автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка материалов, конструкций, технологии изготовления и химико-термической обработки для камер высокого давления

од

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЕМЁНОВ Сергей Леотдоцт

РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ, КОНСТРУКЦИЙ, ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ КАМЕР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Спенкальносгь 05.16.01 -

"Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учено?"! степени кандидата технических паук

Новокузнецк 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете.

Научный руководитель:

доктор технических, наук, профессор Софрощижрв Д.Ф., Офици альн не оп поненты;

доктор физико-математических нар, профессор Громов кандидат технически наук, доцент Чннакалов В.Я.

Ведущее предприятие: ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат"

Защита состоится ^Ш/УЯ 199.8 г. в /0

часов

на заседании диссертационного совета Д 063.99.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Но-вокузнв]к, ул..Кирова,. 42,

С диссертацией можно, рзнажомитара в. библиотеке Сибирского государственного щпуетрнального унивфситсга. •

9 Г МАЯ

Автореферат разослан " ' < _1998 г.

Ученыйщкрещрь

диссертационного совета, с—тР-^У ¿у А-Л. Николаса к.т.н., доцент '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы- В основе экономического развития страны лежит широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий, обеспечивающих многократное повышение производительности труда, а также при разработке новых технологий возможности использования материалов с заданными высокими эксплуатационными параметрами.

Применение в промышленности синтетических сверхтвердых материалов (СТМ) является одним из главных резервов повышения производительности труда и качества продукции. Расход дефицитных инструментальных сплавов в значительной степени сокращается при производстве СТМ.

Широко используются новые материалы, обладающие высокими прочностными характеристиками, эффективность использования которых зависит от качества металлорежущего инструмента. Решается эта проблема путем использования синтетических сверхтвердых материалов.

В ряде научных, организаций выполняемые работы направлены на разработку новых АВЛ (аппаратов высокого давления), повышение качества СТМ, технологиям, изготовления инструмента, порошков, паст из синтетических материалов и др. Таким образом, одной из первоочередных задач, которая стоит перед производством, является замена, о(Щ5одефинитной ст;алв_ Р6М.5 §одее дешевыми, материалами, а также повышение стабильности и долговечности АВД, изготовленных из различных материалов.

Целью датой работы являлась разработка и исследование новых материалов, конструкций и технологий изготовления камер высокого

давления. Определение факторов, которые существенно влияют на долговечность АВД. Разработка режимов термической и химико-термической обработки к.в.д. для повышения эффективности аппаратов высокого давления:.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

-исследовать влияние параметров синтеза сверхтвердых материалов на температурное поде и напряженное состояние к.в.д.;

-разработать новый лигой ванадиевый спДав для изготовления к.в.д. и установить его свойства в зависимости от легирующих элементов;

-разработать новую конструкцию к.в.д. для синтеза сверхтвердых материалов;

-разработать режимы термической и химико-термической обработки для упрочнения к.в.д.;

-исследовать влияние поверхностного алитирования на долговечность к.в.д.;

-разработать способ изготовления камер методом литья; -особенности поведения к.в.д. из новой литой стали и новой конструкции в условиях синтеза сверхтвердых материалов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

-Установлено влияние новой геометрии к.в.д. на ее эксплуатационные характеристики.

-Установлено влияние легирующих элементов на прочностные свойства литой быстрорежущей стали.

-Показано, что в результате циклических воздействий в к.в.д. возникают виковые напряжения на глубину 0,5- 2,0 мм от контактной

поверхности, что указывает на неоднородность деформации, что привалит к образованию сколов в местах максимальных напряжений.

-Установлено, что под действием параметров синтеза сверхтвердых. материалов меняется кристаллическая решетка, химический состав и структурное состояние сплава.

-Разработана новая литая сталь и режимы термической обработки для получения оптимальных механических характеристик, а также способ изготовления к.я .д. методом днтья.

-Разработана технология актирования для защиты рабочей лунки к.в.д. от воздействий высоких температур.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в том, что в результате проведенных исследований разработана новая геометрия к.в.д.. которая имеет более высокую стойкость по сравнению со стандартной, что сокращает расход быстрорежущих сталей и повышает производительность.труда и эффективность ДБ Д.

Безвольфрамовый лит ой сплав позволяет сократить расход дефицитных материалов и снизить их себестоимость.

Опытно-промышленные испытания нового сплава, новой геометрии и технологии поверхностного упрочнения позволяют значительно ПОВЫСИТЬ Долговечность ЛЕД. Промышленные испытания Проходили на Ташкентском инструментальном производственном объединении "Эльбор".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на:

¡.Юбилейной региональной практической конференции (г. Новокузнецк, 1990 г.);

¿.Всесоюзной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и Х ГО в машиностроении и металлургии" (г. Новокузнецк, 1991 г.);

3.Первом собрании металловедов России (г. Пенза, 1993 г.);

4. V Международной конференций "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии (г. Новокузнецк, 1997 г.);

З.Международиой научно-практической конференции 'Современные проблемы и пути развития металлургии" (г. Новокузнецк, 1997т.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликова- . ио 13 печатных работ и одно авторское свидетельство.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Основное содержание работы изложено на 14-9 страницах машинописного текста» состоит из введения. 5 глав, выводов. списка использованной литературы из 125 наименований, 42 рисунков, 20 таблиц и приложения на 2 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дано обоснование актуальности темы исследования, определены цель и задачи работы, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основе изучения литературного материала рассмотрена характеристика аппаратов высокого давления. Показаны конструктивные особенности АВД различных типов и их эффективное применение. Конструкции большинства АВД представляют собой две камеры высокого давления с углублениями, скрепленными стальными кольцами. В углубление помещен контейнер с реакционным составом, под действием высокого давления и температуры в камере происходит синтез сверхтвердых материалов.

Стабильность работы АВД во многом определяется распределе-

гшем температурного поля к уровнем напряженки, возникающих при эксплуатации.

Напряженно-деформированное состояние и температурное поле к.в.д. рассчитывалось методом конечных элементов и экспериментально.

Особенность этого метода при. решении различных задач механики во многом определяется тем, что процедура метода сводится к удобной механической интерпретации, которая ясно дает понять сущность каждого из составных этапов метода при решении краевых задач.

При производстве эльбора и алмаза марки АС32 требуется продолжительное время синтеза (приблизительно 5 мин). Для изготовления к.в.д. диам. 72 мм в производстве используется сталь Р6М5. Содержание молибдена в этих сталях не превышает 5 %, а вольфрама принимается не ниже 6 %. При соблюдении этого условия, отвечающего правилу + 1,4 -г- 1,5 Мо) = 12 - 13 Уо, обеспечивается благоприятное влияние молибдена на прочность и вязкость без ухудшения теплостойкости.

Одним из методов изготовления различных деталей является метод литья. Технология изготовления отливки, максимально приближающейся своим размером к готовым деталям, т.е. с минимальными припусками на механическую обработку» является одним из главных преимуществ метода литья по выплавляемым моделям.

Способ литья по выплавляемым моделям применяется для изготовления литых деталей от нескольких граммов до 100 кг. Особенностью способа является применение моделей, изготовленных из легкоплавкого материала, которые удаляются из готовых форм путем их выплавления.

Выплавляемые модели изготовляют из специальной легкоплавкой массы в разъемных пресс-формах. Размеры полости пресс-формы

обычно делаются на 2,5 - 3,0 % больше соответствующих размеров отливки с учетом двойной усадки: модели и отливки.

Особенности способа заключаются в отсутствии разъема формы, что обеспечивает повышенную точность размеров и высокую чистоту поверхности. Себестоимость I т отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям в 9 - 10 раз выше, чем отливок, получаемых другими видами литья. За счет высокого качества отливок, уменьшения объема механической обработки, общие расходы на изготовление деталей ниже. Наиболее экономически эффективно применение этого способа при массовом и серийном производстве деталей.

Получение деталей из отливок эффективнее, чем из поковок: расход металла и трудоемкость механической обработки сокращаются на 30 - 80 %,. я себестоимость уменьшается на 32 - 80 %.

В зависимости от условий эксплуатации деталей в материале могут происходить различные структурно-фазовые процессы и физико-механические изменения, которые существенно изменяют уровень свойств материала и;в конечном итоге, влияют на долговечность изделий..

Под действием циклических температур и давлений возникает термомеханическая усталость (ТМУ),

Исследование этого явления показало, что на первом этапе наблюдается разупрочнение, связанное с распадом пересыщенного твердого раствора и выделения вторичной фазы. На втором этапе происходит повышение плотности дислокаций. Может происходить растворение карбидов и выделение мелких карбидов. На третьем этапе происходит разупрочнение металла, связанное с коагуляцией карбидов и объединение твердого раствора. На четвертом этапе накапливаются микропоры и трещины. Металл подготовлен к усталостному разрушению. Таким образом, при ТМУ металл работает в более предельном состоя-

нии. тогда возможна интенсификация процессов разупрочнения и, наоборот, стимулирования упрочнения.

Процесс алитирования в настоящее время находит широкое применение з широких о траслях машиностроения.

В результате алитнровання сталь приобретает высокую окалико-стойкость (до 850 - 900 °С), образовавшаяся пленка окиси алюминия АЬОя предохраняет металл от окисления.

Процесс алитирования осуществляется при высокой температуре (700 - 1050 °С). Применяемые методы алитирования стали можно разделить на следующие основные виды: в порошковых смесях, газовое цитирование и алитирование напылением (металлизация) и др.

Глубина агитированного стоя и концентрация в нём алюминия предопределяют стойкость деталей в рабочих условиях. Наибольший эффект дает алитирование деталей, длительное время работающих при температуре до 850 °С; хорошие результаты получены при температуре до 900 - 95Ö °С.

В данной работе определены режимы алитирования в порошковых смесях для поверхностного упрочнения образцов из литой быстрорежущей стали с целью защиты их от воздействия высоких циклических температур.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ дана характеристика используемых материалов и описаны методики проведения исследований.

В. ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ, приведены результаты по разработке и исследованию литых быстрорежущих сталей для АВД.

Камеры для СТМ объемом 8,5 см3 и диаметром 72 мм в промышленности изготавливают из стали Р6М5 .Анализ работы АВД показал, что материал для к.в.д. должен обладать следующими свойствами: твердость 64 - 66 HRC; асж (объемное напряжение) - 5000 - 6000 МГГа;

- 2800 - 3000 МПа; теплостойкость - 620 - 640 "С; ударная вязкость 0,15- 0,30 МДж/м2.

Основные разработки связаны с оптимизацией режимов термической обработки, легированием, повышением прочности, твердости, теплостойкости, вязкости.

Основные свойства быстрорежущих сталей определяются содержанием V, Со. Мо.

Влияние редкоземельных металлов (РЗМ) на свойства быстрорежущих сталей является одним из эффективных методов повышения качества металла. Известно, что при содержании РЗМ в количестве 0,01 -0,02 % измельчается зерно и ускоряется превращение первичных карбидов МгС в МбС и МС, что уменьшает их размер. Это увеличивает твердость и вязкость стали.

Анализ использования литых быстрорежущих, сталей показывает целесообразность её более широкого использования. Это связано с уменьшением расхода легирующих элементов, изменением в более широких пределах химического состава и уменьшения объема механической обработки.

В настоящей работе представлены материалы по литой быстрорежущей стали РОМ8ФЗС для аппаратов высокого давления. В качестве РЗМ использовался Се, '

Структура литой закаленной стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита, карбидной эвтектики. Было изучено несколько направлений по проектированию состава сталей, из анализа которых были выбраны следующие направления;

- влияние ванадия иа свойства литых, молибденовых сталей;

- изучение влияния РЗМ на свойства стали с ванадием;

- разработка оптимальных режимов термической обработки для получения высоких свойств.

Для нахождения оптимального состава стали использовалось планирование эксперимента. Уравнение рецессии в простой и наглядной форме дает зависимость между параметрами оптимизации и факторами, влияющими на процесс исследования.

У = В0 +■ В1Х, + В3Х, + .. . + ВкХь.

Уравнение представляет собой поверхность регрессии при к = 2 и гиперповерхность при к > 2. Независимыми переменными являлись концентрации легирующих элементов: углерода (С), ванадия (V). крем-ння <Б1) и редкоземельных металлов <РЗМ).

Были получены следующие зависимости:

- для предела текучести

<7г = 0,25 МО4 + 213 % С + 27,3 % V + 81.7" % 51 * ¡0,132'10^) %

РЗМ;

- для твердости

НИС = 57 + 2,87 % С + 0..44 % V + 0,55 % 5( + 31,9 % РЗМ

справедливые в области; 1,5 % < С < 1,8 %; 10 V« < 31 < 2,0 %; 2.5 % < V < 3,0 %; (}02%<РЗМ< 006%.

Анализ полученных данных показывает, что оптимальным можно считать состав: 1,5 - 1Я % С, 5:б - 6,0 % Сг, 8 - 9 % Мо, 2,5 - .1,0 % V, 1,5 - 2,0 % 81, 0,04 - 0,06 % РЗМ. Этот состав обеспечивает следующие свойства: НЛО = 66 - 66,6; <г= 4000 - 4200 МПА.

Разработка и изучение ванадиевых сталей были связаны с некоторыми особенностями влияния ванадия. При содержании ванадия 2,5 -3,0 % образуется стабильная эвтектика.

Присутствие ванадия в карбидах М«С и М»Сб способствует легированию аустенита при нагреве под закалку. При отпуске он может выделиться в виде МС. В данной стали в связи с высоким содержанием

ванадия и углерода образуются нерастворимые карбиды МС. Тем са-

мым сохраняется мелкое зерно и повышает износостойкость.

Таблица 1

Химический состав быстрорежущих сталей

Марка Содержание элементов, %

стали С Мо 51 Сг V РЗМ

РОМ8 ФЗС+РЗМ 1,5-1,8 8-9 1,5-2,0 5-6 2,5-3,0 0,04-0,06

■РОМ8ФЗС 1,5-1,8 8-9 1,5-2,0 5-6 2,5-3,0

В данной работе исследовалось влияние РЗМ (Сс) на структуру и свойства стали РОМ8ФЗС. Плавку проводили в индукционной печи. Церий вводили в ковш перед разливкой в виде ферроцерия.

Введенный в быстрорежущую сталь РОМ8ФЗС церий (Се) измельчает зерно, перераспределяет углерод и легирующие элементы. Добавки РЗМ в сталь РОМ8ФЗС позвонили получить новые свойства, измельчается исходная литая структура. Тоньше карбидная сетка, толщина ее составляет 4 - 5 мкм. В сталях без РЗМ 6 - 7 мкм.

Таким образом, повышенное содержание ванадия увеличивает дисперсность карбидной фазы, оказывает влияние на вторичную твердость, делает более прочной карбидную сетку. Наличие прочной лсде-буритной сетки позволяет не только создать прочный каркас, но и повысить теплостойкость стали, что, в конечном итоге, сказывается на долговечности камер высокого давления.

Исследование влияния РЗМ показало, что РЗМ не только измельчает зерно, но и приводит к снижению дендритной ликвации по углероду. Дендритная ликвация снизилась на 5 - 8 % по сравнению со сталями без РЗМ.

При поиске конструкции с целью увеличения давления, температуры и долговечности была разработана камера высокого давления

новой конструкции с измененной геометрией рабочей лунки,

Наиболее напряженным участком является дно рабочей лунки, так как она подвержена высоким циклическим температурам и давлениям, что приводит к её проседанию и изменению объема камеры, к снижению параметров синтеза и уменьшению выхода годного материала. Поэтому в новой конструкции К.В.Д. была изменена геометрия рабочей лунки. Изменение конструкции камеры позволило увеличить та стабильность и долговечность за счет выпуклости рабочего дна в область реакционной зоны.

Для повышения надежности работы АБД необходим анализ их иапряженпо-деформировашюго состояния и распределение температурного поля. В особенности это касается образующих рабочую камеру вставок, так как эти детали подвержены наибольшим силовым и температурным воздействиям. :

Аналитические, экспериментальные данные и структурное 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;

Из результатов видно, что значения напряжений, возникающих а стандартной к .в .д., больше напряжений, возникающих в к.в.д. новой конструкции, а также напряжения, возникающие в камере новой формы равномернее распределены по сравнению с напряжениями, возникающими в стандартной камере высокого давления.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ были разработаны режимы термической и химико-термической обработки для новых сплавов, а также способ изготовления к.в.д. методом литья по выплавляемым моделям.

Для анализа готовили образцы из литой стали для испытания на механические и физические свойства. Дм определения оптимальных

температур закалки изучались твердость и структурное состояние сплавов в интервале температур 1150 - 1250 °С через каждые 20 °С. Температура отпуска определялась в интервале температур 500 - 600 "С через 20 0 С.

Для определения температуры термической обработки определялись критические точки Ас, Асш, начало, мартенситного превращения. В таблице 2 припф^аш .дощдоехце трчр. «татюй..

Таблица 2

Критические точки сплавов

Марка стали . Ас! Atsi . Мн .

РОШФЗС+РЗМ 825 735 865 180

ГОМ8ФЗС 820 830 855 160

Отжиг сталей проводится по режиму: нагрев до температуры 850 - 860 °С, выдержка, охлаждение со скоростью 20 °С/час до температуры изотермической выдержки 730 - 740 Ч,С, время выдержки 4 часа с охлаждением до 600 °С со скоростью 40 "С/час и затем на воздухе.

Структура; охлажденной c~i али представляла сетку карбидов, которая окружала зерна сорбитообразного перлита (феррит, карбид).

Разработка, режимов. термической обработки для ванадиевых сплавов проводилась на образна! различных форм и размеров, изготовленных из слитков путем механической обработки, а также литьем по выплавляемым моделям.

В качестве охлаждающей среды использовались масло, воздух, а также расплавы солей и селитра для ступенчатой закалки при температурах 620 - 650 °С и 450 - 455 "С.

R таблицах 3, 4 приведем! оптимизированные режимы термической обработки и свойства сталей.

Таблица Я

Режим термической обработки к.п.л.

Марка Тя°С Т°С Среда Отпуск

стали. подогрев нагрев охлаждения 3-х кратный по часу

РОМ8ФЗС+РЗМ 800 - 850 1190 селитра 540 - 550

1210 450-455 воздух

РОМ8ФЗС 800-850 1200 'селитра 550 - 560 '

1220. 450 - 455 воздух

Рентгеновский анализ показал, что структура закаленной, стали состоит из а - фазы, у - фазы, карбидов типа М<С, МС. Общая твердость карбидной эвтектики 15000 - 20000 МПа. На рис. 1 показана структура литой стали после термообработки.

Таблица 4

Характеристики литых сплавов после термической обработки

Сталь От, МПа аы,. МП;а KCU, МДж/м2 Теплостойкость,0 С HRC

РОМ8ФЗС+РЗМ РОМ8ФЗС 3200-3720 3260-3440 3800-4000 3550-3600 0,20-0,25 0,15' , 630 ■ 620 65 - 66,5 63 - 65

В данном разделе рассмотрена и разработана технология для поверхностного насыщения камер с целью защиты их от воздействия высоких циклических температур. Исследованы процессы алитированш и их влияние на свойства литых быстрорежущих сталей, а также на долговечность камер.

В данной работе была применена технология алитирования в порошках.

Структура литой стали марки РОМ8ФЗС после закалки и отпуска

В. лабораторных условиях были опробованы ряд экспериментов с целыо определения технологичности процесса, получеши оптимальной структуры и свойств слоя, возможности'совмещения-процессов алити-рования с последующей термической обработкой.

В стали с РЗМ диффузия алюминия проходит более интенсивно §.тагодаря чистым границам и мелкому зерну. Структура шунтированного слоя на литой стали с РЗМ отличается более развитой зоной али-'щрования с сохранением карбидной сетки по. границам зёрен.

Нагрев алитированной стали в окислительной среде приводит к образованию на поверхности стали тонкой и прочной пленки окиси алюминия ЛЬО,. предохраняющей сталь от окисления.

В таблице 5 приведены основные режимы и характеристики али-тированных слоев на быстрорежущих сталях.

Структура слоя приведена на рис. 2.

Рис. 1. х 200

Таблица 5

Режимы, и характеристики алитированного слоя

Ре;;: им алцтнро^ания Глубина

; стали г. ■ „ Время, ч слоя, мм

1 РОМ8ФЗС 950 - ¡000 7-8 0,10-0,15

; ром8Фзс+рзм 950 - 1000 7-8 0.20 - 0,25

Алитированный слой после закалки (х 100)

Рис. 2.

Впервые было проведено злитиропаиие к.в.д., изготовленных из литых быстрорежущих сталей. Показаны возможности зашиты к.в.д. методом (цитирования от воздействия высоких, циклических температур.

В работе приведены данные по изготовлению деталей методом литья по выплавляемым моделям. Изготовление таких деталей было проведено впервые. Этот метод литья при изготовлении к.в.д. позволяет сократить трудоемкость и металлоемкость при изготовлении деталей

АВД. Полученные этим методом к.в.д. отличаются точностью геометрии, поэтому требуют небольшой механической обработки.

Последующая термическая обработка состояла из отжига и окончательной термической обработки.

Микроструктура, полученная при литье по выплавляемым моделям, отличается более тонкой эвтектикой и мелким зерном, что связано с ускоренным охлаждением и. меньшей массой по сравнению со слитками.

Проведенные промышленные испытания показали, что благодаря повышению качества металла в отливках и более однородной структуре по сравнению со слитками, возросла стабильность и стойкость камер.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности поведения литого сплава при высоких циклических температурах и давлениях.

Испытаниями установлено, что характерными разрушениями камер являются:.

- радиальные трещины на рабочей поверхности:

- трещины, ведущие к отслоению верхней рабочей части камеры;

-- смятие и разрушение запирающей кромки;

- эрозия рабочей лунки;

- разрушение упорного кольца.

В результате образуются сколы, потеря геометрии рабочей лунки, объемные разрушения.

Радиальные трещины составляют 3(1 %. эрозия - 40 %, объемные разрушения - 20 %, сколы, смятия запирающей кромки и другие разрушения - 10 %.

Камеры высокого давления в основном разрушаются в результате усталости материала. Высокие контактные нагрузки вызывают уста-

лость и образуются мелкие трещины и сколы. Выео-киещиклические. нагрузки и температуры вызывают термохимическую усталость в рабочей т,'асти камеры. При исследовании микроструктуры в области рабочей лунки обнаружены участки оплавления ледебурнтного строения толщиной 0,20 - 0,30 мм с микротвердоетью Ю000 МПа.

При высоких циклических температурах выделяются фазы, протекают диффузионные процессы, происходит распад твердых расгво-ров, что саадаех дополнительные напряжения. Кроме того, камера до экшлуатации и во врем работы имеет' неоднородные поля напряжений за счет запрессовки в обжимные кольца. Все эти факторы способствуют ускоренному разрушению к'.в.д.

Повышенную стойкость показывают камеры, изготовленные из сталей с РЗМ, что связано с повышением прочности карбидного каркаса и матрицы.

При воздействии высоких давлений и температур происходит дробление ледебуритной сетки на отдельные карбиды...Этот процесс-происходит на расстоянии 1 - 1 мм от зоны оплавления. В сталях без РЗМ разрыхление сетки идет интенсивнее, чем в сталях с РЗМ.

Измерение микротвердости а - фазы, выявило её неоднородность в участках между скелетной эвтектикой и в самом зерне. Разница- в твердости достигает 1000 - 1900 МПа. В сталях без РЗМ эта разница снижается и достигает 1000 - 1500 МПа, что связано с влиянием РЗМ на более однородное распределение элементов'.

В зоне термического воздействия усилена неоднородность по углероду и составляет 0,38 - 0,55 % вместо 0,4 - ).5 %, по молибдену 3 - 6 % вместо 4,0 - 5,4 %, ванадий остается примерно в тех же пределах.

Источником разрушения литых сталей являются эрозионные ямки, мелкие трещины, границы зерен, грубая эвтектика и другие дефекты. Распространение трещин в литых сплавах, как правило, идет по

ленточной ледебуритной эвтектике, огибая зерно.

Для промышленных испытаний были изготовлены камеры высокого давления диаметром 72 мм. После отжига, окончательной термической и механической обработки камеры прошли опытно-промышленные испытания на Ташкентском инструментальном объединении «Эльбор».

В результате испытаний к.в.д. из стали РОМ8ФЗС увеличили стойкость в ¡,5 раза но сравнению со сталью Р6М5. Адцтирование устраняет эрозию рабочей лунки, что сокращает выход камер по этому дефекту на 25 - 30 %.

Испытания камер высокого давления диаметром 72 мм новой конструкции проводились на прессах 1000 т.е. Эталоном служила камера, из стали Р6М5 стандартной конструкции.

В результате промышленных испытаний стойкость камер новой конструкции увеличилась в 1,3 - 1,5 раза. Камера рекомендована к внедрению.

ОБЩИЕВЫВОДЫ

1.Проведен расчет напряженного состояния и распределения температурного поля к.в.д., на основании которого разработана новая конструкция камеры, обеспечивающая более однородное распределение напряжения.

2. Разработка камеры высокого давления новой конструкции с измененной геометрией рабочей лунки для синтеза сверхтвердых материалов. Изменение конструкции камеры дало возможность уменьшить проседание донной части к.в .д., что позволило увеличить стабильность в их работе и долговечность. Стойкость увеличилась в 1,3 - 1,5 раза. Камера рекомендована к внедрению.

З'.Обоснован выбор уровня механических характеристик сталей

для изготовления к.в-.д. На основании анализа различных материалов методом физического и численного моделирования, регрессивного анализа разработана литая сталь, обладающая высокими характеристиками, с целью замены малоэффективной дорогостоящей быстрорежущей стали Р6М5.

4.Разработана технология цитирования литых быстрорежущих сталей с последующей термической, обработкой. Образовавшийся диффузионный слой обеспечивает требуемые свойства и защиту камер от воздействия высоких етмператур на 25 - 30 %.

5.Разработан способ изготовления к.в.д. методом литья по выплавляемым моделям. Изготовленные камеры отличаются точной геометрией и требуют небольшой механической обработки. Исследованы свойства, микроструктура отливок. Промышленные, испытания показали, что к.в.д., изготовленные литьем из разработанной стали, увеличили стойкость в 1,5 раза.

6. Исследованы особенности разрушения к.в.д. из литой ванадиевой стали, изготовленных методом литья по выплавляемым моделям.

Основное содержание диссертации опубликовано в. следующих работах:

1. Софрошеыков А.Ф., Семёнов С.Л, Литые быстрорежущие стали для аппаратов высокого давления // Сб. материалов Юбилейной региональной научно-практической конференции, посвященной 60-летию СМИ. Новокузнецк, 1990. С. 141.

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

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

4. Софрошенков А.Ф., Семёнов С.Л., Хегай A.B. Литые молибденовые быстрорежущие стали У/ Изв. вузов. Черная металлургия, 1991, №2. С, 95-97.

5. Семенов С.Л;, Петров В.И., Кузнецова В.А. Трещнностойкосп. быстрорежущих и инструментальных сталей после термообработки // Изв. вузов. Черная металлургия. 1992.

6. Софрошенков А.Ф.. Семёнов СЛ. Литые быстрорежущие стали для аппаратов высокого давления // Первое собрание металловедов России. - Сбор, докладов. Пенза. 1993. С. 50 - 53.

7. Софрошенков А.Ф., Семёнов С.Л. Софрошенков И.А. Литые вольфрамомолибденовые стали для аппаратов высокого давления // Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. № 8. С. 78 - 79.

8. Софрошенков А.Ф., Семёнов С.Л. Софрошенков И.А. Разработка технологии изготовления оснастки для аппаратов высокого давления НИ за. вузов. Черная металлургия. 1995. № 6. С. 47 - 50,

9. Софрошенков А.Ф., Семёнов СЛ. Получение вставок опорных плит методом литья по выплавляемым моделям // Сб. материалов V Международной конференции "Актуальные проблемы металловедения в металлургии". Новокузнецк, 1997. С. 128.

10. Семенов- С.Л. Получение вставок опорных плит методом литья по выплавляемым моделям // Изв. вузов. Черная металлургия. 1997. С. 75 - 76.

Ц. Семёнов С.Л.Софрошенков А.Ф. Литые быстрорежущие стали // Сб. материалов Международной научно-практической конфе-

репции "Современные проблемы н пути развития металлургии". 1997. С. 93.

12. Софрошенков А.Ф., Семёнов С.Л. Напряженное состояние камеры высокого давления // Изв. вузов. Черная металлургия. 1998. №4.

13. Софрошенков А.Ф., Семёнов СЛ. Литая быстрорежущая сталь с ванадием для аппаратов высокого давления // Изв. вузов. Черная металлургия. 1998. № 4.

14. A.c. № 1691422 СССР. Сталь / А.Ф. Софрошенков, С.Л; Семёнов, Е.В. Бодрова, A.B. Хегай. 4730180; Заявл. Н.08.89., опубл. 15.11.91. Б;олл. №42.

\

\

Подписано в печать 18.05.98 г. Формат 60x84 1/16

Усл. леч. л. 1,34 Уч. изд. л. 1,5 ' Тираж 100 экз.

Заказ 33 2

Сибирский государственный индустриальный университет, 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42 Издательский центр СибГИУ