Введение к работе
Диссертация посвящена получению износостойкого композиционного материала - карбидостали, составляющими которой являются быстрорежущая сталь и карбид титана, методом горячей штамповки, изучению особенностей его структуры и свойств. Для получения материала разработана технология горячей штамповки неспеченного порошка в пористой оболочке. Выбор для разработки технологии и исследования этой карбидостали обусловлен, в первую очередь, значительной потребностью машиностроения в такого рода износостойких материалах.
Актуальность темы. Машиностроительные области России нуждаются в большой номенклатуре конструкционных деталей из износостойких материалов, которые должны отвечать высоким требованиям надежности, долговечности, экономичности при отсутствии смазки, работе в вакууме, агрессивных газовых и жидких средах. К такому классу материалов относятся карбидостали, которые состоят из легированных сталей и карбидов с массовой долей до 50 %.
В США, Японии, Германии создано промышленное производство карбидосталей на основе технологии жидкофазного спекания. В СССР для получения карбидосталей промышленным способом использовали технологию горячего изостатического прессования (ГИП) с последующей обработкой давлением путем экструзии нагретых заготовок. По этой технологии выпускали порядка десяти разных марок карбидосталей, в том числе карбидостали типа быстрорежущая сталь - карбид титана (20 мае. %). Все указанные технологии многооперационные, а технология ГИП/экструзия обеспечивает получение лишь длинномерных прутковых заготовок. С точки зрения повышения экономичности определенной альтернативой применяемым технологиям может стать технология горячей штамповки, исключающая операции длительной термической обработки (спекание, ГИП) и
обеспечивающая получение заготовок с размерами, близкими к готовому изделию, заданными плотностью и характеристиками прочности.
Таким образом, комплексное исследование фазового состава, структуры и свойств горячештампованной карбидостали «быстрорежущая сталь - карбид титана» для производства высокоизносостойких материалов и изделий, которые после штамповки не нуждаются или нуждаются лишь в незначительной механической обработке, а также создание научно-обоснованной технологии получения карбидосталей посредством подготовки порошкового сырья к переработке, холодного уплотнения и горячей штамповки порошковых заготовок, является актуальной научной и практической задачей в сфере порошковой металлургии и композиционных материалов.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой кафедры систем управления и технологических комплексов Кубанского государственного технологического университета № 4.1.06-10 «Развитие высокоскоростных и прецизионных обрабатывающих систем на базе интеллектуальных обрабатывающих технологических комплексов и инструментов нового поколения» (2006 - 2010 гг.) и договором № 13-06/4-9 о взаимодействии, совместной научной и производственной деятельности между Государственным научно-техническим центром «Новейшие материалы и технологии» Института проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Кубанским государственным технологическим университетом и Производственным предприятием «Техосна-стка-Инструмент» (2004 - 2007 гг.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является установление закономерностей влияния размола порошкового сырья и термомеханической обработки заготовок из него на свойства карбидостали «быстрорежущая сталь Р6М4ФЗК5Х4 - карбид титана» и разработка на этой основе технологии получения конструкционных износостойких изде-
лий из неспеченного порошка в пористой оболочке методом горячей штамповки.
Для достижения поставленной цели был поставлен ряд задач, решению которых и посвящена настоящая работа:
Установить закономерности механического диспергирования и приготовления смесей порошков карбидостали в аттриторе и определить физические, химические и технологические свойства размолотых порошков.
Методом компьютерного моделирования установить особенности горячего уплотнения порошка карбидостали в пористых металлических оболочках.
Установить технологические параметры горячей штамповки заготовок из порошков карбидостали.
Изучить особенности структурообразования и фазовый состав карбидостали в процессе ее получения методом горячей штамповки неспеченных заготовок.
Установить физико-механические свойства карбидостали, формирующиеся в результате обработки давлением и термической обработки порошковых заготовок.
Разработать и апробировать технологические схемы получения износостойких конструкционных изделий методом горячей штамповки из неспеченных порошков в пористых оболочках.
Научная новизна.
1. Методом компьютерного моделирования процесса укладки полидисперсных частиц порошковой карбидостали Р6М4ФЗК5Х4 - 20 % ТІС установлены соотношения их размеров, которые обеспечивают относительно равномерное распределение твердых включений в матричном материале. Рекомендуемое соотношение размеров частиц порошка основы к
твердым включениям составляет (2,5...5): 1. Результат, полученный на основе четырехпараметрической модели вместо моно- и двухпараметриче-ской, отличается от известных ранее тем, что устанавливает допустимые интервалы размеров частиц материала основы.
Установлены особенности горячего уплотнения порошка карбидостали в пористых оболочках методом компьютерного моделирования, отличающиеся от известных тем, что в отличие от горячего уплотнения порошка карбидостали с применением оболочек из компактных материалов при использовании пористых оболочек возможно регулирование распределения пористости в объеме изделия. Установлено, что направление течения уплотняемого материала и конечное распределение плотности определяется соотношением исходных плотностей оболочки и уплотняемого порошка Установлено, что полное уплотнение карбидостали обеспечивается при штамповке в оболочках с толщиной донышка, значительно превышающим толщину слоя карбидостали.
Впервые получена графическая экспоненциальная зависимость уплотняемости свободно засыпанного порошка карбидостали при горячей штамповке при температуре 1180 С, в отличие от известных ранее результатов, описывающих горячую штамповку предварительно сформованных пористых заготовок.
4. Новизна установленного факта отсутствия кольцевой зоны во
круг карбидного зерна состоит в том, что при использовании метода го
рячей штамповки порошка карбидостали в оболочке не успевает про
изойти значительного диффузионного взаимодействия легирующих эле
ментов стали с карбидом титана, как это имеет место в спеченной кар
бидостали. В карбидном зерне сохраняется химический состав, что
обеспечивает высокую твердость как карбидных включений, так и мате-
риала в целом. Это способствует увеличению износостойкости штампованного материала по сравнению со спеченным.
Практическая ценность и реализация полученных результатов.
Предложена новая технологическая схема размола, отличающаяся введением в технологический процесс операции предварительного размола порошка карбида титана до заданного размера частиц, что гарантирует получение в готовой шихте требуемого соотношения размеров частиц стали и карбида титана (патент на полезную модель № 49476 от 27.11.2005г.).
Разработана общая технологическая схема процесса горячей штамповки неспеченных порошков в оболочках, включающая все операции технологического процесса от подготовки исходной шихты к переработке до отделочных операций готового изделия.
Разработано устройство для изготовления заготовок из неформую-щегося порошка карбидостали в оболочке, на которое также получен патент на полезную модель № 67494 от 27.10.2007г.
Предложенная технология получения изделий из карбидосталей методом горячей штамповки апробирована в опытно-промышленных условиях на производственном предприятии «Техоснастка - Инструмент».
Личный вклад автора. Автором (совместно с научным руководителем) определена цель и поставлены задачи исследований. Проведена обработка и обсуждение результатов исследований, сформулированы основные положения, выводы и рекомендации по диссертационной работе.
Проведено компыотерно-иммитационное моделирование укладки частиц быстрорежущей стали и карбида титана в размолотой шихте и экспериментально исследован процесс размола шихты карбидостали в аттри-торе, установлены значения рабочих параметров размола. Сформулирована идея предварительного размола карбида титана до заданного размера
Метод разработан в Луцком государственном техническом университете (ЛГТУ).
частиц. Эта идея стала основой запатентованной технологической схемы приготовления шихты для получения карбидостали.
Сформулирована идея изготовления заготовок в специальном устройстве, обеспечивающем получение оболочек и заготовок в одной матрице. Эта идея также стала основой запатентованного устройства для изготовления заготовок из неформующегося порошка карбидостали в оболочке.
Проведено компьютерное моделирование горячего уплотнения не-спеченных шихт карбидостали, заключенных в оболочки2. Рекомендованы конструкции оболочек для различных изделий из карбидосталей. По разработанной экспериментально-расчетной методике построена кривая уп-лотняемости свободно засыпанного порошка карбидостали при его горячей штамповке.
Изучены особенности структурообразования и фазовый состав карбидостали в процессе ее получения методом горячей штамповки неспе-ченных заготовок. Установлено отсутствие кольцевой зоны вокруг карбидного зерна, как это имеет место в спеченной карбидостали.
Разработана технологическая схема процесса получения карбидостали, методом горячей штамповки пористых заготовок с оболочкой, в соответствии с которой реализована опытно-промышленная технология. Автор лично участвовал в проектировании оснастки, выборе оборудования и отработке технологического процесса.
Апробация результатов диссертации. Работа выполнялась в Кубанском государственном технологическом университете на кафедре систем управления и технологических комплексов. Основные научные положения диссертации представлялись па всероссийских и международных конференциях: VII Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Механики - XXI веку», Братск, 18-20 марта 2008 г.; VI международной научно-технической конференции «Материалы
Метод разработан в Институте проблем материаловедения (ИГШ) НАН Украины.
и технологии XXI века», Пенза, март 2008 г.; 7-ой международной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия", Минск, Беларусь, 16-17 мая 2006 г.; международной конференции «EURO РМ 2005. Congress & Exhibition Proceedings», октябрь 2005 г., Прага, Чешская республика; международной конференции «Proceeding of the International Conference DF PM 2005. Deformation and Fracture in Structural PM Materials», 27-30 сентября 2005 г., Словакия; международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Киев, Украина, 26-30 сентября 2005 г.; III международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», 13-17 сентября 2004 г., Кацивели, АР Крым, Украина; международной конференции «Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике», 8-12 сентября 2003 г., Киев, Украина; международной конференции «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and challenges», 4-8 ноября 2002 г., Киев, Украина.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ (две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень ВАК РФ), в том числе получено два патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (126 наименований) и приложений. Общий объем диссертации составляет 203 страницы машинописного текста и содержит 71 рисунок, 15 таблиц.
