CC BY
21
СУЧАСНЕ ВИКОРИСТАННЯ ГАРЯЧОГО 1ЗОСТАТИЧНОГО
ПРЕСУВАННЯ
Вступ
Сучасне промислове виробництво значну увагу придiляe створенню нових машин та механiзмiв з високими робочими параметрами завдяки використанню деталей з високим рiвнем технологiчних i споживчих властивостей. Саме високощiльнi деталi вiдповiдають таким вимогам та використовуються у галузi автомобшебудування, машино-будування, прокатки та ш.
Сьогоднi iснуe велика шльшсть альтернативних методiв отримання високощiльних деталей з високими показника-ми технолопчних та експлуатацiйних властивостей. Вибiр методу виробництва таких деталей залежить ввд !х розмiрiв, вимог та рiвня фiзико-механiчних властивостей, та iн.
До того ж сучасний споживчий ринок високощшьних виробiв потребуе деталей, щшьшсть яких наближена до теоретичних значень, що можна досягти завдяки використанню нових технологш плавки та пресування пiд високим тиском [1].
Мщшсть деталей, отриманих порошковою металургiею, у середньому менше литих, що пояснюеться впливом структури матерiалу. З метою покращення експлуатацiйних властивостей деталей, доцшьно використовувати прогре-сивнi технологи пресування, як б задовольняли високим вимогам, що висуваються для шдвищення довговiчностi та надiйностi деталей машин. Одшею з перспективних технологий сьогодення е гаряче iзостатичне пресування (Г1П). За умови, досить високого розвитку апаратiв високих та надвисоких тисшв, та унiкальностi впливу, iзостатичне пресування мае безумовш переваги у порiвняннi з традицiйними технологiями обробки металiв тиском та температурою [2]. Але, через високу ресурсоемнiсть, технолопчшсть, вартiсть та не велику доступшсть обладнання, iснуе багато невирiшених питань, пов 'язаних як з фiзикою процесу тако! технологи, так i з 11 впливом на матерiали, що обробляють-ся. Тому актуальним е детальний аналiз iснуючих методв iзостатичного пресування та розробки нових експеримен-тальних установок Г1П, яш дозволять отримати вiдповiдi на невиршеш питання науки в цiй галузг
Постановка задачi
Метою роботи е детальне вивчення юторп розвитку iзостатичного пресування. Для досягнення поставлено! мети необхвдно вирiшити наступнi задачi:
- розглянути iснуючi методи барометрично! i баротермiчно! обробки матерiалiв;
- виявити галузi промисловостi, в яких застосовуеться Г1П;
- вивчити вплив Г1П на властивостi i структуру матерiалiв, що обробляються.
Iсторiя розвитку iзостатичного пресування. Поняття баротермiчноT обробки
Основш досягнення в галузi високих тисшв та !х впливу на властивосп матерiалiв ввдносяться до 30-х рошв ХХ-го столiття в галузi теоретично! фiзики та розвитку апаратiв високого тиску. З наступним розвитком технологш i подаль-шим вивченням процеав обробки матерiалiв високим та надвисокими тисками в серединi двадцятого столггтя з'яви-лася методика, основним принципом яко! стала барометрична обробка матерiалiв у середовищi стиснутого газу або рвдини. За сво!м принципом рiвномiрностi стискання матерiалу з усiх бошв, ця методика отримала назву - iзостатич-ного пресування [23].
Головними параметрами барометрично! обробки - е тиск, температура та час, яш добираються таким чином, щоб у результап впливу об'ект набував максимально! або повно! щiльностi. В сучасних установках iзостатичного пресування, залежно ввд цiльового призначення, тиск та температури обробки можуть сягати вiдповiдно 300 МПа i 3000 °С [4, 5].
Головними перевагами iзостатичного пресування е висок фiзико-механiчнi характеристики матерiалiв, що отри-муються в результап його впливу:
- рiвномiрнiсть структури, щшьносп, текстури;
- мiнiмальнi витрати, що, безумовно, дуже важливо тд час обробки дорогих, жаротривких, токсичних або радю-активних матерiалiв;
- практично будь-яка складнiсть форми виробiв, як1 до того ж мають мiнiмальнi потреби додатково! механiчно! обробки або, взагал^ вiдсутнiсть необхiдностi до !! проведення;
- унiкальна можливють отримання рiзноманiтних композицiйних матерiалiв.
1зостатичне пресування потребуе наявностi високого тиску, яке створюеться в емностях стисненим шертним газом або рщиною. Тиснення вiдбуваеться або безпосередньо до виробу, який оброблюеться, або до поверхт капсу-ли, що мiстить порошок або рвдину. Проблеми безпеки таких емностей виршувалися рiзними шляхами, завдяки чому багато роботи пророблено винахщниками для пошуку високих характеристик опору руйнуванню при циклiчних
навантаженнях, тому сьогодш вони е практично безпечними.
1зостатичне пресування iснуе двох титв - гаряче (Г1П або HIP) та холодне (Х1П або CIP). Установки Г1П та Х1П на приклада обладнання QUINTUS шведсько! компани ASEA показанi на рис. 1. Холодне iзостатичне пресування вщизняеть-ся вiд гарячого вiдсутнiстю використання пiдвищених температур i проводиться у газовому або рщкому середовищi.
Технологи Г1П, як правило, використовуються для подальшо! обробки ливарного виробництва деталей з металiв або !х сплавiв, або композицiйних матерiалiв. Х1П використовуеться у випадках коли Г1П технолопчно не може бути застосоване для процеав ущiльнення матерiалу. Наприклад, при виробнищга вогнетривко! керамiки, обробки важких металiв, тонкоспнно! керамiки, попереднього ущшьнення металiчних порошков тощо.
Практичне впровадження методу гарячого iзостатичного пресування спочатку було розроблене та використане в 1955 рощ колективом винахвднишв Battle Memorial Institute (США) для дифуз^ого зварювання пiд час виробництва тепловидшьних елементiв у ядернiй промисловостi та було назване «зварюванням тиском газу». З середини 1960-х роюв цю технологию почали широко застосовувати для усунення пор i мiкродефектiв у литих деталях [7].
Рис. 1. Обладнання QUINTUS шведсько! компани ASEA: а - установка Г1П; б - установка Х1П [6]
Сьогодш Г1П динамiчно розвиваеться завдяки удосконаленню обладнання, що за останш 10-15 рошв дозволило суттево зменшити варгiсть баротермiчноi обробки i значно сприяло розширенню сфери ii застосування. Однак технологш Г1П складно ввести у процес виробництва через його тривалють i неможливiсть безперервноi' роботи [7, 8].
Таш компанii' як Howmet, PCC, Tiline (США), PCC France (Франщя) i Tital (Гермашя) використовують Г1П для обробки уае].' номенклатури титанових вилившв, як1 виробляються цими компан1ями. Iншi компанii', таш як Oremet, Rem Products (США), Titech International (Канада), Settas (Бельпя) i VMC (Японiя) також використовують Г1П у технологiчному процеа виготовлення виливкiв та деталей [9].
Пдвищення технолог1чних та експлуатац1йних властивостей деталей завдяки використанню методу 1111.
Усунення ливарних дефект1в
Г1П дозволяе усунути цiлу низку ливарних дефекпв, а саме мiкропори в об' eMi вилившв, поверхневi та глибиннi дефекти. В переважнш бiльшостi, важливою перевагою устаткування Г1П - е усунення таких дефекпв без необхщ-носп використання додатковоi' термiчноi' обробки, що в свою чергу дозволяе значно скоротити та спростити техноло-пчний процес отримання концевого виробу. Використання Г1П у виробництвi дае можливють одночасноi' обробки достатньо великоi партл виливк1в та значно скорочуе витрати на рентген1вський контроль [10-12].
У даний час видалення дефекпв методом Г1П використовуеться в промислових масштабах для таких матерiалiв, як нержашюча сталь, титановi i алюмiнieвi сплави, а також нiкелевi та кобальтста сплави. Однак Г1П гарантуе покращення механ1чних властивостей навiть для звичайноi' вуглецевоi' литоi' сталi, яка набувае механ1чн1 характеристики, аналопчт виробам, отриманих деформуванням. Алюмiнieве литво пiсля баротермiчноi' оброки також п1двищуе пластичнiсть i опiр циклiчному i термiчному руйнуванню.
Видалення пористостi поблизу поверхнi вилившв значно покращуе як1сть механ1чно обробленоi' поверхнi, надае висок1 показники знососпйкосп.
Дуже розповсюджене використання технологii' баротермiчноi' обробки в авiабудуваннi як тд час виготовлення вiдповiдальних деталей, так i шд час проведения ремонтно-ввдновлювальних робiт.
П1д час виробництва литих робочих лопаток турбiни ГТД iз жаромiцого сплаву ЖС26-ВИ, навiть у процеа направ-леноi' кристалiзацii' виникають внутрiшнi дефекти у виглядi м^опористосп та усадкових дефектiв (рис. 2) [13].
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2015
119
» i
/ 4
\ • ш ,
) •
л А'
-;
* *
- t
' . ..
а б
Рис. 2. Мжроструктура робочо! лопатки i3 сплаву ЖС26-ВИ до обробки Г1П: а - х 200; б - х 500
Дослвдним шляхом доведено, що гаряче !зостатичне пресування при температур! 1250 °С та тиску 170 МПа сприяе тдвищенню якоси вироб1в за рахунок стабшзацй структури та мехатчних властивостей у результат! усунення м1кро-пористост! (рис. 3).
Г 1 \ з7 и V СЗЙА 5Ш л
ч ь 1 '• $ k - «•' j§
. а ' "а т> ' Kim
а б
Рис. 3. Мжроструктура робочо! лопатки iз сплаву ЖС26-ВИ пiсля процедуры обробки Г1П: а - х 200; б - х 500
Однак через збшьшення щльносп мае мюце виникнення локальних концентрацш у зонах «залжовування» м1кро-пор та б1ля карбщв. У зв'язку з чим, для гомогешзацп та релаксацп напружень наведених у процеа Г1П, а також тдвищення структурно! однородности сплаву !снуе необх!дн!сть у додатковш стандартн!й терм!чн!й обробц! при температур! 1265 °С упродовж 1 години 15 хвилин (рис. 4) [14].
а б
Рис. 4. Мжроструктура робочо! лопатки iз сплаву ЖС26-ВИ июля процедури обробки Г1П та стандартно! термшчно!
обробки: а - х 200; б - х 500
Таким чином, вельми ефективна методика Г1П ! при ввдновленш турб!нних лопаток, яю е найб!льш навантажени-ми деталями газово! турб!ни через висок! температури робочого середовища та механ!чн! навантаження. З часом щ несприятлив! умови роботи зм!нюють м!кроструктуру матер!алу лопаток, попршуючи !х механ!чн! характеристики. Операц!! з вщновлення лопаток, яш виробили свш ресурс, включають зварювання, терм!чну обробку, нанесення покритт!в та Г1П. Метою цих заходав е видалення порожнеч ! тр!щин та ввдновлення мехатчних властивостей лопаток до вихвдного стану. Слад ввдзначити, що Г1П у цьому випадку видаляе також ! м!кротр!щини, яш з'явилися при ввднов-лювальному зварюванн!.
Кр!м того, що технолопя Г1П ефективно бориться з можливими внутр!шн!ми дефектами виливок, як виникають внасл!док виробництва або при ввдновлювальних процесах, баротерм!чна обробка дае можливють яюсно зм!нювати структуру та покращення ф!зико-механ!чних властивостей матер!ал!в, що оброблюються.
Доречною е Г1П при виробницта вироб!в з твердих сплашв, так, наприклад, п!д час обробки WC-Co, м!цн!сть на згин тдвишуеться в середньому на 30 % ! досягае максимального значення 2500 Н/мм2 при вм!ст! зв'язувального металу 10 % [15].
Сучасш методи отримання алюмiнieвих виливк1в не завжди забезпечують noTpi6Hy як1сть MaTepiany деталей. Як показуе практика, одним i3 шляхiв пiдвищeння експлуатацшно! нaдiйностi роботи цилiндpопоpшнeвоl групи форсо-ваних багатопаливних ДВС е застосування висококpeмнiстих алюмшевих сплaвiв в якостi мaтepiaлy поршшв. Однак виливки з цього сплаву, отримаш литтям у кокиль, не можуть бути викоpистaнi як заготовки важконавантажених поpшнiв, через низький piвeнь мeхaнiчних властивостей мaтepiaлy, а також наявносп дeфeктiв ливарного походжен-ня. Гаряча iзостaтичнa обробка вилившв, отриманих методом рщкого штампування дозволяе ютотно пiдвищити комплекс мeхaнiчних властивостей мaтepiaлy АЛ-25 (межа мiцностi на 19,5 %, межа текучосп на 17,2 %, вщносне подовження на 29 %, твердеть - без змши) при оптимальних параметрах тиску 150 МПа, тeмпepaтypi 460 °С, витримщ 3 г [16].
Висновки
Завдяки отриманню високих показнишв мeхaнiчних властивостей, усуненню цшо! низки ливарних дефекпв ви-pобiв пiсля використання Г1П та вiльномy вибору у визначенш форми деталей дае можливiсть як ошгашзацп компо-нeнтiв, отриманих з використанням звичайних тeхнологiй, так i створенню деталей, як! не можуть бути вироблеш iншими, тpaдицiйними способами. Завдяки цим перевагам, шлуз! застосування гарячого iзостaтичного пресування швидко зростають i оч^еться, що протягом дешлькох рошв обсяги бapотepмiчноl обробки значно зростуть у р!зних галузях використання. Таким чином, Г1П доцшьно використовувати для отримання вiдповiдaльних деталей та вирь шення самих складних задач сучасного ливарного виробництва та мaтepiaлознaвствa.
Список лтгератури
1. Кондаков, А. И. Выбор заготовок в машиностроении /А. И. Кондаков. - М. : Машиностроение, 2007. - 560 с.
2. Atkinson H. V. Fundamental aspects of hot isostatic pressing: An overview / H. V. Atkinson, S. Davies // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2000. - Vol. 31(12). - P. 2981-3000. DOI: 10.1007/s11661-000-0078-2.
3. Appa Rao G. Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy inconel 718 / G. Appa Rao, Mahendra Kumar, M. Srinivas, D.S. Sarma // Materials Science and Engineering: A. - 2003. -Vol. 355(1-2). - P. 114-125. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00079-0.
4. Influence of casting technique and hot isostatic pressing on the fatigue of an Al-7Si-Mg alloy / C.Nayhumwa, N. R. Green, J. Campbell // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2001. - Vol. 32(2). - P. 349-358. DOI: 10.1007/s11661-001-0266-8.
5. Yongquan Ning. Recrystallization of the hot isostatic pressed nickel-base superalloy FGH4096: I. Microstructure and mechanism / Yongquan Ning, Zekun Yao, M.W. Fu, Hongzhen Guo // Materials Science and Engineering : A. - 2011. - Vol. 528 (28). - P. 80658070. DOI: 10.1016/j.msea.2011.07.053
6. Изостатические прессы промышленного назначения [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.ruscastings.ru/ files/file406.pdf
7. Процессы изостатического прессования : сборник статей / под ред. П. Дж. Джеймса. - М. : Металлургия, 1990. - 192 с.
8. Romano E. The Effect of Liquid Hot Isostatic Pressing on Fatigue Properties of Al Based Castings / E. Romano, M. Rosso, C. Mus // Metallurgical science and Technology. - 2001. - Vol.19. - №1. - P. 21-27.
9. Eridon J. M. Hot Isostatic Pressing of Castings [Electronic resourse] / J. M. Eridon // ASM Handbook. Volume 15. Casting - Metals Park : ASM International, 1988. - Р. 408-416. - ISBN 0871700212.
10. Blair M. Predicting the Occurrence and Effects of Defects in Castings / M. Blair, R. Monroe, C. Beckermann et al. // JOM. - 2005. -№ 5. - P. 29-34.
11. Сергиенко О. С. Влияние параметров процесса горячего изостатического прессования на структуру и свойства сплава ВТ20Л / О. С. Сергиенко, В. В. Клочихин // Литейное производство. - 2013. - №5. - С. 13-15.
12. Сергиенко О. С. Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов / О. С. Сергиенко, В. В. Лунев // Металл и литье Украины. - 2014. - № 7(254). - С. 29-32.
13. Оспенникова О. Г. Повышение свойств жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ путем горячего изостатического прессования и последующей термической обработки / О. Г. Оспенникова, М. Р. Орлов // Материаловедение. - 2007. - № 9. - С. 32-36.
14. Исследование материала отливок из жаропрочного никелевого сплава после горячего изостатического прессования и термообработки / [П. Д. Жеманюк, В. В. Клочихин, Н. А. Лысенко, В. В. Наумик] // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. - Т. 3/12(63). - С. 21-25.
15. Schraven G. Isostatisch heissgepresste Hartmatalle / G. Schraven // Indutrie-Anzeiger. - 1978. - Vol. 100(21). - Р. 25-28.
16. Чуйкова Е. В. Влияние параметров горячего изостатического прессования на свойства сплава АЛ-25, закристаллизованного под давлением / Е. В. Чуйкова // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2006. -№ 33. - С. 29-31.
Одержано 03.06.2015
© М. В. Чечель
3anopi3b^ нацюнальний техычний уыверситет, м. Запорiжжя Chechel M. The modern using of hot isostatic pressing
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2015
121
