д. и вставок опорных плит, а также применение новых материалов требуя исследований характера разрушения и установления зависимости стойкости АВД от структурного состояния, механических свойств, степени подготовки АВД.

Быстрорежущие стали характеризуются карбидной неоднородностью, которая создает анизотропию свойств по сечению. Заготовки, из которых механическим путем изготавливались вставки, попадали на центральную ее часть, где особенно сильно развита карбидная полосчатость. Нормальные напряжения направлены параллельно полосчатости и не реализуют резерв прочности.

Вставки опорных плит, изготовленные из ВК15, выдерживают 4000-4500 циклов нагружения. Анализ разрушений вставок показал, что они выходят из эксплуатации в результате разрушения контактной поверхности.

Многочисленные промышленные испытания показали, что вставки с твердостью ниже 65 Н11С выходят из эксплуатации в результате смятия контактной поверхности и просадки всей вставки опорной плиты. Такие вставки требуют частых перешлифовок. Кроме этого, смятия контактной площадки приводят к разрушению донной части к.в.д.

В деформированных сталях типа Р12Ф4К5, Р18Ф2К8М, Р8МЗК6С, Р12ФЗК10МЗ очаги разрушений от усталости образуются в местах контакта и представляют собой выкрашивание грубых карбидов или скопление мелких карбидов, что приводит к образованию микросколов различных по форме и величине. Шлифовка устраняет этот дефект и синтез может продолжаться до следующей перешлифовки, пока плиты не выйдут из эксплуатации по высоте. Величина шлифовки не превышает 8-10 мм.

Установлена зависимость характера разрушения вставок от их твердости. Вставки с твердостью 63-64 НЯС выходят из строя из-за смятия контактной поверхности, просадки и разрушений на границе контакта с обжимающим кольцом. Вставки твердостью 67-69 НЯС разрушаются большей частью по смешанной схеме. Показано, что при высоких нагрузках в мартенсите и аустените остаточном протекает микропластическая деформация, которая приводит к разрушению границ зерен. Высокий процент разрушений приходится на межфазовые границы и границы зерен. Редко встречаются разрушения карбидной фазы.

На основании анализа разрушения вставок построена схема разрушений быстрорежущих сталей. Первый вид разрушений связан с межфазовой границей карбид-мартенсит, второй-с разрушением по границам зерен, третий - по карбиду и зерну. Разрушения быстрорежущих сталей носят в основном хрупкий характер с отдельными зонами вязкого разрушения с низкой энергией отрыва.

Многочисленные испытания вставок опорных плит показали, что наиболее стабильные свойства имеет сталь Р12Ф4К5. Она обладает хорошей шлифуемостью, меньшей глубиной выколов при эксплуатации, технологична при термической обработке, выдерживает заданный цикл испытаний, что превышает стойхость стандартной камеры в 1,7 раза.

Разрушение вставок опорных плит, изготовленных из литых быстрорежущих сталей, начинается с появления на контактных площадках выкрашиваний и сколов. Ледебуритная эвтектика, которая создает замкнутый каркас, обеспечивает повышенную прочность стали. Эвтектика в молибденовых сталях с РЗМ имеет тонкое строение и обеспечивает более позднее зарождение трещин, обладая большей структурной и химической однородностью, по сравнению со сталями без РЗМ. Источником разрушения становится эвтектика скелетного строения, где содержится большее количество остаточного ау-стенита. Разрушения носят хрупкий характер. Особенность распространения

трещин в литых сплавах связана с характером эвтектики. В сплавах с грубой эвтектикой разрушения происходят по ледебуритной эвтектике и зерну. Камеры с РЗМ увеличили стойкость в 2 раза, без РЗМ в - 1,5 раза.

В результате высоких давлений в зоне контакта происходит изменение твердости, связанное с деформационным упрочнением. После определенного числа циклов прирост твердости прекращается в связи с ее насыщением (рис. !)■ Дальнейшее циклирование приводит к увеличению плотности дислокаций и к зарождению микротрещин.

Распределение твердости в зависимости от числа циклов

1

I I __; Г"

:

кос т

1100 шв гш гкоо г то згео р

Чит цикяос

1 - Р0М8К6С

2 - Р0М8С*

3 - Р0М8С

4 - Р12Ф4К5

•Рис. 1

Установлена зависимость интенсивности прироста твердости от ее исходного значения. Для сталей с НЯС 63-64 насыщение наступает через 2000-

3000 циклов и составляет НУ 500-600 МПа. Для сталей с твердостью НЯС 6768 прирост составляет НУ 150-200 МПа за 5000-6000 циклов.

Изменение твердости и микротвердости по глубине вставки опорной плиты в зоне контакта выявило ее цикловые изменения, что говорит о неоднородности распределения пластической деформации (рис. 2).

Изменения тока размагничивания через 0,2 мм по глубине вставки выявили максимальное его значение на глубине 0,2-0,4 мм и 1,5-1,8 мм, что соответствует пикам твердости.

Изменение твердости по глубине вставки опорной плиты после 4000-5000 циклов нагружений

^ £7

Ч £ 86

1 * -: л,

* 1

1

1 1 |

О 0,2 £}4 0,6 0,8 {0 {2 « Ц 10 2,1 2А Расстояние с» прочности

1 - Р0М8С*

2 - Р0М8К6С*' 3-Р12Ф4К5

Рис. 2

Анализ разрушений вставок в местах контакта литых и деформированных сталей показал, что контактно-усталостные разрушения возникают на

глубине 0,2-3 мм от поверхности в местах пикового увеличения твердости 1< тока размагничивания.

С целью снижения пиковых напряжений проводился отпуск после пер вых циклов испытаний (1000-1500 циклов). Отпуск сгладил пики твердости * уменьшил число перешлифовок на 15-20 %.

На рис. 3 приведены характерные разрушения вставок опорных плит.

Характерные разрушения вставок опорных плит

а б

а - разрушения в зоне контакта б - разрушенная вставка

Рис. 3

Анализ разрушенных вставок показал, что их долговечность определя ется не только исходной твердостью, но и размерами, формой, распределени ем структурных составляющих, а также плотностью дефектов, величиной ) распределением остаточных напряжений. В табл. 2 приведены данные о стой кости вставок опорных плит.

Вставки из литых сплавов типа Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р4М8С*, Р12Ф4К5 и Р12Ф4К5Л внедрены в промышленное производство с упрочняющей технологией, разработанной для этих сплавов.

Таблица 2

Результаты промышленных испытаний вставок опорных плит

Марки стали Стойкость вставок в циклах нагружений

Р12Ф4К5 4500-5000

Р9Ф4К5 3500

Р12ФЗКЮМЗ 4000-5000

Р8МЗК6С 3100-3200

Р18ФК8М 4206-4500

Р0М8С* 8000-9000

• Р0М8К6С** 8000-9000

Р0М8К6С 7000-8000

Р0М8С 3000-4000

Р0М8 3100-3800

Р4М6С* 6000-7000

Р4М6К5С** 7000-7500

Р4М6К5С 6500-6800

Р4М6С 4000

Р4М6 3000-3100

Р12Ф4К6Л 6000-6500

ВК15 (эталон) 4000-4500

Анализ промышленных испытаний вставок опорных гшит показал, что применение литых сплавов (Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р0М8К6С , Р4М6С*, Р4М6К5С, Р4М6К5С) и разработанной технологии термической обработки позволяет увеличить долговечность вставок в 1,5-2 раза.

После термической обработки вставки проходят следующий контроль:

1) контроль твердости (одна вставка от партии);

2) внешний осмотр 100 %;

3) не допускаются поверхностные трещины, сколы, раковины, обезутдеро-женный слой глубиной более 0,15 мм. При шлифовании не должны допускаться шлифовочные трещины;

4) на образующейся поверхности выкрашивание не должно превышать 0,2 мм на расстоянии 10 мм от торцевых поверхностей;

5) после запрессовки вставку рекомендуется выдерживать под давлением 280300 ат в течение 4-6 часов.

Испытания к.в.д. диаметром 35 мм проводились на прессах ДО-137А с усилием 500 т.е. по режиму работы твердого сплава ВК6. Обжимающие кольца готовились из стали 35ХГСА.

Разрушения деформированных сталей происходят по одной и той же схеме, если механические свойства близки и твердость составляет 66-68 НЯС. Камеры с твердостью ниже 66 НЯС не выдерживают заданный цикл испытаний и разрушаются в результате смятия запирающей кромки и изменения геометрии и объема реакционной зоны. Камеры исследовались после 30 и 50 циклов нагружений до окончательного их разрушения. Установлены основные характерные разрушения камер:

1) радиальные трещины на периферийной поверхности;

2) трещины, ведущие к отслоению верхней части камеры; , .

3) мелкие трещины в реакционной лунке, вызывающие отслоение металла на глубину до 0,5 мм;

4) смятия и разрушения запирающей кромки;

5) эрозия рабочей лунки;"'

6) "прострел" камеры в области запирающей кромки;

7) сколы на донной части камеры.

Наиболее высокий процент разрушений приходится на радиальные трещины (40 %), эрозию рабочих лунок (35 %), смятие и разрушение запирающей кромки (20 %). На остальные виды приходится около 5 %. Камеры, в основном, разрушаются в результате усталости металла при циклических нагрузках.

Структура стали представляет собой гетерофазную смесь а - твердого раствора и карбидов, что вносит дополнительный источник напряжений за счет межфазовых границ и различных коэффициентов теплового расширения фаз.

Исследования микроструктуры в области реакционной зоны камеры выявили участки оплавления ледебуритного строения толщиной 0,15 мм с микротвердостью НУ 11400 МПа. Под оплавленным слоем расположены две зоны глубиной 0,011-0,017 мм. Зона, прилегающая к оплавленному слою, имеет НУ 4900-5400 МПа и содержит троститные участки. Вторая зона с Н\' 7500-8600 МПа представляет неоднородный распавшийся мартенсит. С ростом числа циклов увеличивается глубина распространения влияния температуры и давления. В отдельных участках камеры обнаружены скопления карбидов, по форме отличающихся от исходных строчечных, что связано с протеканием локальной микропластической деформации. Оплавленная зона имеет определенную кристаллическую ориентировку в направлении, перпендикулярном приложенной силе, с уплотнением карбидной составляющей. С увеличением расстояния от реакционной зоны уменьшается количество карбидных выделений и структура приближается к исходной.

Съемки, сделанные на рентгеноспектральном микроанализаторе "1ЕОи\ показали дополнительное выделение высокодисперсных карбидов и разрыхление границ зерен.

При воздействии параметров синтеза происходит снижение вольфрама в карбидной фазе, усиливается неоднородность а - фазы по вольфраму и молибдену. Ванадий ведет себя неоднозначно. Остальные элементы имеют степень неоднородности в пределах эталона. На разном удалении от реакционного объема присутствуют а - и у - фазы и карбиды типа МбС, МС, РезС, СггзСв . Максимальное количество карбидов выделяется вблизи реакционной зоны. В результате воздействия высоких давлений и температур происходит перераспределение элементов, а состав а - фазы становится неоднородным. Значения периода решетки колеблятся в пределах 2,874 • 10 ю м - 2,885 ■ 1010 м. Усилилась неоднородность по микротвердости, которая составляет 900-2000 МПа. Исследуемые стали чувствительны к хрупкому разрушению, процесс разрушения может идти внезапно.

В зонах, близких к высоким температурным воздействиям, на факто-граммах разрушенных камер установлены элементы вязкого разрушения. На рис. 4 показаны характерные разрушения к.в.д.

Границы зерен и скопления мелких карбидов по разному влияют на характер распространения трещин. На определенных этапах трещина может тормозиться на границах зерен или, преодолев барьер, переходит в другое зерно. Чаще трещина "вязнет" в скоплениях мелких карбидов или, меняя свою траекторию, огибает их (рис. 5). В оплавленном слое трещина тормозится более мягким подслоем. Характерной особенностью распространения трещин является ее неравномерность с изменением направлений и разветвлениями как вдоль, так и поперек карбидной неоднородности. Высокий процент трещин приходится на межфазовую границу и границы зерен.

. Характерные разрушения к.в.д.

а - радиальные трещины и эрозия лунки; б - разрушения запирающей кромки.

Рис.4 .

Схема разрушения деформированных быстрорежущих сталей в условиях синтеза сверхтвердых материалов представляете

1) разрушение по межфазовой границе; '

2) разрушение по границам зерен;

3) разрушение по зерну; - ~

4) разрушение по карбидной фазе.

Камеры из литых сталей имеют те же характерные разрушения, что и из деформированных сталей. Литые стали за счет теплостойкой ледебуритной эвтектики снижают эрозионные разрушения на 8-12 % й выход камер по этому дефекту составляет 20-25 %. Повышенную стойкость к разрушению показывают стали с РЗМ, что связано с их концентрацией в ледебурите и повышением прочности ледебуритного каркаса. Установлено, что зона оплавления в литых сплавах имеет меньшую глубину при одинаковых циклах нагружения, чем в деформированных сталях и составляет 0, (0-0,12 мм .

Типы трещин

в

а - разветвление трещины; б - скачкообразное распространение трещины; в - трещина в оплавленном слое

Рис. 5 (х 200)

В литых сталях в участках, близких к запирающей кромке, и в реакционной лунке происходит частичное дробление ледебуритной сетки на отдельные карбиды. Микротвердость а - фазы неоднородна в участках эв-

тектики и зерна. Разница достигает НУ 1000-1900 МПа и она возрастает с увеличением числа циклов, особенно в сталях без РЗМ. Рентгенографические исследования установили в зоне термического воздействия выделение вторичных карбидов Ре3С и СпСз. Увеличился разброс периода решетки а -фазы с ростом числа циклов. Усилена неоднородность по углероду, молибдену, вольфраму.

Основными источниками разрушений литых сталей являются эрозионные ямки, грубая эвтектика, границы зерен и межфазовые границы. Распространение трещин в литых сплавах в основном проходит по ледебурит-ной ленточной эвтектике. В сталях без РЗМ процент разрушения по зерну больше, чем в сталях с РЗМ. Характерные разрушения камер приведены на рис. 6.

Промышленные испытания камер диаметром 72 мм проводились по режиму работы камер из стали Р6М5 (режим. ЛКВ). Характер распространения трещин и виды разрушений аналогичны Камерам диаметром 35 мм. В камерах диаметром 72 мм дополнительно выявляются разрушения на месте перехода кошгческой поверхности в сферическую и на выступе для упора литографского камня.

Промышленные испытания показали целесообразность использования литых быстрорежущих сталей типа Р0М8С*, Р0МЗК6С**, Р4М6С*, Р4М6К6С** и стали Р12Ф4К5 для камер диаметром 72 мм. Стойкость камер возрастает в 1,8-2 раза. Стойкость камер диаметром 35 мм составляет примерно 50-60 % стойкости сплава ВК6, что экономически оправдано.

Для изучения влияния химико-термической обработки на долговечность камер из литых и деформированных сталей были проведены испытания по режиму 649/05 и ЛКВ.

Трещины в камерах из литых сталей

а (200) 6(12000)

в

а - раздвоение трещины (Р0М8С*);

б - скол эвтектики (Р0М8С);

в - вид трещины на поверхности камеры (Р4М6С)

Рис. 6

Азотирование проводилось по технологии: закалка, отпуск, азотирование при Т = 520°С в течение 48 часов. Азотирование по другим режимам не дало положительных результатов. Азотирование камер диаметром 35 мм увеличило их стойкость на 2-5 циклов, а камер диаметром 72 мм - 3-6 цик-

лов. Небольшой рост стойкости камер связан со снижением объемной прочности, что увеличило выход камер из эксплуатации за счет смятия запирающей кромки и объемного разрушения. Разрушение азотированных камер происходит в поверхностной и переходной зонах. При этом происходит разрыхление границ зерен и выделение хрупкой нитридной фазы, склонной к образованию трещин.

В табл. 3 приведены результаты промышленных испытаний камер.

Таблица 3

Стойкость камер в циклах нагружений.

Марка стали Стойкость в циклах

режим 649/03 режим JIKB

Р10М4ФЗК10 52 32

Р12Ф4К5 55 34

Р18Ф2К8М 50 32

Р8МЗК6С ' 25 21

Р13Ф4К6М • 40 28

Р0М8С* 90 43

Р0М8К6С* 75 42

Р0М8К6С 70 33

Р0М8С 55 26

POMS 30 22

Р4М6С* 75 40

Р4М6К6С* 80 38

Р4М6К6С 70 32

Р4М6С 45 25

Р4М6- 30 21

Марка стали Стойкость в циклах

режим 649/03 режим ЛКВ

Р12Ф4К5Л 57 30

эталон 157 21

Борирование не только надежно защищает камеру от эрозии, но и увеличивает объемную прочность. При воздействии параметров синтеза слой мало подвержен изменениям структуры и свойств. Образование трещин большей частью начинается в переходной зоне, обогащенной углеродом. Трещина растет, как вдоль подслоя, так и в глубину металла, вызывая отслоения боридного слоя.

Хромированный слой, обладая высокой термической усталостью, надежно защищает камеру от тепловых разрушений и полностью исключает эрозию лунки. Разрушения происходят в результате усталостных процессов.

В табл. 4 приведены некоторые данные по влиянию химико-термической обработки на долговечность камер.

Полученные результаты по промышленным испытаниям на производственном объединении "Эльбор" г. Ташкента показали перспективность использования борирования и хромирования для увеличения долговечности камер, изготовленных из литых быстрорежущих сталей типа Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р4М6С*, Р4М6К5С**. Азотирование целесообразно применять для синтеза с более низкими параметрами.

Шестой раздел посвящен разработке способов изготовления вставок опорных плит и к.в.д. методом литья и горячей штамповки, а также восстановлению опорных плит после эксплуатации. Изготовление таких деталей и их промышленные испытания были проведены впервые.

Таблица 4

Стойкость камер после химико-термической обработки

Марка стали Стойкость камер в циклах

режим 649/03 режим ЛКВ

Азотирование

Р12Ф4К5 58 35

Р12Ф4К5Л 60 37

Р0М8С* 92 44

Р0М8К6С** 82 44

Р4М6С* 77 42

Р4М6К5С** 81 42

Р4М6С 46 28

Хромирование

Р12Ф4К5 60 38

Р12Ф4К5Л 64 40

Р0М8С* 95 46

Р0М8К6С** 96 45

Р4М6С* 78 44

Р4М6К5С** 82 43

Р4М6С 48 30

Борирование

(слой оплавленный)

Марка стали Стойкость камер в циклах

режим 649/03 режим ЛКВ

Р12Ф4К5 80 52

Р12Ф4К5Л 83 55

Р0М8С* 110 62

Р0М8К6С** 105 62

Р4М6С* 92 56

Р4М6К5С** 94 56

Р4М6С 60 45

Изготовление опорных плит проводилось путем литья из сталей Р0М8С*, Р0М8К6С**, Р4М6С* в кокиль и по выплавляемым моделям. В связи с неравномерностью нагрева кокиля возникали напряжения, вызывающие его коробление. Для устранения этого явления кокиль готовился с ребрами жесткости с последующей термической обработкой. Заливка металла в кокиль проводилась при температуре 1460-1520°С. Выбивка осуществлялась через 8-10 часов. Отливка подвергалась диффузионному отжигу при температуре 1000-1100°С. Изотермический отжиг проводился по режиму, разработанному для данных сталей. После окончательной термической и механической обработки детали исследовались и испытывали«, в производственных условиях.

Изготовленные детали по выплавляемым моделям отличались точной геометрией с последующей небольшой механической обработкой.

В отличие от деталей, получаемых из слитков и штанг, микроструктура при литье в кокиль и по выплавляемым моделям отличается более тонкой эвтектикой и мелким зерном, что связано с меньшей массой отливки и, следовательно, большей скоростью охлаждения.

Промышленные испытания, проведенные на объединении "Эльбор", показали меньший разброс данных по стойкости. Долговечность камер диаметром 72 мм увеличилась на 10 %, а вставок опорных-плит на 15 % по сравнению с камерами и вставками, изготовленными из слитков и штанг.

В отличие от механической обработки отход металла при обработке давлением не вытекает из сущности процесса. Кроме того, обработка давлением, как процесс формообразования, значительнее, производительнее и дешевле обработки резанием.

Исследовалась возможность изготовления камер диаметром 72 мм и вставок опорных плит методом горячей штамповки из стали Р12Ф4К5. Согласно расчетам, были изготовлены образцы диаметром 60 мм и высотой 44,6 мм. Для получения необходимых по размерам камер был рассчитан и сконструирован специальный штамп. Нагрев заготовок осуществлялся в соляных ваннах в две стадии: первый подогрев осуществлялся до температуры 780°С, окончательный нагрев до 1160°С - температуры начала деформации. Выдержка при температуре 1160°С не менее 10 минут. Окончание горячей деформации 920-930°С. После штамповки детали охлаждались замедленно. Отжиг проводился изотермический по режиму: нагрев до 850-охлаждение 50 град/час до 720-730°С, выдержка 4 часа, охлаждение 50 град/час до 600°С и на воздухе. Изготовление вставок опорных плит проводилось на молотах свободной ковки в оправке-штампе путем осадки 3-4 циклами. В качестве заготовки использовался круг диаметром 55 мм. Нагрев заготовок осуществлялся в печах с защитной атмосферой.

Изучение структуры и свойств отожженной стали показало, что они отвечают быстрорежущей стали после горячей деформации и отжига. Структура состоит из сорбитообразного перлита и карбидов. Твердость составляет 270-275 НВ.

Исследованные микроструктуры до и после деформации показали, что металл "течет" по периметру заготовки. В очаге деформации происхо-

дят изменения, связанные с направлением карбидных строчек и частичного их раздробления, в направлении максимальной деформации, при этом снижается карбидная неоднородность.

В контактных зонах с матрицей образуются небольшие скопления карбидов. Микроструктура по объему изделия более однородная, чем до деформации. Окончательная термическая обработка проводилась по режиму стали Р12Ф4К5 с последующей механической обработкой.

Вставки, изготовленные штамповкой, имеют более равномерное выкрашивание в зоне контакта, в связи с перераспределением карбидной неоднородности. Долговечность вставок увеличилась на ¡5-20 % и разброс данных сократился на 5-8 %. Камеры, изготовленные горячей деформацией, показали увеличение стойкости на 6-8 %, а стабильность в работе возросла на 10-20%.

Проведенные исследования показали возможность изготовления к.в.д. и Еставок опорных плит более прогрессивными способами по сравнению с механическим изготовлением. Полученные детали методом литья и ковки имеют более однородную структуру и увеличивают свою долговечность и стабильность при эксплуатации.

Опорная плита служит для запрессовки вставок с целью создания высоких сжимающих напряжений. В результате перешлифовки вставок высота плиты уменьшается на 8-10 мм и в дальнейшем выходит из эксплуатации по высоте. Количество перешлифовок определяется качеством вставки. Вышедшая из эксплуатации плита в дальнейшем не используется и идет в металлолом.

Проведенные исследования опорных плит показали возможность их восстановления до рабочих размеров путем наплавки. Для наплавки служила сталь 35ХГСА, из которой изготавливались плиты.

Наплавка сталью, однотипной с основным металлом, дает возможность снизить структурные напряжения в околошовной зоне и сочетать

технологию термической обработки наплавки и основы, что упрощает процесс обработки.

Плазменная наплавка присадочной проволокой осуществлялась дугой прямого действия, которая представляет собой сочетание наплавки плазменной дугой и наплавки плавящимся электродом в среде инертного газа.

В связи с тем, что износ плиты составляет различную величину, исследовались наплавки в один, три и пять проходов, нанесенные как на основу после отжига, так и на основу после закалки и отпуска.

Проведенные исследования микроструктуры, а также рентгенострук-турный и рентгеноспектральный анализы установили, что структура по сечению наплавленных плит с разной толщиной на отожженной и термически упроченной основе аналогична. Величина микронапряжений в переходной зоне наплавленной плиты выше, чем в исходной структуре. Для исключения образования трещин и сколов, а также выравнивания структуры, наплавленные плиты подвергались полному отжигу при 850°С с последующей закалкой и отпуском при температуре 400-450°С.

На основании проведенных исследований была обработана опытная партия опорных плит и испытана в производственных условиях. В качестве эталона служила новая плита из стали 35ХГСА. Результаты промышленных испытаний показали, что восстановленные плиты выдерживают заданный цикл испытаний и сравнимы со стойкостью новой плиты.

Анализы научных результатов и промышленных испытаний показали целесообразность изготовления к.в.д. и вставок опорных плит методом литья и горячен штамповки. Показана возможность восстановления опорных плит без предварительной термической обработки. Восстановление изношенных плит обходится в 3 раза дешевле, чем изготовление новых.

Основные выводы:

1. На основании исследования конструкции АВД для синтезу сверхтвердых материалов, расчета объемно-напряженного состояния и распределения температурного поля определены области максимальных напряжений и разработана камера с запирающей кромкой на периферийной части поверхности, которая обеспечивает более однородное распределение напряжений с увеличенным запасом прочности. Изменена величина поддерживающего напряжения для стальных к.в.д. и опорных плит, что увеличило срок их службы.

2. Обоснован выбор уровня механических характеристик сталей для изготовления к.в.д. и вставок опорных плит. На основании анализа различных материалов методом физического и численного моделирования, регрессивного анализа впервые для АВД разработана группа литых молибденовых и вольфрамомолибденовых сталей, обладающих высокими характеристиками, с целью замены твердых сплавов ВК6 и ВК15.

3. Разработана технология и режимы термической обработки литых сплавов. Построены диаграммы изотермического превращения аустенита. Изучено влияние химического состава сталей на их характеристики и морфологию структуры. Установлено, что основным средством улучшения микроструктуры литой быстрорежущей стали является рациональный выбор ее состава и технологии термической обработки, обеспечивающей получение высокой прочности, теплостойкости и удовлетворительной пластичности. Определены основные механические характеристики сталей.

4. Разработана новая технология циклического хромирования камер из быстрорежущих сталей, при которой за более короткое время образуется диффузионный слой, обеспечивающий требуемые свойства для к.в.д. И с-

следованы механизм и кинетика образования слоя. Разработана технология хромирования литых и деформированных быстрорежущих сталей с последующей их термической обработкой. Хромирование надежно защищает камеры от воздействия высоких температур и увеличивает их стойкость в 1,2-2 раза.

5. Разработан новый состав для борирования к.в.д. из быстрорежущих сталей, который интенсифицирует процесс при диффузионном насыщении за счет большей жидкотекучести и повышенной активности атомов бора. Разработана технология термической обработай деталей с использованием частичного тепла борирования для закалки. Впервые проведено промышленное внедрение борирования для к.в.д., что позволило увеличить долговечность камер в 1,5-3 раза по режиму ЛКВ.

6. Установлено, что разрушение вставок опорных плит носит контактно-усгалостпый характер в результате высоких циклических нагрузок. Основные разрушения происходят в местах контакта камеры и вставки, а также на границе контакта вставки и обжимающей обоймы. Установлена зависимость характера разрушений вставок от их твердости. Разрушение литых сплавов проходит в основном по ленточной эвтектике. Показано влияние типа эвтектики на характер распространения трещин. Изучена зависимость прироста твердости вставки от числа циклов нагружения, а также изменения твердости по ее глубине. Изменение твердости по глубине носит циклический характер. Разрушения начинаются в местах пикового увеличения твердости на глубине до 3 мм. Отпуск при температуре 180-300°С сглаживает пики напряжений и сокращает число перешлифовок.

7. Установлен характер влияния параметров синтеза на формоизменение реакционной зоны камеры, микроструктуру, состав фаз, характер разрушений. Камеры выходят из эксплуатации в результате усталостных раз-

рушений и развития термомеханической усталости в реакционной зоне. Показана схема разрушения к.в.д. из литых и деформированных сталей.

8. Разработана технология изготовления к.в.д. и вставок опорных плит методом литья и горячей штамповки. Полученные к.в.д. и вставки опорных плит по выплавляемым моделям отличаются точной геометрией и требуют небольшой механической обработки. Исследованы свойства, микроструктура отливок. Установлено, что при горячей пластической деформации происходят изменения направлений карбидных строчек с частичным их раздроблением. Снижена карбидная полосчатость. Микроструктура по объему деталей более однородная, чем до деформации. Промышленные испытания показали, что к.в.д., изготовленные литьем, увеличили свою стойкость на 10 %, а горячей штамповкой - на 6-8 %.

9. Восстановление опорных плит (обжимающие обоймы), вышедших из эксплуатации, методом плазменной наплавки однотипным металлом с последующей термической обработкой сократило их расход в 2 раза. Восстановленные опорные плиты выдерживают заданный цикл испытаний и стойкость их сравнима с новыми плитами.

10. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения новых сплавов и технологий составляет 359 тыс. руб. по ценам 1986 года.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Софрошенков А.Ф., Хегай A.B., Куликов С.Д. Напряженное состояние камер высокого давления из быстрорежущих сталей // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1988. № 8 - С. 105-108

2. Софрошенков А.Ф., Хегай A.B. Поведение камер высокого давления из быстрорежущих сталей при синтезе сверхтвердых материалов // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1984. № 2 - С. 71-73

3. A.C. № 1498813 СССР. Быстрорежущая сталь / А.Ф. Софрошенков, Н.М. Панина, A.B. Хегай - № 4359904; Заявл. 5.01.1988; Опубл. -07.08.89. Бюлл. № 29

4. A.C. № 1355640 СССР. Быстрорежущая сталь / А.Ф. Софрошенков, Н.М. Панина - № 4108042; Заявл. 18.08.1986; Опубл. 30.11.1987. Бюлл. № 44

5. Софрошенков А.Ф., Семенов С.Л. Литые быстрорежующие стали для аппаратов высокого давления // Первое и второе собрание металловедов России: - Сб.материалов. - Пенза,1993-1994г.г. - С. 50-52

6. Софрошенков А.Ф., Хегай A.B., Семенов С.Л. Литые молибденовые быстрорежущие стали // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1991. - № 2 -С. 95-97

7. Софрошенков А.Ф., Хегай A.B. Литые быстрорежущие стали для технологической оснастки аппаратов высокого давления // Сб. материалов Всесоюзной научной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии"- Новокузнецк, 1991. - С. 18-19

.8: Софрошенков А.Ф., Стародубцева Л.А., Хегай A.B. и др. Восстановление деталей оборудования методом наплавки // Сб. материалов Всесоюзной научной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термичесхой и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии" - Новокузнецк, 1991. - С. 65

9. Софрошенков А.Ф., Коршикова Н.В., Бадьина М.И Новая технология упрочнения инструмента // Сб. материалов Всесоюзной научной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии" - Новокузнецк, 1991. - С. 134

10. A.C. №13221111 СССР. Состав для борирования стальных изделий А.Ф. Софрошенков, Н.М. Панина - № 3955084/22-02: Заявл. 29.09.85.; Опубл. 01.03.1987

11 .Софрошенков А.Ф., Гордин О.В., Коршикова Н.В. Влияние борирова-ния на структуру и свойства быстрорежущих сталей // Сб.материалов Всесоюзной научной конференции "Структура и свойства металловедческого материала в широком диапазоне температур"- Новокузнецк, 1984. -С. 10-11

12. Софрошенков А.Ф., Гордин О.В., Коршикова Н.В.Влияние хромирования на структуру и свойства быстрорежущих сталей // Сб.материалов Всесоюзной научной конференции "Структура и свойства металловедческого материала в широком диапазоне температур"- Новокузнецк 1984. -С. 12-13

13.Софрошенков А.Ф., Панина Н.М. Химико-термическая обработка камер высокого давления // Изв.вузов Чер. металлургии - 1986. - № 2. - С. 69-72

14.Софрошенков А.Ф., Коршикова Н.В. Исследования структуры и свойств борированного слоя инструментальных сталей // Сб.материалов научной конференции "Структура и свойства конструкционных и инструментальных сталей" - Новокузнецк, 1986. - С. 8

15. Софрошенков А.Ф., Стародубцева JI.A. Исследование свойств поверхностно-легированных блок-матриц в условиях теплового воздействия И Сб. материалов зональной конференции "Структура и свойства металлов" - Новокузнецк, 1988. - С. 8

16. A.C. № 13662072 СССР. Способ химико-термической обработки стали / Софрошенков А.Ф., Панина Н.М. Для служебного использования.

17. Софрошенков А.Ф., Помельникова A.C., Стародубцева JI.A. Химико-термическая обработка инструментальной стали // Сб. материалов на 70М международном конгрессе по термической обработке материалов: М,-1990. Т. 1 - С. 220-222

18. Софрошенков А.Ф., Помельникова A.C. Термоциклирование при химико-термической обработке // Сб.материалов Всесоюзной научной конференции "Технология и оборудование для новых прогрессивных методов

химико-термической обработки деталей тракторов и сельхозмашин" -Волгоград, 1988. - С. 20-21

19.Софрошенков А.Ф., Коршикова Н.В. Исследование процесса диффузионного хромирования на свойства быстрорежущей стали И Сб. материалов зональной конференции "Структура и свойства металлов"- Новокузнецк, 1988. - С. 30-31

20. Софрошенков А.Ф., Коршикова Ii.В., Чайкина Г.С. Диффузионное хромирование быстрорежущих сталей // Сб. материалов зональной конференции "Совершенствование технологии получения и обработки сплавов и композиционных материалов": Зональная конференция. - Красноярск, 1990.-С. 12

21.Софрошенков А.Ф., Стародубцева Л.А., Дружинин В.В. Химико-термическая обработка инструмента // Сб. материалов зональной конференции "Повышение качества и надежности инструмента" - Рубцовск, 1987.-С. 10-11

22. Софрошенков А.Ф., Софрошенков И.А., Семенов С.Л. Литые вольфра-момолибденовые стали для аппаратов высокого давления // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1993. - № 8 - С. 78-79

23.Софрошешсов А.Ф. Влияние циклических давлений и температур на свойства быстрорежущих сталей // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1990. -№10-С. 83-85

24.Софрошенков А.Ф., Хегай A.B., Панина Н.М. Азотирование камер высокого давления из быстрорежущих сталей // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1987.-№ 12. - С. 95-98

25.Софрошенков А.Ф., Панина Н.М., Гордин О.В. Исследование стойкости вставок опорных плит в аппаратах высокого давления // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1985. - № 12. - С. 81-84

26. Софрошенков A.<t>. Поведение вставок опорных плит в аппаратах высокого давления // Сб. материалов на 20М Всесоюзном семинаре - Новокузнецк, 1991. - С. 16

27. Софрошенков А.Ф., Хегай A.B., Куликов С.Д. Вставки опорных плит и: быстрорежущей стали для синтеза сверхтвердых материалов // Изв. вузо! Чер. металлургия - 1984. - № 6: - С. 96-98 .

28.Софрошенков А.Ф., Хегай A.B., Панина Н.М. Воздействие высоки) циклических давлений и температур на свойства быстрорежущих craiiet // Изв. вузов Чер. металлургия. - 1987. № 8 - С. 85-89

29.Софрошенков А.Ф., Хегай А.В.,Стародубцева Л.А. Деформация быстрорежущих сталей в эксплуатационных условиях // Сб. магериало; "Пластическая деформация материалов в условиях энергетических воз действий"- Томск, 1988. - С. 53-54

30.Софрошенков А.Ф., Семенов С.Л. Разработка технологии изготовлени оснастки для аппаратов высокого давления // Изв. вузов Чер. металлур гия. - 1995. - №6-С.47-50

31.А.С. № 1691422 СССР, Сталь / А.Ф. Софрошенков, Е.В. Бодрова, А.Е Хегай, С.Л. Семенов - 4730180; Заявл.11.08.89., Опубл. 15.11.91. Бкш

' №42

Подписано в печать 15.12.1995. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л, 2.0 уч. — изд.л. 2.0 Тираж 120 Заказ725-

Сибирская государственная горно-металлургическая академия 654007 г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, лаб. оргтехники СибГГМА.