CC BY
57
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.762
ГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА КОНСТРУКЦИОННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОРОШКОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
© 2008 г. Р.Л. Пломодьяло
Основным требованием к нагруженным деталям узлов трения (зубчатым колесам, кулачкам, уплотни-тельным кольцам, деталям ткацких машин и изделий сельскохозяйственного машиностроения) является повышенная износостойкость. Высокая износостойкость материалов таких деталей, как известно, обеспечивается гетерогенной структурой, которую можно получить за счет искусственного введения в прочную упругопластическую матрицу из металлического порошка твердых (противозадирных) включений. Одними из последних представителей такого рода материалов, уже используемых в промышленности, являются карбидостали - материалы, состоящие из легированных сталей (матрицы) и карбидов (включений) с объемной долей до 50 %.
Накоплен достаточно большой научный материал по созданию и свойствам карбидосталей разнообразного химического состава, разработке методов их получения [1]. В промышленном применении в основном получили распространение карбидостали с тугоплавкой (твердой) фазой из карбида титана (с содержанием 20 - 30 % по массе). Это объясняется сравнительно высокими физическими свойствами ТЮ, наличием промышленного производства порошка ТЮ, его относительной дешевизной.
В США, Германии, Японии промышленные изделия из карбидосталей получают по технологии вакуумного жидкофазного спекания; в Украине методом горячего изостатического прессования (ГИП) изготовляют крупногабаритные заготовки, которые затем подвергают обработке давлением (прокатка, ковка) и механической обработке [2]. Выпускается большая номенклатура карбидосталей на основе быстрорежущих сталей типа Р6М5 с добавками кобальта и ванадия. Практика показала, что достаточно высокими эксплуатационными свойствами обладают
карбидостали на основе быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5Ф3 с содержанием ТЮ в количестве 20 % по массе.
Альтернативой методам жидкофазного спекания и ГИП, с экономической точки зрения, является метод горячей штамповки [3]. На его основе разработана технология горячей штамповки заготовок, сформированных из смеси порошков быстрорежущей стали и карбида титана. Технологический процесс изготовления изделий из штампованной карбидостали включает следующие операции: приготовление шихты, изготовление заготовки (спеченной или не спеченной), горячая штамповка, термическая обработка штампованного материала. Технология приготовления шихты в значительной степени определяет качество макроструктуры и химический состав готовой карбидоста-ли. Технология изготовления заготовок имеет ряд особенностей, связанных с тем, что размолотые шихты карбидосталей плохо прессуются, не формуются и не обладают текучестью. Отсутствие формуемости предопределяет необходимость при изготовлении заготовок вводить в шихту связки, склеивающие частицы, или применять оболочки, которые заполняют порошком. В последнем случае механизм уплотнения порошкового материала при горячей штамповке коренным образом отличается от традиционного, когда штампуется заготовка без оболочки. Все перечисленные факторы потребовали специальных исследований процессов размола, прессования и обработки давлением порошков карбидосталей.
Для исследований выбраны порошок быстрорежущей стали типа Р6М4Ф3К5Х4, полученный методом распыления соответствующего расплава, и порошок ТЮ промышленного производства. Химические составы и размеры частиц исходных порошков приведены в табл. 1.
Таблица 1
Материал Химический состав Размер частиц, мкм
Fe Т1 W Mo Со V Cr Собщ С О
Быстрорежущая сталь* Р6М4Ф3К5Х4 Ост. 6,0 3,5 5,0 3,2 3,5 1,25 0,06 < 500 (на сите +315 - 87,2 %)
ТЮ 0,06 Ост. 18,3 0,06 0,81 0,3 - 15
Опытная партия Опытного завода института «УкрНИИспецсталь»
Характеристика исследуемых порошков
Частицы ТЮ в карбидосталях должны иметь размер порядка 1 мкм (до 3 мкм), размер частиц металлов, образующих матрицу, должен быть больше в 2,5 - 5 раз [1, 4]. При этих условиях, подбирая режимы размола (смешивания) карбидосталей с 20 %-м содержанием ТЮ, можно добиться относительно равномерного распределения твердых включений среди более крупных металлических частиц. Таким образом, если использовать частицы ТЮ с размером в пределах 1 - 3 мкм, то шихту необходимо размалывать так, чтобы стальные частицы приобрели размеры 2,5 - 15 мкм.
Для размола исходных порошков и шихты «быстрорежущая сталь - 20% ТЮ» был выбран аттритор как один из наиболее эффективных размольных аппаратов. В исследованиях использованы лабораторные аттриторы с рабочей емкостью от 0,5 до 1 л и регулируемой скоростью вращения мешалки, перемешивающей размольные шары и шихту, в пределах 600 -1200 об/мин. Средний, минимальный и максимальный размеры частиц после размола определяли на автоматическом анализаторе размеров 81ЛМ8 600. Экспериментально установлено, что наиболее эффективной для получения минимальных размеров частиц при одинаковом времени размола является скорость вращения мешалки 900 об/мин. При этом необходимо, чтобы отношение объема загрузки (шаров и шихты) к объему камеры аттритора составляло 2/3, а отношение массы порошковой шихты к массе размольных шаров - 1/6. На рис. 1 представлены кинетические кривые размола ТЮ и шихты «быстрорежущая сталь -20 % ТЮ» в аттриторе.
25
S 20 -
Р 15
ä f л § 10
СП CS Рч
5
БрС-TiC
TiC
0,5 1,0 1,5
Время размола, ч
2,0
является размером именно стальных частиц. Это обстоятельство используется при контроле шихты после размола (см. рекомендованную в [5] схему технологического процесса размола на рис. 2).
Порошок металла фракция < 315 мкм
Порошок карбида
dср = 4,5 мкм _с!___
1 Размол карбида dcp = 2 мкм
1
2 Сушка карбида dcp = 2 мкм
На контроль
Дозирование
3 металла карбид фракция < 315 мкм dср = 2 мкм
4 Размол/смешивание
5 Сушка
На контроль
Рис. 1. Кинетические зависимости среднего диаметра Фере (диаметра окружности, площадь которой равна площади проекции измеряемой частицы) порошка ПС и максимального размера частиц шихты «быстрорежущая сталь (БрС) -20 % НС» при размоле в аттриторе с рабочим объемом камеры 1 л при скорости вращения мешалки 900 об/мин
После размола смеси порошков стали и карбида титана идентифицировать под микроскопом частицы ТЮ невозможно. Поскольку размеры частиц карбида титана (исходный средний 6 - 7 мкм) значительно меньше частиц стали, то объективно можно оценить только верхний размер частиц в шихте, который и
Рис. 2. Технологическая линия для производства шихты из дисперсных порошков для карбидосталей
Отличительной особенностью процесса размола является отдельный размол порошка ТЮ до контролируемого размера частиц и последующий совместный размол порошков размолотого ТЮ и быстрорежущей стали до контролируемого верхнего размера частиц шихты. В соответствии с рис. 1 рекомендуемое время размола для ТЮ - 0,5 ч, для шихты - 1,5 ч.
Следующим этапом технологического процесса является изготовление заготовок под штамповку. При горячей штамповке используют порошковые заготовки двух типов: (1) спрессованные из смесей порошков и затем спеченные с целью получения заданного фазового состава, (2) спрессованные из моно- или легированных порошков и не требующие предварительного спекания. При обработке давлением карбидосталей применяли заготовки обоих типов. В работе [6] сообщается о ковке карбидостали Р6М5 - 5 % ТЮ, заготовки из которой получали спеканием. После штамповки достигнута относительная плотность > 99 % и твердость ИЯС 70. В работе [7] сообщается о штамповке от температуры 1200 °С неспеченного порошка карбидостали Р6М5К5 - 20 % ТЮ, заключенного в стальную тонкую оболочку. После штамповки оболочка удаляется механической обработкой. Получены практически плотные прямоугольные пластины.
В нашей работе предлагается изготовлять спрессованные, но неспеченные оболочки из железного порошка, в которые упаковывается шихта карбидо-
0
стали. Оболочки могут иметь относительную пористость, например, 40 %; такой прессовкой уже можно манипулировать без опасения ее разрушить. Заготовку с пористой оболочкой можно формовать в пресс-инструменте, включающем в себя одну матрицу и четыре пуансона - два сверху и два снизу [8]. Сначала в матрице формуют оболочку, затем в нее засыпают шихту карбидостали. На рис. 3 представлена конструкция заготовки с оболочкой в виде стакана, в который шихта засыпана и уплотнена. Шихту в оболочке необходимо уплотнять таким образом, чтобы обеспечить при штамповке, как минимум, равенство хода осевого уплотнения стенки оболочки с соответствующим ходом уплотнения шихты. Несоблюдение этого правила может привести к полному уплотнению стенки оболочки, в то время как шихта все еще будет пористой. Отметим, что осевой деформацией оболочки можно варьировать за счет начальной толщины донышка. Можно выбрать такое соотношение толщин донышка оболочки и слоя карбидостали, когда в предварительном уплотнении шихты карбидостали необходимость отпадет.
появляется также возможность образования жидкой фазы за счет диффузии свободного углерода. Формирование микроструктуры горячештампованной неспе-ченной карбидостали, как и при спекании, определяется образованием эвтектики.
Структура исследуемой карбидостали (рис. 4) состоит из зерен быстрорежущей стали и зерен карбида титана. Зерна стали более крупные, на изображении микроструктуры их можно отличить по светлым внутренним включениям, которые представляют собой карбиды легирующих элементов. Между зернами стали располагаются более мелкие (на изображении микроструктуры более темные) включения карбида титана. На границах зерен быстрорежущей стали в отдельных местах видны полоски закристаллизовавшейся эвтектики карбидов железа и легирующих элементов.
Рис. 3. Конструкции заготовки под штамповку из шихты карбидостали, заключенной в пористую неспеченную оболочку
В процессе горячей штамповки формируется структура карбидостали. Заготовки под штамповку нагревают до температуры 1180 - 1200 °С. Известно, что в процессе спекания карбидосталей типа «быстрорежущая сталь - ТЮ» при температуре 1150 °С образуется жидкая фаза вследствие науглероживания железа за счет диффузии углерода из контактирующих со сталью зерен ТЮ. При температурах выше 1200 °С
Рис. 4. Микроструктура горячештампованной карбидостали
Р6М4Ф3К5Х4 - 20 % ТЮ из неспеченной заготовки
Исследование основных физико-механических характеристик карбидосталей (табл. 2) показало, что последние обладают достаточно высокими значениями твердости (до ИЯС 71), слабо зависящими от применяемой технологической схемы изготовления изделий. В то же время зависимость прочностных характеристик материала от технологии изготовления существенна. Свойства определялись после закалки от температуры 1200 °С. Сравнительно высокие прочностные характеристики штампованной предварительно спеченной карбидостали объясняются активным сращиванием частиц стали при жид-кофазном спекании и значительным измельчением зерна в процессе штамповки.
Таблица 2
Физико-механические свойства карбидосталей Р6М4Ф3К5Х4 - 20 % ТЮ, полученных по различным технологическим схемам
Технология изготовления Плотность, г/см3 Твердость ИЯС, после закалки Прочность на изгиб, МПа Ударная вязкость, кДж/м2
Жидкофазное вакуумное спекание 7,12 68 - 70 1650 - 1670 23,2 - 26,8
Горячая штамповка спеченных заготовок 7,02 66 - 69 1920 - 1940 51,6 - 52,2
Горячая штамповка неспеченных заготовок 6,76 - 6,80 68 - 71 1840 - 1860 43 - 45,5
Примечание. Данные по свойствам карбидосталей, изготовленных жидкофазным спеканием и горячей штамповкой спеченных заготовок, представлены Г. А. Баглюком (Институт проблем материаловедения НАН Украины).
Износостойкость карбидосталей, как и твердость материала, мало зависит от технологии ее получения. На рис. 5 представлена зависимость весового износа карбидостали штампованной из неспеченной заготовки. Для исследования была использована универсальная машина трения, которая позволяла провести испытания по схеме контакта по цилиндрической поверхности (схема I) и по «линейному» контакту (схема II). Испытания проводили при сухом трении, скорости скольжения 1 м/с, при давлении до 12 МПа. В качестве контртела использовали закаленную сталь Р18 с твердостью HRC 60.
Рис. 5. Износостойкость горячештампованной карбидостали: 1 - при трении по схеме I; 2 - по схеме II
Исходная шихта (смесь порошков быстрорежущей стали и T^C)
> '
Дозирование смеси
M
Формирование заготовки из порошка в оболочке
\ 1
Нагрев заготовки под штамповку T = 1180 - 1200 °C
\ 1
Горячая штамповка заготовки
> t
Отжиг
\ <
Удаление оболочки
Рис. 6. Технологическая схема процесса горячей штамповки
На основе приведенных результатов можно рекомендовать использование карбидостали при нагрузках до 4 МПа (по схеме I). Износостойкость карбидостали превышает износостойкость Р18 в 14 - 15 раз.
Достаточно высокие прочностные и функциональные свойства исследованной карбидостали дают основание рекомендовать разработанную технологическую схему горячей штамповки неспеченных заготовок в оболочках (см. рис. 6).
Отжиг карбидостали проводится при необходимости ее механической обработки. Режимы отжига карбидостали Р6М5Ф3 отработаны и рекомендуются в работе [9]. В нашей работе использованы эти рекомендации. Отжиг производился по следующей схеме: нагрев до температуры 850...860 °С, выдержка 2...3 часа, охлаждение до 730.740 °С со скоростью 20.30 °С/ч, выдержка 4. 6 часов, охлаждение со скоростью 30.40 до 600 °С, охлаждение с печью до 300 °С, далее на воздухе.
Литература
1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидостали. М.,
1988.
2. Зубкова В.Т., Терновой Ю.Ф., Ноговицын А.В. Новый композиционный материал типа «карбидосталь» для изготовления износостойкого горнорудного и металлообрабатывающего инструмента // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технологии его изготовления и применения: Сб. науч. тр. Вып. 7. Киев, 2004.С. 267-271.
3. Дорофеев Ю.Г., Гасанов Б.Г., Дорофеев В.Ю., Мищенко В. Н. Промышленная технология горячего прессования порошковых изделий. М., 1990.
4. Рудь В.Д., Сергеев В.В., Павлиго Т.М. та тш. 1мггацшна модель насипки часток порошюв та и використання при розробщ технологи приготування шихти карбщоман // Сб. науч. тр. ИПМ НАНУ «Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении». Серия «Моделирование в материаловедении». Вып. 8. Киев, 2006. С. 94 - 100.
5. Пат. № 49476 Россия МПК Б22Е 9/02. Технологическая линия для производства шихты из дисперсных порошков для карбидосталей.
6. Падалко О.В. Спеченные быстрорежущие стали // Итоги науки и техники. Порошковая металлургия. Т. 1. М., 1983. С. 3 - 76.
7. Павлыго Т.М., Сахненко А.В., Сахненко С.А., Сердюк Г.Г. Развитие технологии горячей штамповки порошковых материалов в Украине // Порошковая металлургия. 2000. № 3/4. С. 84 - 104.
8. Пат. 67494 Россия МПК Б22Е 3/00, Б22Е 3/03. Устройство для изготовления заготовок из неформующегося порошка карбидостали в оболочке.
9. Позняк Л.А. Инструментальные стали. Киев, 1996.
Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар
27 ноября 2007 г.
