автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка материалов на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками карбида титана и оптимизация технологических параметров его получения

Новочеркасский государственный технический университет

гц ФВ --

На правах рукописи

КО РОТКОВ Дмитрий Геннадьевич

1 УДК 621.762:669

РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 10Р6М5 С ДОБАВКАМИ КАРБИДА ТИТАНА И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новочеркасск -1997

Работа выполнена на кафедре Физики и математики Пятигорской государственной фармацевтической академии

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Кудимов Ю.Н.

Научный консультант - кандидат физико-математических

наук Гаврилов Н.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Дорофеев В.Ю.;

кандидат технических наук, нач. технологического отдела АО "Магнит" Стопченко А.Ю.

Ведущее предприятие - Карачаево - Черкесский

технологический институт, г. Черкесск

Защита состоится " ^"1997 г. в^ часов на заседании совета К 063.30.10 по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "" -^1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Горшков С .А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Перед современным материаловедением поставлены задачи создания новых технологических процессов получения композиционных материалов различного назначения с целью сокращения расхода сырья и энергоёмкости производства, повышения надёжности и фока службы машин и механизмов, сокращения импорта техники за счёт выпуска собственного конкурентоспособного оборудования.

На сегодняшний день нет материалов, которые бы занимали промежуточное положение между твёрдыми сплавами и сталями по своим двойствам и в первую очередь по твёрдости и износостойкости. Существующие карбидостали, которые получили распространением последние 10 -[ 5 лет, могли бы восполнить этот пробел/но обладают рядом существенных недостатков, такими как сравнительно высокая остаточная пористость, низкая эффективность термической обработки, сложность крепления к стальному корпусу инструмента и т. д.

Оптимизация химического состава и технологии получения изделий : износостойкими вставками из карбидостали, лишённой указанных недостатков, позволит обеспечить долговечность и надёжность работы аеталей узлов трения и режущего инструмента, что обуславливает актуа-в.ность проведения исследований, направленных на решение этой проблемы.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилась разработка материала на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками карбида гитана и оптимизация технологических параметров его получения. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- установление температурно-кинетических закономерностей изменения структуры и остаточной пористости материала при различном »держании карбидной фазы;

- определение факторов, снижающих диффузионный обмен между упрочняющей фазой и связкой, и замедляющих рост кольцевой структуры сарбидного зерна;

- определение роли механической активации и ультразвуковых солебаний в технологии получения карбидостали;

- повышение эффективности термической обработки карбидостали;

- разработка технологии получения деталей и инструмента с износо-¡тойкими вставками из карбидостали.

Научная новизна.

Получены закономерности совместного влияния легирования угле-юдом, механической активации исходного порошка карбида титана и ультразвукового поля при спекании карбидостали на свойства сплава 0Р6М5 - 20 мас.% TiC, с целью обеспечения уменьшения остаточной юристости, среднего размера карбидного зерна, равномерного распреде-[ения карбидной фазы и снижения диффузионного взаимодействия кар->ида титана с металлической связкой.

Впервые предложен метод определения оптимальной температуры спекания (Т ) карбидостали I0P6M5 - TiC в зависимости от содержании карбида титана ( Ctic ) в интервале 5 - 40 мас.%, основанный на том, что данная зависимость описывается уравнением первого порядка (Т = к Сне + А), в котором коэффициенты к и А определяются экспериментально.

Впервые построена математическая модель второго порядка зависимости твёрдости карбидостали 10Р6М5 - TiC от основных технологических факторов: содержания карбида титана, температуры спекания и времени изотермической выдержки. Получено уравнение регрессии, определён оптимальный состав сплава 10Р6М5 - TiC, обладающего твёрдостью 68 - 69 HRCa.

Впервые научно обосновано и осуществлено совмещение операций жидкофазного спекания карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC и её напайки к стальному корпусу инструмента, основанное на снижении температуры спекания на 10 - 15 град и уменьшении времени изотермической выдержки до 900 с воздействием ультразвука мощностью 0,4 кВт/кг, с целью сближения режимов данных операций.

Практическая ценность. В работе определены оптимальный состав и режимы получения карбидостали 10Р6М5 - TiC с оптимальной структурой и остаточной пористостью менее 1 %. Предложен способ определения оптимальной температуры спекания карбидостали при различном содержании карбида титана. Построена математическая модель зависимости твёрдости карбидостали 10Р6М5 - TiC от следующих факторов: содержания карбида титана, температуры спекания и времени изотермической выдержки, что позволяет оптимизировать процесс спекания с целью улучшения структуры композита. Предложенная технология с воздействием ультразвука позволяет спекать карбидосталь 10Р6М5 - 20 мас.% TiC непосредственно на стальной подложке, за счёт снижения температуры спекания и времени изотермической выдержки . Повышена эффективность термической обработки карбидостали за счёт легирования исходной смеси порошков графитом и механической активацией товарного порошка карбида титана, обеспечена твёрдость 68 - 69 HRC3. Разработана новая технология получения неразъёмного соединения карбидостали Со стальным корпусом инструмента методом контактно-реактивной пайки на стадии жидкофазного спекания.

Реализация результатов работы. Разработан технологический процесс изготовления ножей с износостойкими вставками из карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC к экструдерам фирмы "Farrel Bridge" для грануляции полиэтилена. Предложена новая схема армирования ножей, которая позволила увеличить средний ресурс работы на 20 %. Изготовлена опытно-промышленная партия ножей по данной технологии, которые прошли производственные испытания на ПО "Ставропольполимер" г. Будённовска. Испытания показали, что средний ресурс работы ножей, изготовленных по предложенной технологии составляет 1320 часов, что соответству-

ет стойкости импортных ножей. Стоимость импортных ножей выше себестоимости разработанных в 5 - 6 раз. Годовая потребность в ножах данного типа только одного НПО "Ставропольполимер" составляет 250 штук, ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения в производство данных ножей - 35 млн. руб., при использовании в производстве ножей трёх типов - свыше 100 млн. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Международном научном семинаре "Механохимия и механоак-тивация" ( Санкт - Петербург, 1995 г.) и ежегодных научных конференциях Пятигорской Государственной Фармацевтической Академии ( Пятигорск, 1992, 1993, 1995 г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе получен патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих вьюодов и приложений, содержит 137 страниц машинописного те ста, 36 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Кратко отражена история разработки безвольфрамовых твёрдых сплавов ( БВТС ). Выявлены факторы, на которых основывается дальнейшее развитие разработок новых БВТС. Отмечены недостатки и преимущества сплавов на основе карбида титана по сравнению с твёрдыми сплавами \УС - Со. Обоснована актуальность разработки карбидоста-лей, лишённых присущим им недостатков, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведён обзор опубликованных работ по теме гщссертации , на основании которых сделаны следующие выводы:

- в узлах трения перспективно использование деталей с рабочей поверхностью из сплавов с карбидом титана, выбор которого в качестве гвёрдой составляющей износостойкого сплава объясняется его высокой твёрдостью, химической стойкостью, малым коэффициентом трения по большинству материалов, смачиваемостью металлами группы железа и ;го дешевизной;

- сплавы на основе карбида титана имеют более высокие технологи-неские свойства, чем сплавы \¥С - Со, а именно в 10 - 15 раз большую жат шостойкость и более высокое сопротивление износу по передней товёрхности инструмента из-за пониженной склонности к адгезионному ззаимодействию. БВТС имеют примерно в 2 раза более низкую плотность, что определяет их применение в легких конструкциях;

- фазовые взаимосвязи при температурах спекания, а также разлитая в поверхностной энергии существующих фаз активируют образование характерной структуры карбидных зёрен, которая состоит из ядра сарбида титана, окружённого слоем твёрдого раствора элементов связки

в TiC. Механизм, отвечающий за образование кольцевой структуры, в своей основе, является растворением - осаждением и управляется химическими силами;

- одна из основных трудностей, с которой сталкиваются при изготовлении композитов на основе TiC, заключается в получении мелкозернистой структуры карбидной фазы. Твёрдость БВТС определяется их составом и структурой, чем меньше карбидные зерна, тем твёрже материал;

- перераспределение и массоперенос карбидной фазы осуществляется по следующим механизмам: миграция расплава и перегруппировка карбидных зёрен; диффузионный рост карбидных зёрен вследствие их растворения и последующего осаждения; коалесценция частиц карбидов;

- распределение металлической фазы играет главную роль в определении свойств карбидостали. Если гетерогенная смесь.порошков карбида и металла после холодного прессования спекается в присутствии жидкой фазы, то окончательное распределение металлической связки главным образом будет зависеть от смачиваемости твёрдой фазы;

- вследствие интенсивного растворения свободного титана в стали происходит обезуглероживание металлической фазы, в результате чего после закалки образуется безуглеродистый мартенсит, который не обладает высокой твёрдостью, снижая тем самым эффективность термообработки;

- сплавы TiC - сталь после спекания имеют повышенную остаточную пористость, что является основным недостатком, ухудшающим механические свойства материала.

На основании проведённого обзора сформулированы цель и задачи исследования

Во второй главе дана характеристика используемых материалов, технологического и исследовательского оборудования, описаны методики проведения теоретических и экспериментальных исследований, использованных для решения поставленной задачи.

В качестве исходных материалов использовали порошки карбида титана ( ТУ 6-09-492-75 ) и быстрорежущей стали 10Р6М5, научно-производственного объединения "Тулачермет", дисперсностью менее 50 мкм.

- Исходные порошки подвергали измельчению в шаровой вибромельнице со стальными шарами при соотношении шарыУсмесь - 5/2, с частотой 250 мин-1 и амплитудой 20 мм. Содержание карбида титана варьировалось от 5 до 60 мас.%. Порошки подвергали входному контролю, просеивали, смешивали в необходимых пропорциях, в смеси вводили пластификатор (1 % раствор каучука в бензине), протирали через сито с ячейкой 1 мм. Навески смесей прессовали в пресс-формах на гидравлическом прессе П6324 с давлением 98 МПа. Готовые прессовки спекали в вакуумной печи СНВЭ - 1Д1/16ИЗ с остаточным давлением 10"5 мм. рт. ст. Температуру спекания варьировали в диапазоне 1573 - 1823 К, а время изотермической выдержки до 3600 с. Управление температурой осуществлялось микропроцессорным устройством "Протар 100" по заранее заданной

программе.

Плотность материала определяли методом гидростатического взвешивания образца в воде по ГОСТ 18898 - 89. Погрешность в определении остаточной пористости составляла 1%. Измерения проводили не менее, чем для 5 образцов каждого состава.

Микроструктуру образцов карбидостали после спекания исследовали на металлографическом микроскопе МИМ - 10. Образцы шлифовали на алмазных пастах. Отполированные поверхности образцов подвергались травлению тепловому и реактивом Мураками. Средний размер карбидного зерна и среднее расстояние между частицами карбидов определяли методом случайных секущих.

Для активации процесса спекания карбидостали использовали ультразвуковой генератор УЗГ - 3 - 4, оснащённый магнитострикцион-ным преобразователем ПМС - 15А - 18 с резонансной частотой 18 кГц. Подвод ультразвуковых колебаний осуществлялся по волноводу сечением 80 мм2 и длиной 432 мм, закреплявшимся резьбовым соединением к преобразователю и стальной подложке, на которой спекали исследуемые образцы. Волновод подвергали водяному охлаждению. Частоту УЗ колебаний варьировали в интервале 18-22 кГц, мощность генератора регулировали в диапазоне 0,5 - 3 кВт.

Рентгеноструктурный анализ спечённых образцов осуществляли на установке "Дрон - 3" с фильтрованным медным излучением. Вычисление параметров элементарной ячейки проводили на ЭВМ "Искра 1256", согласованной с рентгеновским дифрактометром. Вычисление параметров элементарной ячейки проводили по методу наименьших квадратов. Все систематические ошибки учитывались методом внутреннего стандарта.

Определение параметров тонкой структуры проводили на ЭВМ методом гармонического анализа, перед проведением которого осуществляли определение фона, аппроксимировавшегося прямой линией, проводимой по методу наименьших квадратов. Вводили поправки на факторы Лоренца и поляризации. При наложении линий проводилось их разделение.

Съёмку рентгенограмм вели по точкам с шагом 0,05 град с набором тела импульсов до достижения относительной погрешности 0,5 %.

Для исследования распределения легирующих элементов связки в 5ёрнах карбида титана проводили локальный рентгеноспектральный шализ на JXA - 5А.

Механические свойства образцов полученных сплавов испытывали то стандартным методикам. Твёрдость HRC определяли на твердомере ГР - 5006. Предел прочности при поперечном изгибе по ГОСТ 14019 - 80. Предел прочности при сжатии измеряли на установке "Инстрон - 1185".

Износостойкость образцов определялась при испытаниях на износ га установке МТ - 1 по отношению к инструментальным сталям и твёрдому сплаву ВК10, с нагрузкой 100 Н.

Для выбора оптимального плана эксперимента применяли планы

второго порядка Бокса - Бенкина с варьированием каждого фактора на трёх уровнях. Исследование полученной функциональной зависимости осуществляли с помощью программы математической статистики "STATHGRAF" на персональном компьютере IBM PC 486.

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты по влиянию содержания компонентов, температуры спекания и времени изотермической выдержки на характер уплотнения, формирование микроструктуры и изменение фазового состава сплавов 10Р6М5 - TiC.

Исследован характер уплотнения карбидостали 10Р6М5 в широком интервале температур спекания и содержания компонентов. Показано, что из-за недостаточной смачиваемости карбида титана быстрорежущей сталью удовлетворительно спекаются сплавы с содержанием карбида титана до 30 мас.%. Их остаточная пористость после жидкофазного спекания при температурах 1573 - 1773 К менее 6 %.

Изучение зависимости влияния времени изотермической выдержки на характер уплотнения образцов карбидостали различного состава показало, что наиболее интенсивная усадка происходит в первые 1800 с : жидкофазного спекания. При незначительном времени выдержки ( менее 300 с ) и большой скорости нагрева ( более 30 град/мин ) из-за плохой смачиваемости карбида титана быстрорежущей сталью происходит разбухание образцов за счёт выхода жидкой связки на поверхность образцов, так как жидкая фаза не затекает в капилляры и микрополости.

Исследована микроструктура образцов карбидостали в широком интервале содержания твёрдой фракции. Показано, что в процессе жидкофазного спекания происходит рост карбидных зёрен вследствие их растворения и последующего осаждения. В результате диффузионного взаимодействия между карбидом титана и легирующими элементами быстрорежущей стали образуются кольцевые структуры карбидных зёрен.

На основе изучения микроструктур сплавов и кинетики роста карбидных зёрен сделан вывод о том, что средний размер карбидного зерна растёт с увеличением температуры жидкофазного спекания и времени изотермической выдержки. Установлено, что для получения мелкозернистой структуры TiC значительный перегрев и чрезмерное увеличение времени спекания нежелательны. Оптимальный температурный диапазон жидкофазного спекания карбидостали составляет не более 20 град (рис. 1).

Полученные результаты объяснены нами диаграммой состояния системы TiC - сталь 10Р6М5, построенной в первом приближении прямыми линиями. При условии, что в процессе спекания карбидная фаза и связка не меняют своего химического и гранулометрического состава, будет выполняться правило рычага, т.е., для оптимального режима спекания соотношение твёрдой и жидкой фаз должно быть величиной постоянной. В этом случае все оптимальные температуры спекания ( Т ) должны лежать на прямой линии. Для определения данной прямой достаточно двух точек, которые могут быть определены экспериментально после

пекания и металлографического анализа образцов с различным содержащем карбида титана ( Стгс ). Построенную прямую можно описать урав-[ением первого порядка: Т= к Сне + А ( рис. 2 ).

1573

1623

1673

1723 т, К

Рис. 1. Зависимость плотности ( а ) и среднего размера карбидного зерна (Ь ) от температуры спекания сплава 10Р6М5 - 20 мас.% "ПС

Рис. 2. Условное представление диапазона оптимальных температур спекания карбидостали

Так как результаты исследования свидетельствуют о том, что опги-альная температура спекания карбидостали варьирует в диапазоне 15-20

град, данную прямую можно преобразовать в выделенную область.

Экспериментально установлено, что оптимальные температуры спекания карбидостали находятся в линейной зависимости от содержания карбида титана до 40 мас.%. Данная зависимость описывается уравнением Т=5,5 Стю + 1563.

Коэффициенты уравнения будут меняться при изменении состава исходных порошков, поэтому необходимо при переходе на порошки из других партий корректировать коэффициенты зависимости. Композиты, спеченные при температурах, соответствующих области 1 должны обладать крупнозернистой структурой карбидной фазы, а сплавы соответствующие области 2 - повышенной остаточной пористостью. Данное предположение хорошо согласуется с экспериментальными данными при содержании карбида титана до 40 мас.%.

Для выбора оптимального плана эксперимента применяли планы второго порядка Бокса - Бенкина с варьированием каждого фактора на трёх уровнях. Эти планы представляют собой выборки строк из полного факторного эксперимента типа Зк, где к - число исследуемых факторов (табл. 1 ).

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Уровни и интервалы Содержание ТС Время выдержки Температура спекания

варьирования мае, % XI с. Х2 К ХЗ

Верхний уровень 25 + 1 2700 + 1 1723 +1

Основной уровень 20, 0 1800 0 1673 0

Нижний уровень 15 -1 900 -1 1623 -1

Интервалы варьирования 5 900 50

Применение данного плана позволило получить математическук зависимость твёрдости карбидостали ( у ) от следующих факторов: содер' жания карбида титана ( X! ), времени изотермической выдержки ( хг) I температуры спекания (хз).

После расчета коэффициентов регрессии и проверки их значимост! получили адекватное уравнение:

у=0.4x1+0.9x2+0.8x3+0.5x1x2+1.4X1X3-1.5X2X3-

-2.7х12-0.7х22-3.3хз2+56.6 Проверку адекватности уравнения проводили по критерию Фишера На рис. 3 и 4 представлены поверхности, описываемые полученныи уравнением при времени изотермической выдержки 1800 с и температур-спекания 1673 К. Из их анализа следует, что оптимальные режимы спека ния находятся в вершинах данных поверхностей. Исследование функцш

а экстремум позволило определить оптимальные температуру спекания время изотермической выдержки при определенном содержании карби-а титана.

Рис. 3 Зависимость твёрдости карбидостали 10Р6М5 - 'ПС от содержания карбида титана и температуры спекания при изотермической выдержке 1800 с

Рис. 4 Зависимость твёрдости карбидостали 10Р6М5 - 'ПС от содержания карбида гитана и времени спекания при температуре спекания 1673 К

Сопоставление полученных результатов с экспериментами по изменению скорости нагрева спекаемого материала, позволило построить программу управления температурой в печи для микропроцессорного устройства "Протар 100".

Рентгеноструктурньш анализом установлено, что в процессе спекания легирующие элементы быстрорежущей стали в результате диффузии переходят в зёрна карбида титана, а растворение свободного титана в стальной связке обезуглероживает её, что не позволяет добиться высоких механических ; .

свойств карбидостали после термической обработки. По изменениям параметра кристаллической решётки, интенсивностей отражений и их профиля, сделан вывод, что с одной стороны, с увеличением содержания карбида титана в карбидостали обезуглероживание стальной связки усиливается, а с другой - уменьшается доля кольцевых структур карбидных зёрен. В результате исследований были выбраны оптимальный состав карбидостали - 10Р6М5 - 20 мас.% ПС и оптимальный режим спекания: 1663 - 1683 К при изотермической выдержке 1800 с.

Для того, чтобы улучшить микроструктуру и механические свойства после термообработки карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% "ПС было определено экспериментально количество графита, которое необходимо добавить к исходной смеси порошков (табл. 2 ). Отмечено, что добавка графита в размере 0,1 мас.% снижает температуру жндкофазного спекания на 7 - 8 град. Экспериментально установлено, что в интервале от 0 до 0,4 мас.% С данная зависимость линейная (рис. 5 ). Введение графита уменьшает рост карбидного зерна и. замедляет образование кольцевых структур.

В четвёртой главе представлены результаты исследований влияния механической активации исходного порошка карбида титана в шаровой вибромельнице со стальными шарами и воздействия ультразвуковых колебаний на стадии жидкофазного спекания на свойства карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.%'ПС.

Показано, что механическая активация частиц карбида титана приводит к измельчению карбидного зерна и уменьшению остаточной пористости карбидостали. Механическими испытаниями установлено, что свойства образцов улучшаются с увеличением продолжительности измельчения в вибромельнице (табл. 3 ). Это связано с уменьшением остаточной пористости и образованием более мелкодисперсной структуры композита. Увеличение твёрдости обусловлено не только улучшением структуры материала, но и влиянием механической активации на процесс растворения титана го карбида титана нестехиометрического состава в стальной матрице во время жидкофазного спекания. Рентгеноструктурньш анализ показал, что в образцах карбидостали, полученных из активированного карбида титана изменение параметра кристаллической решётки карбида титана зависит от времени активации в первые 330 мин.

Таким образом, механическая активация товарного порошка карби-

1а титана в шаровой вибромельнице в течение 330 мин. позволяет сни-ить остаточную пористость до 1 - 2 %, уменьшить средний размер карби-[ного зерна и повысить эффективность термической обработки карбидос-али 10Р6М5 - 20 мас.% ТЮ (табл. 3 ).

Таблица 2 Результаты механических испытаний образцов карбидостали 10Р6М5 - 20 мае. ТЮ с добавками графита и без

Добавки графита, мас.% Твёрдость, НЯСэ Предел прочности при изгибе, МПа

после спекания после термообр.

0 55-57 61 -63 1850- 1900

0,05 56-58 65-67 1850 - 1900

0,10 56-58 68-69 1850 - 1900

0,15 57-59 68-69 1800- 1850

0,20 57-59 67-69 1700- 1800

0,30 57-59 66-68 1600-1700

0,40 57-59 65-67 1550-1600

Рис. 5 Зависимость оптимальной температуры

спекания карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% Т1С от содержания углерода

Таблица 3

Результаты механических испытаний образцов карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% 'ПС, с различной продолжительностью механической активации карбида титана

Продолжительность активации, мин Твёрдость, НЛСэ Прочность при изгибе, МПа

после спекания после термообр.

0 46 - 48. 57-59 1200- 1380

90 47-49 61-63 1450- 1650

210 48-50 63-65 1700- 1800

330 50-52 67- 69 1850- 1900

480 50-52 67-69 1850 - 1900

600 50-52 67-69 1850 - 1900

Таким образом, с точки зрения обеспечения оптимальной микроструктуры и высоких механических свойств были выбраны состав карбидостали - 10Р6М5 - 20 мас.% 'ПС - 0,15 мас.% С и о режим окончательного спекания 1662 К, 1800 с. Образцы после термической обработки обладали твёрдостью 68 - 69 НЛСэ и прочностью при изгибе 1800 - 1850 МПа.

Исследовано влияние ультразвуковых колебаний на характер уплотнения карбидостали 10Р6М5 - 20- мас.% 'ПС в зависимости от температуры и времени спекания (рис. 6,7). Установлено, что в образцах, спечённых под воздействием ультразвука, уплотнение наступает при меньшей температуре, чем в неозвученных образцах. Ультразвуковое воздействие в диапазоне мощности 0,2 -1 кВт/кг ускоряет процесс уплотнения матери-ада на стадии жидкофазного спекания. Время спекания до остаточной пористости менее 1 % составляет 15-20 мин.

Уменьшение остаточной пористости и снижение температуры жидкофазного спекания можно объяснить на основе звукокапиллярного эффекта, аномального подъёма жидкости в капиллярах и её глубокого проникновения в узкие щели, улучшения смачиваемости карбида титана быстрорежущей сталью в ультразвуковом поле. Металлографическим анализом установлено, что в озвученных образцах отсутствуют замкнутые между карбидными частицами поры, которые только увеличением температуры спекания и времени изотермической выдержки не удалялись.

Также показано, что ультразвуковая активация стадии жидкофазного спекания приводит к более равномерному распределению карбидной фазы по всему объёму образцов карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% ТЮ.

олученный результат можно объяснить возникновением в ультразвуке 1М поле акустических течений, имеющих вихревой характер.

Рис. 6. Зависимость остаточной пористости карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% 'ПС от температуры спекания при выдержке 900 с: 1 - без УЗ; 2 с УЗ (0,4 кВт/кг)

п. %

15

О 300 500 900 1200 1500 1800 I с

Рис. 7. Зависимость остаточной пористости карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% "ПС от времени изотермической выдержки: 1- 1673 К, без УЗ; 2 - 1658 К, с УЗ (0,4 кВт/кг )

Установлено, что ультразвуковое воздействие во всём исследуемом апазоне мощности снижает средний размер карбидного зерна на нача-ной стадии жидкофазного спекания за счёт действия акустических чений, способствующих разрушению конгломератов карбидных частиц.

Дальнейшее увеличении времени жидаофазного спекания вызывает резкий рост карбидных зёрен за счёт ускорения диффузионных процессов под влиянием ультразвука, что приводит к сужению диапазона температур спекания до Ю град. Доказано экспериментально, что целесообразно вести спекание при мощности ультразвука в диапазоне 0,2 - 0,4 кВт/кг, т.к. дальнейшее увеличение мощности не приводит к заметному улучшению микроструктуры композита, а влечёт за собой только уменьшение температуры жидаофазного спекания.

Сочетание механической активации и ультразвукового воздействия мощностью 0,4 кВт/кг на стадии жидаофазного спекания позволяет получить практически беспористый материал, снизить температуру спекания на 15 - 20 град, уменьшить время изотермической выдержки до 900 с и способствует измельчению карбидного зерна. Струхпгура с измельчённой карбидной фазой и наиболее равномерным распределением карбидов в стальной матрице, наряду с другими факторами, обеспечивает повышенную износостойкость материала.

При испытаниях образцов на износ в условиях сухого трения по схеме "диск - колодка" в паре трения с закалённой сталью ШХ -15, карби-досталь, полученная по предлагаемому способу, обладала более высокой износостойкостью ( на 20 %), чем композит, полученный из товарного порошка без предварительной активации и наложения ультразвуковых колебаний.

Установленные закономерности влияния ультразвука на процесс спекания карбидостали позволили предположить возможность спекания композита и напайку его к стальной подложке в одной операции, т. е. осуществить процесс, который, в обычных условиях, невозможен вследствие разных температур и продолжительности спекания карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC ( 1673 К, 1800 с) и контактно-реактивной напайки ( 1658 К, 900 с).

Регулировка мощности ультразвуковых колебаний позволяет варьировать температуру и время изотермической выдержки при спекании карбидостали, что позволяет производить спекание и напайку на стальную подложку одновременно. Проведено спекание с воздействием ультразвуковых колебаний мощностью 0,4 кВт/кг карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC - 0,15 мас.% С на стали 45 при температуре спекания 1653 К и изотермической выдержке 900 с, что позволило значительно упростить технологический процесс изготовления инструмента с износостойкими вставками. Свойства карбидостали и качество переходной зоны в результате совмещения процессов спекания и напайки не ухудшились.

Совмещение двух этих этапов позволило упростить технологическую схему получения деталей с износостойкими вставками из карбидостали.

В пятой главе приведена технология производства ножей для грануляции полиэтилена к экструдерам фирмы "Farrel Bridge" с износостойкими вставками из карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC. В целях снижения

:бесто1шости конечного изделия карбидосталъ используется только для 5Готовления рабочей поверхности, а несущий слой из сравнительно гшёвой стали 45.

Предложена новая схема армирования ножей, защищенная патен->м на изобретение, в которой износостойкая вставка из карбидостали -рает роль демпфера, снижающего износ режущей части ножа и повыша-щего средний ресурс работы на 20 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Впервые предложен метод определения оптимальной темпера-фы спекания ( Т ) карбидостали 10Р6М5 - TiC в зависимости от держании карбида титана ( Ctic ) в интервале 5-40 мас.%, оснований на том, данная зависимость описывается уравнением первого поряд-i ( Т = к С-пс + А ), в котором коэффициенты к и А определяются экспе-шентально.

2. Построена математическая модель зависимости твёрдости карби->стали 10Р6М5 - TiC от основных технологических факторов: содержат карбида титана, температуры спекания и времени изотермической лдержки. Получено уравнение регрессии, определён оптимальный сос-iB карбидостали - 10Р6М5 - 20 мас.% TiC, обладающий наилучшими гханическими свойствами.

3. Получены закономерности по одновременному влиянию легиро-шия углеродом, механической активации исходного порошка карбида 1тана и ультразвукового поля при спекании карбидостали на свойства иава I0P6M5 - 20 мас.% TiC.

4. Оптимизирован состав и режимы основных технологических апов получения карбидостали 10Р6М5 - TiC методом жидкофазного [екания в вакууме. Определено оптимальное количество графита, кото->е необходимо вносить в исходную смесь порошков, с целью компенса-ш потерь углерода в процессе жидкофазного спекания.

5. Установлено, что механическая активация товарного порошка 1рбида титана в шаровой вибромельнице уменьшает средний размер обидного зерна, снижает остаточную пористость до 1 - 2 % и замедляет юцесс растворения титана в стальной связке, повышая эффективность рмообработки карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC - 0,15 мас.% С.

6. Экспериментально показано, что воздействие ультразвуковых »лебаний мощностью 0,4 кВт/кг на композит на стадии жидкофазного екания снижает температуру спекания на Ю - 15 градусов и время ютермической выдержки до 900 с и позволяет получить практически «пористый материал с равномерным распределением карбидной фрак-ш, повышая износостойкость на 20 % в сравнении с карбидосталыо, ¡ечённой без ультразвукового поля.

7. Впервые произведены окончательное спекание и контактно-реак-шная пайка карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC - 0,15 мас.% С со

сталью 45 с воздействием ультразвуковых колебаний при температуре 1653 К и изотермической выдержке 900 с. .

8. Предложена новая схема армирования ножей к импортным экст-рудерам для грануляции полиэтилена, которая защищена патентом на изобретение. Основной идеей является то, что на переднюю режущую кромку вынесена инструментальная сталь, которая составляет одно целое с корпусом ножа, а износостойкая вставка из карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC расположена за стальным слоем на задней поверхности. При этом высокоизносостойкий слой отвечает за ресурс работы ножа, связанный со, скоростью истирания о фильеру, а стальной слой служит демпфером, защищающим карбидосталь от выкрашивания.

9. На основе проведённых исследований разработан технологический процесс изготовления ножей для грануляции полиэтилена с износостойкими вставками из карбидостали 10Р6М5 - 20 мас.% TiC, которые внедрены на НПО "Ставропольполимер" г. Будённовск. Предполагаемый экономический эффект за счёт снижения материалоёмкости, трудоёмкости и повышения долговечности, а также снижения затрат на простои экстру-деров составляет 35 млн. руб. в ценах 1995 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гаврилов Н.И., Филимонов В.М., Гаврилов К.И., Коротков Д.Г., Кудимов Ю.Н., Приходько В.Г. Влияние дисперсности исходного сырья на качество конечного продукта// Изв. Вузов. Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. - Ростов-н/Д, 1993. - № 1 - 2. - С. 91 - 95.

2. Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И., Коротков Д.Г., Гурко В.И. Инструмент для грануляции пластических масс// Патент на изобретение № 93044112/26/044295.

3. Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И., Приходько В.Г., Коротков Д.Г., Касян C.B. Жидкофазное спекание и контактное плавление//Деп. ВИНИТИ, 1992. - № 2078-В92. -16 с.

4. Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И., Приходько В.Г., Коротков Д.Г., Касян. C.B. Двухфазные припои при контактном плавлении// Деп. ВИНИТИ, 1992. - № 2295-В92. - 8 с.

5. Коротков Д.Г., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И. Влияние механической активации карбида титана на свойства карбидостали// Деп. ВИНИТИ, 1993. - № 1155-В93. - 5 с.

6. Коротков Д.Г., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И. Влияние добавок углерода на процесс спекания н механические свойства карбидостали//Деп. ВИНИТИ, 1993. - № 2798-В93. - 4 с.

7. Коротков Д.Г., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И. Формирование структуры карбидостали при спекании и термической обработке// Тез. докл. 47 Регион, науч. конф. по фармации и фармакологии. - Пятигорск, 1992. - С. 61-62.

8. Кудимов Ю.Н., Приходько В.Г., Коротков Д.Г., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И. Новые износостойкие материалы для технологического

эорудования в фармацевтической и медицинской промышленности// Тез. окл. 48 Респ. науч. конф. по фармации и фармакологии. - Пятигорск, т.-С. 100-101.

9. Короткое Д.Г., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Гаврилов К.И. оптимизация состава безвольфрамовых твёрдых сплавов// Тез. докл. 50 егион. конф. по фармации, фармакологии и подготовке кадров. - Пяти-эрск, 1995.-С. 50-51.

Подписано к печати 14.01.97 г. Формат 60 х 84 1/16. Печать ротапринтная. Усл. печ. л. 0,8. Уч. изд. п. 0,8. Тираж 100. Заказ л/ Пятигорская государственная

фармацевтическая академия, 357533 г. Пятигорск, пр. Калинина И.

Ротапринт ПГФА.