автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства медновольфрамового электрод-инструмента на основе пластического деформирования пористой заготовки

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ. ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕДНОВОЛЬФРАМОВОГО ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТА.

1.1. Требования к электрод-инструменту. Традиционные технологии производства медновольфрамовых электрод-инструментов и пути их совершенствования.

1.2. Обработка давлением пористых металлических заготовок

1.2.1. Процессы, происходящие при взаимодействии отдельных элементов некомпактной среды, во время обработки давлением.

1.2.2. Формирование пористых металлических материалов обработкой давлением.

1.3. Описание процессов соединения металлов в твердой фазе.

1.4. Выводы по главе. Постановка цели и задач исследования

2. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОРИСТОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ.

2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния

НДС) мягких элементов заготовки

2.1.1. Взаимодействие элементов пористой заготовки при обработке давлением.

2.1.2. Напряженно-деформированное состояние микровыступа при контактировании с твердой поверхностью.

2.1.3. Анализ НДС мягкого элемента при обработке давлением заготовки.

2.2. Количественная оценка влияния давления на прочность образовавшихся соединений в пористой заготовке.

Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НА СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДОВ.

3.1. Методики определения физико-механических и эксплуатационных свойств электрода.

3.2. Построение регрессионной модели процесса получения медновольфрамовых электродов.

3.3. Влияние условий получения электрода на его свойства.

Выводы по главе.

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕДНОВОЛЬФРАМОВЫХ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ.

4.1. Методика расчета режимов технологического процесса.

4.2. Разработка схемы технологического процесса производства медновольфрамового электрод-инструмента холодным пластическим деформированием пористой заготовки.

4.3. Описание операций технологического процесса.

В настоящее время наряду с механической обработкой изделий инструментального производства используется электроэрозионная обработка. Преимущество электроэрозионной обработки перед обработкой резанием заключается в том, что она позволяет получать изделия сложной формы без дополнительных механической доводки и полировки, а также, дает возможность обрабатывать заготовки из твердых сплавов.

Формообразующим инструментом при электроэрозионной обработке служит электрод-инструмент. Электрод-инструменты изготавливают из графита, бронзы, меди, медновольфрамовой композиции и других материалов .

При электроэрозионной обработке изделий из твердых сплавов, как правило, используется медновольфрамовый электрод-инструмент. Существует две технологии производства таких электрод-инструментов. Первая технология включает в себя подготовку компонентов, прессование порошка вольфрама, спекание, пропитку вольфрамового каркаса жидкой медью, механическую обработку заготовки. Пропитку вольфрамового каркаса жидкой медью осуществляют в вакууме при температуре 1250 °С. После этой операции, вследствие ухудшения смачиваемости вольфрама жидкой медью, может наблюдаться различие свойств в объеме заготовки. При дальнейшей механической обработке, с целью устранения этого недостатка,, с периферийных областей снимают до 68% материала, который идет в отходы. Вторая технология включает в себя подготовку компонентов, смешивание шихты, прессование, жидкофазное спекание и механическую обработку. Слабым звеном данной технологии является операция жидкофазного спекания. Как и при пропитке, при жидкофазном спекании наблюдается различие свойств по объему заготовки. Поэтому в дальнейшем их подвергают механической обработке, при которой 25-30% материала идет в отходы. Так же при осуществлении операции жидкофазного спекания необходимо строго соблюдать требуемые значения температуры спекания, времени выдержки и параметров вакуума, в котором производят эту операцию. Реализация представленных ранее технологий производства медновольфрамового электрод-инструмента требует наличия сложного контролирующего и технологического оборудования.

Несмотря на то, что электроэрозионная обработка является перспективным способом обработки изделий из твердых сплавов, в настоящее время она сдерживается из-за отсутствия медновольфра-мовых электрод-инструментов. Поэтому актуальна проблема по совершенствованию технологии производства медновольфрамовых электрод-инструментов, которая позволила бы снизить количество брака и отходов, а также дало возможность реализовать технологию производства медновольфрамовых электрод-инструментов на уже действующем оборудовании в более простых производственных условиях. Одним из перспективных направлений совершенствования технологии является замена жидкофазного спекания, или пропитки, на холодное пластическое деформирование пористой металлической заготовки давлениями более 1 ГПа. При таких давлениях между медными, а возможно и вольфрамовыми элементами пористой заготовки будет происходить образование соединений по типу металлической связи, количество и качество которых во многом определяет физико-механические и эксплуатационные свойства готовых электрод-инструментов. Таким образом, при холодном пластическом деформировании медновольфрамовой пористой заготовки давлениями более 1 ГПа электрод-инструмент приобретает не только необходимые форму, размеры, плотность, но и комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств.

В настоящее время проводится много теоретических исследований по холодному пластическому деформированию пористых металлических заготовок. Однако, в этих исследованиях заготовка рассматривается либо как металлический континиум, либо как дискретная металлическая среда, состоящая из однородных компонентов, и мало внимания уделено контактному взаимодействию элементов с резко отличающимися механическими свойствами. В настоящей работе исследуются закономерности влияния твердого компонента на пластическую деформацию мягких элементов пористой металлической заготовки в процессе обработки давлением, энергетические условия образования соединения между мягкими элементами с учетом процессов, протекающих при пластическом деформировании.

Целью работы является совершенствование технологии производства медновольфрамовых электрод-инструментов для электроэрозионной обработки твердых сплавов, исключающее операции жидкофазно-го спекания и механической обработки, и предусматривающее отжиг и холодное пластическое деформирование пористой заготовки.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- провести теоретическое исследование деформационных процессов, возникающих при обработке давлением пористой металлической заготовки, состоящей из частиц, с резко отличающимися механическими свойствами;

- осуществить экспериментальное исследование, построить регрессионную модель и описать влияние параметров холодного пластического деформирования пористой металлической заготовки на эксплуатационные свойства готовых электрод-инструментов;

- на основе предложенной методики провести расчет технологических режимов, разработать и апробировать в производственных условиях усовершенствованную технологию производства медновольфра-мовых электрод-инструментов;

- осуществить промышленное испытание электрод-инструментов, полученных по усовершенствованной технологии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны теоретические принципы технологического процесса холодного пластического деформирования пористой медноволь-фрамовой заготовки;

- на основе дискретного подхода разработана математическая модель процесса холодного пластического деформирования пористой металлической заготовки, состоящей из элементов с резко отличающимися свойствами;

- разработана регрессионная модель, отражающая зависимость свойств медновольфрамовых электродов, изготовленных холодным пластическим деформированием пористой заготовки, от технологических факторов, влияющих на характер пластической деформации в дискретной среде;

- установлено количественное влияние давления холодного пластического деформирования на прочность образовавшихся соединений в дискретной среде.

Практическая ценность результатов работы:

- разработан и опробован технологический процесс производства медновольфрамовых электрод-инструментов, которые прошли испытания в промышленных условиях, предложенная технология позволила увеличить выход годного на 25% по сравнению с традиционной;

- разработаны режимы технологического процесса производства медновольфрамовых электродов для электроэрозионной обработки; 9

- научно обоснованы принципы производства медновольфрамовых электродов для электроэрозионной обработки холодным пластическим деформированием заготовки;

- установлены зависимости, позволяющие определить влияние давления холодного пластического деформирования на физико-механические и эксплуатационные свойства готовых электродов;

Работа выполнена в лабораториях кафедры материаловедения, качества и сервиса металлургических и машиностроительных технологий Магнитогорского государственного технического университета.

Выводы по главе

1. По предложенной методике осуществлен расчет режимов получения электродов из композиционного материала вольфрам-медь, в результате которого были выбраны следующие параметры производства изделий: давление формования 600 МПа, содержание вольфрама 70%, давление второго прессования 2000 МПа, температура отжига 600 °С, фракция частиц вольфрама -50.

2. С использованием полученных режимов разработан технологический процесс изготовления электродов для электроэрозионной обработки твердых сплавов, состоящий из следующих операций: смешивание (используются материалы в состоянии поставки), прессование (давление 600 МПа), отжиг (температура отжига 600 °С), холодное пластическое деформирование пористой заготовки (давление 2000 МПа).

3. По разработанной технологии были изготовлены опытные образцы медновольфрамовых электрод-инструментов, которые прошли ис

П5 пытания в промышленных условиях. Сравнение результатов эксперимента с данными, приведенными в литературе, показало, что эрозионная стойкость электрод-инструмента изготовленного по предложенной технологии не уступает эрозионной стойкости электрод-инструмента, полученного по традиционным технологиям, использующим жид-кофазное спекание или пропитку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результаты анализа литературных источников показали перспективность развития методов обработки материалов электроэрозионным способом. По результатам этого анализа были выбраны основные направления теоретического изучения возможности получения материала, состоящего из нерастворимых друг в друге компонентов, холодным пластическим деформированием пористой заготовки. На примере медновольфрамовых электрод-инструментов предложена усовершенствованная технология производства изделий из таких материалов. В этой технологии отсутствуют операции жидкофазного спекания и механической обработки, которые заменены на операции отжига и холодного пластического деформирования пористой заготовки.

2. Теоретически обоснована возможность формирования электродных материалов для электроэрозионной обработки, состоящих из нерастворимых друг в друге компонентов, с использованием холодной обработки давлением пористой заготовки, для чего:

- проведен анализ механизмов и этапов взаимодействия элементов заготовки по схеме твердая-мягкая-мягкая-твердая частицы;

- проведены аналитические исследования НДС мягкого микровыступа при его взаимодействии с твердой поверхностью и мягкого элемента сферической формы при внедрении в него твердого сферического элемента;

- проведена количественная оценка влияния давления холодного пластического деформирования на прочность образовавшихся соединений в дискретной среде.

3. С использованием рототабельного плана второго порядка Бокса-Хантера проведен регрессионный анализ технологического процесса изготовления электрод-инструментов из материала "медь-вольфрам" холодной обработкой давлением пористой заготовки, в результате которого получены статистические зависимости эрозионной стойкости, твердости и относительной плотности электродов от содержания вольфрама, размера частиц вольфрама, давления прессования, давления пластического деформирования и температуры отжига.

Сравнение результатов исследования показало, что изменение значения одного и того же параметра может привести к ухудшению одних и улучшению других свойств. Наилучшей эрозионной стойкостью в исследуемых условиях не всегда обладает электрод с лучшими значениями относительной плотности и твердости. Однако полученные значения твердости и относительной плотности электрода, обладающего максимальной эрозионной стойкостью, позволяют избежать разрушения и нарушения геометрической формы и размеров при эксплуатации.

4. Проведен расчет режимов технологического процесса получения медновольфрамовых электродов для электроэрозионной обработки твердосплавных изделий холодным пластическим деформированием пористой заготовки, в результате чего получены следующие режимы технологического процесса производства: содержание вольфрама 70%, давление прессования 600 МПа, температура отжига 600 °С, давление пластического деформирования 2000 МПа, фракция частиц вольфрама -50. С использованием полученных режимов разработан технологический процесс изготовления электродов для электроэрозионной обработки изделий из твердых сплавов.

5. С использованием результатов расчета режимов технологического процесса были разработаны карты технологического процесса производства медновольфрамовых электродов методом пластического деформирования пористой заготовки, которые переданы на МЗПМ "Ферт рум" для промышленного освоения. Данная технология позволит исключить операции жидкофазного спекания и механической обработки. Промышленные испытания опытных образцов электродов показали, что их эксплуатационные характеристики не уступают характеристикам электродов, полученных по традиционной технологии, при этом их себестоимость ниже на 25

6. Результаты теоретического и экспериментального исследований особенностей процесса холодного пластического деформирования пористой заготовки, состоящей из компонентов с резко отличающимися свойствами (математическая модель процесса холодного пластического деформирования пористой заготовки давлениями более 1 ГПа), оценка прироста прочностных свойств за счет схватывания в твердой фазе элементов дискретной (пористой) среды внедрены в учебный процесс в виде лекционного материала по курсу "Теория обработки давлением порошковых и композиционных материалов".

1. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки.- М.: Машиностроение, 1980, 184 с. ил.

2. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Попилов Л.Я.- М.: Машиностроение.- 1971г.-544 с. Табл. 278. Илл. 274. Библ. 369 назв.

3. Справочник по электроэрозионной обработке материалов. Не-милов Е.Ф.- Л.: Машиностроение. Ленегр. отд-ние.- 1989.- 164с.: ил.

4. Мезин И.Ю., Кузнецов М.Г. Создание порошковых электродов для электроэрозионной обработки металлов // XVI Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тез. докл. Миасс: Миасский научно-учебный центр, 1997. - С. 99.

5. Радомысельский И.Д., Щербань Н.И. Упругое последействие при прессовании двухкомпонентных металлокерамических материалов// Порошковая металлургия. 1967. N 4. С. 20-23.

6. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М.: Металлургия, 1969. 262 с.

7. Перельман В.Е. Формирование порошковых материалов. М.: Металлургия, 1979. 232 с.

8. Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А. и др. Феноменологические теории прессования порошков. Киев: Наук, думка, 1982. 140 с.

9. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия: Учебник для техникумов 3-е. изд., перераб.-М.: Металлургия, 1991, 432 с.

10. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна.- М.: Металлургия, 1972- 336 с.

11. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1978. 185 с.

12. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия.-4-е изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1990.- 319 е.:ил.

13. Самсонов Г.В. Электронная теория спекания.//Теория и технология спекания.- К."Наукова думка", 1974.- с. 10-25.

14. Голев В.Д., Мезин й.Ю., Мезина М.А. Развитие контактов между частицами при обработке давлением порошковых материалов// Теория практика процессов обработки композиционных и сплошных материалов: межвуз. сб. МГМИ -Магнитогорск, 1990.- с. 25-33.

15. Семенов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958. 280с.

16. Ивенсен В.А. Течение несовершенных кристаллов при комнатной температуре.//Теория и технология спекания.- К. "Наукова думка", 1974.- с. 105-110.

17. Беляев В.Е., Наумович Н.В., Ядевич А.И. Пластическая деформация у границы соединения при высокоскоростном соударении металлов.// Порошковая металлургия.- 1990.- N 7. с. 12-15.

18. Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. М.,"Металлургия", 1972, 216 с.

19. Gutmunas E.Y., Rabinkin A., Roitberg М. Cold sintering under high pressure of stainless steel powder.//Powder Metallurgy International.- 1980.- 12, N 4.- p. 378-382.

20. Gutmanas E.Y., schefer Y., Zak D. Mechanical properties and microstructure of cold sintered ferrous alloys and composites. //P/m 82. Int. Powder Met. Conf., Florence, Yune 20-25. -Milano. p. 643-650.

21. Gutmanas E.Y. Cold sintering under high pressure mechanisms and application// P/m 82 Eur. Int. Powder Met. Conf. Florence, Yune 20-25, 1982- Milano p. 627-634.

22. Gutmanas E.Y. Cold sinering under high pressure mechanisms arid application.// Powder Metallurgy International.- 1983.15, N 3.- p. 129-132.

23. Goldman D.B., Gutmanas E.Y. Effect of heat treatments on cold sintering of 410L stainless steel.// Powder Metallurgy International.- 1985.- 17, N 6.- p. 269-272.

24. Coldman D.B., Gutmanas E.Y., Zak D. Reduction of oxides and cold sintering of water atomized powder of Ni. Ni - 20 Cr and Nimonie 80A//Y. Mater Sci. dett.- 1985.- 4, N10.- p. 1210-1212.

25. Gutmanas E.Y., Goldman D.B., Harts, Zak D. Cold sintered steel-vanadium carbide composites//Powder Metallurgy International. -1986.- 18, N 6.— p. 401-404.

26. Сахацкий Г.П. Технология сварки металлов в холодном состоянии.- Киев: Наук, думка, 1979.- 295 с.

27. Лашко Н.Ф., Лашко C.B. Некоторые проблемы свариваемости металлов. М.: Машгиз 1963.

28. Дудки Б.В., Инжелевский П.М., Попов Л.Е. Моделирование диффузионных процессов в порошковой металлургии // Физика прочности и пластичности материалов:, Тезисы докладов 14 Международной конференции.- Самара,1995.- С.430-431.

29. Мезин И.Ю. Исследование пьезокалорического эффекта при обработке давлением порошковой среды.// Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб.- Магнитогорск, 1997.- С. 4-11.

30. Красулин Ю.Л. Дислокации как активные центры в топохими-ческих реакциях.//Теоретическая и экспериментальная химия.-1967.- 3, вып. 1.- с. 58-85.

31. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М., "Металлургия", 1976. 264 с.

32. Хренов К.К. Холодная сварка металлов.// Автомат, сварка.- 1963.- N8.- с. 7 12.

33. Айбиндер С.Б. Холодная сварка.- Рига, Изд-во АН Латв. ССР. 1957, 163 с.

34. Корнилов В.М. Феноменологическая модель формирования твердофазного соединения в процессе совместной пластической деформации.// Проблемы материалов и технологий, производство наукоемкой продукции: тезисы докладов.- Пермь, 1993.

35. Parks I.M. Rekrystallization Welding.// The Welding Journal.- 1953.- vol 32, N 5.- p. 209.

36. Костецкий Б.И. Явление схватывания при трении металлов.// Доп. АН УССР.- 1952.- N1.- с.73-80.

37. Атсров Е.И. Планирование многослоийных металлов.- М.: Металлургия, 1965.- 70 с.

38. Гельман A.C. Основы сварки давлением.- М.: Машиностроение, 1970.-312 с.

39. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе.- М.: НАУКА, 1971, 119с.

40. Tylecote R.F. Discussion pressure welding.// Sheet Metal Ind.- 1949.- N 267.- p. 1519-1521.

41. Першин В.Ф. Расчет относительной прочности и координационного числа полидисперсного материала //Порошковая металлургия.-1990.-N 5.- С.14-18.

42. Лещинский В.М., Конотовский В.А. О силовых взаимодействиях частиц при прессовании порошковых материалов.//Пластическая деформация конструкционных материалов.- М."Наука", 1988.- с. 111-116.

43. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. Учебное пособие для вузов. М., Металлургия, 1987.- 325 с.434

44. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. 4-е изд., перераб. и доп. М., Машиностроение, 1977.-424 с

45. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением.-М.:Машиностроение, 1986.-280 с.

46. Шоршов М.Х., Каракозов Э.С., Мякишев Ю.В. Особенности взаимодействия между соединяемыми металлами под влиянием повышенной температуры и давления.//Физика и химия обработки материалов.- 1971.- N 6.- с.68-74.

47. Бенгус В.З.- ДАН СССР, 1966, т. 179, N1 с.70.

48. Ахназаров С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учеб. пособие для химикотехнологи-ческих вузов.-М.: Высш. школа, 1978.-319 е., ил.1. АЪЬ