Перспективные технологические процессы порошковой металлургии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

II КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ

УДК 621.762.04

Д-р техн. наук В. А. Павлов, канд. техн. наук А. П. Ляшенко,

канд. техн. наук М. И. Носенко Национальный технический университет, г. Запорожье

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Приведены результаты исследований холодного и горячего компактирования шихт на основе порошкового титана. Изучено влияние давления холодного прессования, горячей штамповки и термической обработки на плотность и физико-механические свойства материала. Разработаны рекомендации по проектированию конструкции порошковых заготовок под горячую штамповку.

В лаборатории порошковой металлургии Запорожского национального технического университета разработаны перспективные технологические процессы:

- горячая экструзия наплавочной проволоки из смеси порошков титана и карбида вольфрама;

- холодное гидростатическое прессование фильтр-элементов из порошкового титана и отсевов титановой губки;

- горячая штамповка конструкционных деталей из порошкового титана и смесей на его основе с легирующими добавками порошков ванадия, алюминия, молибдена.

Необходимость исследования и разработки технологического процесса горячей экструзии наплавочных электродов была вызвана отказами запорной арматуры, работающей в агрессивных средах.

Запорожским арматурным заводом, который производил запорную титановую арматуру, были собраны сведения о стойкости титановой арматуры на предприятиях химической, нефтедобывающей и других отраслей. Титановая арматура в большинстве случаев была стойкой к агрессивным средам, а отказы имели место по причине задиров на поверхностях пар трения. Было принято решение для увеличения износостойкости этих поверхностей проводить их наплавку электродами. Материал наплавочных электродов должен быть на основе титана, а легирующие добавки повышать его износостойкость.

В промышленности традиционными методами такие материалы и электроды для наплавки не производились.

Для разработки материала и технологии изготовления наплавочных электродов применили метод порошковой металлургии, холодное прессование загото-

вок из шихты на основе титана и метод обработки металлов давлением - горячую экструзию. В качестве легирующих добавок использовали карбид бора и карбид вольфрама.

В результате проведенных лабораторных исследований научно обосновано и экспериментально доказано, что лучшим материалом является титан с добавкой карбида вольфрама Т + 35 % вес.ШС + 7 % СаБ2. Определены: оптимальные режимы и условия приготовления шихты, фракционный состав компонентов, режим нагрева порошковых заготовок, коэффициенты вытяжки при горячей экструзии, разработана оснастка.

Технологический процесс горячей экструзии наплавочной проволоки включает следующие операции:

- смешивание порошков;

- холодное прессование заготовок;

- горячая экструзия.

Смешивание порошков осуществлялось в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 3-х часов. Смешивание мокрое. Добавка - спирт 2-3 % от веса шихты.

Холодное прессование заготовок выполняли в стальных пресс-формах на стандартном гидравлическом прессе.

Перед горячей экструзией порошковые заготовки нагревали в печи сопротивления до температуры 850900 °С. Защитная атмосфера - аргон.

Горячую экструзию наплавочной проволоки проводили на стандартном механическом прессе.

По результатам экспериментальных исследований, с использованием графического метода, разработана номограмма для определения параметров горячей экструзии брикетов (рис. 1) [1]. На номограмме стрелками показан порядок определения усилия прессова-

© В. А. Павлов, А. П. Ляшенко, М. И. Носенко, 2008

30

ния на кривошипном прессе проволоки (наплавочных электродов) диаметром й0 = 6 мм из порошковых титановых легированных брикетов Б0 = 29 мм в контейнере диаметром Ок = 30 мм .

800 (80) \ Ш 600(80) |1 500(50) 500(50) - 111 200(20) 100(10) р1МПа1кгфм%//' ^ -800(80) А А 1 2 3 4 5 -600 МО) I МЬ.—

М'-ГН/РК 4 6 8

40 20 \о \Fh.CM2 ) \лг 1 \ * Ш0-

¡¡Рг^

'0 95 97,5 98,55 98,75 99 А, %

Рис. 1. Номограмма для определения параметров горячей экструзии брикетов:

1 — Р = / (ц), порошковый титан, легированный 35%WC + 7%СаР2, кривошипный пресс (и и 0,3 м/с); 2, 3 — Р = /(ц), чистый порошок титана; кривошипный (и и 0,3 м/с) и гидравлический (и и 0,03 м/с) прессы; 4,5 — Р = / (ц) чистый порошок меди; кривошипный (и и 0,03 м/с) и гидравлический (и и 0,03 м/с) прессы

Проблемой была также фильтрация агрессивных сред. Фильтры, которые использовались в различных отраслях, имели малый срок службы и были затратными в процессе эксплуатации. В лаборатории порошковой металлургии разработаны технологический процесс изготовления фильтров из порошкового титана, оснастка и оборудование. В качестве исходного материала использовали отсевы титановой губки. В зависимости от требований, предъявляемых к фильтр-элементу, использовали порошки титана соответствующих фракций. Исследованиями процесса холодного гидростатического прессования экспериментально подтверждены научно обоснованные режимы холодного гидростатического прессования и спекания фильтр-элементов.

Технологический процесс холодного гидростатического прессования фильтр-элементов включает следующие операции:

- сборка пресс-форм (загрузка порошка титана);

- прессование в гидростате;

- разборка пресс-формы;

- спекание прессовок в вакууме.

В процессе исследований гидростатического прессования разработаны и защищены а.с. СССР различные конструкции пресс-форм и гидростатические установки.

Изделия, фильтр-элементы, длиной до 1000 мм, диаметром до 120 мм и толщиной стенки до 10 мм, используют в химической и нефтедобывающей промышленности [2].

Технология, оснастка и гидростатические установки внедрены в производство на Запорожском металлургическом опытном заводе.

Изготовление конструкционных деталей из титана и его сплавов сопряжено с большими затратами на обработку резанием. Коэффициент использования металла в большинстве случаев не превышает 0,2.. .0,3 и зависит от сложности формы детали. Метод порошковой металлургии, холодное прессование и последующее спекание позволяет улучшить этот показатель до 0,7.0,8, а в отдельных случаях обработку резанием исключить полностью. Недостаток этого метода -остаточная пористость 10-40 % и неравномерное ее распределение в объеме детали, что приводит к снижению механических свойств материала.

С целью увеличения плотности в изделиях из порошкового титана и улучшения физико-механических показателей было принято решение использовать дополнительную операцию - горячую штамповку. Применительно к изготовлению изделий из порошкового титана эта технология в производстве не применялась.

Горячая штамповка конструкционных деталей сложной формы из заготовок проката титана выполняется в открытых штампах за несколько переходов. Это сопряжено с увеличением потерь металла и повышением себестоимости изготовления изделий.

Использование метода порошковой металлургии холодное прессование позволяет получать заготовки простой и сложной формы с минимальным отклонением массы заготовки. Такие заготовки можно успешно использовать при изготовлении деталей методом горячей штамповки в закрытых штампах, что позволяет сократить потери металла и снизить стоимость изделия.

Исследован процесс уплотнения порошковой заготовки на различных стадиях горячей штамповки в закрытом штампе. Выявлено неравномерное распределение остаточной пористости 2-4% в периферийных зонах изделия, что обусловлено различием напряженно-деформированного состояния в центре и по периферии заготовки, а также неравномерным распределением плотности в ее объеме перед горячей штамповкой.

На основании анализа результатов исследований разработан новый подход к управлению процессом

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2008

31

уплотнения металла при горячей штамповке, который позволил обеспечить в изделиях равномерную плотность, однородную структуру и свойства металла на уровне проката (рис. 2, 3). Разработана методика для определения формы порошковой заготовки и распределения плотности в ее объеме перед горячей штамповкой. Установлены закономерности деформационного механизма формования структуры и свойств ком -пактного металла, которые заключаются в обеспечении условий всестороннего неравномерного сжатия металла по всему объему порошковой заготовки при горячей штамповке. Такие условия создаются увеличением исходной плотности участков заготовки, уплотняемых при горячей штамповке в периферийных полостях матрицы и истечением металла из этих полостей в ком -пенсационные щели. Определены зависимости влияния температуры, давления, степени деформации на плотность, структуру и свойства порошкового титана после горячей штамповки [1, 3, 4, 5].

601,,%

Рис. 2. Зависимость относительной плотности изделий от степени деформации при горячей штамповке порошков титана:

1 - ПТЭС-1, ПТЭК-1; 2 - отсев титановой губки

Т

Ш

- 950 °С

Рис. 3. Зависимость механических свойств горячештампо-ванного отожженного порошкового титана от степени деформации (а) и температуры штамповки (б): 1 - ПТЭС-1, 2 - ПТЭК-1; 3 - отсев титановой губки

Технологический процесс горячей штамповки конструкционных деталей из порошкового титана и шихт на его основе включает следующие операции:

- смешивание порошков;

- холодное прессование заготовок;

- спекание;

- нагрев порошковых заготовок;

- горячая штамповка в закрытом штампе;

- термическая обработка.

В качестве исходного материала использованы электролитические порошки титана фракции - 0,63 +

0.18, отсевы губчатого титана - 1,0 + 0,63, порошки легирующих добавок алюминия, ванадия, молибдена.

Химический состав шихты подбирали согласно требуемым показателям материала после горячей штамповки и ТО: пределу прочности, относительному удлинению и сужению, ударной вязкости.

Легирующие добавки использовали в тех случаях, когда требуемые показатели прочности материала были выше аналогичных показателей литого деформированного титана ВТ 1-0.

Порошки титана в этом случае смешивали в смесителе типа «пьяная бочка» с добавкой спирта в количестве 1-2 % от массы загрузки шихты.

Холодное прессование порошковых заготовок выполняли в стальных пресс-формах с использованием стандартных гидравлических прессов и прессов для порошковой металлургии.

Порошковые заготовки из шихт перед горячей штамповкой спекали в вакуумной печи при температуре 1100-1200 °С и выдержке 2-3 часа.

Перед горячей штамповкой заготовки нагревали в печи сопротивления до температуры 900-950 °С в защитной атмосфере аргона.

Горячую штамповку порошковых заготовок выполняли в закрытых штампах с использованием стандартных механических прессов.

Термическую обработку (отжиг) проводили в вакуумной печи при температуре и времени выдержки, которые рекомендованы для литого деформированного материала аналогичного химического состава.

Рассмотренные выше технологические процессы защищены а. с. СССР на изобретение, опубликованы в научной литературе, внедрены в производство, отмечены медалями ВДНХ СССР.

Выводы

Применение рассмотренных выше технологических процессов при изготовлении различных конструкционных деталей из порошкового титана позволит повысить коэффициент использования металла, умень -шить объем обработки резанием, сократить трудозатраты, снизить себестоимость получаемых изделий.

Перечень ссылок

1. Обработка давлением порошков цветных металлов. Павлов В.А., Кипарисов С.С., Щербина В.В. - М.: «Металлургия», 1977. - 176 с.

2. Живов Л.И., Щербина В.В., Павлов В.А. и др. - «Крупногабаритные титановые фильтры» / Информационный листок Запорожского филиала. УкрНИИНТИ. - 1972. -№ 12. - 7 с.

3. В.А. Павлов, А.П. Ляшенко, В.А. Богуслаев и др. Влияние степени деформации и температуры штамповки на структуру и свойства изделий из порошкового титана / Порошковая металлургия, 1984. - № 12. - 9 с.

4. Павлов В.О., Носенко М.1., Ляшенко О.П. Можливост

використання метсдав порошково! металургй для виготов-лення деталей шдйомно-транспортних машин / Новi ма-терiали i технологи в металургй та машинобудуванш. -ЗНТУ. - 1988. - № 1. - С. 36-37.

5. Носенко М.И., Павлов В.А., Ляшенко А.П.. Экспериментально-аналитический расчет силового режима и анализ энергозатрат горячей штамповки порошковых заготовок / Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - ЗНТУ - 1999. - № 2. - С. 69-72.

Одержано 13.12.2007

Наведено результати до^джень холодного i гарячого компактування шихт на ocHoei порошкового титану. Вивчено вплив тиску холодного пресування, гарячого штампування та термiчноi обробки на щiльнiсть та фiзико-механiчнi властивостi матерiалу Розроблет рекомендацИ до проектування конструкци порошкових заготовок для гарячого штампування.

Research results of cold and hot blending of mixture based on titanium powder are given. The influence ofpressure while cold moulding, hot stamping and thermal treatment on density and physico-mechanical properties of the material has been studied. Recommendations on the designs ofpowered blanks for hot stamping have been developed.

УДК 621.771.25:669.14.018.291.3:621.31.004.18

Д. Г. Паламарь, канд. техн. наук В. Г. Раздобреев Институт черной металлургии НАН Украины, г. Днепропетровск

УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ АРМАТУРНОГО ПРОКАТА №12 В ПОТОКЕ НЕПРЕРЫВНОГО МЕЛКОСОРТНОГО СТАНА 250

Показано, что реализация технологии прокатки с пониженными температурами исходных заготовок на типовом непрерывном мелкосортном стане возможна, однако приводит к снижению его производительности.

В современных условиях вопрос об экономном использовании энергоресурсов при производстве сортового проката стоит особенно остро. Наверное, поэтому при разработке новых технологий производства продукции сортопрокатных станов или новых видов сортового проката особое внимание уделяется именно возможности наиболее рационального, т.е. с минимальными потерями, использования энергетических ресурсов.

На величину расхода энергии при производстве сортопрокатной продукции оказывает влияние достаточно большое количество факторов. Это и температура исходной заготовки, скорость прокатки и сечение готового проката, режим обжатий раската в потоке стана, а также много других.

Данные зарубежных производителей сортового проката и катанки показывают [1], что для нагрева заготовок перед прокаткой требуется тепловая энергия в количестве 1,3-1,65 ГДж/т, а на собственно прокатку

с учетом неизбежных потерь - 0,15-0,40 ГДж/т электроэнергии. Эти цифры убедительно подтверждают, что в прокатном переделе основные затраты энергии связаны с нагревом заготовок. Экспертные оценки разных исследователей показывают, что снижение температуры нагрева заготовки на 100 °С приводит к экономии общей энергии на 0,14 ГДж/т или на 9,7 % [2], а по другим [3] составит не менее 15 %.

Технология прокатки арматурного профиля № 12 на непрерывном мелкосортном стане 250-1 металлургического комбината «АрселорМиттал Кривой Рог» предполагает нагрев исходных заготовок из стали марки 3ТРпс до температур, обеспечивающих температуру раската на выходе из первой клети в диапазоне от 1140 до 1160 °С. Согласно экспериментальным данным, среднестатистическая скорость прокатки (на выходе из последней клети стана) составляет 15 м/с.

Исследования процесса непрерывной прокатки арматурного профиля № 12 проводились непосред-

© Д. Г. Паламарь, В. Г. Раздобреев, 2008

ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металургй та машинобудуванш №1, 2008

33