CC BY
52
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.762
Холодная торцевая раскатка биметаллических спеченных втулок
П. А. Кузнецов, С. В. Мочалова
Проведен анализ технологических возможностей нового процесса раскатки при изготовлении осесим-метричных деталей из биметаллических спеченных материалов. Анализы макро- и микроструктур, измерение твердости готовых изделий показали, что применение раскатки биметаллических материалов расширяет технологические возможности изготовления осесимметричных деталей из спеченных материалов._
Ключевые слова: холодная торцевая раскатка, биметаллические спеченные материалы, макро- и микроструктуры.
Введение
Особая роль среди новых материалов со специальными свойствами принадлежит слоистым металлическим композициям. Такие материалы могут быть изготовлены соединением разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. Основную часть этих материалов представляют биметаллы — композиции, состоящие из слоев двух металлов [1]. Расширение номенклатуры слоистых материалов и деталей эффективно обеспечивается при применении в качестве как рабочего, так и основного слоев изделия спеченных порошковых материалов.
Преимущества использования порошковых материалов для этих целей связаны с принципиальной возможностью точного дозирования по составу покрытия, применения широкой гаммы материалов и их композиций с уникальным сочетанием свойств [2]. Холодное статическое прессование в жестких пресс-формах является основным способом изготовления деталей из порошков, в том числе втулок. Его достоинства заключаются в возможности получения изделий
требуемой размерной точности с хорошим качеством поверхности. Плотность пористых спеченных втулок может составлять 80-85 %, однако их высота ограничена технологическими возможностями способа.
При необходимости изготовления сравнительно высоких втулок рекомендуют использовать изостатические методы прессования порошков (гидростатическое, газостатическое, эластостати-ческое), так как для получения длинномерных изделий эффективно применять такие способы прессования, которые обеспечивают уплотнение порошка в радиальном направлении, т. е. в направлении минимальной толщины изделия [3].
Эластостатическое прессование (ЭСП), т. е. прессование порошков с помощью эластомеров (в частности, полиуретанов), является наиболее простым и технологичным из всех способов изо-статического прессования. В настоящее время наибольшее распространение ЭСП нашло при получении деталей типа тонкостенных втулок и стаканов, напрессовке порошков на внутреннюю поверхность втулок и прессовании биметаллических трубчатых спеченных изделий [4].
Для прессования биметаллических втулок применяют один из следующих технологических вариантов их изготовления [5].
124
№ 45(83)/2014
||ЕТ^Абработка
В а р и а н т 1. Совместное одновременное прессование двух порошков. Совместное одновременное прессование биметаллических втулок можно применять, если требуемые давления прессования слоев одинаковы.
В а р и а н т 2. Последовательное прессование каждого слоя в одной пресс-форме и совместное спекание двух слоев. При совместном спекании требуемые температуры спекания слоев должны быть близки друг другу.
В а р и а н т 3. Раздельное прессование слоев, раздельное спекание и соединение спеченных слоев, в частности, путем пластической деформации, например запрессовки.
Окончательное формообразование биметаллического изделия (придание ему более сложной формы, более высокой плотности слоев и др.) можно осуществлять различными методами обработки давлением, но наиболее широкими технологическими возможностями и преимуществами обладают методы локальной обработки металлов давлением. Локализация очага деформации позволяет изготавливать изделия самой широкой номенклатуры при относительно небольших усилиях деформирования и использовании оборудования малой мощности [6].
Широкое распространение в промышленности получают ротационные локальные методы обработки металлов давлением, в частности торцевая раскатка и сферодвижная штамповка [7]. В ряде работ показана эффективность применения торцевой раскатки для формообразования спеченных изделий [8], однако вопросы холодной торцевой раскатки спеченных биметаллических втулок еще не исследованы.
Методика и материалы
В целях определения технологических возможностей торцевой раскатки биметаллических втулок был выбран образец, состоящий из наружной обоймы и спеченного вкладыша (рис. 1, а).
Прототипом для изготовления нашего изделия являются упорные биметаллические подшипники скольжения (ГОСТ 24 832-81). Эскиз модели биметаллического подшипника — биметаллической втулки с буртом -представлен на рис. 1, б.
Рис. 1. Эскизы биметаллической заготовки (а) и раскатанной биметаллической втулки с буртом (б): 1 — спеченный вкладыш; 2 — обойма
Для изготовления обоймы использован сортовой прокат труб стальных бесшовных горя-чедеформированных, изготовленных из конструкционной углеродистой качественной стали 45 (ГОСТ 8732-75).
В качестве вкладышей использованы спеченные заготовки из порошка на основе железа РМ225Н фирмы НООАЫАЗ. Порошок содержит медь и никель, поэтому его рекомендуют для изготовления деталей узлов трения машин и механизмов, в том числе подшипников скольжения.
Химический состав порошка РМ225Н, %: Ге — 96,5; N1 — 2; С — 0,5; Си — 2; окислы — 0.
Для изготовления вкладышей использована технология, основанная на варианте 3 (запрессовка):
• приготовление порошковой смеси;
• прессование порошковых вкладышей в жесткой пресс-форме;
МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
• спекание порошковых заготовок в печи в защитной среде при 1150 °С в течение 2 ч (плотность спеченных втулок — 0,77);
• резка труб на заготовки для обоймы и подготовка ее внутренней и наружной поверхностей;
• запрессовка спеченных порошковых вкладышей в обоймы с гарантированным натягом (Н8/в7); усилие запрессовки — 50 кН.
Холодную торцевую раскатку спеченных биметаллических втулок осуществляли на опытной установке для холодной торцевой раскатки со следующими параметрами: усилие раскатки — 200 кН, диаметр раскатываемых деталей — до 100 мм.
Принципиальная схема раскатки представлена на рис. 2. В матрицу 3, закрепленную в шпинделе 1, помещали на оправке 5 и выталкивателе 4 биметаллическую заготовку 6. Путем предварительной установки регулируемого толкателя 2 и выталкивателя 4 часть заготовки, подлежащую раскатке, выдвигали из матрицы. Шпиндель с матрицей и заготовкой приводили во вращение. При воздействии раскатного валка, подаваемого гидроцилиндром установки, на выставленную часть вращающейся заготовки осуществляется пластическое формообразование бурта. Режим обработки: угол наклона валка к оси заготовки ¥ = 10 °; подача АН = 0,1 мм/об; окружная скорость — 60 об/мин. По окончании раскатки раскатной валок автоматически отводится, шпиндель останавливается и биметаллическое изделие выталкивается из матрицы.
Рис. 2. Схема торцевой раскатки биметаллической втулки с буртом:
1 — шпиндельный стакан; 2 — толкатель; 3 — матрица; 4 — выталкиватель; 5 — оправка; 6 — биметаллическая заготовка; 7 — раскатной валок
Выталкиватель и толкатель возвращаются в исходное положение.
Для подтверждения эффективности предлагаемой технологии холодной торцевой раскатки биметаллических втулок и определения качества получаемых биметаллических изделий с буртами проведены исследование зоны соединения деформированных слоев и исследования распределения твердости поверхностного слоя раскатанного бурта и твердости в плоскости сечения по высоте в характерных точках биметаллической детали. Измерения проведены методом Виккерса в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. Для надежного обнаружения трещин на поверхности деформируемых деталей использован метод капиллярного контроля по ГОСТ 18 442-80, чувствительность контроля не хуже II класса (обнаружение поверхностных трещин с раскрытием более 10 мкм). С помощью макроскопического анализа определена неоднородность строения металла, вызванная обработкой давлением (возможные трещины и расслоения), выбраны те участки, которые подвергались дальнейшему микроскопическому исследованию.
Результаты экспериментальных исследований
При измерении твердости по Виккерсу алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом а = 136° между противоположными гранями при вершине вдавливали в поверхность испытуемого образца под действием нагрузки (статической силы) ^ = 20 кг. Нагрузка приложена перпендикулярно к поверхности испытуемого образца в течение 10 с. После снятия нагрузки измерены длины диагонали отпечатка ¿1 и ¿2 и вычислена средняя длина диагонали. По таблицам ИСО 6507-4:2005 определена твердость по Виккерсу на различных участках детали. На рис. 3 представлены результаты по распределению твердости в разных частях заготовок, раскатанных со степенью деформации бурта 45 и 67 %.
В сечении обоймы твердость изменяется в соответствии с упрочнением металла при холодном деформировании. Втулочная часть обоймы практически не подвергается деформации,
||ЕТ^Абработка
а)
оз
| ^245 23^Т82
122^257 259/ 1 ас/
Рис. 3. Результаты измерения твердости заготовок, раскатанных со степенью деформации бурта 45 % (а) и 67 % (б)
и ее твердость остается в исходном состоянии. Твердость раскатанного бурта увеличивается на 25-32 %.
Изменение твердости вкладыша носит более сложный характер и зависит не только от наклепа материала при холодной деформации, но в значительной степени от интенсивного уплотнения спеченного материала.
Твердость раскатанной части спеченного вкладыша на фланце увеличивается в два раза по сравнению с исходной твердостью заготовки на втулочной части изделия. Характер распределения твердости по сечению раскатанной заготовки соответствует характеру распределения плотности и подтверждает получение бурта с высокой плотностью, при этом втулочная часть остается пористой, что требуется для подшипников скольжения.
Состояние и качество раскатанных биметаллических втулок определялись в том числе по наличию или отсутствию трещин на деформируемых поверхностях деталей. Для надежного обнаружения трещин на поверхности деформируемых деталей использован метод капиллярного контроля ГОСТ 18 442-80 (чув-
ствительность контроля не хуже II класса). При контроле применен набор дефектоскопических материалов фирмы ОуегсЬек в аэрозольном исполнении.
Контроль на наличие трещин проведен на поверхности раскатанного бурта детали. Для контроля выбрана часть деталей с различным соотношением толщин слоев, а также с различными степенями деформации. Капиллярный контроль состоял из следующих операций:
1) очистка и обезжиривание контролируемой поверхности очистителем ОуегсЬек-С1еапег, удаление остатков очистителя ветошью, просушка обдувом;
2) нанесение на контролируемую поверхность пенетранта ОуегсЬек-Ие^ после выдержки 5-10 мин удаление пенетранта ветошью, смоченной очистителем ОуегсЬек-С1еапег;
3) нанесение на контролируемую поверхность проявителя ОуегсЬек^Ь^е, визуальный осмотр поверхности на протяжении 20 мин для выявления и регистрации индикаторных следов.
Результаты контроля показали следующее: на поверхности, относящейся к обойме, индикаторных следов, характеризующих трещины, не обнаружено для всех параметров и режимов деформирования. На торцевой поверхности вкладыша на ряде образцов обнаружены индикаторные следы, характеризующие трещины, распространяющиеся от внутренней поверхности вкладыша, как малой протяженности, так и на всю толщину вкладыша. Трещинообразование наблюдалось, во-первых, при некачественной запрессовке вкладыша в обойму (обойма не выполняла роль бандажа для вкладыша при его деформировании), во-вторых, в случае, когда отношение высоты выставленной части биметаллической заготовки к толщине вкладыша превышало 2,3. При раскатке буртов с меньшим отношением высоты выставленной части к толщине вкладыша капиллярный контроль не выявил трещин.
При анализе изображения макроструктуры (рис. 4) выявлено, что деформация спеченного вкладыша в радиальном направлении по сравнению с буртом обоймы незначительна, так как спеченный материал деформируется в основном из-за его уплотнения в осевом
МЕТ^ЛЛООБРАБОТКЛ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4. Макроструктура продольного сечения (увеличение х5) и расположение участков (1-6) микроконтроля на биметаллическом образце
направлении. Внутренних трещин и надрывов в металле обоймы и вкладыша как в цилиндрической части, так и в зоне бурта не обнаружено. Здесь же показано расположение участков контроля, выделенных для микроструктурного анализа (рис. 5).
При анализе изображений микроструктур участков 1 и 4 выявлена заметная вытянутость зерен обоймы и вкладыша в буртовой зоне вследствие интенсивной холодной деформации выставленной части заготовки в радиальном
Участок 1 (х500)
Участок 4 (х500)
ЗйИИИРВИ
Участок 2 (х500)
Участок 5 (х500)
Участок 3 (х500)
Участок 6 (х500)
направлении. При анализе участков 2 и 5 отмечается уменьшение зазора между раскатанными материалами в буртовой части детали по сравнению с исходным состоянием. Микроструктуры на участках 3 и 6 показывают характер уплотнения порошковой спеченной структуры. Несмотря на уменьшение размера пор и деформацию зерен, уплотнение торцевой части можно увеличить, например, рекомендовать использовать исходный материал с плотностью порядка 85 %.
Выводы
На основании экспериментальных исследований можно сделать заключение, что холодная торцевая раскатка эффективна при раскатке биметаллических трубчатых спеченных изделий. Качество раскатанных втулок с буртами зависит от соотношения толщин раскатываемых слоев биметаллической заготовки, высоты выставленной раскатываемой части заготовки и пластических свойств исходных материалов.
Разработанная технология холодной торцевой раскатки биметаллических спеченных втулок с буртами может включать технологию предварительного получения втулок из спеченного и компактного материалов, запрессовку спеченного вкладыша в компактную обойму и совместную торцевую раскатку в целях получения биметаллического изделия с буртом. Пример таких изделий — упорные подшипники скольжения, в которых внутренний рабочий слой изделия выполнен из антифрикционного спеченного материала (легированного порошка на основе железа).
Рис. 5. Микроструктуры характерных участков контроля биметаллического раскатанного образца
Литература
1. Кобелев А. Г., Потапов И. Н., Кузнецов Е. В. Технология слоистых металлов: учеб. пособие, 1991. 248 с.
2. Ковка и штамповка: справ.: в 4 т. Т. 3. Холодная объемная штамповка. Штамповка металлических порошков / Под ред. А. М. Дмитриева; под общ. ред. Е. И. Семенова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 352 с.
3. Гоциридзе А. В., Кузнецов П. А., Юргенсон Э. Е.
Технология производства изделий из порошков. СПб.: Изд-во ПИМаша, 2012. 152 с.
3
[28
№ 5(83)/2014
4. Кузнецов П. А., Мертенс К. К., Гоциридзе А. В.
Опыт эластостатического прессования порошковых изделий сложной формы // Металлообработка. 2004. № 2 (20). С. 17-19.
5. Кузнецов П. А., Нгуен Тоан Тханг, Демчук Ф. А.
Методика выбора рационального технологического варианта эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов // Металлообработка. 2009. № 6 (54). С. 25-27
6. Матвийчук В. А., Алиев И. С. Совершенствование процессов локальной ротационной обработки давлением на основе анализа деформируемости металлов. Краматорск: ДГМА, 2009. 268 с.
7. Кункин С. Н. Аксенов Л. Б. Технология изготовления раскаткой осесимметричных деталей с фланцем // Современное машиностроение наука и образование: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2013. С. 856-866.
8. Исследование процесса холодной торцовой раскатки пористых кольцевых заготовок/К. Н. Богоявленский [и др.] // Порошковые, композиционные и текстурованные материалы: сб. науч. тр. ЛПИ № 417. Л., 1986. С 39-42.
9. Пат. № 123 699, Российская Федерация, МПК В21Н1/00 / П. А. Кузнецов, С. М. Мочалова, П. В. Чес-ноков. Установка для радиально-торцевой раскатки осесимметричных изделий.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил. ISBN 978-5-7325-1051-5
Цена: 180 руб.
Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента.
Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
Т. И. Мурашкина
ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ
№ 5 (83)/2014
29]
