CC BY
30
УДК 621.762
ПОРОШКОВЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВАННЫЕ БИМЕТАЛЛЫ ЖЕЛЕЗОГРАФИТ-КАРБИДОСТАЛЬ, ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ,
СТРУКТУРА, СВОЙСТВА
© 2014 г. Е.Н. Бессарабов, Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, А.В. Ганшин
Бессарабов Евгений Николаевич - аспирант, кафедра «Материаловедение и технология материалов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: bess_555en@mail.ru
Дорофеев Юрий Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: dgp2000@mail.ru
Дорофеев Владимир Юрьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: dvyu56.56@mail.ru
Ганшин Алексей Васильевич - канд. техн. наук, доцент, проректор по социально-экономической работе, СевероКавказская государственная гуманитарно-технологическая академия. E-mail: ganshin1310@mail.ru
Bessarabov Eugene Nikolaevich - post-graduate student department «Material Science», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: bess_555en@mail.ru
Dorofeyev Yuriy Grigorevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Material Science», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: dgp2000@mail.ru
Dorofeyev Vladimir Yurevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Material Science», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: dvyu56.56@mail.ru
Ganshin Aleksey Vasilevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Vice Rector for Socio-Economic Work, North Caucasus State Humanitarian-Technological Academy/ E-mail: ganshin1310@mail. ru
Содержатся оригинальные результаты исследования порошковых горячештампованных биметаллов железографит-карбидосталь, расширяющие технологические возможности получения многослойных формовок с вертикальным расположением разнородных слоев с заданными относительными плотностями наружного и внутреннего слоев без искривления и «размывания» переходного слоя.
Ключевые слова: порошковые материалы; многослойная формовка; относительная плотность; холодное прессование; горячая допрессовка; дифференцированное уплотнение.
This paper considers the specific research experimental results extending the ways of рowder hot stamping composite bimetals (graphite iron carbide steel), obtaining composite-based bimetals and moldings with vertical arrangement with specified relative density of the both layers without bending and blending in the transition layer.
Keywords: powder metals; multilayer molding; bimetals; relative density; cold pressing; hot stamping; controlled compaction.
Одним из наиболее перспективных направлений производства деталей методами порошковой металлургии является получение горячештампованных биметаллических изделий, обладающих, как известно, особыми свойствами при минимальном расходе дорогих и дефицитных материалов. Однако создание качественного изделия при этом сопряжено с рядом факторов и проблем, которые необходимо учитывать на протяжении всей технологической цепочки производства.
Имеется множество публикаций, связанных с технологиями и получением биметаллов из различных материалов [1 - 4]. Однако все они мало затрагивают проблемы, связанные с геометрией контактного слоя, его изменением в процессе получения изделия на всех его этапах, химическим составом слоя, его толщиной и стимулами для их изменения, а также управлением процесса формирования слоя и регулировкой свойств
слоев на этапе холодного прессования. При разных сочетаниях материалов слоев биметаллов могут возникать вопросы, связанные с резким различием их температурных характеристик, технологических свойств, предотвращением перемешивания порошков в переходной зоне и др.
Целью работы является: изучение геометрии, толщины контактного слоя, его изменений в процессе получения изделия методом ГШ, а также структур, механических свойств и химического состава переходной зоны слоев.
Технология изготовления образцов и методика проведения исследований
Технология получения порошковых двухслойных горячештампованных образцов включала приготовление порошковых шихт и навесок из них, поэтапную
засыпку порошка и его подпрессовку с последующим спеканием и ГШ. Для изготовления цилиндрических образцов использовали шихты следующих составов: наружный слой ПК-40 - железный порошок ПЖР 3.200.28-30 (основа) + 0,6 % по массе графита марки ГК-3; внутренний (карбидосталь) - распыленный низколегированный стальной порошок ЛstaloyMo, содержащий 1,50 % по массе Мо, производства фирмы Hеganаs АВ + 20 % по массе порошка карбида титана + 0,6 % по массе графита марки ГК-3. Выбор материалов слоев определялся тем, что шихта для получения внутреннего слоя из карбидостали обладает очень плохой прессуемостью, поэтому ее деформация при прессовании должна быть ограничена достаточно прочной пористой оболочкой, не разрушающейся при извлечении иглы и засыпке внутреннего слоя. В нашем случае экспериментально установлено, что для шихты ПК-40 предел минимальной формуемости начинается с плотности в 43 %. До этой величины заготовка слишком хрупка для каких-либо манипуляций с ней.
СХП производилось по предложенному нами способу [5] в специально разработанной для этого лабораторной пресс-форме, которая позволяет осуществлять двустороннее прессование двуслойных порошковых формовок с требуемым распределением плотности и прочности разных слоев. Специальная пресс-форма состоит из: 1 - матрицы, 2 - верхнего и нижнего трубчатых пуансонов, 3 - стержня, 4 - верхнего и нижнего центральных пуансонов, 5 - верхнего и нижнего цельных пуансонов, 6 - упоров для выбивки заготовки после ГШ. В полости прессформы показан образец 7 перед ГШ и поперечно разрезанный спеченный образец и 8 - образец после ГШ.
На рис. 1 изображены схемы деформации при СХП исходных шихт и горячей штамповке (ГШ) биметаллических образцов (оси симметрии являются границами между этапами прессования), а в табл. 1 представлены параметры попрессованного наружного слоя.
Таблица 1
Параметры подпрессовки наружного слоя
¿нас, ММ 65
¿подп, ММ 0 10 15 20
Рподп, Т/СМ2 0 0,6 1,45 3,2
9подш % 38,5 43 48 53
hxn, ММ 30
0хп, % 81
Высота ^одп = 0 мм соответствовала равномерной засыпке наружного и внутреннего слоев и совместному их прессованию.
Биметаллические образцы спекали при температуре 1150 °С в течение 1,5 ч в защитной среде диссоциированного аммиака. Затем образцы подвергались механической обработке (разрезали по высоте на 2 равных части по 13,5 мм) и проводили ГШ (рис. 1, поз. /) при 1150 °С на копре с массой падающих частей 100 кг, высотой подъема 3,4 м, что соответствовало приведенной работе уплотнения 240 МДж/м3. После ГШ 10,1 мм.
Микроструктурный анализ выполнялся на нетравленых и травленых микрошлифах для выявления линии контактного слоя, микроструктуры и поверхностных пор. Микрошлифы подвергались травлению 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микроструктурный анализ и фотографирование проводились на оптическом металлографическом микроскопе «ЛНат1МЕТ-1М» при увеличении в диапазоне 40...800 раз. Также измерялась толщина переходного слоя.
Определение поверхностной пористости (Ппов) обоих слоев производили на нетравленых микрошлифах с помощью электронного микроскопа «ЛНат1-МЕТ-1М». Объемная доля пор на поверхности микрошлифа измерялась линейно-аналитическим методом.
Рис. 1. Технологическая схема изготовления биметалических образцов: а - засыпка порошка наружного слоя; б - окончание подпрессовки наружного слоя; в - удаление стержня 3, установка нижнего пуансона 4, засыпка шихты внутреннего слоя и установка верхнего пуансона 4, г - подпрессовка внутреннего слоя порошка до совпадения торцов пуансонов; д - окончание совместного деформирования наружного и внутреннего слоев при СХП; е - ГШ спеченных заготовок;
ж - выбивка горячештампованного образца из матрицы
Физико-механические характеристики. Механические свойства биметаллической заготовки определяли при испытаниях на срез тср на цилиндрических образцах с регистрацией кривых разрушения, используя прибор КСП 4, для чего применяли оснастку, позволяющую производить испытания в трех точках (рис. 2). Твердость HRВ (ГОСТ 24622-81) определяли после спекания образцов, твердость HRC измеряли после спекания + ДГП, - на твердомере ТР5056 УХЛ, микротвердость на микрошлифах при малых нагрузках измеряли на цифровом микротвердомере ИГ£-1000 (0,2 Н, 10 с).
Рис. 2. Схема испытаний прочности на срез: 1 - матрица; 2 - стержень (верхний нож); 3 - втулка направляющая верхняя; 4 - образец; 5 - втулка опорная (нижний нож); 6 - переходный слой
Результаты проведенных исследований и испытаний приведены в табл. 2, 3 и на рис. 3 - 7.
300
250
200
I 150
со
100
50
0
5 10 15 20 25
И подпр, ММ
Рис. 3 Зависимость толщины переходного слоя 5 от степени подпрессовки наружного слоя ПК-40 после СП и ДГП (длина переходного слоя 10 мм): 1 - СП; 2 - ДГП
П,%
30
25
20
15
10
5
0
5 10 15 20 25
^подпр, мм
Рис. 4. Зависимости поверхностной пористости от подпрессовки наружного и внутреннего слоев после спекания: 1 - карбидосталь СП; 2 - ПК-40 СП
Таблица 2
Результаты исследований свойств спеченных образцов
Твердость ИЯВ Микротвердость HV
Наружный слой, ПК40 Внутренний слой, карбидосталь Наружный слой, ПК-40 Внутренний слой, карбидосталь
Матрица Fe Включения TiC
42 - 47 65 - 67 214 - 228 270 - 310 2110 - 2583
Результаты исследований свойств образцов после ГШ
Твердость ИЯС Микротвердость HV
Наружный слой, ПК40 Внутренний слой, карбидосталь Наружный слой, ПК-40 Внутренний слой, карбидосталь Переходный слой
Матрица Fe Включения TiC
25 - 27 40 - 45 400 - 410 571 - 573 2110 - 2583 603
Таблица 3
П, %
7 6 5 4 3 2 1
О
10
20
30
hn
Рис. 5. Зависимости поверхностной пористости от подпрессовки наружного и внутреннего слоев после спекания и ДГП: 1 - карбидосталь ДГП; 2 - ПК-40 ДГП
тср, кг/мм2
10
20
30
hподпр, мм
Рис. 6. Испытания образцов на срез в переходной зоне: 1 - СП; 2 - ДГП
феррита и имеет твердость (214-228 HV). Внутренний слой (AstoloyMo +TiC 20 %, рис. 8) имеет структуру крупно-игольчатого мартенсита (размер игл 12-17 мкм) с твердостью 270...310 HV. В данном слое имеются включения карбида титана TiC 20 % со средним размером частиц порядка 110 мкм и имеющим твердость 2250...2600 HV. Пористость наружного слоя составила от 9 до 17 % (зависит от подпрессовки), а внутреннего - от 17 до 29 % (рис. 4).
Рис. 8. Микроструктура шлифов после спекания Х200 слева ПК-40, справа карбидосталь
В образцах БМ, подверженных спеканию и последующей ГШ, видно, что наружный слой ПК 40 (оболочка) имеет структуру сорбит + бейнит с твердостью (400 ... 410 НУ). Внутренний слой карбидостали, основанный на (ЛзЫоуМо +ТЮ 20 %), после ГШ имеет структуру бейнит + мартенсит с микротвердостью 570 НУ с включениями карбидов титана ТЮ (2250.2600 НУ), рис. 9. Данный слой имеет пористость 5 - 7 % (рис. 4).
Рис. 7. Зависимости микротвердости (НУ) материалов в зоне сращивания горячештампованного образца слева от 0 AstoloyMo+20TiC, справа от 0 ПК 40
Структуры металлов полученных образцов
В результате проведенных исследований спеченных образцов установлено, что после спекания образца наружный слой (ПК-40, рис. 8) имеет структуру пластинчатого сорбита с небольшим количеством
б
Рис. 9. Микроструктура шлифов после спекания+ГШ Х200: а - ПК-40; б - карбидосталь
а
Рис. 10. Поле проведения микроанализа на образце, подверженному спеканию и ГШ
наилучшие показатели получены в свободнозасыпан-ном состоянии и с максимальной подпрессовкой 20 мм (рис. 6). Объясняется это тем, что при свободной засыпке обеспечить идеально ровный переходный слой невозможно, а также происходит смешивание порошков в переходной зоне и деградация в ней материала.
При максимальной подпрессовке в процессе формирования СХП заготовки и последующей ГШ происходит повышенное уплотнение в переходной зоне, отчасти связанное с тем, что при формовании слоя карбидостали он запрессовывается в матрицу ПК-40 с усилием 3,2 т/ см2. Это также прослеживается на рис. 7, где отчетливо виден скачёк твердости непосредственно в переходной зоне.
Проведенный микроанализ с применением EDS-микроанализатора INCA ENERGY 450 не выявил деградации материалов слоев на переходной зоне после ГШ (рис. 10 и табл. 4).
Таблица 4
Результаты микроанализа
Спектр C Si Ti Fe Mo
Спектр 2 14,22 85,14 1,5
Спектр 3 14,96 84,41 1,48
Спектр 4 28,92 0,38 70,70
Спектр 5 42,42 57,58
Спектр 6 22,85 77,15
Спектр 7 15,02 84,98
Макс 42,42 0,38 1,80 85,14 1,50
Выводы
В настоящей работе установлены четкие зависимости толщины переходного слоя, пористости обоих слоев от подпрессовки наружного слоя ПК-40 на всех этапах изготовления биметаллических образцов, из которых видно, что чем больше подпрессовка, тем тоньше переходный слой рис. 3, а следовательно, смешивание материалов слоев сводится к минимуму, Также видна прямая зависимость влияния степени подпрессовки на плотность обоих слоев (рис. 4, 5). Проведенные испытания на срез указывают на то, что
Литература
1. Свистун Л.И., Павлыго Т.М., Дмитренко Д.В. Технология горячей штамповки порошков карбидосталей типа легированная сталь - карбид // Технология металлов. 2009. № 6.
2. Пат. 2369465 Российская Федерация, МПК С 22 С. Способ изготовления заготовок из неформующегося порошка карбидостали в оболочке и устройство для его осуществления / Л.И. Свистун, Р.Л. Пломодьяло, Д.В. Дмитренко, Г.Г. Сердюк; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «КубГТУ». Опубл. 10.10.2009, Бюл. № 28.
3. Дорофеев Ю.Г. Дорофеев В.Ю., Деревянных А.П., Юти-шев А. С. Дисковые фрезы с рабочими элементами из порошка быстрорежущей стали 1. Технология изготовления заготовок дисковых фрез // Порошковая металлургия. 1999. № 3/4.
4. А с. 1315131 СССР, МКИ В 22 F 3/02 В30 В 15/02. Пресс-форма / Ю.Г. Дорофеев, Б.Г. Гасанов, В.Г. Тама-даев и др. № 3882895/22-02; заявл. 19.02.85; опубл. 07.06.87, Бюл № 21
5. Пат. 2475335 Российская Федерация, МПК В 22 F 7/02; 3/02. Способ прессования двухслойных порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев / Ю.Г. Дорофеев, Е.Н. Бессарабов. № 2011147063/02; заявл. 18.11.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.
Поступила в редакцию
14 апреля 2013 г.
