автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Упрочнение поверхности структурно-неоднородных металлоизделий методом пластической деформации

Введение.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕФОРМАЦИОННО- СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОРИСТУЮ СРЕДУ.

1.1. Характеристики деформационной структуры антифрикционных пористых материалов. Э

1.2. Анализ вопроса пластического деформирования пористого материала.

1.2.1. Особенности пластической деформации пористых материалов.

1.2.2. Роль холодной пластической деформации в методах по-оошковой металлургии.

2.3. Исследование процесса упрочнения пористого изделия калиброванием.

1.3. Применение теории холодной сварки давлением для объяснения консолидации элементов дискретных сред.

1.3.1. Причина и механизмы образования твердофазного соединения пластическим деформированием.

3.2. Формирование соединения между компонентами структурно-неоднородных пористых систем при их пластической деформации.

4. Выводы и задачи исследования.

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ КОНСОЛИДАЦИИ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА ПРИ

ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ.

2.1. Анализ напряженного состояния при калибровании пористой втулки.

Анализ деформированного состояния при калибровании пооистой втулки.

17t-f тг j—i m*T .*-. -r»* r .-n -r-. in . r—. * r -rr -r m л-» yin . т ,-t -rr -г гЛ „—« i-v лтттг« с. o. jfujiuxjuenyie ±s ис у ЛЬ х dT b пшииуивсшип . . и/

2.4. Формирование соединения в структурно-неоднородной среде.

2.5. Выводы по главе.

3. АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННОЙ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ.

3.1. Обоснование реологических особенностей обрабатываемого сжимаемого материала.

3.2. Апробация математической модели калибрования пористой цилиндрической втулки.

3.3. Прогнозирование прочностных характеристик спеченных заготовок, подвергшихся поверхностной пластической деформации.

3.4. Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССОВ К0НС0ЖДАЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА.

4.1. Методика проведения эксперимента.

4.2. Обработка полученных результатов.

4.3. Выводы по главе.

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ.

5.1. Анализ требований, предъявляемых к поверхностям скольжения пористых подшипников, и способы их достижения.

5.2. Разработка методики определения технологических параметров по формированию прочностных свойств поверхности пористых подшипников калиброванием.

5.3. Разработка технологии и режимов производства пористых металлоизделий с упрочненной поверхностью.

5.4. Внедрение результатов диссертационной работы по исследованию процесса формирования упрочненной поверхности пористого изделия холодным пластическим деформированием в учебный и производственный процессы.

5.5. Выводы по главе

Эффективность работы многих объектов транспорта, машиностроения, энергетики, бытовой и военной техники определяется узлами тренин - подшипниками, тормозами, передаточными устройствами, уплотнениями и др. Поскольку около 80 % машин и отдельных узлов выходит из строя в результате износа деталей, работающих на трение, то современное машиностроение требует применения деталей и изделий из антифрикционных пористых металлических материалов (подшипники скольжения, торцевые уплотнения, распорные втулки, подпятники, поршневые кольца, шарнирные устройства, вкладыши, уплотнения, скользящие токосъемники и др.) с высоким комплексом технологических и эксплуатационных характеристик, повышенной долговечностью и надежностью их работы.

Для изготовления антифрикционных деталей с повышенной плотностью поверхностных слоев из материалов на основе железа с целью повышения долговечности и прочности, износостойкости и коррозионной стойкости целесообразно использовать способ дополнительной обработки давлением формованных заготовок, предварительно подвергшихся спеканию. В процессе поверхностной пластической деформации металла происходит образование тончайшего слоя, имеющего отличную от сердцевины структуру, способную благоприятно влиять на эксплуатационные свойства изделия.

Применительно к пористым металлическим изделиям поверхностную обработку давлением с целью модификации поверхности можно реализовать через калибрование, основанное на деформации поверхностного слоя изделия продавливанием или обжатием в калибровочных пресс-формах. В настоящее время калибрование рассматривается в основном только как отделочная операция, совмещающая в себе доводку Пи размеру и по Ширме, и не учитывающая вероятность изменения структуры металла и вызванное этим изменение свойств за счет физико-химических процессов при обработке давлением. Последнее направление, а тленно использование пластической деформации к необратимо сжимаемым металлам с целью осуществления межчастичных взаимодействий составляющих композицию компонентов, теоретически развито недостаточно. Поэтому вопрос механического упрочнения материала поверхности рассматриваемы}': изделий представляет интерес в плане выявления особенностей формирования механических свойств пористых металлических .композиций в результате физико-химического взаимодействия компонентов в твердой фазе.

В настоящей работе изучается возможность образования твердофазного соединения из дискретных составляющих пористых металлических сред наряду о их уплотнением и упрочнением в результате деформационно-силоеого воздействия при калибровании пористого изделия. Таким образом, обработка давлением воздействует на структуру и свойства некомпактных сред и выступает в роли консолидирующей операции для материала поверхности пористого изделия.

Процессы, происходящие во время консолидации несплошных материалов, аналогичны процессам, тлеющим место при холодной сварке давлением компактных материалов, но из-за наличия пор имеют вероятностный характер. Поэтом*/ теоретические объяснения физико-химических процессов, происходящих в дискретной среде при ее пластическом деформировании, основаны на механизме взаимодействия 'металла в твердой фазе под действием приложенного силового воздействия.

Целью настоящей работы является г Совершенствование технологии изготовления антифрикционных изделий с повышенными зкоплуатационными характеристиками рабочей поверхности на основе упрочнения, уплотнения и формирования межчастичных связей при деформационно- силовом воздействии.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- с использованием методов математического моделирования оценить напряженно-деформированное состояние сжимаемого материала типа щшшдрической втулки при внешнем силовом воздействии;

- для рассматриваемого случая деформирования адаптировать кинетическое уравнение прочности твердофазного соединения из металлических дискретных составляющих пористого материала, возникающего при обработке давлением;

- осуществить расчетную и экспериментальную оценку разработанных теоретических положений, влияния технологических параметров деформационного характера на структуру и прочностные свойства поверхности материалов;

- разработать усовершенствованную технологию производства пористых металлоизделий антифрикционного назначения на примере подшипника скольжения ленточного конвейера, втулки крышки стартера с учетом повышения прочностных свойств раб-очей поверхности.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель оценки напряженно-деформированного состояния пористого осесимметричного изделия при его калибровании с целью определения энерго-силовых параметров процесса с учетом предложенной реологии сжимаемой и упрочняемой среды;

- проведена аналитическая оценка прироста прочности пористого изделия при его деформировании за счет сварочных явлении, наб

ЛЮДйвМЫХ Б ДИСКрёТНОй СреД9,

- получены новые научные знания о схватывании в пористой металлической среде, которое сопровождается повышением прочностных свойств и при определенных условиях является составляющей процесса деформирования несплошной металлической среды наравне с ее уплотнением и наклепом.

Практическая ценность работы:

- обоснована возможность создания изделий с необходимыми эксплуатационными свойствами посредством обработки давлением пористых материалов;

- определена возможность прогнозирования прочностных характеристик пористых металлических композиций, применяя процесс калибрования не только как дополнительную обработку, а как операцию, преследующую цель упрочнения материала за счет схватывания структурных элементов и приближения их по свойствам к компактным материалам, формирования требуемой структуры поверхности при относительно пористой сердцевине заготовки:

- разработан и опробован типовой технологический процесс производства антифрикционных материалов с модифицированной поверхностью на примере подшипника скольжения для ленточного конвейера и втулки крышки стартера с учетом повышения прочностных свойсв рабочей поверхности.

Работа выполнена в лабораториях кафедры "Материаловедение, качество и сервис металлургических и машиностроительных технологий" Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова.

-1 ЛТТДТТТлТ-) ПЛПТЧ1ПЛ1 жгмг» Л 7 ГМГТ ПППППП >.»Д ТГГПТ.4- Я ТГ Л ГУ пгтгпт тдтг

НПАЛИО Ii.ruщиПЖГионПЛЛ пиОШ и ШН.1ИГШИЛН О ГСлМЛГИН1£

ДЕФОРМАЦИОННО-СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОРИСТУЮ СРЕДУ

-5.5, Выводы по главе

1. На основе анализа требований, предъявляемых к рабочим поверхностям подшипников скольжения, описаны возможные дефекты, возникающие при калибровании, и способы их предотвращения.

2, Разработана методика определения усилия калибрования и значения сопротивления деформации, окончательной пористости изделия и Еклада схватывания в общий прирост прочностных свойств для осуществления операции калибрования подшипников скольжения типа

5 ? гт»т г "7Т7 я « Т л*"» Т **ТТ* птV «Т! ' Г1 . «"V Л-*. * т тх ? 5 4 I Г-1 тгтт 1ГТ-Г ттт 1ГТ п .птлш ш—р -.«г . «■ г-т -»т чт г-г "гг .—к т-г «г» 1 тггг тч ¡-п с-ТуЛКсь луьишш иТартеусл и нидшшшигь илиштенуш А*Ш1 лелТичних'и конвейера" о модифицированной поверхностью для выбора оборудования и проектирования пресс-инструмента.

3, Разработан технологический процесс производства антифрикционных изделий на основе пористого железа с упрочненной и уплотненной рабочей поверхностью применительно к условиям имеющегося оборудования РШ "МАРС" АО ММК на примере подшипников скольжения: подшипник шарового пальца, подшипник скольжения для ленточного конвейера, втулка крышки стартера, работающих в условиях различной тяжести. Так, например, с целью получения подшипника скольжения ленточного конвейера из материала марки ПА-ЖГр1,5Д2}5К0,5 конечной пористости 18 % и значением поверхностной твердости выше 1000 МПа, что повысит износостойкость и срок службы изделия, следует применить обжатие спеченной втулки в конической матрице с углом заходной части 5° и протяженностью 12,55 мм,

4. Сравнительные испытания показали, что изделия, изготовленные по разработанной технологии, обладают более высоким комплексом механических свойств, чем изделия, полученные по принятой технологии. Так значение поверхностной твердости опытных откалиб-рованных немаолопропитанных втулок выше на 25 % по сравнению с маолопропитанными и затем откалиброванными и на 30 % по сравнению со втулками, изготовленными по традиционной технологии, а по сравнению с некалиброванными выше на 20-30 %. При этом удельное усилие калибрования маслопропитанных втулок выше на 30-50 % относительно обычных втулок. Следовательно, дополнительная обработка давлением пористых металлоизделий при отсутствии масла в порах повлечет увеличение срока службы изделий.