автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка новых материалов и технологий изготовления пресс-форм литья под давлением медных сплавов

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Московский автомобилестроительный институт (ВТУЗ - ЗИЛ)

ДУБРОВСКИЙ Сергей Викторович

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ МЕДНЫХ СПЛАВОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Московский автомобилестроительный институт ( ВТУЗ - ЗИЛ )

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. №

ДУБРОВСКИЙ Сергей Викторович

УДК 621.762:621.746.073

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХШЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ МЕДНЫХ СПЛАВОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на Московском автомобильном заводе имени И.А.Лихачева

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Кальнер В.Л.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Озерский А.Д.

- кандидат технических наук, Седунов В.К.

Ведущая организация

ВНШЛТекМаш ( НШ"Текстильмаш" )

Защита диссертации состоится " 25 " июня

1992 г

У/С „ в •/£_" часов на

часов на заседании специализированного Совета

К 064.04.02 Московского автомобилестроительного института ( В1УЗ -- ЗИЛ ) по адресу: 109068, Москва, Автозаводская улица, 16.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобилестроительного института ( ВТУЗ - ЗИЛ ).

Автореферат разослан " 25 " мая_1992 г.

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблема. Литьё под давлением цветных металлов и сплавов является высокопроизводительным методом получения точных заготовок. Однако, сравнительно низкая стойкость формообразующих деталей пресс-форм, особенно при изготовлении отливок из мэдных сплавов, например латуни, резко повышает себестоимость метода поскольку пресс-форма Еосьма трудоемка в изготовлении.

Большинство работ по увеличению стойкости пресс-форм связано с заменой материала, применяемого для их изготовления, но улучшить показатели стали ЗХ2В8Ф практически не удалось. Перспективным направлением в этом плане являются материалы, изготавливаемые методом порошковой металлургии. Однако, работы по применению порош-коеых материалов для изготовления литейных форм весьма немногочисленны. Практическому применению их в качестве материала для изготовления пресс-форм литья под давлением, особенно медных сплавов, таких, как латунь, препятствуют отсутствие данных по составу композиций, их теплофизическим свойствам, противоречивость данных по-влиянию остаточной пористости материала на сопротивление термической усталости, не изучен механизм разрушения порошковых материалов в условиях знакопеременных температурных напряжений и коррозионного воздействия окружающей среды.

Настоящая диссертационная работа рассматривает названные проблемы. Она выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПО ЗИЛ.

Цель работы. Разработка новых материалов и методов изготовления пресс-форм литья под давлением сплавов на основе меди.

Изучение механизма разрушения пористых материалов системы железо-медь с износостойким покрытием в условиях эксплуатации пресс-форм литья под давлением.

Разработка новых технологических процессов упрочнения, позволяющих существенно увеличить ресурс работы пресс-форм за счет использования методов порошковой металлургии.

Натчная новизна. Предложена схема механизма разрушения по-рхотнх композиционных материалов в условиях знакопеременных температурных напряжений и коррозионного воздействия окружающей среды, позволившая сформулировать новые требования к материалам пресс-фори литья под давлением на базе порооковых и компактных материалов с жаростойким покрытием, основные иг которых сводятся к следующему:

- порошковый материал должен обеспечивать снижение модуля упругости и содержать компоненты, существенно повышающие его теплопроводность, как .при комнатной, так и при повышенной температурах;

/

- композиционный материал должен состоять из компактного материала основы, на поверхности которого на глубину зоны термического влияния располагается участки порошкового материала;

- порошховый материал должей обладать высокой жаростойкостью в обоих случаях.

Разработаны новые порошковый и композиционный материалы дая Н8Г0Т0ВД0КИЯ пресс-форм литья под давлением сплавов на основе иода (А.О. >* 1354748 " Спеченный материал на основе железа").

Спастическая значимость и реализация шгтлътатов работы.

Показано, что порошковые материалы системы железо-медь могут быть использованы как заменитель стали ЗХ2В8Ф для изготовления пресс-форм литья под давлением латуни.обеспечивающие одинаковый со сталью уровень стойкости.

Разработан технологический процесс, обеспечивающий продление срока службы преос-форм за счет применения методов порошковой металлургии, который позволяет увеличить долговечность

пресс-форм из стали ЗХ238ф и ЗХЗМЗФ не менее, чем в 2 раза.

Научная новизна подтверждена авторским свидетельством на разработку спеченного материала для изготовления пресс-форм литья под давлением.

Внедрение результатов работы в ПО ЗИЛ обеспечивает годовой экономический эффект 72 тыс.руб.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ разрушения- компактных и пористых материалов в условиях знакопеременных температурных напряжений и коррозионного воздействия окружащэй среды и обоснование альтернативного варианта изготовления пресс-форм литья под давлением методами порошковой металлургии.

2. Разработка нового пористого материала ка базе порошковых материалов системы железо-медь для пресс-форм литья под давление

3. Исследования механических и теплофизических свойств пористых железо-медных материалов при комнатной температуре и в реальных условиях эксплуатации пресс-форм.

4. Схема механизма разрушения пресс-форм из пористых материалов системы железо-медь в_условиях знакопеременных температурных напряжений и коррозионного воздействия 01фужагацей среды.

5. Результаты исследования микроструктуры пористых железо-медных материалов с износостойкими покрытиями при термоциклиро-вании в процессе литья под давлением.

6. Новый технологический процесс изготовления пресс-форм, обеспечивающий повышение их ресурса за счет использования методов порошковой металлургии.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференции научно-технического творчества молодежи ПО ЗИЛ, г.Москва, 1985 г.; на

- О -

заседании отделения АН СССР " Физико-химическая технология и обработка неорганических материалов г.Москва, ноябрь 1990 г.; на научно-технической конференции " Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий г.Симферополь, 1991 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы, получено одно авторское свидетельство.

. Структура и объем диссертанта. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы в прилосэнпя. Работа выполнена на 126 страницах, в том числе 75 страницах маиинопис-ного текста. Содержат 48 рисунков, 17'таблиц. Библиографический список включает 90 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. I. Современные представления о механизма разрушения пресс-

форм литья под давлением. I

В главе рассмотрены имеющиеся в литературе данные, посвященные изучению механизма разрушения пресс-форм литья под давлением. Рассмотрены факторы, воздействующие на материал прэсо-форм в процессе эксплуатации.

На основании анализа исследований различных авторов выработан новый подход к пониманию механизма образования разгарных трещин в стальных пресс-формах при изготовлении бтливох из латуни, схема которого можот быть сформулирована следующим образом. Под влиянием тормоциклирования в пресс-форме возникает сложно-напряженное состояние, при котором поверхностная зона металла находится под действием значительных знакопеременных напряжений. Напряжения локально могут превысить предел текучести стали, поэтому в ней развиваются процессы упруго-пластической микродеформации, снижающие общий запас пластичности стали. Интенсивность образования трещин и их рост усугубляется эа^ек-

том Ребиндера, связанным с охрупчиЕгющим влиянием цинка. Такова схема образования разгарных трепрш. Их развитие происходит, главным образом, за счет окисления стенок трещин, так как удельный объем окисла значительно, превышает удельный объем стали.

На основании изложенного механизма сформулированы основные требования к материалам, применяемым при изготовлении пресс-форм для ддтья под давлением цветных металлов и сплавов, в том числе сплавов на основе меди.

Во-первых, в связи с тем, что наибольсее влияние на стойкость пресс-форм оказывает температура контакта ( повыпение температуры контакта сникает прочностные свойства материала пресс-форм, локализует уровень внутренних напряжений ) необходимо стремиться к возможно более высоки.: значениям теплопроводности, теплоемкости и плотности. ■

Во-вторых, для снижения уровня остаточных напряжений необходимо снижать значения модуля упругости и коэффициента термического расширения, тем самым способствуя релаксации напряжекг-й в локальных объемах.

Далее, с точки зрения механических свойств, материал при повышенных температурах должен обладать возможно более высокими значениями предела текучести при /сохранении пластичности, иметь высокую демпфирующую способность, высокое сопротивление развитию трещин.

И наконец, материал должен обладать возможно меньшей способностью к окислению и химическому взаимодействию с расплавом.

Показано, что в соответствии с указанными требованиями наилучшим сочетанием свойств обладают сплавы на основе вольфрама и молибдена. Однако, высокая дефицитность и высокая стоимость резко ограничивают применение этих материалов. Вместе с тем,

было отмечено, что хорошим сочетанием теплофизических свойств обладают медь и ниобий. Однако, низкая прочность не позволяет использовать их при изготовлении цресс-форм для сложных отливок, из-за размывания хравары пресс-формы. Кроме того, медь легко схватывается с расплавом латуни.

• Перспективным направлением представляется разработка новых материалов для пресс-форм методами порошковой металлургии, который обладает уникальными возможностями по созданию рплавов на основе разнородных материалов. Это позволяет надеяться на то, что порошковый материал удовлетворит большинству требований, которые диктуются условиями литья под давлением. Однако, сообщения о применении порошковых материалов для литейных форм весьма немногочисленны.

Основанием исследования порошковых материалов для пресс-форм литья под давлением является гипотеза о решающей роли пор в релаксации напряжений при термоциклической обработке и различие в интенсивности роста микронапряжений в пористом и компактном аелозе при одноосном сжатии, которое позволяет -предположить наличие дополнительного механизма релаксации напряжений в пористом яелезе. На этой основе и создавались различные композиционные материалы методом порошковой металлургии.

. 1 Показано, что .порошковый материал-Бе +( 20*30 )% Си обладает высокой деулфирувдей способностью в наиболее важном для литейных пресс-форм температурном интервале 400,- 60О°С. Оценивая этот результат, следует отметить, что.порошковые материалы системы железо-медь могут оказаться весьма перспективными для работы в условиях термощшшрования. Их твердость и окалиностой-кость могут быть заметно изменены за счет нанесения, например, самофлюсующихся покрытий. Однако, практическому применению их

в качестве материала дая изготовления пресс-форм литья под давлением, особенно мэдных сплавов таких, как латунь, препятствует отсутствие данных по оптимальному составу композиций, их тепло-физическим свойствам, противоречивость данных о влиянии остаточной пористости материала на сопротивление термической усталости. Самостоятельной задачей остается изучение механизма разгара порошковых материалов с износ ос тойкими покрытиями.

На основании критического анализа литературных денных сформулированы задачи исследования.

2. Материалы и методика эксперимента.

Образцы дая исследования механических, физико-гоастеских свойств, 'микроструктуры и разгаростойкостя изготавливали из железного порошка марка 1ШРЗ, смешанного с медный порошком марки ПСЫ-1.

Смешиваниз железного и медного порошков в соотношениях'' ( иас.5? ): 95 и 5; 90 и 10; 80 и 20 соотютсвенно, проводили в анековом смесителе з течение 120 минут;. Образцы изготавливали методом двухстороннего прессования дая получения.остаточной пористости в интервалах IG-23$ и 25-30$. Образцы спекали при температуре ПОО°С в течение 60 минут в атмосфере эндогаза.

Образцы дая исследовання деформации при спэкпнш материала системы железо-медь, диаметром d = 11,3 мм и высотой к равной I,5d спекалп в атмосфере зндогаза при температуре ПС0°С в течение 30 , 60, 120 и 150 минут и в вакууме '5-10 мм.рт.ст. при температурах Ю50°С и 1100°С в течение 30 , 60 и 120 гяшут. Исследование коэффициента теплопроводности материала железо-медь проводили на образцах диаметром 40 мм и длиной 50 мм, коэффициент термического расширения определяли на образцах диаметром 3,5 ш и длиной 55 мгл. Исследование стойкости протиз окисления и взаимодействия материала железо-медь с расплавом

латуни ЛС-59-1 проводили на образцах с размерами 15 х 15 х 15 км. При этой,на часть образцов наносили порошок хромоникелевого са-мофлюсувдегося сплава 1Ш70Н7С4Р4 ( ПГ-СР-4 ) по Т7 14-127-135-82.

«э

Оплавление образцов с покрытием проводили в вакууме 5-Юмм.рт, ст. при температура 1050-И00°С в течение 60-90 минут и в атмосфере эндогаза при температуре ПОО°С в течение 60 минут.

Исследование влияния химико-термической обработки на свойства спеченого материала железо-мэдь проводили на цилиндрических образцах диаметром 20 мм и высотой 40 мм.

Насыщение образцов азотом и углеродом проводилось из газовой среды, в состав которой входили эндогаз, метан и ашиак, в безмуфельном агрегате. Параметры процесса насыщения следующие: температура 860-870°С, продолжительность 600 минут. Затем образцы подвергали отпуску при температура 170 +Ю°С в течение 120 минут.

Теплопроводность порошковых материалов определяли на изготовленной экспериментальной установке для определения теплопроводности стационарным методом с осевым потоком от нагревателя.

Расчет теплопроводности по полученным в ходе эксперимента перепадам температур, проводили по выражении:

*\ _ Сер. * я

где: 3 - ток нагревателя;

£,Ср- среднее расстояние между термопарами двух образцов;

2 - радиус образца;

- суммарный перепад температуры между теми же термопарами, для которых берется I',

чР

К - сопротивление нагревателя.

Для оценки теплопроводности спеченного материала с различными содержанием меди и пористостью была использована разрабо-

танная расчетная методика, в которой отдельные параметры подбирались путам сопоставления экспериментальных и расчетных значений теплопроводности. Основная расчетная зависимость для твер-допористых структур получена в виде:

К = К0- -И I - К0 )• ^0.251 где: К - обобщенный критерий, равный:

Эф~ *Хпор П

К =

*\тв- ^

пор

где:

П - пористость;

- коэффициент связности структуры; температура;

\пор

•х

ТВ

\ зф - эффективная теплопроводность материала; "\пор~ твШ1°пРов°Дность поры;

•X

ТВ

теплопроводность твердой компоненты материала.

Для порошковых материалов коэффициент связности проводящей компоненты принят равным К0= 0,2.

Теплопроводность твердой компоненты рассчитана по теплопроводности меди и железа с использованием формулы Бругмана для гетерогенных систем, причем принимается, что твердая система имеет непрерывную структуру с матрицей из железа с включениями твердых частиц меди. Пример аппроксимации рассчитанной зависимости теплопроводности спеченного материала из 80% Ге и 20% Си от температуры приведен ниже:

*ХТВ = 45,5 ( 4 + 1000 ) / ( -ь + 350 )

Расчет теплопроводности по разработанной методике показал удовлетворительное согласование с экспериментом, что позволяет получить расчетные и :чые теплопроводности порошкового материала, на основе железа с содержанием меди от 0 до 20$ и пористостью от 5 до 20$.

Исследование термического коэффициента линейного расширения проводили на кварцевом дилатометре Шевенара с рабочей областью температур от 20 до 900°С в воздушной среде.

Ыохангчэские испытания на малоцикловую усталость проводили на испытательном комплексе "Инстрон", при этом максимальная нагрузка варьировалась от 320 до 580 кгс, минимальная нагрузка имела значение 200 кгс, частота испытаний составляла 150 циклов в илнугу.

Взаимодействие материала пресс-формы с расплавом латуни IG-53-I оценивали по стойкости против окисления на воздухе при те:шэратуре 750°С, а интенсивность взаимодействия определяли при выдержке материала в расплаве при температуре 940 - Ю°С в течение 5 часоз.

Мпкрорентгеноспектральный, фрактографический анализ и растровую электронную микроскопию проводили на приборе " Cowscah- 4'dV" с системой " Link - 860" с энергетической дисперсией.

Стойкость материала к возникновению п развитию разгарных трещин определяли на вставках пресс-форм литья под давлением, икающих роль рассекателей потока жидкого металла, которые устанавливали в пресс-форму и испытывали в реальных условиях производства ПО ЗИЛ.

- Все полученные результаты подвергались статистической обработке на ПЭВЛ "UewleU Packard". Нелинейный регрессионный анализ проводился с использованием ПЭР.,1 " Раскагс» "

3.1. Теплофизические и физико-механические свойства пористых железо-медных материалов.

Установлено, что при значениях от 13$ до 25$ пористость практически не оказывает влияния на величину линейного коэффициента термического расширения (ос) в интервале температур от 20°0 до 7Ш°С. С увеличением содержания меди величина повышается по линейному закону.

Экспериментальные результаты определения теплопроводности материала 80$ Ре + 20$ Си при пористости 20$ показывают, что среда ( аргон, воздух, вакуум ), в которую помещен образец, практически не оказывает влияния на ее величину в исследованном диапазоне параметров. Зависимость теплопроводности порошкового материала от температуры носит тот же характер, что и для чистого железа. С повышением температуры теплопроводность снижается, однако скорость снижения для железа существенно выше и уже при температуре 400°С различив в теплопроводности компактного железа и пористого материала несущественно.

Полученные данные по теплофизическим свойствам материалов железо-медь позволили рассчитать уровень термических упругих напряжений (б"мах ), возникающих при заливке пресс-формы жидкой латунью. Рассчитаны значения (э,.„,, для спеченных материалов с различными концентрация1®!-меди и величинами пористости (табл.1). Они показывают, что увеличение содержания меда и снижение пористости материала приводят к снижению температуры контакта и, как следствие, к снижению температурного градиента при термоударе. Однако, различие между наибольшим и наименьшим значениями Т„

XV

не превышает 10$. Следовательно, влияние изменения теплофизи-ческих свойств при изменении содержания меди и пористости на величину невелико.

Таблица I.

Теплофизические и физико-механические свойства

пористых материалов системы келазо-медь.

Состав Плотность Теплоемкость Теплопровод- Температу- Модуль упру- Термические

матрицы <Ио3, Ср, ность ра контак- гости Е, напряжения

кг/м3 ДжЛкг-К) Вт/(м-К) та тк, °С ГПа ' Smox» МПа

IOO^Fe .

(пористость 6,30 . 670 29,3 686 91 720

20$)

95$Ге + 5$Си 6,34 670 33,5 674 ■ 91 720

(пористость 20$)

90$Fe + Ю$Си -

(пористость 20$) 6,38 670 37,7 669 91 710

80$Fe + 20$Си:

-пористость Ъ% 7,66 544 75,3 614 140 1070

-пористость 10$ 7,26 586 67,0 622 125 890

-пористость 20% 6,45 ' 628 50,2 650 91 680

Наибольшее влияние на б оказывает снижение модуля упругости при повышении пористости материала. Наименьший уровень напряжений достигается при пористости материала 20% и содержании меди 20$ (мае.).

Анализ механических свойств спеченных железо-медных материалов (табл.2) показывает, что увеличение содержания меда повышает временное сопротивление разрушению 6В и предел текучести

2 ) но практически не влияет на очень низкие значения относительного удлинения. Последнее, наряду с близостью величин б"в и <3д 2» свидетельствует о хрупком характере разрушения пористых материалов. Пористость резко снижает статическую прочность и сопротивление разрушению материала, которые, однако, и при своем наибольшем из измеренных значений существенно ниже уровня максимальных термических напряжений. Показано, что при быстром разогреве термоупругие напряжения на поверхности формы являются сжимающими. Поэтому, так как термоупругие напряжения превышают 6 ц 2 > на поверхности происходит локальное пластическое течение, в'результате которого напряжения снижаются. Вычислен уровень остаточных напряжении для всех исследованных составов материалов. По знаку остаточные напряжения на поверхности являются растягивающими. Величина их во всех рассматриваемых случаях не превышает предела текучести, следовательно, повторного течения, а тем более разрушения не должно происходить. Сложно-напряженное состояние, возникающее при быстром разогреве поверхности формы в начальный момент, характеризуется двухсторонним сжатием и одноосным растяжением. В этих условиях даже хрупкие материалы пластически деформируются.

Установлено, что предел выносливости исследованных порошковых материалов ниже, чем компактных. Величина его снижается

Таблица 2.

Механические свойства спеченных материалов железо-медь

Свойства Материал Предел прочности при растяжении 6в , :лпа Предел текучести 60>2 , МПа Энергия разрушения J-I0"3, I'JÍS Удлинение 0 , /о

+ 5/Йи

- пористость 13/1 335 292 4,14 2,71

- пористость 17% 222 208 3,95 1,26

- пористость 20/о 191 183 1,02 1,03

ЭО^Ге +. Ю^Си

- пористость 17/о 299 260 2,09 1,47

- пористость 20% 243 ' • 225 1,45 1,35

- пористость '¿<о% 220 198 0,01 0

80 Йе + адйи

- пористость 17% 334 301 4,03 1,95

- пористость 20$ 285 263 1,85 1,33

- пористость 25% 236 208 1,31 1,35

при увеличении пористости и концентрации меди. Причем, влияние пористости наиболее значительно. Это связано, дрозде всего, с геометрией пор, которые в исследованных материалах являются разветвленными, с острыми углами. Последнее способствует концентрации напряжений. В сбою очередь, участки структурно-свободной мэдн являются зонами облегченной локальной пластической деформации. Оба фактора должны способствовать сшпсению предела выносливости. Желательное, с точки зрения необходимости снижения модуля упругости, увеличение пористости ограничено сверху ухудшением теплсфизических и всех механических свойств. Компенсация ухудшения теплофизических и статичесмсх механических свойств колет быть достигнута за счет увеличения содержания меди. Однако, 'л в этом случае имеется ограничение сверху - резкое снижение предела выносливости. Отсюда следует, что пористый материал систега желззо-медь, работающий в условиях термоциклирования, должен содержать от 15$ до 20$ меди и от 15$ до 20$ пор.

3.2. Микроструктура порошковых материалов системы железо-медь.

Установлено, что микроструктура порошковых материалов, изготовленных из смеси железного и медного порошков, не зависит от атмосферы спекания и состоит из зерен феррита и прослоек меди. Взаимная растворимость порошков незначительна, ¡кассовое содержание меди в железе не превышает 0,05$. Микроструктура материала, изготовленного из распыленного порошка сплава келезо-:.:едь, состоит из частиц железа, внутри которых расположены выделения легирующей цеди по границам зерен железа. После нанесения на поверхность материала железо-медь покрытия ПГ-СР-4 и его оплавления структура поверхностной зоны на глубину до 100 мкы состоит из зерен твердого раствора никеля в железе с включениями боридов никеля и карбидов хрома, расположенных, главным образом, у по-

взрхности образца, Промежуточной является зона, образованная в результате встречной диффузии никеля и меда. Общая глубина покрытия до материала с составом близким к исходному составляет ^ 700 мкг

Показано, что нитрцементация материала железо-медь, имеющего пористость мэнее 15%, не изменяет структуру поверхностной зоны, защищенной покрытием, и внутренних слоев материала. Однако, с повышением пористости до 30$ структура основного материала представляет собой сорбит с включениями мади. В связи с неоднородностью структуры материала микротвердость значительно колеблется: твердость карбидной фазы составляет 15 ГПа, основы покрытия 1-,5 ГПа ( на глубине до 0,4 мм ) и 3,5 ГПа ( на глубине до 0,6 мм ), на нижней границе упрочненного слоя - 2 Ша. Нитроцементация высокопористого материала, не изменяя твердости покрытия, увеличивает твердость основы до 4 ГПа.

Установлено, что изменение линейных размеррв порошковых материалов 90% Ре + 10% Си и В0% Те + 20$ Си при спекании в вакууме больше, чем при спекании в атмосфере эндогаза. Отмечено, что чем меньшую остаточную пористость имели образцы до спекания, тем больший рост они имели как при спекании-в вакууме, так и при спекании в атмосфере эндогаза. Уровень изменения линейных размеров при спекании в эндогазе ниже, чем при спекании в вакууме. В порошковом материале 80$ Ге + 20$ Си максимальный рост образцов при спекании в эндогазе при температуре 1100°С меньше, чем при спекании в вакууме при той же температуре. При снижении температуры спекания до Ю50°С характер зависимости изменения линейных размеров от времени спекания и пористости материала сохраняется. Отмечается уменьшение деформации образцов с пористостью 15-16% при спекании их в эндогазе по сравнению со спеканием в вакууме. Увеличение времени спекания в эндогазе приводит

к умэныпению деформации до нуля для всех исследуемых уровней пористости. Объемная деформация порошковых материалов системы зелезо-медь с увеличением содержания меди при тех же температурах и временах спекания, а также остаточной пористости неспе-ченных образцов, имеет указанные выше зависимости.

Установленные зависимости деформации при спекании железо-медных материалов объяснены различием в линейных коэффициентах термического расширения железа и меди, наличием диффузионного схватывания между разнородными частицами материала и различием в скорости охлаждения образцов в вакууме и атмосфере эндогаза. Дополнительную роль в снижении роста образцов, по-видимому, играет небольшое снижение пористости при длительном спекании.

3.3. Исследование, поведения порошковых материалов системы железо-медь при нагреве и охлаждении.

Установлено, что при печном нагреве до температуры 750°С в окислительной атмосфере (воздух), скорость окисления образцов из порошкового материала 80$Ре + 20$Си пористостью 20$ в 2,5 раза выше, чем образцов из стали ЗХ2В8Ф. Нанесение самофлюсующегося покрытия ПГ-СР-4 газопламенным способом на порошковый материал системы железо-медь резко снижает скорость окисления материала. Так, скорость окисления пористого материала 80$Ре + 20$Си с покрытием ПГ-СР-4 в 1,5 раза ниже скорости окисления стали ЗХ2В8Ф. Покрытие ПГ-СР-4. содержит хром в количестве от 16$ до 18$ (мае.), который связан в карбиды. Однако, термодинамическая стойкость карбидов, оцененная по изобарно-изотермичес-кому потенциалу (л2 ), при температуре 750°С (температура разогрева поверхности пресс-формы при литье под давлением латуни),

о

равна дг= - 76*10 Дж/моль, что ниже стойкости окислов хрома

О

(дг = - 545*10 Дж/моль). Поэтому при взаимодействии с кисдоро-

-го-

дом карбида переходят в окислы хрома, обладающие хорошими защитными свойствами и, как следствие, окакиностййкость катвриа-ла гзлазо-медь с покрытием рззко возрастает.

Показано, что при нагреве в расплаве латуни и последующем охлаждении на Боздухе, наибольшую разгаростойкость имели вставки, гравюра которых была изготовлена механической обработкой с последующем нанесением самофлюсующегося покрытия. В дальнейшем вставки подвергали химико-термической обработке. Наименьшую разгаростойкость имели вставки без погфытия, 1равяра которых сформирована при прессовании. Анализ результатов испытаний на разгаростойкость показывает, что лучшие результаты получены на Бставках пористостью 20$. Во всех случаях вставки с покрытием имели более высокую стойкость, чом вставки без покрытия. Хими-ко-техжгачсская обработка повышает стойкость вставок незначительно.

Трещины, образовавшиеся на вставках1, гравюра которых сформирована при прессовании, и в тех случаях, когда на вставках отсутствовало покрытие, имеют клиновидную форму. По внешнему виду они практически идентичны трещинам разгара, образу- . ющимся на вставках из стали ЗХ2В8Ф. Трещины на вставках, гравюра которых была сформирована при механической обработке с . последующим нанесением покрытия, тонкие и извилиста. Их поверхность окислена незначительно. Литунь в таких трещинах методами локального микрорентгеноспектрального анализа не обнаружена. Трещина всегда проходит по границам ззран. Изучение кинетики развития трещин разгара показало, что на есох исследованных порошковых материалах образование их происходило одновременно ( примерно через 300 циклов запрессовки ). Однако, их развитие и образование сетки трещин происходит по разному. На вставках с покрытием, гравюра которых сформирована при

механической обработке (резанием), сетка разгарных трещин мелкоячеистая, в остальных случаях - крупноячеистая. Повышенная поверхностная пористость, отмеченная на вставках,гравюра которых сформирована прессованием, по-видимому, активно способствует зарождению трещин. Химико-термическая обработка слабо влияет на разгаростойкость порошкового материала железо-медь. Однако, её применение заметно снижает деформацию вставки в осевом направлении.

Проведенные исследования свойств железо-медных материалов и формообразующих деталей пресс-форм после эксплуатации, позволяют сформулировать схему механизма разрушения пресс-форм из порошковых материалов системы железо-медь при термоциклирова-нии в процессе литья под давлением латуни. При контакте с жидким металлом на поверхности формообразующих деталей пресс-формы возникают сжимающие тангенциальные напряжения, которые затем сменяются растягивающими. Уровень их ниже, чем в пресс-форме из стали, главным образом, из-за уменьшения модуля нормальной упругости. Так как статическая прочность и сопротивление усталостному разрушению порошковых материалов ниже, чем у стали ЗХ2В8Ф, то при повторных нагревах и охлаждениях раз-гарные трещины на пресс-формах из порошкового материала возникают достаточно быстро. Из-за интенсивного окисления стенок трещина приобретает клиновидную форму и пресс-форма выходит из строя. Нанесение на поверхность пресс-формы самофдюсующего-ся покрытия ПГ-СР-4 и его оплавление позволяет создать жаростойкий слой. Толщина его достаточно велика из-за протекания покрытия при оплавлении вдоль открытых пор и значительного ускорения диффузии в пористых телах. Наличие такого слоя резко снижает скорость окисления материала железо-медь, а появляющиеся трещины разгара тонкие, ветвистые, не препятствующие

эксплуатации пресс-формы. I

Показано, что наилучшей стойкостью обладают формообразующие детали пресс-форм, изготовленные из спеченного материала, разработанные по а. с. Л 1354748 СССР, обладающие оптимальным сочетанием физико-механических свойств, на который нанесено хромоникелевое попытка ПГ-СР-4.

Установлено, что порошковые материалы системы железо-медь с сашфлюсующимся покрытием аила ПГ-СР-4 могут быть использованы как заменитель стали ЗХ2В8^ для изготовления формообразующих деталей пресс-форм литья под давлением латуни, обеспечивающий примерно одинаковый со с талью уровень стойкости.

4. Разработка нового способа повышения долговечности пресс-форм литья под давление:-;; латуни.

Экспериментальные результаты настоящей работы послужили основой для создания новых материалов и технологических процессов, позволяющих повысить ресурс работы пресс-форм литья под давлением латуни.

Разработан новый технологический процесс, заключающийся в восстановлении изношенных формообразующих детальй пресс-форм литья под давлением латуни. Показано, что обработанные по новой технологии изношенные формообразующие детали пресс-форм из стали ЗХ2В8Ф, устанавливали на литьевую машину и исштчва-м в производственных условиях при изготовлении из латуни ЛС-59-1 деталей типа "корпус крана". Результаты испытаний показала, что стойкость восстановленных пресс-форм более, чем в 2 раза превышает стойкость пресс-форм из стали ЗХ2В8Ф, изготовленных по стандартной технологии. Причем, выход из строя восстановленных пресс-форм происходит не Ьо причине образова-

ния сетки разгарных трещин, а из-за потери размеров, вызванных размыванием гравюры лпо~-; -формы. Образование трещин разгара на восстановленных пресс-формах в процессе работы происходит по местам расположения трещин, образовавшихся з процессе первичной эксплуатации, но вид трещин иной. Они тонкие, ветвистые. Стенки трещин окислены незначительно. Глубина трещин не превышает глубины трещины, ранее существовавшей на этом месте. Следа латуни в трещине не обнаружены. Трещины, образовавшиеся на пресс-формах из стали ЗХ2В8Ф, имеющих твердость 40-45 Н5С, на погерхность которых было нанесено самофлюсующееся покрытие ПГ-СР-4, идентичны трещинам, обнаруженным на пресс-формах, изготовленных по стандартной технологии. Испытания таких пресс-форм проводили одновременно с восстановленными пресс-формами. Исследование кинетики образования трещин на пресс-формах из стали с счмофлюсугацпмся покрытием показало, что покрытие в этом случае отслаивается еще до начала образования трещин.

Показано, что предложенный технологический процесс имеет следующие преимущества:

- позволяет увеличить долговечность пресс-форм из сталей ЗХ2В8Ф и ЗХЗМЭ5 не менее, чем в 2 раза;

- снизить трудоемкость изготовления пресс А|юрм в 2 раза;

- снизить себестоимость изготовления пресс-форм за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов таких, как вольфрам и молибден, входящих в состав материалов для пресс-форм.

Разработанный технологический процесс повышения долговечности формообразующих деталей пресс-форм литья под давлением латуни внедрен на Шденском заводе алюминиевого литья для восстановления пресс-форм ШП-10584, на которых изготавливают изд. Ж30-1015372 "корпус крана" из латуни ЛС-59-1. Годовая программа изготовления таких изделий,как "корпус крана", сос-

тавляет 1,2 млн. штук.

ВЫВОДЫ

1. Разработана схема механизма разрушения порошковых материалов с жаростойкими покрытиями в условиях знакопеременных температурных напряжений и коррозионного воздействия окружающей среды, согласно которой развитие трещин в таких материалах происходит замедленно по сравнению со сплошными телами; жаростойкое покрытие способствует образованию зоны, препятствующей раскрытию трещин.

2. Механизм разрушения пористых тел в реальных условиях эксплуатации позволил сформулировать ноше требования к материалам для пресс-форм литья под давлением на базе порошковых и компактных материалов о жаростойким покрытием, основные из которых сводятся к следующему:

- порошковый материал должен обеспечивать снижение модуля упругости и содержать компоненты, существенно повышающие его теплопроводность как при комнатной, так и при повышенной температурах;

- композиционный материал должен состоять из .компактного материала основы, на поверхности которого на глубину зоны термического влияния располагаются участки порошкового материала;

- порошковый материал должен обладать высокой жаростойкостью в обоих случаях. •

3. Проведено исследование влияния пористости и содержания меди на теплофизические свойства спеченных материалов системы железо-медь в диапазоне концентрации меда от 5$ до 20$ (мае.). Установлено, что при выбранных значениях (от 13$ до 25$) пористость не влияет на величину линейного коэффициента термического расширения. С увеличением содержания меда величина коэффи-

цивнта термического расширения растет по линейному закону. Теплопроводность материала с увеличением пористости снижается, что молот быть компенсировано повышением содержания меди в соотношении 2:3.

4. Показано, что увеличение-пористости приводит к значительному снижению модуля упругости, статических и динамических характеристик материала. Статические механические свойства могут быть улучшены за счет повышения содержания меди. Показано, что оптимальное сочетание теплофизических и физико-механических свойств материала системы железо-медь, необходимое для его успешной работы в качестве материала для формообразующих деталей пресс-форм литья под давлением латуни, достигается при пористости от 15% до 20$ и содержании меди от 15$ до 20$ (мае.).

5. Разработай новый порошковый иатериал в системе желе-

I

зо-мадь, на который получено авторское свидетельство, предназначенный для работы в качестве основы новых композиционных материалов для деталей пресс-форм литья под давлением. Показана принципиальная возможность замены инструментаяышх сталей порошковыми материалами.

6. Проведена аналитическая оценка напряженного состояния пористого тела при мгновенном разогреве его поверхности до температуры контакта (650°С) и последующем охлаждении до температуры 300°С. Показано, что в начальны;! момент на поверхности тел возникают двухосные сжимающие тангенциальные напряжения, превышающие предел текучести материала. Наибольшие значения напряжений значительно ниже, чем в сплошных телах из-за различия в модулях упругости. При выравнивании температуры по сечению поверхность оказывается под действием небольших ( до 100 ЫПа ) растягивающих напряжений.

7. На основе изучения закономерностей поведения пористых материалов при термоциклировании разработан способ повышения долговечности формооорааудах деталей прэсс-срорм из стали, включающий формирование пористого каркаса в полости разгарной трещины и пропитку его расплавом жаростойкого материала. Показано, что стойкость пресс-форм после такой обработки не менее, чем в 2 раза превышает их стойкость после изготовления по стандартной технологии. Проверка способа проведена при испытании реальных формообразующих деталей пресс-форм ШП-10584 для получения отливок из латуни ЛС-59-1 деталей типа "корпус крана".

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ковригин В.А., Горюшина М.Н., Дубровский C.B., Дудин В.И. Термическая обработка спеченных конструкционных материалов с использованием лазерного излучения // Металловедение и термическая обработка металлов.-1984.-.'¿7.-С.27-29.

2. Дубровский C.B., Кальнер В.Д., Ковригин В.А., Старокожев B.C. Литейные формы из порошкового материала // // Порошковая металлургия.-1988.-Л5.-С.95-98. .

3. Дубровский C.B., Кальнер В.Д., Ковригин В.А., Старокожев Ь.С. Применение порошковых материалов для изготовления литейных форм: Сб. научн. тр. ПО ЗИЛ.- Москва, 1989.- Выпуск 16.-С .103-108.

4. Кальнер В.Д., Ковригин В.А., Дубровский C.B. Исследование теплофизических свойств спеченного материала системы железо-медь: Сб. научн. тр. ПО ЗИЛ.- Москва, 1991.- Выпуск 17.-С.159-163.

5. A.c. Л 1354748 (СССР). Спеченный материал на основе железа/ Кальнер В.Д., Ковригин В.А., Старокожев Б.С., Дубровский C.B. и др.