автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка технологии горячей штамповки материалов систем Fe-B и Fe-P-C в присутствии жидкой фазы

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология материалов»

ФГБОУ «Южно-Российский государственный политехнический университет

(НПИ) им. М.И. Платова» и в Институте порошковой металлургии ФГУП

«Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии им.

И.П.Бардина»

Научный руководитель: Дорофеев Владимир Юрьевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Королёв Юрий Михайлович

доктор технических наук, профессор, президент Ассоциации порошковой металлургии

Зайцев Александр Анатольевич кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Порошковая металлургия и функциональные покрытия» НИТУ «МИСиС»

Ведущая организация: Институт металлургии и материало-

ведения им. А. А. Байкова (РАН)

Защита состоится «26» декабря 2013 года, в 1100 на заседании диссертационного совета Д 217.035.02 при ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская, 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина» (автореферат диссертации размещён на сайте ВАК htpp://vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «26» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Т.П. Москвина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Горячая штамповка пористых заготовок (ГШПЗ) является одним из прогрессивных металлосберегающих технологических процессов получения изделий, при котором происходит совмещение в едином технологическом цикле формования конструктивных элементов детали с формированием самого материала и реализуется возможность полностью или частично исключить механическую обработку.

Дальнейшее расширение номенклатуры деталей, получаемых ГШПЗ, тесно связано с проблемой повышения их качества. В связи с тем, что ГШПЗ обеспечивает получение практически беспористых материалов, для улучшения показателей механических и эксплуатационных свойств данных материалов необходимо оптимизировать условия структурообразования как на межчастичных границах, так и внутри объёмов частиц и зёрен. До настоящего времени в качестве основного метода повышения качества межчастичного сращивания использовали различные схемы нагружения при выполнении горячей допрессовки, которые обеспечивали протекание сдвиговых деформаций внутри объёмов порошкового тела и, в частности, на границах частиц. При этом происходило дробление примесных слоев на поверхностях частиц, обнажались ювенильные контакты, что способствовало улучшению качества межчастичного сращивания. Однако при изготовлении целого ряда деталей сложной конфигурации не всегда возможно реализовать протекание больших сдвиговых деформаций. Поэтому на повестке дня стоит вопрос разработки эффективной технологии, обеспечивающей формирование межчастичных связей высокого качества и получение порошковых материалов с заданным комплексом механических и эксплуатационных свойств.

Технология порошковой металлургии изначально заключала в себе потенциальную возможность проведения процессов обработки материалов при одновременном присутствии жидкой и твёрдой фаз. Хорошо известны и нашли широкое применение в промышленности технологии жидкофазного спекания. Большой вклад в изучение процессов, протекающих при жидкофазном спекании, внесли В. В. Скороход, И. М. Федорченко, В. Н. Еременко, Ю. В. Найдич, П. А. Витязь, А. Ф. Ильюшенко, Л. Н. Дьячкова, В. Н. Анциферов, В. С. Панов, М. Ристич, Р. Герман и др. Однако применительно к проведению процессов деформации, в частности, при допрессовке пористых заготовок, использование жидкой фазы в настоящее время весьма ограничено. Известны работы, в которых рассматривалось формирование жидкой фазы в поверхностном слое горячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ), однако систематических исследований, посвященных изучению вопросов проведения ГШПЗ в присутствии жидкой фазы во всём объёме порошкового тела до настоящего времени не проводилось.

Изложенные выше обстоятельства обусловили актуальность проведения соответствующих исследований, которые были осуществлены на кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова и в Институте порошковой металлургии «ЦНИИчермет им. И. П. у

/V

ЧГ>

У

Бардина». Работа соответствует заданиям госбюджетной темы 1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов. Фундаментальное исследование».

Цели и задачи исследования.

Целью настоящей работы является повышение механических и эксплуатационных свойств горячедеформированных порошковых материалов и изделий на основе железа за счёт проведения горячей штамповки пористых заготовок в присутствии жидкой фазы.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить целесообразность и возможность применения эвтектикообра-зующих добавок для получения жидкой фазы при технологически допустимых температурах проведения горячей штамповки (ГШ).

2. Разработать технологию приготовления исходной шихты, обеспечивающей равномерное распределение легирующей добавки в объёме заготовки.

3. Изучить особенности протекания процессов структурообразования и сращивания на межчастичных поверхностях при выполнении ГШ в присутствии жидкой фазы.

4. Установить зависимости характеристик размерной точности, шероховатости поверхности и физико-механических свойств порошковых материалов и изделий от температурно-временных и энергетических режимов ГШ в присутствии жидкой фазы.

5. Разработать рекомендации для практической реализации результатов исследований.

Научная новизна

1. Установлено, что проведение горячей штамповки пористых заготовок в присутствии жидкой эвтектической фазы систем Fe-Bv¡Fe-P-C обеспечивает снижение энергетических затрат на уплотнение и улучшение качества межчастичного сращивания, а также условий уплотнения остроконечных кромок в изделиях сложной конфигурации по сравнению с ранее используемой допрессовкой в твёрдой фазе.

2. Установлена оптимальная технологическая последовательность выполнения операций получения борсодержащего материала горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы, которая в качестве обязательного элемента включает проведение предварительного спекания в вакууме при 1200 °С, что обеспечивает возможность рафинирования межчастичных поверхностей от оксидов и улучшения качества межчастичного сращивания при последующей допрессовке по сравнению с материалами, спечёнными в защитной атмосфере.

3. Показано, что контактное взаимодействие жидкой эвтектической фазы системы Fe - Р - С с поверхностью частиц железного порошка сопровождается восстановлением оксида железа входящими в состав феррофосфора

производится загрузка не полностью загруженного печного и прессового оборудования.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается применением современного исследовательского и технологического оборудования, измерительной аппаратуры, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных измерительных средств. Достоверность полученных в работе результатов определяется также их согласованностью с общепризнанными положениями порошкового материаловедения.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены

на:

-53-й науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, апр. 2004 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2004;

- 57-й науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ун-та / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск • ЮРГТУ (НПИ), 2008;

- Втором международном научно-практическом семинаре «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение». (ТПП-ПМ 2008), 17-19 июня 2008, Йошкар-Ола;

- 2-ой международной Самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений», май 2010, Киев;

- Н-й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2010, Москва;

- Международном симпозиуме «Инженерия поверхности . Новые порошковые композиционные материалы. Сварка», 23 - 25 марта 2011г., г. Минск, Беларусь;

- III -й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2011, Москва;

- IV -й конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», декабрь 2012, Москва.

-. IV-й международной конференции «HighMatTTecb\ Киев, октябрь 2013. Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства об-

разования и науки. Общий объём опубликованных по теме диссертации работ составляет 1, 08 авторских листа.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 161 страницу. Диссертация содержит 60 рисунков, 19 таблиц, приложения. Список цитируемой литературы включает в себя 98 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и задачи работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, показана научная и практическая ценность работы.

В первой главе проведён анализ опубликованных отечественных и зарубежных работ по теме диссертации, сформулированы цель и задачи исследований.

В настоящее время ГШПЗ испытывает острую конкуренцию со стороны альтернативных технологий получения конструкционных порошковых изделий: теплого прессования, высокоплотного спекания (high density sintering), поверхностного уплотнения (surface densification) и др. В этих условиях при внедрении ГШПЗ в практику промышленного производства необходимо обеспечивать не только высокую плотность изделий, но и достаточно высокий конкурентоспособный уровень механических и эксплуатационных свойств, минимальную дефектность поверхностного слоя и потребность проведения финишных операций механической обработки. Успех в решении этой задачи зависит от того, насколько эффективно будут решены проблемы, связанные с технологией ГШПЗ.

К числу важных материаловедческих проблем ГШПЗ следует отнести высокую склонность получаемых материалов к межчастичному разрушению, поэтому одним из направлений повышения механических и эксплуатационных свойств горячештампованных изделий является улучшение качества межчастичного сращивания. Кроме того, целесообразно минимизировать энергетические затраты на уплотнение при горячей допрессовке пористых заготовок, что обеспечит возможность уплотнения трудноформуемых конструктивных элементов изделий. На основе имеющегося опыта научно-исследовательских работ по ГШ в присутствии жидкой фазы в поверхностном слое пористых заготовок, проведенных в ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова, сделано предположение о перспективности дальнейшего развития методов твердожидкого уплотнения.

Обзор известных работ, посвященных особенностям жидкофазного спекания, позволил выбрать эвтектические лигатуры, перспективные в плане применения при ГШПЗ в присутствии жидкой фазы. Выбор был сделан в пользу лигатур Fe - Мп -С, Fe - В и Fe - Р — С, которые плавятся при температурах проведения ГШПЗ.

На основе проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов и оборудования, методики изготовления образцов, проведения экспериментов и исследований. В качестве основы использовали порошок железный ПЖВ2.160.28 (ГОСТ 9849-86) производства Сулинского металлургического завода, который по технологическим свойствам и составу близок к порошку NC 100.24 фирмы Hoganas (Швеция).В качестве углеродсодержащей добавки использовали графит ГК - 2 ГОСТ 4404-78. Порошки ферромарганца ФМн78 ГОСТ 4755-9, феррофосфора ФФ16 ТУ 14-5-72-76 и ферробора ФБ 20 ГОСТ 14848-69 получали предварительным измельчением кусков на молоте с последующим дроблением полученной фракции в конусной дробилке КИД-60 и окончательным тонким помолом в планетарной центробежной мельнице САНД-1 при скорости вращения чаш п=300 мин"', соотношении масс шаров и ферросплавов Мишр : Мт1 =10 : 1. Диаметр мелющих шаров - 10 мм. Кроме указанных лигатур использовали порошок бора аморфного марки Б-99В ТУ 1-92-154-90.

Предложена методика приготовления шихты в два этапа, применение которой обеспечивает более равномерное распределение легирующей добавки по сравнению с другими способами. На первом этапе, состоящим из нескольких стадий смешивание осуществляется в керамической посуде вручную в течение 2 — 5 мин. Количество легирующей добавки и основного материала находится в равных пропорциях: 50% на 50%. На второй стадии количество материала основы удваивается по отношению к уже приготовленной лигатуре и т.д., пока не будет достигнут требуемый состав. Дальнейшее смешивание многокомпонентной шихты осуществляли в конусном смесителе и в планетарной центробежной мельнице САНД-1 с отношением массы шаров к массе шихты 2,5:1 при диаметре шаров 5мм и угловой скорости вращения ротора 300 мин"'.

Статическое холодное прессование (СХП) пористых заготовок для получения призматических образцов размером 10x10x55мм проводили на гидравлическом прессе ПГ - 125 по схеме двухстороннего нагружения. Для оценки уплотняемости порошковых смесей определяли пористость заготовок, спрессованных при 200, 400, 500, 600, 800 МПа. Для оценки формуемо-сти металлических порошков определяли прочность формовки.

Образцы, легированные бором и ферробором, подвергали спеканию в электропечи с силитовыми нагревателями в контейнере из жаропрочной стали, в который подавался осушенный диссоциированный аммиак с температурой точки росы - 20 - 30 °С. Температура в печи составляла 1200 "С. Время спекания варьировали в целях оптимизации технологии и для получения требуемой структуры. По другому варианту технологии спекание проводили в вакууме.

Пористые заготовки нагревали и допрессовывали на лабораторном копре с массой бабы 50 кг при различных значениях приведенной работы уп-

лотнения. Плотность образцов определяли методом гидростатического взвешивания.

Металлографические исследования выполнялись на оптическом микроскопе «NEOPHOT-2 !». Микрорентгеноспектральный и фрактографический анализ проводился на растровых электронных микроскопах-микроанализаторах «САМЕВАХ MICRO» и «Quanta 200i 3D», рентгенострук-турный - на рентгеновском дифрактометре Geigerßex, фирмы Rigaku, Япония, с монохроматизированным СоКа излучением. Химический состав выбранных участков поверхности изломов определяли методом локальной Оже-электронной спектроскопии на Оже-микроанализаторе JAMP-10S фирмы Jeol.

Трибологические испытания проводили на автоматизированной машине трения TRIBOMETER, CSM Instr по схеме «стержень - диск» на воздухе. Указанные испытания позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контртела. В процессе испытаний определяют коэффициент трения трущейся пары. Важную информацию о механизме разрушения поверхности трения дают анализ продуктов износа, строения бороздки износа (на образце) и пятна износа (на контртеле - шарике). Для этого применяют микроскопические наблюдения и измерения профиля бороздки износа. Строение бороздок износа (на образцах) и диаметр пятна износа (на шариках) наблюдают в оптический микроскоп AXIOVERT СА25 при увеличении х (100500) и стереомикроскоп МБС-10 (J130C) при увеличении х (10-58). Измерения вертикального сечения бороздок износа проводят на профилометре SURFEST SJ-402 в четырех диаметрально и ортогонально противоположных областях и определяют среднее значение площади сечения и глубины бороздки.

Изгибную прочность определяли на машине «УМЭ-ЮТМ», ударную вязкость - на маятниковом копре модели КМ-30А с максимальной энергией удара 294 Дж. Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине УММ -5 согласно ГОСТ 1497-84.

Микротвердость структурных составляющих исследовалась с использованием микротвердомера ПМТ-3.

О трещиностойкости материалов судили испытанием на изгиб при -196°С образцов прямоугольного сечения, надрезанных электроискровым методом (ширина надреза 0,3 мм).

В третьей главе приводятся результаты исследований структуры и свойств порошковых материалов систем Fe - Мп - С и Fe - В, полученных ГШ в присутствии жидкой фазы.

Исследовано влияние используемого смесительного оборудования на технологические свойства порошковых смесей. При использовании конусного смесителя время смешивания не оказывает существенного влияния на насыпную плотность шихты. При смешивании в планетарной центробежной мельнице «САНД - 1» её значения возрастают в течение первого часа работы оборудования, что связано с увеличением степени дисперсности частиц. В интервале 1 < тсл, < 3 ч насыпная плотность уменьшается, так как превалирует

из-за присутствия в них твёрдых мелкодисперсных выделений Ре2В. В противоположность этому износ контртела при трении о борсодержащий ГДПМ оказался выше, чем при испытании образцов-свидетелей. Образцы на основе композиции Ре - В, полученные по технологии ГШ в присутствии жидкой фазы, превосходят по показателям трибологических свойств эталонный материал.

В четвёртой главе представлены результаты исследований структуры и свойств порошковых материалов системы Ре - Р -С, полученных горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы.

Процесс формирования жидкой фазы изучали на образцах, которые получали закалкой в воде пористых заготовок композиций Бе - Р - С, нагретых до различных температур Т„„. Содержание углерода в исходных шихтах Сг было постоянным и составляло 1,0 масс.%.

Несмотря на то, что тройная эвтектика в системе Ре- Р-С- стэдит - в соответствии с диаграммой состояния плавится, начиная с Тпя = 950°С, зафиксировать образование жидкой фазы при этой температуре не удалось. Отдельные участки со структурами кристаллизации, свидетельствующими о плавлении феррофосфора, наблюдаются при Тсш=1000 "С. Снижение Тш фер-рофосфора в сравнении с Тпл двойной эвтектики Ре - Р (1050°С) обусловлено диффузией в него углерода из состава частиц графита при нагреве. Диффузионное растворение углерода подтверждается наличием мартенсита и продуктов эвтектоидного распада. Если количество вводимого фосфора С/> превышает 2,6%, то при нагреве образцы теряют форму из-за большого количества жидкой фазы, что становится препятствием для проведения последующей ГШ. Оптимальной следует считать Тгш=1Ю0 - 1200 "С.

Рис. 5. Влияние количества фосфора в исходной смеси на максимальную приведённую работу уплотнения: Т,ш=П0(/'С(I); Т,Ш=1200"С(1)\ тт,=10мищ С,=0,8масс.%.

При изучении особенностей проведения ГШ заготовок композиции Ре - Р - С исследовали зависимости 1У„ШХ (Т,ш, С,,). Кроме того, определяли характеристики размерной точности получаемых образцов и показатели качества поверхности в связи с наблюдавшимися в ряде случаев короблением, «выпотеванием» капель расплава на поверхность и т.п.

На рис. 5 представлены результаты определения ]У„ШХ при ГШ пористых заготовок композиции Ре - Р - С в присутствии жидкой фазы. С увеличением Сп значения 1¥„шх снижаются, что связано с повышением количества

имеют монотонный характер во всём исследованном интервале значений Ср и Сс. Падение характеристик трещиностойкости, пластичности и ударной вязкости с увеличением Ср и Сс связано с упрочнением твёрдого раствора и повышением количества частиц второй фазы.

Рис.8. Микроструктура фософрсодержащего ГДПМ. Сс=0,4 масс.%, Ср=1,0 масс.%.

Фрактографический анализ поверхностей изломов образцов после испытаний на растяжение при комнатной температуре показал, что разрушение порошковых сплавов на основе системы Ре - Р — С носит смешанный характер. При Ср = 0 (образцы-свидетели) в изломе наблюдается некоторое количество участков вязкого отрыва. Это обусловило получение удовлетворительных значений показателей пластичности (рис.7 а, кривые 3, 4). С увели-

С1И от содержании фосфора и времени итша 10тж- лпалш предоюолеппыл

данных показывает, что зависимости К/с (готж) носят монотонный характер во всем исследованном интервале хатж. Увеличение тотж до 20 ч способствует

нове композиций Ре - В Ре - Р -С с повышенными показателями износостойкости в сравнении с известными аналогами. Величина отклонений от плоскостности деталей, полученных ГШ пористых заготовок в присутствии жидкой фазы, соответствует 9-й степени точности по ГОСТ 24643-81, значения параметров шероховатости поверхности Яг=Ятах=15 мкм. Указанные характеристики обеспечивает проведение горячей допрессовки при ТГШ>1200°С; время нагрева заготовок определяют из расчёта 50 - 60 с/1 мм наименьшего размера сечения детали.

9. Показано, что внедрение предложенной технологии ГШПЗ в присутствии жидкой фазы в условиях ООО «Ростовский литейный завод» и ООО ПК «НЭВЗ» при изготовлении деталей 2-х наименований обеспечит получение экономического эффекта в сумме 514,7 тыс. руб. в год (в ценах по состоянию на октябрь 2012г.)

Основные публикации по теме диссертации

(Жирным шрифтом выделены публикации в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ)

1. Батиенков, Р. В. Структура и свойства порошковых горячеш-тампованных материалов системы Ре - Мп - С/ Р. В. Батиенков, В. Ю. Дорофеев, Ж. В. Еремеева // Металлург. - 2011. - № 2. - С. 67 - 70.

2. Батиенков, Р. В. Получение износостойких порошковых материалов на основе железа горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы / Р. В. Батиенков, В. Ю. Дорофеев, Ж. В. Еремеева, В. В. Артемов // Металлург. - 2011. - № 4. - С.78 - 82.

3. Батиенков, Р. В. Исследование технологии горячей штамповки в присутствии жидкой фазы на основе порошковой композиции Ре - В / Р. В. Батиенков, В. Ю. Дорофеев, Ж. В. Еремеева // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2011.-№ 3. - С. 15-21.

4. Дорофеев, В. Ю. Особенности структуры и свойств порошковых материалов на основе железа, полученных горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы / В. Ю. Дорофеев, Р. В. Батиенков, Р. А. Во-долаженко // Порошковая металлургия. Республиканский межведомственный сборник научных трудов. - Минск: ГНПО порошковой металлургии, ГНУ «Институт порошковой металлургии», РУП «Издательский дом «Белорусская наука», 2007. - Вып.30. - С.30 - 34.

5. Дорофеев, В. Ю. Горячая штамповка борсодержащих порошковых материалов на основе железа в присутствии жидкой фазы / В. Ю. Дорофеев, Р. В. Батиенков, Р. А. Водолаженко, А. В. Ганшин // Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение (ТПП-ПМ2008). Сб. тр. научно-практического семинара. Йошкар-Ола. - 2008. - С.30 - 34.

6. Еремеева, Ж. В. Горячая штамповка изделий на основе железа в присутствии жидкой фазы / Ж. В. Еремеева В. Ю. Дорофеев, Р. В.

Батиенкои // Материаловедение тугоплавких соединений: Сб. тр. 2-й международ, конф. - Киев, 2010. - С. 104.

7. Батиенков Р.В. Структура и свойства порошковых материалов, полученных горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы // Перспективы развития металлургических технологий: Сб. тез. докл. II конф. молодых специалистов. - Москва - декабрь 2010 - С.26 - 27.

8. Батиенков, Р. В. Структура и свойства порошковой композиции Fe -Р - С, полученной горячен штамповкой в присутствии жидкой фазы /Р. В. Батиенков, В. Ю. Дорофеев, Ж. В. Еремеева // Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка. В 2-х ч. Ч. 1. Матер, междунар. сими., провод, в рамках 13-й между-нар. выставки «Порошковая металлургия - 2011», 9-й междунар. выставки «Сварка и резка - 2011», междунар. спец. салона «Защита от коррозии. Покрытия - 2011», Минск. 22 - 25 марта 2011 г., Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ HAH Беларуси, 2011 г.Минск: Институт порошковой металлургии, 2011. - С. 77 - 82.

9. Батиенков Р. В. Горячая штамповка в присутствии жидкой фазы фосфорсодержащих порошковых материалов на основе железа.// Сб. тез. III конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий». - Москва - декабрь 2011. - С.41 -42.

10.Батиенков Р.В. Износостойкий фосфорсодержащий порошковый материал на основе железа.// Сборник тезисов IV конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий». - Москва - декабрь 2012. - С.25 - 26.

11.Способ получения высокоплотного порошкового фосфорсодержащего материала на основе железа: Пат. 2494836 Россия, МПК8 B22F3/17. ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Свиридова А.Н., Водолаженко P.A., Миронова А.П., Батиенков Р.В. (105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 9/23, ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина", заместителю генерального директора В.А. Углову) 2012134124/02; Заявл. 09.08.2012; Опубл. 10.10.2013, Бюл. №28. Рус.

12. Дорофеев В.Ю. О некоторых проблемах и перспективах горячей штамповки пористых заготовок в присутствии жидкой фазы. Дорофеев В.Ю., Дорофеев Ю.Г., Батиенков Р.В., Водолаженко P.A. // HighMatTech2013: Тез. докл. 4-й междунар. конф - Кнев - 7 - 11 октября 2013 г. - С. 136.



центральный научно-исследовательскии институт

чёрной металлургии им. и.п. Бардина

На правах рукописи

ПЛАН СЭйА!

Батиенков Роман Викторович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМ Ее-ВиЕе-Р-С В ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ

Специальность 05.16.06. - «Порошковая металлургия и композиционные

материалы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Дорофееев Владимир Юрьевич

Москва 2013

оглавление

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР........................................................ 6

1.1 Обработка металлических материалов в твёрдожидком состоянии.............................................................................. 6

1.2 Использование жидкой фазы в процессе спекания....................... 9

1.3 Горячая штамповка пористых порошковых заготовок в присутствии жидкой фазы......................................................... 22

1.4 Выводы, цель и задачи исследования....................................... 28

2 МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 30

2.1 Характеристика исходных материалов и особенности шихтоприготовления................................................................ 30

2.2 Технология получения образцов............................................. 32

2.3 Методика исследования структуры и физико-механических свойств................................................................................. 37

2.4 Методы электроннозондовой микроскопии и рентгеноспектрального анализа.................................................... 41

2.5 Рентгенофазовый анализ....................................................... 45

2.6 Оже-электронная спектроскопия............................................ 46

2.7 Исследование технологии получения порошков легирующих добавок................................................................................. 48

2.8 Исследование и разработка технологии шихтоприготовления.......... 53

2.8.1 Разработка технологии предварительного смешивания............... 54

3 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМ Ре - Мп -Си Ее-В НА ИХСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА.... 57 3.1 Исследование влияния режимов работы и типа оборудования на однородность и технологические свойства порошковых смесей.......... 57

3.2 Исследование технологии статического холодного прессования пористых заготовок для горячей штамповки в присутствии жидкой

фазы....................................63

3.3 Изучение процесса формирования жидкой фазы при нагреве пористых заготовок на основе железа с добавками ферромарганца и углерода................................................................................ 65

3.4 Горячая штамповка порошковых заготовок Fe - Мп - С.................. 67

3.5 Изучение процесса формирования жидкой фазы при нагреве пористых заготовок системы Fe-В................................................................................77

3.6 Горячая штамповка пористых заготовок системы Fe - В в присутствии жидкой фазы......................................................... 83

3.7 Выводы по главе................................................................. 96

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Fe - Р - С, ПОЛУЧЕННЫХ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКОЙ В ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ.................... 98

4.1. Изучение процесса формирования жидкой фазы при нагреве пористых заготовок композиции Fe - Р - С..................................... 98

4.2. Горячая штамповка порошковых материалов системы Fe - Р - С ... 100

4.3. Структура и свойства фосфорсодержащих порошковых материалов на основе железа, полученных горячей штамповкой в

присутствии жидкой фазы....................104

4 4. Влияние отжига на структуру и свойства фосфорсодержащих порошковых материалов на основе железа, полученных горячей

штамповкой в присутствии жидкой фазы................................. 114

4.5 Выводы по главе................................................................. 127

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 129

5.1 Технология изготовления детали «звёздочка» 1401.01.02.002......... 130

5.2 Технология изготовления детали «колодка тормозная типа М»...... 138

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................... 146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 149

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 163

ч

Введение

Модернизация экономики России неразрывно связана с дальнейшей разработкой современных технологических процессов в металлургии, машиностроении, станкостроении, приборостроении и др.

С помощью технологий порошковой металлургии во всём мире производятся тысячи различных наименований изделий. Для создания новых конструкционных и композиционных материалов целесообразным является применение технологии порошковой металлургии, которая по сравнению с другими металлургическими технологиями обладает неоспоримым преимуществом - это экономия металлов. Однако порошковые материалы обладают и недостатками, такими как, например, остаточная пористость и в результате по уровню физико-механических свойств иногда уступают материалам, полученным с помощью традиционных металлургических технологий. Но получить плотный материал и устранить остаточную пористость возможно, используя дополнительную обработку давлением, например, горячую штамповку (ГШ).

Горячая штамповка пористых заготовок является одним из прогрессивных металлосберегающих технологических процессов получения изделий, при котором происходит совмещение в едином технологическом цикле формообразования с формированием самого материала и реализуется возможность полностью или частично исключить механическую обработку.

Расширение области применения горячештампованных порошковых изделий обуславливает необходимость всестороннего изучения влияния технологических параметров на структуру и свойства их материала и разработки направлений повышения последних.

1. Литературный обзор

1.1 Обработка металлических материалов в твёрдожидком состоянии

При получении компактных материалов технологии формообразования в твёрдожидком состоянии известны давно. В частности, широкое применение нашло литьё под давлением [1]. В 1972 году в Великобритании был разработан Оспрей-процесс, который является промежуточной технологией между порошковой металлургией и литьём. При реализации Оспрей-процесса расплавленный в индукционной печи и рафинированный в промежуточном ковше металл и выпускается из последнего и разбрызгивается струёй азота, подаваемой с высокой скоростью. Поток горячих частиц металла направляется в форму, где они уплотняются и свариваются между собой, образуя горячую массу высокой плотности, которая затем штампуется. Не попавший в форму металл возвращается в печь не окисленным вследствие использования азота высокой чистоты. Полученные заготовки имеют высокие прочность и плотность [2].

Примерно в одно время с Оспрей-процессом начинают развиваться технологии тиксотропного формования. В начале 1970-х годов аспирант Массачусетского технологического института в США изучал образование горячих трещин в литейных сплавах при их охлаждении в полутвердом состоянии с помощью реометра для измерения вязкости. Было установлено, что при непрерывном перемешивании материала во время охлаждения, он показал меньшее сопротивление сдвигу по сравнению со случаем, когда его охлаждали в полутвердое состояние, а затем перемешивали [3]. Студент и его руководитель обнаружили, что микроструктура материала, полученного при постоянном перемешивании, была шаровидной (т. е. состояла из сфероидов твердого вещества в жидкой матрице), в то время как структура материала, охлажденного в полутвердое состояние без перемешивания, была дендритной. Материал с шаровидной

микроструктурой обладал тиксотропностью: при сдвиге он был податлив, а в отсутствие нагрузки делался густым [4].

В России тиксотехнологии успешно исследуются в МГТУ им. Н.Э Баумана под руководством Б. И. Семёнова, К. М. Куштарова, в МГТУ «Станкин» Ю.П. Кирдеевым, А.Э. Артесом [5, 6].

Эффект тискотропии в металлах используется в большой группе различных технологий[7]. Объединяет все тиксотехнологии наличие глобулярной (не дендритной) микроструктуры. В процессе деформации глобулярной микроструктуры в твёрдожидком состоянии, материал заготовки ведёт себя как жидкость, легко заполняя формообразующую по-лость[7]. Наиболее подходящей суспензией для тиксотехнологий , по мнению авторов [8], является жидкость, содержащая требуемую долю твёрдых частиц (40...90%) достаточно малого размера (менее 100 мкм) сферической формы и равномерно распределённых в объёме жидкой фазы. Процесс получения твёрдожидкой суспензии из расплавленного металла может осуществляться за счёт управления процессом кристаллизации, который протекает в специальных устройствах, за счёт создания различных условий фазового превращения: от самопроизвольного возникновения большого числа зародышей кристаллов и смывания их потоком металла, чтобы не допустить возникновения дендритных форм до выращивания кристаллов дендритной фомы с последующим их разрушением в местах ветвления путём интенсивного теплового или силового (механического), электромагнитного или ультразвукового воздействия, или в результате перемешивания двух расплавов металлов, имеющих различный состав и находящихся при различных температурах [5,9,10].

Твёрдожидкая заготовка может легко транспортироваться как твёр-доё тело и подвергаться сдвигу. При формообразовании такой заготовки под действием сдвиговых деформаций благодаря сфероидальной форме кристаллов твёрдой фазы и в присутствии даже незначительного объёма жидкой фазы сопротивление сдвиговым деформациям снижается, металл

в этом состоянии приобретает свойства жидкости (эффект тиксотропии) и заполняет формообразующую полость. В результате в готовом изделии значительно повышаются механические свойства сплава, уменьшается пористость, повышается размерная точность детали [5].

В зависимости от содержания доли твёрдой фазы в заготовке, авторы [5] предлагают условное деление технологии формообразования в твёрдожидком состоянии на штамповку (содержание твёрдой фазы( 60% и более) и литьё (содержание твёрдой фазы менее 50%).

Для выбора режимов технологий формообразования в твёрдожидком состоянии фасонных изделий из конкретного промышленного сплава используют экспериментальные калориметрические кривые, фиксирующие изменение теплоёмкости сплава в окрестности «ликвидус-солидус»

[5].

Готовое изделие характеризуется наличием смешанной структуры: глобулярной и пластически деформированной, что обусловливает повышение механических свойств[7].

Тиксотропные технологии имеют ряд преимуществ перед другими методами обработки металлов. Например, в отличие от литья под давлением, тиксотехнологии позволяют получать изделия меньшей массы, более сложной формы с лучшим качеством поверхности и являются более производительными[9]. В отличие от ковки тиксоформование позволяет за один технологический процесс получить изделие сложной формы и исключает появление подрезов. Тиксотехнологии позволяют избавиться от оксидных включений, которые присутствуют в литом металле из-за его турублентного течения, Так как при использовании тиксотехнологий металл течёт ламинарно.

В США, Японии и странах Европейского Союза тиксотехнологии широко применяются для получения изделий из алюминиевых и магниевых сплавов, обладающих повышенным комплексом механических свойств. В тиксотехнологиях нашли широкое применение литейные

алюминиевые сплавы А356 и А357 [6]. С помощью тиксотехнологий изготавливаются различные изделия для автомобильной промышленности, детали горных велосипедов, комплектующие ноутбуков и телефонов^].Всё больше возрастает интерес к обработке в твёрдожидком состоянии высокопрочных алюминиеввых сплавов, тугоплавких материалов, сплавов на основе меди, железа и сталей [9,10,11]. Те не менее, существуют определённые трудности твёрдожидкого формования сталей и тугоплавких материалов, так как в этих материалах жидкая фаза образуется при более высоких температурах по сравнению с алюминиевыми сплавами [12,13].

В связи с изложенным можно сделать вывод о целесообразности проведения исследований по твёрдожидкому формованию материалов на основе железа. При решении проблемы твёрдожидкого формования материалов с повышенными температурами плавления и деформации целесообразно использовать легкоплавкие добавки. В практике промышленного производства порошковой деталей известно достаточно большое количество легирующих добавок, которые образуют жидкую эвтектическую фазу в сплавах с железом.

1.2 Использование жидкой фазы в процессе спекания.

Технологии жидкофазного спекания известны давно и хорошо себя зарекомендовали. Большой вклад в изучение процессов, протекающих при жидкофазном спекании, внесли В.В. Скороход, И.М. Федорченко, В.Н. Ерёменко, Ю.В. Найдич, П.А. Витязь, А.Ф. Ильющенко, JI.H. Дьяч-кова, В.Н. Анциферов, B.C. Панов, М. Ристич, Р. Герман и др. Скороход В.В. и Солонин С.М. в работе [14] отмечали, что для резкой интенсификации диффузионного массопереноса в многокомпонентных системах необходимо достижение дисперсно-матричного характера распределения фаз, когда при общем высоком уровне дисперсности основной фазы вторая располагается в виде сплошных тонких прослоек по границам зёрен или частиц основной фазы. Именно в этом случае вели-

чина межфазной поверхности достигает максимальных значений. В работах [15 - 18] В.В. Скороход с соавторами экспериментально исследовали процессы реакционного жидкофазного спекания в двойных и более сложных системах, сопровождающиеся синтезом интерметаллидов, активируемым появлением расплава эвтектического состава. Несколько позднее на основании кубического закона роста частиц тугоплавкой фазы получено кинетическое уравнение уплотнения при жидкофазном спекании [19]. В отличие от уравнения В.А. Ивенсена кинетические коэффициенты предложенного уравнения определяются физико-химическими свойствами дисперсной системы и её компонентов. Дилатометрическим методом при 1200°С изучена кинетика уплотнения при жидкофазном спекании композиций системы УУ - N1 - $п, содержащих от 3 до 10 % (масс.) жидкой фазы эвтектического состава (67,5 % (масс.) N1 + 32,5 % (масс.) 8п). Экспериментальные данные хорошо описываются предложенным уравнением. Кинетические коэффициенты уравнения использованы для оценки коэффициента диффузии вольфрама в никель-оловянный расплав. Оценены временные зависимости скорости уплотнения и вязкости изученных псевдосплавов. Изучено влияние содержания никеля в никель-оловянном расплаве при жидкофазном спекании псевдосплавов системы - № - Бп, содержащих 10 % (масс.) жидкой фазы. Установлена корреляция между уплотнением при жидкофазном спекании и характером взаимодействия между компонентахми жидкой фазы (отклонением расплавов от идеального поведения). Найдена экстремальная зависимость между уплотнением образцов и содержанием никеля в жидкой фазе.

В работе [20] изучалась кинетика уплотнения при жидкофазном спекании порошковых композиций - Со - Бп, содержащих 90 % (масс.) тугоплавкой составляющей и 10 % (масс.) легкоплавкой. Установлено, что уплотнение зависит от содержания кобальта в расплаве. Образцы с содержанием кобальта до 3% (масс.) при 1200 °С (на стадии неизотермического нагрева) претерпевают увеличение объёма, а затем уп-

лотняются со скоростью, характерной для жидкофазного спекания. С ростом содержания кобальта в исследованных композициях наблюдался немонотонный характер уплотнения. Ерёменко В. Н., Найдич Ю. В. и Лавриненко И. А. в своей работе [21] широко осветили процессы, протекающие при жидкофазном спекании систем с невзаимодействующими компонентами. Один из разделов в работе [22] Федорченко И.М. и Пугина Л.И посвятили рассмотрению некоторых практических аспектов спекания антифрикционных материалов, в том числе в присутствии жидкой фазы. В работе отмечается, что при содержании графита более 5 % (масс.) спекание композиции железо-графит необходимо вести в присутствии жидкой фазы, а для композиции железо-никель-графит даны оптимальные температурные интервалы спекания в присутствии жидкой фазы. На примере спекания свинцовистых бронз установлено, что соблюдая определённые соотношения пористости и количества вводимого свинца можно избежать появления таких дефектов, как коробление и выпотевание.

В работах [23, 24] было установлено, что значительное уплотнение образцов из дисперсных смесей Бе - Си происходит ещё при твёрдофаз-ном спекании, а при жидкофазном усадка достигает максимально возможной величины в течение первых 10 мин изотермической выдержки. Основной причиной улучшения спекаемости дисперсных железомедных порошковых смесей является сохранение высокой степени дисперсности структуры образцов и, как следствие, высокого уровня сил капиллярного давления до температуры появления жидкой фазы. Характерной особенностью получения железомедных псевдосплавов является увеличение их размеров при спекан�