Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 12
-
Процессы гомогенизации при производстве порошковой стали 12
-
Характеристики углеродсодержащих компонентов для порошковых 15 сталей
-
Превращения в углеродистых сталях 21
-
Процесс спекания 26
-
Сфероидизирующий отжиг для углеродистых сталей 37
-
Технологические процессы изготовления деталей из порошковых ста- 41 лей
-
Химико-термическая обработка металлов и сплавов 47
-
Многокомпонентное насыщение металлов и сплавов 48
-
Классификация и сравнительная оценка методов многокомпо- 53 иентиого диффузионного насыщения поверхности металлов
1.8. Выводы, цель и задачи исследования 64
2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИС- 67
СЛЕДОВАНИЙ
2.1. Характеристики исходных материалов 67
-
Характеристики железных и низколегированных порошков 67
-
Характеристики углеродсодержащих компонентов 69
-
Характеристики материалов, выбранных для проведения много- 73 компонентного диффузионного насыщения порошковых сталей.
2.2. Оборудование, оснастка и технология изготовления образцов 82
-
Описание технологических процессов изготовления образцов. 82
-
Оборудование и оснастка для изготовления образцов. 86
2.3. Оборудование и методики изучения структуры. 92
2.3.1. Микроструктурпый анализ 92
2.3.2. Электронная микроскопия 93
-
Микрорентгеноспектральный анализ 94
-
Рентгенофазовый анализ 96
2.4. Оборудование и методики изучения свойств порошковых материалов 97
-
Определение общей и поверхностной пористости 97
-
Испытания на растяжение 100
-
Исследования износостойкости и трибологические испытания Ю0
-
Испытания на трещиностойкость 105
-
Испытания на коррозионную стойкость 106
-
Испытание на жаростойкость 108 2.4.7.Испытания на коррозионно-механический износ 109
-
Испытания на изгиб 110
-
Испытания на ударную вязкость 111
2.4.10. Испытания на усталостную долговечность 112
2.5. Определение комплексного влияния технологических параметров ком- 113
плексного диффузионного насыщения на толщину диффузионного слоя ме
тодом математического планирования.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ ШИХТЫ, ПРЕС- 119
СОВАНИЯ И СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВВЕДЕНИИ
УГЛЕРОДА РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ.
-
Нетрадиционные углеродсодержащие компоненты и особенности про- 120 цессов приготовления шихты и её прессования при их применении.
-
Влияние типа углеродсодержащего компонента на механизм спекания 128
-
Кинетика уплотнения при электроконтактном спекании порошковых ста- 157 лей.
-
Выводы 170
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ И ПОСЛЕ- 174
ДУЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ ПРИ
ВВЕДЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПО
НЕНТОВ
4.1. Исследование процессов протекающих при ГШ порошковых сталей. 174
4.2 Исследование структурообразоваиия и формирование свойств порошко- 1 86
вых сталей, содержащих в шихте УСК различной природы после термообра
ботки..
4.2.1. Влияние скорости охлаждения после горячей допрессовки образцов 187 и при проведении закалки.
-
Исследование структурообразоваиия и свойств порошковых сталей 198 при отпуске.
-
Исследование структурообразоваиия и свойств порошковых сталей 205 после диффузионного отжига.
4.3. Исследование структурообразоваиия и свойств порошковых сталей по- 208
еле проведения термоциклической обработки.
4.4. Выводы 211
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДИФФУ- 214
ЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ
5.1. Характеристика структурных составляющих порошковых материалов 215 подвергнутых многокомпонентному диффузионному насыщению.
5.2. Исследование параметров многокомпонентного диффузионного насы- 235
щения порошковых сталей
-
Выбор оптимальных параметров индукционного нагрева. 259
-
Расчет коэффициента совместной диффузии при многокомпонентном диффузионном насыщении
-
Влияние режимов многокомпонентного диффузионного насыщения на 271 показатели качества поверхностного слоя и свойства порошковых сталей
-
Выводы 279
6. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ 281
МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ.
6.1. Механические свойства порошковых материалов после многокомпо- 282 нентного диффузионного насыщения.
-
Износостойкость порошковых материалов после многокомпонентного 295 диффузионного насыщения.
-
Коррозионная стойкость порошковых материалов после миогокомпо- 309 нентного диффузионного насыщения.
-
Жаростойкость порошковых материалов после многокомпонентного 325 диффузионного насыщения.
-
Исследование коррозионно-мехаиического износа после миогокомпо- 331 нентного диффузионного насыщения
6.6. Выводы. 337
7. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. 339
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 355
ЛИТЕРАТУРА 358
ПРИЛОЖЕНИЯ 376
Введение к работе
В настоящее время порошковая металлургия (ПМ) превратилась из альтернативы традиционной металлургии в динамично развивающуюся самостоятельную науку. К преимуществам порошковой металлургии (ПМ) можно отнести полную автоматизацию процесса, высокий коэффициент использования материалов, экологическую чистоту и, как следствие, высокую культуру производства. Расширилась номенклатура изделий, изготовляемых методом порошковой металлургии. Данная технология дает возможность получать псевдосплавы, обладающие в ряде случаев уникальными, недостижимыми для традиционных материалов, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Приведенные соображения позволяют сделать заключение о том, что порошковая технология останется перспективным направлением.
В настоящее время порошковые материалы применяются практически во всех известных отраслях науки и техники, начиная от биомедицины и микроэлектроники до аэрокосмической техники. Это широкая гамма конструкционных и триботехнических материалов, инструментальных материалов, материалов специального назначения и т.д., обладающих высокой жаростойкостью, износостойкостью, стойкостью в агрессивных средах. Метод ПМ особенно эффективен в тех случаях, когда изготовление изделий с заданными свойствами невозможно традиционными способами. Порошковая металлургия особенно эффективна при больших масштабах производства различного типа конструкционных деталей (шестерни, втулки, крышки и многих других). В этом случае практически отсутствуют потери материала, которые имеют место при механической обработке заготовок.
В основе производства всех указанных материалов лежит три основных операции: получение исходных порошков, формование из них заготовок заданной формы и прочности, достаточной для дальнейшего манипулирования и спекания, предназначенное для окончательного формирования прочностных и специальных свойств.
7 К настоящему времени разработано большое количество технологических методов получения порошковых изделий. Быстро развивается сырьевая база: методы получения металлических порошков имеют своей целью не только утилизацию отходов «традиционной» металлургии и металлообработки, по и создание специальных порошков с особыми свойствами. Велика номенклатура порошковых материалов. Разработаны методы дополнительной обработки порошковых изделий с целью повышения их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик. Все это было достигнуто в результате решения тех задач, которые ставились перед порошковой металлургией. Тенденция ее развития состоит в непрерывном росте выпуска и потребления металлических порошков и изделий на их основе. Основным потребителем порошковых изделий является автомобильная промышленность, на долю которой приходится до 70 % от общего объема продукции порошковой металлургии [3]. Номенклатура деталей для автомобилей очень разнообразна: шестерни, звездочки, втулки, кольца, шатуны, подшипники и другие'-детали. При этом она постоянно пополняется новыми деталями, производство которых переводится на технологии порошковой металлургии [9, 25].
Следует, однако, отметить, что внедрение методов порошковой металлургии применительно к производству деталей различного назначения происходит в жесткой конкурентной борьбе с традиционными технологиями штамповки, литья, механической обработки, прокатка. Дальнейшее расширение номенклатуры изделий порошковой металлургии зависит от разработки эффективных и конкурентоспособных методов повышения их эксплуатационных свойств. Среди таких методов следует назвать, прежде всего, горячую штамповку (ГШ) пористых заготовок, которая хорошо зарекомендовала себя, как простой и надежный способ получения высокоплотных порошковых изделий [2,138,140].
Развитие общества и экономики в последнее время идут в условиях ограниченности ресурсов, что накладывает особые требования по снижению затрат
8 на производство во всех отраслях промышленности и в порошковой металлургии в частности. Причем необходимо использовать и новые источники сырья, к примеру, взятые из отходов производства [128] или применять менее дорогостоящие технологии, позволяющие снижать энергозатраты. К ним в частности относятся нагрев ТВЧ и электроконтактное спекание [144, 148, 150].
Однако в настоящее время обеспечение лишь только беспористого состояния материала не является основной задачей. Первостепенное значение приобретают возможности расширения области применения методов порошковой металлургии, за счет создания порошковых материалов (ПМ) с повышенными эксплуатационными свойствами.
Обеспечение необходимого сочетания технологичности и надежности изделия, совместно с обеспечением требуемых свойств осуществляется за счет улучшения (изменения) структуры материалов.
Результаты исследований [39] показали, что использование нетрадиционных порошков углеродосодержащих компонентов (УСК), а также проведение термоциклической обработки, химико-термической обработки повышает эффективность производства порошковых сталей и обеспечивает требуемый уровень их физических и механических свойств. Естественно, чем выше достигнутый уровень свойств, применяемых материалов, тем более глубокое изучение механизма структурных изменений и путей управления ими требуется для дальнейшего повышения этого уровня. Важнейшими задачами, от решения которых зависит дальнейший прогресс в области производства порошковых конструкционных материалов, являются исследование структурообразования на всех этапах их получения.
Форма, размеры и распределение легирующих элементов и особенно углерода оказывает существенное влияние на механические и технологические свойства материалов. Повышенное количество нерастворившихся частиц УСК приводит к снижению пластичности, вязкости и прочности материалов. Отрицательное их влияние тем заметнее, чем выше плотность материала. При полу-
9 чении материала ГШ, когда продолжительность выдержки при высокой температуре сводится до минимума, углерод и процесс его растворения играет определяющую роль в формировании структуры и свойств порошковых материалов. При этом одним из этих важных факторов является природа используемых УСК, их чистота и структура. Поэтому представляется актуальным изучение влияния порошков вводимых УСК на формирование структуры материалов и комплекса физических и механических свойств на всех этапах технологического процесса получения и последующей термической обработки (ТО) порошковых сталей 110, 24].
11ри широком применении в современных машинах и конструкциях агрессивных сред, высоких температур и нагрузок к деталям и узлам предъявляется такой комплекс требований, удовлетворение которого методами объемного легирования сталей или созданием новых сплавов невозможно или нецелесообразно с экономической точки зрения. В этом случае решение вопроса заключается в создании на поверхности изделий защитных и функциональных покрытий.
Перспективным в этом отношении представляется использование химико-термической обработки (ХТО), позволяющей радикальным образом изменись физико-химические свойства поверхностных слоев. Однако до настоящего времени использование ХТО при изготовлении порошковых деталей ограничивается лишь цементацией, нитроцементацией и парооксидированием. При получении пористых порошковых изделий методом «прессования - спекания» использовались хромирование, борирование, силицирование, алитирование 131 ]. Применительно же к горячедеформированным порошковым материалам (ГДПМ) комплексное нанесение покрытий не изучалось. Несмотря на большое количество исследований процессов диффузионного насыщения компактных сталей [30, 36], оно имеет весьма ограниченное промышленное применение [13, 59]. Это связано, главным образом, с трудностями создания качественных (бес-пористых) слоев, обеспечивающих наилучшую коррозионную стойкость.
10 Применение таких методов нанесения покрытий как хромосилицирова-ние, хромоалюмосилицирование позволяет повысить жаропрочность, коррозионную стойкость и износостойкость.
Повышение температуры диффузионного насыщения выше эвтектической и выдержка до момента подплавления позволяют получать беспористые диффузионные слои [9, 12, 17, 28, 48, 50].
Однако сведения по выбору рациональных методов комплексного диффузионного насыщения, технологических схем, режимов насыщения и ГШ, состава насыщающей среды и насыщаемых материалов, а также последующей термической обработки (ТО), в литературе отсутствуют. Решение этих задач позволит расширить номенклатуру изделий из порошковых сталей, потому что диффузионные слои на порошковых материалах на основе железа отличаются высокими коррозионно-, жаро- и износостойкостью. Многокомпонентное диффузионное насыщение позволяет получить необходимое сочетание указанных свойств. Получение аналогичных свойств обеспечивают и другие методы ХТО, например хромирование. Но в отличие от него главным преимуществом комплексного насыщения является обеспечение коррозионной стойкости в серной, соляной кислотах и более высокую износостойкость. На основании этого комплексное насыщение целесообразно использовать в тех случаях, когда допустимый размерный износ деталей и сопряжений достаточно велик [20]. На защиту выносятся следующие положения:
Сравнительная характеристика порошков углеродсодержащих компонентов, включая нетрадиционные, использованных для легирования порошковых углеродистых сталей.
Закономерности формирования структуры и свойств порошковых углеродистых сталей при введении в шихту различных углеродсодержащих компонентов.
Особенности структуры и свойств порошковых углеродистых сталей, содержащих различные порошки углеродсодержащих компонентов, после проведения ТО.
Сравнительная характеристика методов многокомпонентного диффузионного насыщения порошковых сталей.
Особенности проведения многокомпонентного диффузионного насыщения, оптимизация технологических параметров в зависимости от вида УСК и предыдущих технологических операций.
Рекомендации по промышленному использованию результатов исследований.
Методики и устройства.
