Введение к работе
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-
гии.
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 высо-коплогных 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 <*-ї-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 Ra= 2,8мкм ДО Ra= 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.