автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка технологии получения высокоплотных порошковых висмутсодержащих сталей с улучшенной обрабатываемостью резанием

На правах рукописи

ВЕРОПШ Дмитрий Николаевич

Разработка технологии получения высокоплотных порошковых висмутсодержащих сталей с улучшенной обрабатываемостью резанием

Специальность 05.16.06. - "Порошковая металлургия и

композиционные материалы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1996

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология материалов" и "Технология машиностроения" Новочеркасского государственного технического университета.

Научные руководители: - доктор технических наук,

профессор Дорофеев В.Ю.; - доктор технических наук, профессор Гоголев А.Я.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Жердицкий Н.Т.; - кандидат технических наук, начальник технического отдела АО "Магнит" Стопченко А.Ю.

Ведущее предприятие: АО "Ростсельмаш", г.Ростов-на-Дону

Защита состоится " у «у " мая 1996 г. в_часов на заседании совета К 063.30.10 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346400, Ростовская обл., г.Новочеркасск, ул.Просвещения, 132.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При изготовлении тяжелонагруженных деталей машин с повышенными физико-механическими свойствами все более широкое применение находят методы порошковой металлургии, основанные на горячей обработке давлением металлических порошков и пористых порошковых заготовок, обеспечивающие минимальную остаточную пористость порошковых изделий. Среди них наиболее широко освоен промышленностью метод горячей штамповки пористых порошковых заготовок (ГШПЗ), который позволяет изготавливать изделия достаточно сложной формы максимально приближенные по размерам к готовым деталям, что уменьшает материало- и трудоемкость, а также позволяет автоматизировать процесс их получения.

Совершенствование метода ГШПЗ осуществляется в направлении обеспечения заданной точности изделия. Однако это ведет к удорожанию и сокращению ресурса штамповой оснастки, а также усложнение штампового оборудования. Кроме того, с помощью ГШПЗ нельзя получить некоторые элементы деталей машин (поперечные отверстия, канавки, резьбу и др.). В связи с этим возрастает доля механической обработки на финишной операции технологического процесса получения детали. Так как изделия, полученные методом ГШПЗ имеют мелкозернистую, высокодефектную структуру, незначительную остаточную пористость и пониженные теплопроводность и пластичность, то их показатели обрабатываемости резанием существенно отличаются от аналогичных показателей для горячекатаных, литых и спеченных высокопористых порошковых сталей, что снижает эффективность применения автоматизированного металлорежущего оборудования.

Таким образом, актуальной задачей является разработка высокоплотных порошковых сталей с улучшенной обрабатываемостью резанием, имеющих высокие физико-механические свойства. Наиболее перспективным направлением, позволяющим кардинально решить эту задачу, является целенаправленное легирование различными химическими элементами, в сочетании с оптимизационным подходом к технологическому процессу получения материала, что широко применяется в мировой практике и наиболее полно использует преимущества технологии порошковой металлур-

ГШ.

Работа выполнена в рамках межвузовской инновационной научно-технической программы Российской Федерации "Исследования в области порошковой технологии".

Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка технологии получения порошковых сталей с удовлетворительными механическими и улучшенными технологическими свойствами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- обоснование и выбор легирующих элементов для улучшения обрабатываемости резанием высокоплотных порошковых сталей;

- изучение влияния состава исходных компонентов и технологии получения порошковых сталей на их механические и технологические свойства;

- исследование особенностей структурообразования порошковых материалов с улучшенной обрабатываемостью резанием;

- оптимизация и автоматизация расчета режимов резания исследуемых сталей;

- опытно-промышленная апробация результатов исследований.

Научная новизна. Установлена возможность получения высокоплотных конструкционных порошковых сталей с улучшенной обрабатываемостью резанием за счет легирования висмутом, вводимого на стадии приготовления шихты путем смешивания и механического активирования в шаровой мельнице компонентов материала.

Раскрыт механизм структурообразования висмутсодержащих порошковых сталей при высокотемпературном нагреве, в основе которого лежат процессы взаимодействия между легирующей присадкой и примесными элементами, содержащимися в составе железных порошков. При температурах спекания висмут расплавляется и сегрегирует вокруг крупных силикатных включений, способствуя образованию на их границах с железной матрицей переходных зон в результате взаимодействия оксидов висмута и кремния. Протекание этих процессов снижает охрупчивающее воз-

действие неметаллических включений и обусловливает повышение прочности и пластичности материала на 20-30%, что объясняется, по всей вероятности, способностью включений висмута ре-лаксировать напряжения и облегчать аккомодационные процессы при эстафетной передаче деформаций между отдельными элементами структуры материала.

Установлено, что в отличие от обычных сплавов на железной основе у висмутсодержащих порошковых материалов отсутствует существенное повышение сопротивления уплотнению в зоне температур л-г-превращения. Это обусловлено превалированием структурной деформации заготовок с преимущественным их уплотнением за счет взаимного перемещения частиц, облегчаемого наличием межчастичных прослоек жидкой фазы.

Показано, что наличие включений висмута в структуре порошкового материала оптимального химического состава обеспечивает улучшение показателей обрабатываемости резанием за счет снижения абразивной и адгезионной составляющих износа инструмента, обусловленного разупрочняющим действием включений висмута на деформационные процессы в зоне резания и обеспечивающего снижение температуры и эффективной мощности резания. Получены аналитические зависимости, описывающие взаимосвязь оптимальных параметров процесса резания с технологическими факторами производства порошкового материала и его химическим составом. На основе системы технических ограничений процесса резания составлена оптимизационная математическая модель, на базе которой разработана программа для расчета на ПЭВМ оптимальных режимов резания.

Практическая ценность. Впервые получены порошковые высокоплотные висмутсодержащие материалы с улучшенной обрабатываемостью резанием. Установлено, что оптимальным является содержание висмута в пределах 1-2 мас.Х. Определены оптимальные технологические параметры процесса получения материалов. Получены аналитические зависимости режимов резания при точении и сверлении от химического состава и технологических факторов производства порошкового материала.

Реализация результатов работы. Проведены сравнительные испытания по обработке резанием детали типа "ступица", изготовленных из стандартного и предлагаемого материалов. Разработан и апробирован в условиях автоматизированного серийного производства технологический процесс механической обработки этого изделия.

Установлено увеличение стойкости режущего инструмента в 2,0-2,5 раза при увеличении оптимальной скорости резания на 50-70£ и снижении эффективной мощности резания в 1,7-2,0 раза. При этом шероховатость поверхности улучшилась с !?&= 2,8мкм ДО На= 1,25мкм.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- Международной научно-технической конференции "Надежность машин и технологического оборудования" (г.Ростов-на-Дону, 1994г.);

- Российской научно-технической конференции "Композиционные керамические, порошковые материалы и покрытия" (г.Москва, 1994г.);

- ежегодных научно-технических конференциях Новочеркасского государственного технического университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе положительное решение на выдачу патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений и содержит 161 страницу машинописного текста, 39 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор опубликованных работ по теме диссертации проводится анализ вопросов, определяющих выбор направления получения материала, сформулированы цель и задачи исследований.

Повышение требований к точности размеров и стабильности качественных показателей деталей из порошковых горячештампо-ванных сталей увеличивает количество операций чистовой и финишной механической обработки. Вопрос об их включении в технологические процессы должен рассматриваться, исходя из технологических возможностей достижения заданных характеристик деталей после горячей допрессовки и на основании технико-экономических расчетов. Однако порошковые стали являются труднообрабатываемыми. Поэтому создание технологии получения композиционных материалов на основе железа с улушенной обрабатываемостью резанием позволит снизить себестоимость механической обработки и деталей в целом. Наиболее перспективным направлением улучшения обрабатываемости резанием высокоплотных порошковых сталей является целенаправленное легирование различными химическим элементами, кардинально изменяющими структурное состояние материала и его свойства.

Известно, что легирование висмутом повышает обрабатываемость резанием компактных материалов на основе железа. Однако, применительно к порошковым материалам оно практически не применялось. Имеющиеся данные не позволяют создать научно обоснованную технологию получения высокоплотных висмутсодержащих порошковых материалов, так как выполненные исследования ограничиваются, в основном, компактными сталями.

Во второй главе приводится описание материалов, оборудования и методик проведения экспериментов, которые применялись в работе. В качестве исходных материалов использовали порошки железа марок БЖВ 2.160.26 и ПЖР 2.200.28 (ГОСТ 9849-86), висмут в гранулах марки Ви1 (ГОСТ 10928-90), графит искусственный специальный малозольный (ГИСМ) (ТУ-48-20-54 - 84).

Приготовление шихты осуществлялось как в двухконусном смесителе, так и в планетарной центробежной мельнице САНД-1 с отношением массы шаров к массе шихты 2,5:1 при диаметре шаров 5 мм и угловой скорости вращения ротора 290 об/мин.

Для определения механических свойств изготавливались призматические образцы размером 55хЮхЮ мм, а для исследования обрабатываемости резанием при точении - образцы кольцево-

го типа с размерами бОхЗОхЮмм. Обрабатываемость резанием также оценивали сверлением отверстий в призматических образцах.

Пористые заготовки с остаточной пористостью П = 15-35% прессовали на гидравлических прессах 2ПГ-125 и П-250 при удельном давлении прессования 160-500 МПа. Спекание и нагрев перед горячей штамповкой осуществляли в среде диссоциированного аммиака в муфельных печах с сшштовыми нагревателями. Горячую допрессовку пористых формовок проводили на кривошипном прессе модели К-2232 с максимально развиваемым усилием 1,6мл, на фрикционном молоте с массой падающих частей 885кг и на лабораторном копре, при обеспечении приведенной работы уплотнения V/ = 250ЫДж/м3. Плотность горячештампованных материалов находилась при этом в пределах (7,70-7,75)-103 кг/м3.

Изучение структуры и свойств висмутсодержащих горячештампованных сталей изучалась на образцах, полученных по различным технологическим вариантам СХП+Ш, СХП+ГПН-ВО, СХП+СП+ГШ, СХП+СП+ГШ+ВО. Здесь и далее приняты следующие обозначения: СХП - статическое холодное прессование; СП -спекание; ГШ - горячая штамповка; ВО - высокотемпературный отжиг. Температура (и и время (т) с индексами соответствующего технологического процесса: Ьсп^ОО-ИОО'С, ХСп=30-б0мин; 1Гш=700-1200°С, Тгш=Юмин; гВо=1Ю0°С, tвo=бOмин.

Разрывные образцы соответствовали типу 7 ГОСТ 1497-84, а для испытания на ударную вязкость - типу 1 ГОСТ 26528-85. Растяжение образцов проводили на универсальной испытательной машине УМЭ-ЮТМ со скоростью 0.0167 мм/с, ударную вязкость определяли на маятниковом копре модели КМ-ЗОА с максимальной энергией удара 294 Дж, а измерение твердости осуществлялось как на поверхности, так и центральной части образцов с целью обеспечения возможности оценки поверхностных несовершенств структуры по ГОСТ 9013-83 на приборе ТК-2М. Плотность материалов определялась методом гидростатического взвешивания с покрытием образцов парафином (ГОСТ 18898-89).

Металлографические исследования выполняли с помощью микроскопа "МЕ0РН0Т-21" на шлифах, приготовленных на поперечных

срезах призматических образцов. Электронномикроскопический анализ проводили на электронном сканирующем микроскопе BS 301, а рентгеноспектральный фрактографический микроанализ -на растровом электронном микроскопе с рентгеновским микроанализатором "САМЕВАХ-МВХ70". Рентгенограммы снимали на дифрак-тометре ДР0Н-2.0.

Определение содержания кислорода в порошковой шихте и горячештампованных спеченных порошковых материалах проводилось с помощью метода температурно-программируемого восстановления.

Потери легкоплавкой легирующей присадки определяли по разности масс образца до и после спекания в атмосфере азота с помощью аналитических весов АДВ-200. В подтверждение этого проводилось определение качественного и количественного составов спеченных висмутсодержащих образцов методом рентгеноф-луорисцентного энергодисперсионного анализа на рентгеновском спектрометре с полным внешним отражением излучения МЭРС.

В качестве основного критерия обрабатываемости резанием был принят оптимальный износ инструмента (ho), а соответствующие ему скорость резания (v0), усилие резания (Pzo), температура в зоне резания (TDO) и шероховатость обрабатываемой поверхности (Rao) являются оптимальными параметрами процесса резания. Диапазон оптимальных скоростей резания (üv0) характеризует площадь, ограничиваемую нисходящей и восходящей ветвями зависимости h=f(v).

Исследования обрабатываемости резанием проводились на станках 16К25, 16К25ФЗ, 2А125 и 1Г325. Использовались резцы с механическим креплением твердосплавных неперетачиваемых пластин (резцы ГОСТ 18878-73, пластины ГОСТ 19076-90, инструментальный материал Т15К6 ГОСТ 3882-74) и быстрорежущие сверла диаметром 5 мм, имеющие стандартную заточку (ГОСТ 10902-77).

Износ инструмента определяли на металлографическом микроскопе МИМ-7. Силы резания измерялись при помощи динамометрической системы на базе динамометра УДМ-600. Среднеконтакт-ная температура в зоне резания определялась методом естественного термообразовагеля, а шероховатость поверхности - на

профилографе-профилометре "БиктНСШС 3" по ГОСТ 2789-73.

Точность результатов оценивали методами математической статистики с помощью составленной автором программы на ПЭВМ. Аппроксимацию оптимальных параметров резания от определяющих технологических факторов и характеристик материалов проводили с использованием программы "МНК-ТМ" на ПЭВМ.

В третьей главе приводятся результаты исследований основных закономерностей формирования структуры и свойств висмутсодержащих порошковых материалов на всех этапах технологии получения.

Равномерность распределения висмута в шихте определялась при его введении по трем вариантам. Первый заключался в засыпке предварительно полученного порошка висмута непосредственно в конусный смеситель вместе с остальными компонентами. Второй - в предварительном смешивании порошка висмута со сте-аратом цинка (~1 мас.%). Третий вариант заключался в механическом легировании железного порошка гранулами висмута в шаровой планетарной мельнице САНД-1. Оптимальным с точки зрения достижения равномерного распределения компонентов висмутсодержащей шихты и обеспечения удовлетворительных показателей механических свойств получаемого материала, является проведение операции смешивания в шаровой планетарной мельнице в течение 30-45 мин, образующиеся при смешивании оксиды висмута и железа легко восстанавливаются в процессе последующего спекания и не оказывают отрицательного воздействия на свойства материала.

В структуре порошковых материалов висмут присутствует, в основном, на бывших межчастичных границах в виде включений различной дисперсности. Это связано с отсутствием взаимодействия в системе Ре-Вх, что подтверждается результатами рентге-нофазового анализа. Во время нагрева холоднопрессованных заготовок происходит плавление и коагуляция частиц висмута при их капиллярном восхождении к поверхностям пор с последующим испарением. В процессе охлаждения оставшиеся в закрытых объемах пары висмута конденсируются и осаждаются в виде пленки.

В результате металлографического анализа установлено,

что висмут частично обволакивает крупные включения силикатного типа, являющиеся наиболее опасными инициаторами хрупкого разрушения. Это является результатом взаимодействия в процессе спекания оксидов кремния и образующихся при смешивании оксидов висмута.

На величины потерь висмута при спекании холоднопрессо-ванных заготовок превалирующее влияние оказывает tcn. В меньшей мере воздействуют tcn, содержание висмута (СвО и П. Значения этих факторов, обеспечивающие получение в дальнейшем материалов с удовлетворительными механическими свойствами и являющиеся приемлемыми с технологической точки зрения (транспортабельность заготовок, стойкость прессового инструмента и др.) находятся в следующих пределах: tcn=900-1000°C, гсп= 30-60 мин, CBi= 1-2 мас.1 и П=20-25%.. В этом случае потери висмута не превышают 20% от введенного в исходную шихту количества.

Описанные вьше особенности спекания и потерь висмута были получены на основе результатов взвешивания образцов в предположении, что потеря массы есть потеря висмута. Для проверки этого, не совсем очевидного положения, был проведен качественный и количественный анализ состава образцов методом рентгенофлуорисцентного энергодисперсионного анализа, который полностью подтвердил вышесказанное.

С целью более полного выявления закономерностей влияния висмута на структуру и свойства материалов, исследовались порошковые стали с добавками углерода и без него. Анализ полученных зависимостей показывает аналогичное действие висмута на механические свойства как углеродистых, так и безуглеродистых порошковых материалов.

Так, предварительное спекание повышает и прочностные, и пластические свойства сталей особенно при Cbi= 1-2 мас.%. Указанные особенности могут быть объяснены, с одной стороны, тем, что в результате выдержки при температуре 900-1000°С более полно протекают процессы восстановления оксидов, припека-ния частиц материала матрицы друг к другу, обволакивания легирующей присадкой остроугольных неметаллических включений

(НВ). С другой стороны, повышение относительного удлинения и ударной вязкости при Св1= 1-2 мас.%, очевидно, связано с образованием переходной зоны на границе силикатных включений и железной основы, а также с образованием тонких пленок висмута вокруг различных НВ, содержащих Мп и Б. При СвР 2 мас.% как прочностные, так и пластические свойства образцов резко снижаются. Это объясняется наличием в структуре сталей значительного количества свободного металлического висмута, располагающегося, в основном, по границам зерен и частиц железной основы, что приводит к ее разупрочнению.

Увеличение относительного удлинения висмутсодержащих сталей может быть объяснено тем, что включения висмута способны релаксировать напряжения и облегчать аккомодационные процессы при эстафетной передаче деформаций между отдельными элементами структуры.

В отличие от обычных сплавов на железной основе для висмутсодержащих материалов обнаружено отсутствие существенного повышения сопротивления уплотнению в зоне температур а-»т превращения, что обусловлено превалированием структурной деформации заготовок и преимущественным их уплотнением за счет взаимного перемещения частиц, облегчаемого наличием межчастичных прослоек жидкой фазы. Это позволяет снизить температуру горячей штамповки с 1100-1150®С до 1000-1050°С, уменьшить затраты на нагрев заготовок и повысить стойкость инструмента.

Материалы, изготовленные из шихты на основе восстановленного железного порошка при всех исследованных режимах получения, обладают более высокой пластичностью и меньшей прочностью, чем при использовании распыленного. Это связано, с одной стороны, с лучшими условиями формирования межчастичных контактных поверхностей и сращивания на них у частиц восстановленного порошка губчатой формы, а с другой - большим количеством внутричастичных примесей, разупрочняющих железную матрицу.

В четвертой главе приводятся результаты исследования обрабатываемости висмутсодержащих горячештампованных порошковых сталей.

В качестве основного показателя обрабатываемости была выбрана размерная стойкость режущего инструмента, характеризующаяся относительным износом его задней поверхности (Ь). Для этого были проведены стойкостные испытания при различных скоростях резания.

Введение 1-2 мас.% висмута в порошковый материал на железной основе увеличивает у0 на 20-75%, снижая соответствующий им Ь0 в 2-6 раз. При этом расширяется Ду0. Повышение Сш более 2 мас.% не приводит к значительному улучшению обрабатываемости резанием по данным критериям.

Легирование висмутом в большей мере улучшает обрабатываемость резанием стали на основе восстановленного порошка железа: Ьо снижается в 3-6 раз, а величина у0 возрастает на 20-65%. Для материалов из распыленного порошка улучшение соответствующих показателей составило: Ь0 - снизился в 2-4,5 раза; v0 - возросла на 25-75%, что несколько больше, чем у стали из 1ШВ 2.160.26. Это объясняется изначально более высокими показателями обрабатываемости материалов на основе распыленного порошка железа, обусловленных худшими условиями сращивания в связи с особенностями морфологии его частиц.

Легировать висмутом целесообразно труднообрабатываемые материалы. Сталь, содержащая 0.8 мас.% углерода имеет больший рост показателей обрабатываемости по сравнению с безуглеродистой: 1~10 снижается в 3-6 раз при увеличении ч0 на 40-75%. У безуглеродистого материала соответственно Ь0 снижается в 2-4,5 раза при увеличении ч0 на 20-35%. Для безуглеродистых материалов правые ветви зависимостей Ь=Г(V) имеют большую крутизну, чем левые. Это объясняется повышением интенсивности износа инструмента при обработке безуглеродистых сталей в области высоких скоростей резания за счет усиления диффузионных процессов между материалами детали и инструмента, который менее интенсивен при обработке углеродистых сталей за счет резкого сокращения диффузии углерода из инструментального материала в обрабатываемый.

Описанные выше особенности влияния висмута на параметры обрабатываемости резанием как безуглеродистых, так и углерод-

содержащих сталей, объясняются, прежде всего, его воздействием на деформационные процессы, происходящие в зоне резания. Размягчающиеся и расплавляющиеся включения висмута приводят к снижению касательных сил и напряжений в зоне контакта стружки с лезвием инструмента. Наблюдается "выпотевание" висмута на контактные поверхности инструмента за счет разности коэффициентов температурного расширения висмута и железной основы. Это приводит к уменьшению адгезионного воздействия между материалом детали и инструмента в процессе резания и снижению его износа при у<у0. При обработке висмутсодержащих сталей наряду со снижением адгезионного износа происходит уменьшение абразивно-истирающего воздействия обрабатываемого материала на инструмент. Снижение адгезионно-усталостной и абразивной составляющих износа приводит к тому, что значительно расширяется скоростной диапазон резания, в котором износ инструмента является минимальным, а оптимальное значение скорости резания фактически соответствует максимально допустимому его значению в этом диапазоне. Последнее обстоятельство имеет существенное значение при назначении режимов резания, так как снимает ограничения, присущие безвисмутовым горячештампованным сталям, при механической обработке резания которых требуется строгое соблюдение достаточно узкого оптимального скоростного интервала.

Интенсивное повышение износа инструмента при ч>\0 свидетельствует о снижении эффективности воздействия включений висмута в области преобладающего диффузионного износа, свойственного для твердосплавного инструмента.

При сверлении порошковых висмутсодержащих сталей описанные выше закономерности изменения 1то и у0 в зависимости от" Св1 сохраняются. Вместе с тем, наблюдается тенденция к более значительному снижению износа инструмента. Это объясняется, тем, что при сверлении затруднен теплоотвод из зоны резания и возникает повышенное трение между инструментом и обрабатываемой поверхностью за счет малых вспомогательных углов в плане. В таких условиях воздействие висмута становится более эффективным, чем при точении.

При обработке безвисмутовых горячештампованных сталей усилие резания Pz и температура в зоне резания Тр превышают те же характеристики компактных материалов аналогичного состава.

В процессе обработки всех исследованных (углеродистых и безуглеродистых, на основе восстановленного и распыленного порошка железа) висмутсодержащих материалов наблюдается уменьшение в 1,5-1,8 раза силового воздействия на инструмент, за счет образования тонкой пленки висмута, которая снижает адгезионные явдяения, препятствуя наростообразованию, что обусловливает сглаживание волнистости кривых P2=f(v) в области дооптимальных скоростей резания. Висмут, являясь поверхностно-активным металлом, значительно снижает трение на контактных поверхностях инструмента и облегчает деформирование обрабатывемого материала, уменьшая прочность поверхностных слоев последнего. Снижение коэффициента трения вызывает уменьшение усадки стружки, а, следовательно, и уменьшение длины контакта по передней поверхности резца. При этом проявляется открытый П.А.Ребиндером эффект адсорбционного понижения прочности материалов в среде поверхностно-активных веществ. При этом среднеконтактные температуры в зоне резания снижаются в 1,3-1,7 раза при точении и в 3-5 раз - при сверлении быстрорежущим инструментом, что значительно повышает эффективность такой обработки.

Легирование висмутом повышает качество обработанной поверхности, значительно расширяя интервал скоростей, при которых достигается минимальная шероховатость, а также обеспечивает образование ломкой спиральной стружки, что позволяет применять полученные материалы в автоматизированном производстве. При Cbí> 2 мас.% происходит увеличение значений Ra, связанное с образованием толстой пленки расплавленного висмута в зоне резания. При Cbi= 1-2 мас.£ уровень величин Rao для безуглеродистых материалов составляет 0,8-1,8 мкм, а для углеродистых - 0,7-1,5 мкм.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что легирование висмутом улучшает обрабатываемость резанием по-

рошковых сталей по всем принятым критериям. При Св1 до 1мас.% улучшение происходит более интенсивно, а начиная с Св1=2мас.% заметного изменения обрабатываемости не происходит.

С целью определения функциональной зависимости оптимальных параметров процесса резания от технологических факторов и свойств материала был поставлен полнофакторный эксперимент 23. Уровни и интервалы варьирования подачей, глубиной резания и содержанием висмута в материале выбирались, исходя из условий преимущественного применения чистовой обработки. В результате математической обработки экспериментальных данных при уровне значимости Р=0,95 были получены адекватные уравнения регрессии.

В пятой главе рассмотрены вопросы разработки математической модели процесса резания и опытно-промышленной апробации разработанного материала для детали типа "ступица".

На основании полученных уравнений регрессии и технологических ограничений процессов обработки резанием разработана математическая модель для решения оптимизационной задачи выбора режимов резания исследуемых материалов. На ее основе разработана программа для расчета оптимальных режимов резания висмутсодержащих порошковых материалов на ПЭВМ.

На АО "Ростсельмаш" проведены сравнительные испытания по обработке резанием детали типа "ступица", изготовленных из стандартного и предлагаемого материалов. Разработан и апробирован в условиях автоматизированного серийного производства технологический процесс механической обработки этого изделия.

Установлено, что при обработке ступиц из висмутсодержащей порошковой стали стойкость режущего инструмента возросла в 2-2,5 раза при увеличении оптимальной скорости резания на 50-70%. При этом шероховатость поверхности улучшилась с 1?а= 2,8 мкм до 1,25 мкм. Эффективная мощность резания снизилась в 1,7-2 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена технологическая возможность получения висмутсодержащих порошковых материалов на железной основе с улучшенной обрабатываемостью резанием и удовлетворительными механическими свойствами. Важным преимуществом указанных материалов по сравнению со свинецсодержащими является их экологическая чистота, а предотвращение потерь висмута обеспечивается за счет его введения в шихту в составе железистой лигатуры, полученной путем механического легирования.

2. Обнаружено, что в структуре порошковых материалов висмут присутствует, в основном, на бывших межчастичных границах в виде включений различной дисперсности. Это связано с отсутствием взаимодействия в системе Ре-В1. Во время нагрева холоднопрессованной заготовки происходит плавление и коагуляция частиц висмута при их капиллярном восхождении к поверхностям пор с последующим испарением. В процессе охлаждения оставшиеся в закрытых объемах пары висмута конденсируются и осаждаются в виде пленки. Кроме того, наблюдается частичное обволакивание висмутом крупных включений силикатного. типа, что является результатом взаимодействия оксидов висмута и кремния при спекании.

3. Определены основные закономерности влияния технологических факторов на величины потерь висмута при спекании. Выявлены оптимальные технологические режимы спекания: 1Сп= 1000°С, тсп= 30-60 мин. При этом пористость заготовок должна составлять 20-25%.

4. Показано, что в отличие от обычных сплавов на железной основе в висмутсодержащих материалах отсутствует существенное повышение сопротивления уплотнению в зоне температур <х-»г - превращения. Это обусловлено превалированием структурной деформации заготовок и преимущественным их уплотнением за счет взаимного перемещения частиц, облегчаемого наличием межчастичных прослоек жидкой фазы. Указанное обстоятельство позволяет снизить температуру горячей штамповки с 1100-1150°С до 1000-1050°С, уменьшить затраты на нагрев заготовок и повысить

стойкость инструмента.

5. Раскрыт характер изменения основных механических свойств висмутсодержащих высокоплотных порошковых материалов. Показано, что их прочность, пластичность и ударная вязкость зависят от содержания висмута и температуры горячей штамповки заготовок. Предложена гипотеза, объясняющая повышение пластичности материалов при Cbi= 1-2 мас.%, заключающаяся в том, что включения висмута способны релаксировать напряжения и облегчать аккомодационные процессы при эстафетной передаче деформации между отдельными элементами структур.

6.: Определено влияние висмута на характер изменения стойкостных и температурно-силовых параметров процесса резания, а-также качество поверхности при лезвийной обработке го-рячештамповайных порошковых материалов. Обоснованы особенности изменения оптимальных параметров резания, заключающиеся в снижении абразивной и адгезионной составляющих износа инструмента за счет разупрочняющего и "смазывающего" действия включений висмута и образованной из него пленки на деформационные процессы в зоне обработки.

7. Получены аналитические зависимости, описывающие взаимосвязь оптимальных параметров процесса резания с технологическими факторами и химическим составом материала. Разработана программа для расчета оптимальных режимов резания при точении и сверлении на ЭВМ.

8. Разработанный висмутсодержащий порошковый материал рекомендован для изготовления детали 54-00947 "ступица" взамен стандартного на АО "Ростсельмаш". Его использование позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2-2,5 раза и оптимальную скорость резания на 50-70%. Шероховатость поверхности при этом снижается с Ra= 2,8 мкм до Ra= 1,25 мкм, а эффективная мощность резания - в 1,7-2 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Скориков A.B., Козлов Е.В., Шишка В.Г., Еремеева К.В., Веропаха Д.Н. Кальцийсодержащие стали улучшенной обра-

батываемости резанием/ Новочерк. политехи, ин-т.- Новочеркасск, 1991.- 13с.- Деп.ВНИИТЭМР 2.12.91, №114.

2. Дорофеев В.Ю., Козлов Е.В., Веропаха Д.Н. Повышение эффективности обработки резанием порошковых сталей//Надеж-ность машин и технологического оборудования: Тез.докл.мевду-нар.науч.-техн. конф.- Ростов-на-Дону: Изд.ДГТУ.- 1994.-С.174-175.

3. Дорофеев В.Ю., Скориков A.B., Шишка В.Г., Еремеева Ж.В., Веропаха Д.Н. Изучение возможности получения конструкционной порошковой стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, легированной висмутом// Новые материалы и технологии: Тез.докл.Российской науч.-техн.конф.- М.:Изд.МГАТУ.- 1994.-С.137.

4. Веропаха Д.Н. Изучение влияния присадок висмута, селена и теллура на свойства сталей// Изв.вузов Сев.-Кавк.регион. Техн. Науки.- 1994.- №1-2.- С.4-9.

5. Скориков A.B., Веропаха Д.Н., Селевцова И.В. Влияние механического легирования висмутом на свойства конструкционной порошковой стали// Изв. вузов Сев.-Кавк.регион. Техн. Науки.- 1994.- №3-4.- С.265-267.

6. Дорофеев В.Ю., Скориков A.B., Жердицкая H.H., Шишка В.Г., Еремеева Ж. В., Веропаха Д.Н. и др. Способ получения конструкционной порошковой стали// Заяв.№95103830. Положительное решение патентной экспертизы ВНИИГПЭ от 02.02.96г.