CC BY
12
УДК 621.762.4
Канд. техн. наук М. I. Носенко Запорiзький нацюнальний техычний уыверситет, м. Запорiжжя
РАЦ1ОНАЛЬНИЙ ВИБ1Р ПАРАМЕТР 1В ТА СХЕМ ГАРЯЧО1 ДЕФОРМАЦИ ПРИ ОТРИМАНН1 ПОРОШКОВИХ ТИТАНОВИХ МАТЕР1АЛ1В Р1ЗНОГО ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Наведено результати дослгджень, узагальнення й оптимгзацИ параметргв термомехатчних режимгв, обтрунтування вибору способу гарячого штампування пористих заготовок порошкового титану (в закритому штамп! та з елементами витжання), а також анализ впливу схеми напружено-здеформованого стану при отриманш матергалгв I виробгвразного призначення з необх1днимргвнем щ1льност1, структурою та мехатчними властивостями, як визначаються умовами експлуатацИ.
Ключовi слова: порошкова заготовка, щшьнгсть, нагргв, термомехангчний режим, схема деформацИ, локальна зона деформацИ, напружено-здеформований стан, структура, механгчнг властивостг.
На сьогодш достатньо широко застосовуються ма-терiали та вироби на основi порошку титану ПТ5-1, який легують алюмжем i ванадieм (стоп 2М2А) та отримують традицшним методом: холодне пресуван-ня i наступне сткання [1]. Перспективним е викорис-
тання порошку пдриду титану (ТН 2) iз заданим
вмютом кисню при отриманш матерiалiв спецiального призначення (аналопчних 2 М2 А) за допомогою цього методу [2].
Отримання порошкових матерiалiв з наперед зада-ними щшьшстю та механiчними властивостями е одним iз прiоритетних напрямшв розвитку методiв порош-ково! металургп. Тому розроблення, обгрунтування та рацюнальний вибiр параметрiв i схем гарячо! дефор-мацп порошкових заготовок при виробнищга матерь алiв та виробiв рiзного експлуатацiйного призначення е важливою науково-практичною проблемою.
Таблиця 1 - Хiмiчний склад порошков, гарячештампованих виробiв* та литого титану
Матерiал Масова частка домшок, %
Fe N O H
ПТЕС-1 0,02 0,010 0,05 0,004
ПТЕК-1 0,04 0,010 0,05 0,003
ТГ-ТВ 0,55 0,110 0,35 0,030
Порошюж вироби: ПТЕС-1 0,02 0,035 0,11 0,004
ПТЕК-1 0,04 0,030 0,13 0,003
ТГ-ТВ 0,55 0,160 0,44 0,030
Литий титан [3]:
деформований стоп ВТ 1-0 0,30 0,040 0,20 0,010
ливарний стоп ВТ 1-0 0,30 0,050 0,20 0,015
* температура штампування 900—950 °С, в1дпал 800 °С, 3 години, вакуум
© М. I. Носенко, 2015
54
Метою роботи е узагальнення i оптишзацш пара-метрiв термомехашчного режиму та обгрунтування вибору рацюнальних схем гарячо! деформацп пористих заготовок iз порошков титану при отриманш широкого класу матерiалiв та виробiв рiзного експлуатацiй-ного призначення.
Для проведения дослщжень використано електроль тичнi порошки титану ПТЕС-1, ПТЕК-1, ввдаву титано-во! губки ТГ-ТВ (-0,63+0,18). Кшьшсть домiшок у цих порошках та гарячештампованих виробах не переви-щуе 1х допустимого вмiсту в деформованому або литому металi (табл. 1), що створюе передумови для отримання широкого класу порошкових матерiалiв та ви-робiв рiзного експлуатацiйного призначення iз заданими щiльнiстю та механiчними властивостями на рiвнi прокату i вище.
Заготовки (цилшдрично! форми дiаметром 28 10-3 м iз спiввiдношенням висоти до дiаметра
Н / Д = 1,0) для проведення дослщжень виготовляли холодним двостороншм пресуванням. На робочу по-верхню матриць та пуансонiв прес-форм для холодного пресування i штампiв для гарячо! деформацп наносили мастило - суспензш дисульфвду молiбдену (Мо32) з iндустрiальним маслом у сшвввдношенш 2:1 та коло!дно-графiтовий препарат В-О. Щшьшсть заготовок пiсля холодного пресування, сткання та гарячо! деформацп визначали пдростатичним зважуванням вщповщно до вимог ДОСТ 25281-82.
Значення тиску холодного пресування для отриман-ня порошкових заготовок в^носно! щiльностi 0о = 70 — 90% знаходяться в широкому дiапазонi (табл. 2). Значне збшьшення тиску для ТГ-ТВ пояснюеть-ся бiльш низькою пресовуванiстю у зв'язку з тдвище-ною твердютю частинок цього порошку.
Таблиця 2 - Значення тиску холодного пресування р, МПа
Матерiал Вдаосна щшьшсть заготовок 9 0, %
70 80 90
ПТЕС-1 100 280 640
ПТЕК-1 120 320 730
ТГ-ТВ 280 600 1200
Спiкання заготовок при температурi 1100-1200 °С протягом 1-3 години проводили в печi СНВ-1.3.3/16И1
при вакуумi (2,6 — 2,9) • 10—2Па. Сп1кання сприяе знач-ному змщненню контактiв мiж частинками порошку, деякому щдвищенню щiльностi заготовок (табл. 3). При наведених режимах сткання характерно зменшення приросту ущшьнення для заготовок меншо! пористостi без суттево! змши розмiрiв.
Таблиця 3 - Шшьтсть заготовок пiсля спiкання* 9сп
Матерiал Вдаосна щшьшсть заготовок 9 0, %
70 80 90
ПТЕС-1 72,8 81,4 90,8
ПТЕК-1 72,6 81,3 90,7
ТГ-ТВ 73,9 82,9 92,2
* температура сткання 1200 °С, витримка 2 години, вакуум
У технологи гарячо! деформацп порошкових заготовок знаходження ефективних засобiв захисту ввд газо-насичення та окислення металiв у процеа нагрiву е одним iз важливих завдань при формуваннi щшьносп, структури та властивостей матерiалiв. Тривалють на-грiву порошкових заготовок до пог^бно! температури визначали термопарами, як час вирiвнювання температури на поверхш та усерединi заготовки (табл. 4).
Вщносну щiльнiсть металу 9 = 100 % отримували елек-тровакуумним переплавленням ввдповвдного порошку.
Тривалiсть нагрiву збшьшуеться для менш щiльних заготовок, що пояснюеться зменшенням теплопровщ-носп металу зi зростанням пористосп та при щдвищент потрiбно! температури нагрiву . Зменшення трива-
лостi на^ву до бiльш високих tН для заготовок низь-
ко! щiльностi (90 < 80%) обумовлене саморозiгрiвом металу в результатi зниження ефективностi аргонного захисту та iнгенсивного газонасичення. Деяке збшьшен-ня тривалостi нагрiву заготовок ТГ-ТВ пояснюеться зменшенням теплопроввдносл внаслвдок велико! кiлькостi домiшок у вихвдшй сировинi (табл. 1).
Газонасичення та окислення при нагрiвi менш щшьних заготовок значно зростае, тому що збшьшуеться !х активна поверхня вщповщно, загальна кiлькiсть газш, яш поглинаються металом. Заготовки з вщносною
щiльнiстю 90 < 75 % можливо нагрiвати без захисного середовища (на повир^ тiльки до температури 800 °С. При бiльших значениях температури газонасичення вщбуваеться так iнтенсивно, що надмiрне тепло, утво-рене при ендотермiчнiй реакцi! окислення, не встигае вщводитися зi зразка, вщбуваеться його розiгрiв та зай-мання. Значення граничних температур tгр, вище яких неможливо вести нагрiв порошкових заготовок (ПТЕС-1, ПТЕК-1, ТГ-ТВ) рiзно! щiльностi без самозаймання, наведено в табл. 5.
Окислення порошкового титану в процеа на^ву, сткання, гарячо! деформацп та вщпалу ощнювали виз-наченням глибини газонасиченого шару при вимiрю-ваннi мiкротвердостi вщ поверхнi до центру заготовки. На^в порошкових титанових заготовок у середовищi аргону, порiвняно з нагрiвом на повир^ збiльшення щiльностi металу, а також зменшення температури та
Таблиця 4 - Тривалють на^ву порошкових заготовок* у середовищi аргону тН , хв
Температура нагршу tн, ° С Вдаосна щшьшсть заготовок 90 , %
70 75 80 85 90 100
900 45,5(41,5) 49,0(45,0) 41,3(38,0) 45,0(42,0) 37,0(34,5) 41,0(38,5) 34,5(33,0) 39,0(37,0) 32,0(30,5) 36,5(35,0) 28,5 33,5
950 41,0(37,5) 45,5(42,0) 39,0(36,0) 43,5(41,0) 36,5(34,5) 41,5(39,5) 35,0(34,0) 40,5(39,0) 34,0(33,0) 39,5(38,5) 32,5 38,5
*чисельник — ПТЕС-1, ПТЕК-1; знаменник — ТГ-ТВ; температура сткання 1200 °С, витримка 2 години, вакуум 2,66 • 10—2 Па; значення у дужках — неспечена заготовка.
тривалосп витримки дозволяе значно зменшити мшро-твердiсть та глибину газонасиченого шару. При цьому мiкротвердiсть для менш щ1льних заготовок шдвищуеть-ся не ильки на поверхнi, але й у центральних шарах ме-талу (табл. 6). Мiкротвердiсть, найбшьша для поверхне-вого шару заготовки, рiзко зменшуеться у глибину i для центральних шарiв металу мае постшне значення. Ви-користання неспечених порошкових заготовок, поршня-но зi спеченими, приводить до шдвищення м^отвер-достi Нц на 18-45 %, ввдповвдно для внутрiшнiх та по-верхневих шарiв металу.
Глибина газонасиченого шару штенсивно зростае при зменшенш щ1льносп заготовок, пiдвищеннi темпе-ратури та тривалосп витримки при нагрiвi (табл. 7).
Газонасиченiсть по об'ему заготовки, насамперед, залежить ввд газонасиченосп та глибини поверхневого шару, значно зменшуеться при !х зниженнi. Глибину цього шару слад ураховувати при розробленш схеми
подальшо! гарячо! деформацп виробiв таким чином, щоб найбшьш окислений шар металу бiльшою мiрою, знаходився у припуску на мехашчну обробку.
Використання аргону як захисного середовища не дозволяе повнiстю виключити газонасичення при на^вг Ефективнiсть аргонного захисту забезпечуеть-ся лише в тому випадку, коли заготовка нагрiваеться в закритому муфелi при надлишковому тиску газу (~ 0,2 атм) без натжання повiтря. В iншому випадку вщбу-ваеться окислення металу [4].
Iнтенсивнiсть ущiльнення порошкового металу та тиск гарячо! деформацп при штампуванш суттево за-лежать ввд вихвдно! щiльностi заготовки, температури, швидкосп та ступеня деформацi! на першш та подаль-ших стадiях процесу, наявностi змащування. Збшьшен-ня ступеня деформацп на першш стадп штампування (вiльна осадка заготовки у порожниш матрицi) позитивно впливае на ущшьнення та механiчнi властивостi
Таблиця 5 - Граничш температури самозаймання порошкових заготовок ^гр, ° С
Вдаосна щшьшсть заготовок 00, % 70 75 80 85 90
t ° С 1 гр' ^ 750 850 920 980 1040
Таблиця 6 - Значення м^отвердосп Нц, МПа та глибини газонасиченого шару И 10 3, м при нагрiвi спеченого порошкового титану* протягом 30 хв
Температура на^ву tн, ° С та показники окислення Вщносна шiльнiсть заготовки 00 , %
70 75 80 85 90
800 Н ц 5800 (3000) 6450 4 ; 5260 (2600) 5910 ' 4750 (2250) 54004 ; 1470 (1950) 5080 ^ ; 1200 (1750) 48004 '
И 0,86 0,54 069 0,26 0,40 0,20 0,28 0,16 0Д9
850 н ц 5380 (3000) 7120 У 5880 (2600) 6590 ^ У 5390 (2250) 60604 ; 5080 (1950) 5740 ^ У 4850 (1750) 5440 4 ;
И 0,97 0,66 0,89 0,29 0,50 0,29 0,50 0,21 0,41
900 Н ц 7000 (3000) 7890 ^ ' 6520(2600) 7210 ; 6000 (2250) 67004 ; 0,51 0,80 5500 (1750) 6150
И 1,10 0,80 ТД2 0,51 0,80 0,40 0,68 0,27 0,60
950 Н ц 6880 (2) 7600 1 ' 7330 (2600) 8100 ' 6880 (2250) 76004 ' 6600 (1950) 7330 ^ ; 6380 (1750) 7080 ^ У
И 1,32 1,01 1,34 0,72 1,00 0,60 0,89 0,57 0,78
1000 Н ц 8900 (3000) 95904 ' 8250 (2600) 90004 ; 2160 (1950) 8130 ; 7460 (1950) 8130 ' 7250 (1750) 7860 У 7
И 1,54 1,24 1,58 0,92 1,24 0,80 1,12 0,67 1,02
*температура сткання 1200 °С, витримка 2 години, вакуум 2,66 -10 2 Па ; середовище нагргву: чисельник — аргон; знаменник — повтря; значення в дужках — центральний шар заготовки.
порошкового металу. Однак деформацiя не повинна перевищувати технолопчно! пластичносгi, що призво-дить до утворення трщин на поверхнi заготовок [5].
На значения допустимо! вщносно! деформацii, яка визначае технолопчну пластичнiсть, впливають: вихщ-на щiльнiсть та стан заготовки (спечена, неспечена), вид матерiалу, температура та швидюсть деформацп (табл. 8).
Використання бiльш щiльних заготовок та застосу-вання операцп спiкаиня значно зб^шують технолопчну пластичнiсть. При пщвищенш швидкосп деформацп
в штервал V = 5 -15 с- (преса К8130, КА2330, К7542) значення допустимо! деформацi! зменшуеться пор1вня-но незначною мiрою. Вщносне зменшення пластичносп для наведених швидкостей
К = [(ео5 -8015)/ 805 ] -100%) становить 2 та 11%, вщповщно для заготовок ПТЕС-1, ПТЕК-1 та ТГ-ТВ. На -явнють домiшок та пор усерединi частинок ТГ-ТВ зни-жуе пластичнiсть такого матерiалу порiвняно iз ПТЕС-1, ПТЕК-1, для яких цей показник практично однаковий. Використаппя мастила дозволяе тдвищити значения допустимо! деформацп на 6-8 %. 1нтервал температур 900-950 °С е оптимальним, забезпечуе максимальну пластичнiсть заготовок рiзноi щшьносп. При цьому допустимий ступ1нь деформацп 80 становить: для спече-них заготовок 35-52 % (ПТЕС-1, ПТЕК-1), 25-45% (ТГ-ТВ); для неспечених заготовок 13-20 % та 8-15 % вщпо-вщно. Нижне значення для заготовок з вщгосною щiльиiстю 70 %, верхне - 90 % при швидкосп деформацi! 10с-1.
Для аналiзу впливу гарячо! деформацп на ущшьнен-ня, формування структури та механiчнi властивостi порошкового металу використовували метод коорди-натних сгток, яш наносили на меридiональний перерiз заготовок. Компоненти тензору деформацi! Те та iитен-сивнiсть деформацiй зсуву Г^ для кожно! пiгулки сгтки визначали вщповщно до методики [6]:
Г = ^(е^ -8г)2 +( -8е)2 + ( -8г)2 + 3у^•
У зазначеному iнтервалi температур (900-950 °С) рiвень щшьносп у об'емi порошково! заготовки визна-чаеться Г^, яка для цих металiв е величиною постшною i залежить вщ вихщно! щшьносп заготовки, схеми та сту-пеня деформацi! (табл. 9). Як показник деформацп при
закритому штампуваинi з елементами вит1кання викорис-товували коефщент випкання квит [5].
При наближент форми i розмiрiв заготовки до форми i розмiрiв гравюри штампа ступшь деформацц 80 напершш стада штампування значно менший вiд технолойчно! плас-тичност1 вихщного матерiалу, що призводить до зменшення Гг- та заважае досягненню високо! щщьносп виробiв. Вплив деформацi! ( 8 0 та квит ) на ущшьнення металу та тиск, вщповщно, при гарячому закритому штампуваииi та з елементами випкання для рiзноi вихщно! щшьносп заготовок наведено в табл. 10. Збшьшення деформацЦ' призводить до зростання Г^ та щшьносп металу. Максимальт значення ГI та щшьносп матерiалу вироб1в при закритому штам-пувант досягаються при умовi, якщо деформаця заготовок на перш1й стада вщповщае рiвию технологично! пластичносп (табл. 8). У процесi закритого гарячого штампування в iнтервалi температур 900-950 °С щiльиiсть виробiв, вщповщно, становить 98-98,5 % при мЫмаль-ному тиску деформацi! 800-700 МПа, де нижчi значення вщповщають заготовкам меншо! вихщно! щiльностi.
При штампуванш з елементами випкання зростання
Г та щшьносп металу забезпечуеться створенням до-
даткових локальних зон деформацп на кшцевш стадi! про-цесу в застiйних зонах виробiв, де сконцентрована за-лишкова пориспсть [8]. Форму та розмiри додаткових ло-кальних зон деформацi!, залежно вiд коефiцiента
випкання квит , визначено аналiзом викривлення коор-динатно! сiтки при рiзних схемах деформацп та аналтгич-ним розрахунком [9]. Тиск деформацп шдвишуеться при збшьшент квит, однак для досягнення щщьносп вироб1в е > 98 % тиск значно менший, шж при закритому штампуванш. Це обумовлено збшьшенням Г^ при змш схеми напружено-здеформованого стану вщ всебiчного р1вном1рного стискання в умовах закритого штампування до всеб!чного нерiвномiрного при штампуванш з елементами випкання, що забезпечуе отримання практично безпористих вироб!в (е = 99,8 -100%) при
кит > 9 та тиску гарячо! деформацп
р = 650 - 560 МПа.
Зменшення швидкосп деформацп вщ 15 до 5 с-1 в iитервалi температур 900-950 °С призводить до знижен-
Таблиця 8 - Значення допустимого ступеня деформацп 80 * залежно вщ вщносно! щщьносп заготовок
Матер!ал 80, %
е 0, %
70 75 80 85 90
ПТЕС-1, ПТЕК-1 35/13 41/15 45/17 48/19 52/20
ТГ-ТВ 25/8 32/11 37/13 42/14 45/15
* чисельник — спечена заготовка; знаменник — неспечена; температура сткання 1200 °С, витримка 2 години, вакуум 2,66 • 10-2Па; температура деформацп Т = 900 - 950 ° С ; швидюсть деформацп V = 10 с- ■
Таблиця 9 - Значения штенсивносп деформацш зсуву, що забезпечуе отримання беспористого металу
Щшьшсть заготовок 90 , % 70 75 80 85 90
Г1 (90) 2,93 2,82 2,71 2,59 2,47
ня тиску при закритому штампуванш на 90-70 МПа, при штампуванш з елементами вигiкания - на 80-65 МПа. Однак при надто малш швидкосгi заготовки значно охо-лоджуються, що викликае необхвдшсть шдвищення тем-ператури нагрiву або провадження процесу в iзотерм-iчному режимi. Застосування аргону як середовища нагрiву при указаних температурах дозволяе створити достатньо ефективний захист порошкового титану вщ окислення та газонасичення. Так, при нагрiвi порошко-вих заготовок ввдносно! щiльностi 90 = 90; 80; 70 % до 900 °С в аргош мшротвердкть на поверхнi дорiвнюе 5500; 6000; 7000 МПа, в центральних шарах -1750; 2250; 3000 МПа, глибина газонасиченого шару становить 0,27; 0,51; 1,10 мм.
Мжротвердють на поверхш заготовки вщносно! щiльностi 90 = 80% при нагрiвi до температур 800; 900; 1000 °С в середовищi аргону збiльшуеться ввдповщно до 4750; 6000; 7700 МПа, на повпр - до 5400; 6700; 8500 МПа при мшротвердосп центральних шарш металу 2250 МПа; глибина газонасиченого шару при нагрiвi в аргош, вщповщно, дорiвнюе 0,26; 0,51; 0,92 мм, на повг^ -0,40; 0,80; 1,24 мм. Скорочення вщ 60 до 10 хвилин вит-
римки при температурi 900 °С в середовищi аргону заготовок ввдносно! щiльностi 90; 80; 70 % дозволяе змен-шити глибину газонасиченого шару з 0,40; 0,73; 1,27 мм до 0,12; 0,30; 0,76 мм.
Позитивний вплив на процес гарячо! деформаци по-рошкових заготовок чинить технолопчне змащування. Нанесення суспензи дисульфiду молiбдену з шдус^аль-ним мастилом (2:1) або коло!дно-графиового препарату В-О на робочу поверхню оснастки дозволяе зменшити, порiвняно з умовами сухого тертя, тиск деформаци на 85-60 МПа (закрите штампування) та 65-50 МПа (штам-пування з елементами випкання) при температурах 900 та 950 °С вщповщно. При подальшому збшьшенш темпе-ратури ефективнiсть використання мастила знижуеться.
Тиск гарячо! деформацi! при штампуванш визна-чае щiльнiсть порошкових виробiв, стiйкiсть та робо-тоздатшсть оснастки, енерговитрати та номiнальне зу-силля ковальсько-пресового обладнання. Штампування з елементами випкання, порiвняно iз закритим штампуванням, потребуе деякого збшьшення затрат роботи деформацi!, однак пропкае при менших значен-нях тиску та зусилля (табл. 11).
Таблиця 10 - Залежшсть ущшьнення матерiалу 9 та тиску р при гарячому штампуваннi заготовок ПТЕС-1, ПТЕК-1 рiзно! вiдносно! щiльностi 90 ввд деформацi!*
9,% р, МПа В 0 , % при закритому штампуванш
10 20 30 35 40
90, % 70 97,1 97,6 97,9 98,0 97,9
860(810) 830(780) 805(770) 800(760) 805(770)
80 97,5 97,9 98,0 98,1 98,2
845(790) 815(765) 795(745) 785(735) 780(730)
90 97,8 98,1 98,2 98,3 98,4
830(770) 800(740) 780(725) 765(715) 760(710)
9,% В 0 , % при закритому штампуванш
р, МПа 45 50 55 60
90, % 70 97,7 810(780—)
80 98,3 98,2 98,0
775(730) 780(735) 790(740)
90 98,4 98,5 98,4 98,2
755(705) 750(700) 755(710) 765(720)
90, % 70-90 квит при штампуванш з елементами витжання
7 8 9 10
98,8 99,5 99,8 -100 99,8 -100
620 - 565(580 - 525) 635 - 585(610 - 545) 650 - 600(625 - 560) 670 - 615(635 - 575)
* чисельник—вiдносна щтътстъ матершлу; знаменник—тиск штампування при температурi 900° С та 950° С (значенняу дужках).
Таблиця 11 - Eнеpгocилoвий режим гapячoï дефopмaцiï при штaмпyвaннi*
B^ocrn щiльнicть зaгoтoвки 0o,% THCR p , MQa Зycилля P, кН Рoбoтa A, кН • м
70 S00 492 1,1S4
б55 403 1,353
S0 770 б25 474 3S5 1,194 1,394
90 750 4б2 1,210
б00 3б9 1,427
* чисельник — 3aKpume шmaмnyвaння; знaменнuк — шmaмnyвaння з елеменmaмu вumiкaння.
Зустлля штампування зpocтaе, а poбoтa дефopмaцiï зменшyетьcя при штaмпyвaннi менш щiльниx загото-вoк. Це пoяcнюетьcя тим, щo з pocтoм щiльнocтi заго-тoвoк збiльшyетьcя ïx дoпycтимий cтyпiнь дефopмaцiï на пеpшiй стадн пpoцеcy та, вiдпoвiднo, poбoчий ид пoвзyнa пpеcy [10].
Фopмyвaння структури пopoшкoвoгo мaтеpiaлy в пpoцеci гapячoï дефopмaцiï визначае piвень меxaнiч-нм влacтивocтей виpoбiв. Зaлежнo вiд cxеми напруже-нo-здефopмoвaнoгo cтaнy та cеpедньoгo за oб'емoм ш-poшкoвoï заготовки значення iнтенcивнocтi дефop-
мaцiï зcyвy ri, при iншиx piвниx yмoвax, пopoшкoвий метал oднaкoвoï кiнцевoï щiльнocтi (табл. 9) мае piзний xapaктеp викривлення кoopдинaтнoï' атки, нaиеcенoï на меpидioнaльний пеpеpiз заготовки, та структуру. Збiльшения викривлення шгулки ciтки, зaлежнo вiд па-paметpiв дефopмaцiï, oбyмoвлене змiнoю кoмпoненти
тензopa дефopмaцiй Ts - дефopмaцiï зcyвy Yrz , Щ0 cyn^o впливае на фopмyвaния cтpyктypи (табл. 12).
При дефopмaцiï зaгoтoвoк, наближент за фopмoю дo пopoжнини матриц ( мaкcимaльнo pеaлiзyетьcя cxе-ма нaпpyженo-здефopмoвaнoгo cтaнy - вcебiчне piвнo-мipне cтиcкaния), визначений piвень ri i вiдпoвiднoï
щiльнocтi пopoшкoвиx мaтеpiaлiв дocягaегьcя з малими значеннями Y rz , яка зpocтaе при щдвищент s0 в ^o-
цеа зaкpитoгo штaмпyвaния та keum при штампувант
з елементами витiкaння. Структура мaтеpiaлy дефop-мoвaнa неpiвнoмipнo. Шруч з дефopмoвaнoю, щiльнoю, дpiбнoзеpниcтoю cтpyктypoю в центpaльниx шapax зaгoтoвки, xapaктеpнa нaявнicть oкpемиx пop та piвнoвicниx кpyпниx зерен y пpикoнтaктниx зoнax зат-pyдненoï дефopмaцiï. Злам зразшв пеpевaжиo мiжзе-ренний, нaявнi oкpемi дiлянки в'язкoгo руйнування. На гpaиицяx зерен cкyпчення oкcидниx плiвoк. Пюля ввдпа-лу чacтинa циx плiвoк лишaегьcя включеннями, части-на зaмiщyетьcя пopaми.
Iнтенcивне зpocтaния Yrz при штaмпyвaннi з елементами випкання ( вcебiчне неpiвнoмipне cтиcкaння) cпpияе зменшенню кiлькocтi дiлянoк кр^гого мiжзе-pеннoгo зламу y зpaзкax, piвнoмipнoмy poзпoдiлy o^
cидниx плiвoк пo o6 ' ему металу зi збiльшенням кiлькocтi зoн ïx poзpивy та пiдcиленню дифyзiï в ^o^ci дефop-мaцiï [11]. При вiдпaлi злам в'язкий ycеpединi зерен; тонш плiвки poзчиняютьcя пo oб'емy металу без гору-шення дого cyцiльнocтi. Структура металу щiльнa, де-фopмoвaнa, пpaктичнo oднopiднa та дpiбнoзеpниcтa. Haявнicть oкpемиx дpiбниx пop xapaктеpнa для застш-ниx oб'емiв зaтpyдненoï дефopмaцiï, де не cтвopенo дo-дaткoвиx лoкaльниx зoн дефopмaцiï.
Вплив нaпpyженo-здефopмoвaнoгo cтaнy, cxеми та пapaметpiв теpмoмеxaнiчниx pежимiв, виxiднoï щiльнocтi пopoшкoвиx зaгoтoвoк на фopмyвaння меxa-нiчниx влacтивocтей мaтеpiaлy пicля гapячoï дефopмaцiï та нacтyпнoгo вiдпaлy визначали за результатами вип-poбyвaиь зpaзкiв oднaкoвoгo xiмiчнoгo cклaдy (табл. 13). ^казники мiцнocтi та плacтичнocтi мaтеpiaлiв, oтpи-мaиi при зaкpитoмy штaмпyвaннi, збiльшyютьcя зi зpo-cтaнням cтyпеня дефopмaцiï. Haйбiльш виcoкi шказ-ники дocягaютьcя при мaкcимaльнo дoпycтимiй дефop-мацп на piвнi теxнoлoгiчнoï плacтичнocтi, перевищення якoï пpизвoдить дo зниження ïx piвня. Штампування з елементами випкання забезпечуе oтpимaння мaтеpi-aлiв з бшьш виcoкими пoкaзникaми плacтичнocтi. При цьoмy xapaктеpиcтики мiцнocтi знaxoдятьcя ^ara^n^o на oднaкoвoмy piвнi.
Tемпеpaтypa гapячoï' дефopмaцiï' 900-950 "С неcyг-тевo впливае на меxaнiчнi влacтивocтi мaтеpiaлiв. Пo-казники плacтичнocтi в цюму iнтеpвaлi температур ма-ють макстмальний piвень. Збiльшення температури викликае зменшення плacтичниx xapaктеpиcтик та зpo-станАя гpaницi мiцнocтi пopoшкoвoгo титану, щo oбy-мoвленo пiдвищеним гaзoнacиченням зaгoтoвoк та ви-poбiв.
Сyгтевo впливае на меxaиiчнi влacтивocтi мaтеpiaлiв тип виxiднoгo пopoшкy. Границя мiцнocтi виpoбiв iз ПГЕС-1, ШЕК-1 нижче, а шказники плacтичнocтi вищi, нiж y виpoбiв oтpимaниx iз виciвoк губчаагого титану Tr-TB. Це oбyмoвленo тдвищеним вмicтoм дoмiшoк y виxiднoмy пopoшкy та виpoбax Tr-TB (табл. 1).
Залежга вiд нaпpyженo-здефopмoвaнoгo cтaнy при piзниx cxемax гapячoï' дефopмaцiï', piвень плacтичниx
влacтивocтей 5,у та yдapнoï' в'язкocтi KCU змiнюегьcя в шиpoкoмy дiaпaзoнi (для Ш'ЕС-1, ШЕК-1:
Таблиця 12 - Зв'язок параметрiв гарячо! деформаци (в 0, к вит ) порошкового титану вихвдно! вщносно! щ1льносп 9 о з показниками деформованого стану та у Г2 *
в 0,% 10 20 30 35 40 45 50 52
к вит 7 8 9 10
70 1,20 2,00 2,58 2,82
2,89 2,92 2,94 2,95
Г 90,% 80 0,95 2,64 1,60 1,98 2,66 2,24 2,40 2,68 2,53 2,69
90 0,75 1,10 1,40 1,53 1,65 1,75 1,75 1,80
2,18 2,21 2,22 2,23 2,23
70 0,21 0,39 0,50 0,55
0,64 0,74 0,79 0,83
У Т2 90,% 80 0,23 0,72 0,43 0,55 0,83 0,62 0,90 0,62 0,90 0,65 0,95
90 0,25 0,67 0,60 0,64 0,71 0,69 0,71 0,72
0,78 1 0,92 1,06 1,06
*чисельник — закрите штампування
(во)
знаменник — штампування з елементами витгкання
((квит ) ■
8 = 18 - 35%; у = 27 - 47%;
кси = 380 -1330 кДж/м2). Всебiчне нерiвномiрне стискання (штампування з елементами випкання -8 = 32 - 35%; у = 42 - 47%;
КСи = 1200 -1330 кДж/м2) або сполучення все-бiчного рiвномiрного з наступним нерiвномiрним стис-канням (закрите штампування з максимально допустимою деформащею на рiвнi технолопчно! пластичностi
та з елементами витшання - 8 = 30 - 35%;
у = 42 - 46%; КСи = 950 -1100кДж/м2 ), по-рiвняно з рiвномiрним (закрите штампування неспече-но! та спечено! заготовки, вщповщно - 8 = 22 - 27,
28 - 32%;
у = 33 - 39,
40 - 45%;
КСи = 530 - 690, 750 -850 кДж/м2), забезпечуе отримання бшьш високого рiвня пластичних властиво-стей порошкового титану при мщносп
аВ = 300 - 440МПа .
На основi проведених дослвджень розроблена техно-лопя отримання широкого класу порошкових титанових матерiалiв та виробiв рiзного експлуатащйного призна-чення при гарячiй деформаци заготовок ПТЕС-1, ПТЕК-1, ТГ-ТВ. Враховано вплив напружено-здефор-мованого стану, оптимальних параметрiв термомеха-нiчних режимiв та рiзних факторiв процесу, при визна-чених схемах штампування, на ущшьнення порошко-
вого металу, формування його структури та мехашч-них властивостей. Технолопчш параметри гарячо! деформаци обмеженi границями, що забезпечують отримання титанових матерiалiв з найкращим комплексом щшьносл, властивостей мщносп i пластичностi, ударно! в'язкостi на рiвнi та вищi, нiж у литого зде-формованого металу аналопчного хiмiчного складу, залежно вiд застосовано! схеми гарячо! деформацi! (табл. 14).
Умови експлуатацп порошкових виробiв потребу-ють забезпечення визначеного рiвня щiльностi та меха-нiчних властивостей матерiалу, як1 залежать вiд вихвдно! сировини, ввд особливостей отримання при рiзних схемах та параметрах гарячо! деформаци (табл. 15).
При закритому гарячому штампувант схема напру-жено-здеформованого стану, на заключнш стадi! процесу, максимально наближаеться до всебiчного рiвно-мiрного стискання. Це дозволяе при використанш порошкових заготовок ТГ-ТВ отримувати конструкцiйнi матерiли та вироби, яю, при конкретних умовах експлуатацп, задовiльняють вимогам високого рiвня мiцностi при умовi, що рiвень пластичних властивостей не е виз-начальним. Застосування ПТЕС-1, ПТЕК-1 забезпечуе, при високш мщносп, тдвищення рiвня пластичних властивостей матерiалу. Однак для ще! схеми штампування характерна наявшсть зон затруднено! деформаци та залишково! пористосп. Цi зони необхщно обов'язково враховувати в процеа проектування та конструювання виробiв i технологiчного оснащення, щоб дiлянки, яш формуються в них, не були важконавантаженими заг-розливими перерiзами виробiв.
Таблиця 13 - Вплив параметрiв деформацп (в0, квит ) на мехатчт властивостi спеченого порошкового титану
ПТЕС-1, ПТЕК-1, ТГ-ТВ ввдносно! вихвдно! щшьносп 00 *
в 0,% квит 10 7 20 30 8 35
^ в, МПа 00. % 70 385(430) 375(425) 365(400) 385(430) 375(425) 400
80 335(290) 375(400) 370(385) 395(445) 395(440) 405(460)
90 345(300) 395(430) 380(365) 405(415) 425(455) 410(430)
5,% 00, % 70 19(7) 27(12) 23(10) 26(13) 30(14 ) 28
80 23(9) 29(13) 26(12) 27(15) 32(15) 28(16)
90 25(11) 30(14) 27(13) 28(15) 33(16) 29(17)
00, % 70 29(15) 38(31) 35(23) 38(24) 40(35) 40
80 34(20) 40(33) 37(23) 39(25) 43(37) 41(26)
90 37(23) 41(34) 40(24) 42(25) 44(37) 43(26)
кси, кДж/м 2 0 0, % 70 480 (70) 1000 (260) 590(190) 710(185) 1125(320) 750
80 520(100) 1060(280) 640(170) 755(220) 1185(355) 790(230)
90 570(150) 1110(315) 700(200) 790(230) 1230(390) 815(240)
в 0,% к вит 40 ~9 45 50 10 52
^ в, МПа 00, % 70 395 400(465) 430(470)
80 415(455) 425(475) 420 415 440(480)
90 415(455) 440(480) 418(465) 420(460) 445(485) 420
5,% 00, % 70 27 32(15) 32(16)
80 29(15) 33(16) 29 28 33(17)
90 30(18) 34(17 ) 31(18) 32(17 ) 34(18) 32
Продовження табл. 13
у, % 00, % 70 39 41(38) 42(39)
80 42(25) 44(39) 43 42 44(40)
90 44(27) 45(39) 44(28) 45(27) 45(40) 45
KCU, кДж/м2 0 0, % 70 740 1240(370) 1260(460)
80 800(225) 1280(410) 800 790 1300(435)
90 840(245) 1320(440) 845(250) 850(245) 1330(395) 850
*температура сткання 1200 °С, витримка 2 години, вакуум 2,66 -10-2Па ; температура деформацп 900-950 °С; eidnan 800 °С, 3 години, вакуум 2,66 -10-2 Па; чисельник — закрите штампування (s0); знаменник — штампування з елементами витжання (квит ); ТГ-ТВ — значення у дужках.
Таблиця 14 - Оптимальт технолопчт параметри гарячо! деформаци заготовок порошкового титану та мехатчт властивостi матерiалу
Параметри деформаци Схема деформаци
Закрите штампування Штампування з елементами витжання
Ввдносна щиьтсть заготовки 00,% 70-90
Температура, ° С Спжання 1200
Нагршу 900-950
Вiдпалу 800
Середовище Спжання Вакуум 2,66 -10 2 Па
Вiдпалу
Нагршу аргон
Тривалгсть сткання, вдаалу, год. 2-3
Технолопчне змащування M0 S2 з iндустрiальним мастилом (2:1), коло!дно-графгговий препарат В-О
Ступшь деформаци S0,% * 35 - 52(13 - 20) 25 - 45(8 -15) Коефщент витжання квит > 9
Тиск деформаци p, МПа 700-800 560-650
1нтенсившсть деформацш зсуву Г ■ 2,84-1,82 >(2,94 - 2,22)
Деформащя зсуву Y rz 0,55-0,72 >(0,79 -1,01)
Вщносна щiльнiсть матерiалу виробiв 0,% 98,0-98,5 99,8-100
Механiчнi властивостi матерiалу виробш** стВ, МПа 400 - 420 (400 - 550) 430 - 460 400 - 430 460 - 500
5,% 28 - 32 (17 - 20) 14 -17 v ' 32 - 35 16 -19
у,% 40 - 45 (32 - 50) 26 - 29v ' 42 - 47 38 - 41
KCU, кДж/м 2 750 - 850 (500 -1000) 180 - 250 v ' 1200 -1300 370 - 470
* чисельник — ПТЕС-1, ПТЕК-1; знаменник — ТГ-ТВ; значення у дужках — неспечет заготовки; ** значення у дужках — литий здеформований вiдnaлений титан ВТ 1-0 [3]
Таблиця 15 - Характеристика порошкових титанових матерiалiв за схемою деформацп при виробництвi, рiвнем щiльностi та мехашчних властивостей*
Схема гарячо! деформацп Рiвень щшьносп та мехатчних властивостей
е,% а В, МПа 5,% кси, кДж/м 2
I Закрите штампування з мшмальною деформащею на першш стадй 97,0-97,5 300 - 330 270 - 300 18 - 23 8-12 27 - 33 18 - 22 380 - 490 80 -150
Закрите штампування з максимальною деформащею на першш стадп II Неспечеш заготовки 97,5-98,5 340 - 370 290 - 330 22 - 27 10-15 32 - 39 20 - 24 530 - 690 100 -170
III Спечеш заготовки 98,0-98,5 400 - 420 430 - 460 28 - 32 14 -17 40 - 45 25 - 28 750 - 850 180 - 250
IV Штампування з елементами випкання неспечених заготовок 99,5-100 400 - 430 440 - 470 28 - 33 14-17 41 - 45 27 - 32 820 - 930 210 - 300
V II та наступне штампування з елементами випкання 99,8-100 400 - 440 450 - 500 30 - 33 16-19 42 - 46 30 - 35 950-1100 320 - 430
VI Штампування з елементами витжання спечених заготовок 99,8-100 400 - 430 460 - 500 32 - 35 17 -19 42 - 47 38 - 41 1200-1330 400 - 470
* чисельник — ПТЕС-1, ПТЕК-1; знаменник — ТГ-ТВ.
При штампуванш з елементами випкання, за раху-нок застосування компенсацшних щiлин, в периферш-них порожнинах затруднено! деформацii, а також у донках, де формуються загрозливi перерiзи виробiв, створюються додатковi локальнi зони деформацп, умо-ви всебiчного нерiвномiрного стискання та пластичного спкання металу на заключнiй стадii' процесу. Рiвень щшьносп та механiчних властивостей матерiалу виробiв ПТЕС-1, ПТЕК-1 повшстю задовiльняe вимоги до ана-лопчних деталей з литого здеформованого металу. По-зитивний вплив на пластичш властивостi отримуваних матерiалiв, особливо ударну в'язк1сть, значения яко! перевищуе рiвень для литого здеформованого металу, надае скорочення кiлькостi технологiчних операцiй у процеа передiлу порошкових заготовок, при яких ввдбу-ваеться газонасичення та окислення металу.
Закрите гаряче штампування литих матерiалiв пе-редбачае використання компенсацiйних щiлин для за-побтання перевантаженню та поломки штампово! оснастки внаслвдок коливання об' ему лито! заготовки. При штампуванш порошкових заготовок з елементами вит-тання компенсацшш щiлини застосовуються з метою керування процесом ущiльнения, формування струк-тури та механiчних властивостей матерiалу в перифер-iйних застойних порожнинах матрищ, де деформацiя ускладнена, за рахунок створення локальних зон деформацп. Це визначае к1льк1сть та мюце розташуваиия ком -пенсацiйних щшин. Для формування локальних зон деформацп та необхщного рiвня штенсивносп деформацi! зсуву достатньо процес здшснювати до початку уста-леного випкання металу в компенсацiйнi щiлини з мшмальними припусками.
Враховуючи вимоги до рiвня щшьносп та мехашч-них властивостей матерiалу, що визначаються при екс-
плуатацi! виробiв, застосовуючи конкретш умови гаря-чо! деформацi! при реалiзацii рiзних схем напружено-здеформованого стану (вщ всебiчного рiвномiрного стискання - закрите штампування до всебiчного не-рiвномiрного - штампування з елементами випкання) можна зменшити собiвартiсть виробництва, шдвищити продуктивнiсть процесу та коефщент використання металу, забезпечити, при визначених термомехашчних та енергосилових параметрах, отримання широкого класу порошкових титанових матерiалiв i виробiв рiзно-го експлуатацшного призначення з необхiдними щ1льшстю, структурою та мехаиiчними властивостями.
Список лтератури
1. Быков И. О. Исследование влияния режима спекания на свойства порошкового материала 2М2А / Быков И. О., Овчинников А. В. // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. трудов. Вып.4 8, ч. 3. - Днепропетровск, ПГАСА, 2009. - 260 с.
2. Применение гидрированного титана с заданным содержанием кислорода для получения изделий методом порошковой металлургии / [И. О. Быков, А. В. Овчинников, С. И. Давыдов и др.] // Теория и практика металлургии. - 2011. - № 1-2. - С. 65-69.
3. Применение титана в народном хозяйстве / Под ред. А. Т. Туманова - К. : Техника, 1975. - 200 с.
4. Колачев Б. А. Механические свойства титана и его сплавов / Колачев Б. А., Ливанов В. А., Буханова А. А. - М. : Металлургия, 1974. - 544 с.
5. Изменение деформационных характеристик пористых заготовок из порошков титана, меди и алюминия / [В. А. Павлов, М. И. Носенко, Б. В. Попов и др.] // Порошковая металлургия. - 1987. - № 9. - С. 20-24.
6. Павлов В. А. Исследование горячей деформации и уплотнения порошковых металлов / Павлов В. А., Носенко М. И. // Порошковая металлургия. - 1988. - № 1. -С. 1-6.
7. Павлов В. А. Влияние горячей деформации на формирование структуры и свойств порошковых металлов / Павлов В. А., Носенко М. И. // Порошковая металлургия. - 1988. - № 2. - С. 16-20.
8. Павлов В. А. Влияние деформированного состояния на уплотнение порошковых металлов при горячей штамповке / Павлов В. А., Носенко М. И. // Порошковая металлургия. - 1992. - № 2. - С. 8-12.
9. Носенко М. I. Дослщження гарячого штампування по-рошкових заготовок / Носенко М. I. Павлов В. О. // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. -2006. - № 2. - С. 51-55.
10. Носенко М. И. Экспериментально-аналитический расчет силового режима и анализ энергозатрат горячей штамповки порошковых заготовок / Носенко М. И., Павлов В. А., Ляшенко А. П. // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - 1999. - № 2. -С. 69-72.
11. Носенко М. I. Формування структури порошкових кон-струкцшних титанових матерiалiв при гарячому штам-пуванш //Н^ матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш / Носенко М. I., Павлов В. О., Ляшенко О. П. - 2008. - № 2. - С.14-16.
Одержано 09.11.2015
Носенко М.И. Рациональный выбор параметров и схем горячей деформации при получении порошковых титановых материалов различного эксплуатационного назначения
Приведены результаты исследований, обобщения и оптимизации параметров термомеханических режимов, обоснование выбора способа горячей штамповки пористых заготовок порошкового титана (в закрытом штампе и с элементами истечения), а также анализ влияния схемы напряженно-деформированного состояния при получении материалов и изделий различного назначения с требуемыми уровнем плотности, структурой и механическими свойствами, которые определяются условиями эксплуатации.
Ключевые слова: порошковая заготовка, плотность, нагрев, термомеханический режим, схема деформации, локальная зона деформации, напряженно-деформированное состояние, структура, механические свойства.
Nosenko M. Rational choice of options and hot deformation schemes in the preparation of titanium powder materials of different operational purposes
The results of research, synthesis and optimization ofparameters of the thermomechanical regimes rationale for the selection method of hot forming porous preforms powdered titanium (in the closed die, and with elements of expiration), and an analysis of the impact of the scheme of the stress-strain state in the preparation of materials and products for various purposes with the required level of density , structure and mechanical properties, which are determined by operating conditions.
Key words: powder preparation, density, heat, thermomechanical mode of deformation scheme, local deformation zone, the stress-strain state, structure, mechanical properties are presented.
