Теплозащитные покрытия для прецизионной штамповки жаростойких сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. Теплозащитые покрытия для прецизионной штамповки

жаростойких сталей

к.т.н. доц. Петров А.Н., Соляков А.П.

Университет машиностроения alexander_petr@mail.ru

Аннотация. В статье приведены исследования свойств теплозащитных покрытий (ТЗП) применительно к прецизионной штамповке компрессорных лопаток из жаростойкой стали ЭП-866. В производственных условиях было исследовано влияние изменения состава ТЗП. В статье приводятся результаты штамповки компрессорных лопаток с применением ТЗП, а также штамповых смазочных материалов на коллоидно-графитовой основе.

Ключевые слова: теплозащитное покрытие (ТЗП), обеуглероженный слой, дисперсия, жидкие стекла, коллоидный графит, штамповка, микроструктура

Введение

Применение и выбор эффективных смазочных материалов и теплозащитных покрытий (ТЗП) для процессов горячей шамповки является актуальной проблемой, решение которой позволяет значительно повысить эффективность технологических процессов [7, 8].

При нагреве в воздушной атмосфере высоколегированных сплавов для штамовки на поверхности заготовок образуется окалина, а также происходит окисление по границам зерен и обеднение поверхности легирующими элементами. Дефектный слой состоит из зоны окислов металла, зоны окисленных границ зерен и зоны с измененным химическим составом. Глубина дефектного слоя оказывает большое влияние на величину назначаемого припуска поковок, поэтому теплозащитные покрытия не должны вступать в реакцию с основным металлом в процессе нагрева, однако должны обеспечивать снижение припуска 1.

Типовой технологический процесс штамповки лопаток компрессора газотурбинных двигателей (ГТД) включает: нагрев заготовки в печи с обычной атмосферой, штамповку, удаление дефектного слоя с поверхности. Исходя из этого масса заготовки рассчитывается с учетом потерь на угар - 1,2%. В качестве теплозащитных покрытий хорошо подходят защитные эмали, суспензии стекол или расплав солей хлористого бария. Нагрев заготовок в расплаве солей хлористого бария сопровождается недостатками, которые были исследованы в работе 2.

В процессе горячей штамповки деталей небольшой толщины, например, лопаток из жаропрочных сталей и сплавов, возникают значительные силы трения, которые оказывают влияние на износ штамповой оснастки. Эмали и стеклянные суспензии, которые наносятся на заготовку, имеют две функции: теплозащитную и смазочную. Как смазка штампов они проявляют себя только в жидком состоянии. При температурах штампов 200...300oC эмали или суспензии стекла в состоянии отвердения работают как абразив. Смазочные материалы на основе графитовых суспензий создают условия граничного трения на контактной поверхности «заготовка-штамп» и позволяют снизить трение и износ [3].

Экспериментальная часть

На ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» (г. Москва) совместно со специалистами компании «Хенкель-Рус» (г. Москва) и ООО «Коллоидно-графитовые препараты» (г. Воскресенск) были проведены исследования теплозащитных покрытий (ТПЗ) Deltaglaze FB-651 и ОВТ-1 (ТУ2113-141-05015182-2002). Покрытие ОВТ-1 представляет собой водорастворимую суспензию на основе коллоидного графита и тугоплавких металлов. Покрытие Deltaglaze FB-651 - водорастворимая суспензия на основе боратного стекла. В таблице 1 приведены основные свойства покрытий.

Исследования проводились в производственных условиях на заготовках лопаток компрессора ГТД из жаростойкой стали ЭП866 (таблица 2).

Физические свойства покрытий

Химичесий состав ЭП866

Таблица 1

Параметры Покрытие

FB-651 ОВТ-1

Общее содержание твердого остатка, % 48,0 29,0

Вязкость, [Па с] 8,5 н.д.

Разбавитель H2O H2O

Таблица 2

C Cr Co Ni Mo W V Nb

0,13- 0,18 15,0-16,5 4,5- 5,5 1,7- 2,1 1,35- 1,65 0,65- 1,0 0,18- 0,30 0,2- 0,35

Покрытия наносились методом окунания предварительно обезжиренных заготовок. Далее проводили сушку на поддоне при температуре 20+5 °С (рисунок 1а). Толщина покрытия на заготовках для двух типов покрытий различалась и составляла 0,035...0,05 мм для Deltaglaze FB-651 и 0,05.0,08 мм для ОВТ-1. Толщина покрытия выбиралась исходя из рекомендаций производителей ТЗП. За счет изменения вязкости суспензий разбавлением водой достигалась нужная консистенция.

Нагрев заготовок перед операцией «штамповка» осущестлялся в электропечи карусельного типа без защитной атмосферы в соответствии с действующим на предприятии технологическим процессом при температуре 1150 °С и выдержкой до 25.30 минут. Штамповка выполнялась на прессе КГШП силой 10 МН, а также температурой поверхности штампов 135...150°С (до нанесения смазки) и 115...130°С (после нанесения смазки). Контроль температуры штампов проводили с помощью инфракрасного пирометра. Смазка штампов осуществлялась коллоидно-графитовым смазочным материалом Aquadag 18% («Хенкель Рус») при помощи ручного распылительного пистолета DAG 087F. Степень разбавления концентрата водой составляла 1 к 3. В таблице 3 приведены свойства Aquadag 18%.

Таблица 3

Физические свойства Aquadag 18%

Параметры Показатели

Содержание сухого остатка,% 18,0

Содержание золы,% < 0,15

Водородный показатель, pH 11,0

Размеры частиц графита, мкм < 1.5

а) б)

Рисунок 1. Лопатки до и после штамповки с покрытием Deltaglaze FB-651 (а - заготовки лопаток; б - поковки лопаток)

После штамповки и пескоструйной обработки лопаток с покрытием Deltaglaze FB-651 на поверхности пера визуально наблюдали дефекты в виде вмятин (рисунок 2а). Возможная причина такого дефекта - недостаточная температура нагрева штампов перед штамповкой.

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. Одновременно отмечено, что сила деформирования снижается, о чем косвенно можно судить по увеличению облоя (рисунок 1б). На поверхности лопаток после штамповки с покрытием ОВТ-1 таких дефектов выявлено не было (рисунок 26).

а) б)

Рисунок 2. Наличие дефектов на лопатках после штамповки (а - лопатка с покрытием Deltaglaze FB-651; б - лопатка с покрытием ОВТ-1)

Исследование микроструктуры

Исследование микроструктуры и замеры глубины обезуглероженного слоя лопаток, отштампованных с покрытиями, проведены на оптическом микроскопе Zeiss Axiovert 40 MAT.

Полученные результаты сравнивали с результатами исследований лопаток, отштампованных по серийной технологии: нагрев заготовок в расплаве солей хлористого бария BaCl2 и последующая штамповка. В таблице 4 и на рисунке 3 показаны результаты исследований.

Полученная микроструктура основного материала - мартенсит, соответствует эталонам допустимых микроструктур для материала поковок.

Таблица 4

_Глубина обезглероженного слоя_

Наименование Глубина обезуглероженного слоя, мм

покрытие Deltaglaze FB 651 нет

покрытие ОВТ-1 нет

покрытие - расплав BaCl2 0,027

Определение значения массы обезуглероженного слоя

Величина массы обезуглероженного слоя определялась путем измерения потери массы лопаток после штамповки и пескоструйной обработки. Заготовки с ТЗП взвешивали после нанесения покрытия и сушки, а также после штамповки и дробеструйной обработки (таблица 5).

Риунок 3. Микроструктура лопаток после штамповки (а - с обезуглероженным слоем при нагреве заготовки в расплаве ВаС12; б - без обезуглероженного слоя при нагреве с ТЗП De1tag1aze ЕВ 651)

Таблица 5

Потеря массы заготовки

покрытие толщина покрытия, мкм масса заготовки, г потеря массы, %

исходная, без покрытия исходная, с покрытием после штамповки и пескоструйной обработки

Deltaglaze FB 651 35.50 58,3821 58,8857 58,2551 0,22

ОВТ-1 50.80 58,3822 58.5273 58.1090 0,46

расплав BaCl2 н.д. 58,3819 58,3891 57,790 1,01

Выводы

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие обобщения и выводы:

1. Состав ТЗП влияет на качество поверхности заготовок после штамповки, при этом толщина слоя ТЗП определяется исходя из степени разбавления концентрата.

2. Толщина слоя покрытия и его состав также влияют на потерю массы заготовок при нагреве.

3. Коллоидно-графитовый смазочный материал для смазки штампов в комплексе с ТЗП способен обеспечить стабильность выполнения операции горячей объемной штамповки.

4. ТЗП на основе коллоидного графита и тугоплавких металлов целесообразно использовать при горячей штамповке с температурой штампа в пределах 200...250°С

5. Комплексное исследование и обоснованный выбор теплозащитных покрытий (ТЗП) для нагрева заготовок и смазочных материалов для смазки штампов дает возможность обеспечения технических, экономических и экологических требований технологического процесса.

Литература

1. Петров А. Н., Развитие заготовительного производства. Авиационная промышленность, 2002, №3, стр. 40 - 50.

2. Петров А. Н., Исследование коллоидно-графитовых теплозащитных покрытий для никелевых сплавов, Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, 2012, №5, стр. 35 - 38.

3. Петров А. Н., Коллоидно-графитовые смазочные материалы в процессах горячего деформирования сталей и сплавов, Монография, МГМУ «МАМИ», 2012

4. Петров А. Н., Андрейченко Т. П., Сайранова Т. А., Смазка для горячей обработки металлов давлением, Пат. №2224008 РФ, Опубл.: 20.02.2004.

5. Применеие стеклянных защитных покрытий при штамповке лопаток из жаропрочных сплавов, под ред. Корнеева Н.И., Скугарева И. Г., Кулешова М. Я., Машиностроение, 1966, с. 12

6. Манегин Ю.В., Анисимова И. В., Стеклосмазки и защитные покрытия для горячей обрабоки металлов, Металлургия, 1978, с. 223

7. Петров П.А., Воронков В.И., Петров М.А., Назарова О.А., Шай хулов М.В. Анализ методов исследования контактного трения, основанных на выдавливании деформируемого материала / Известия МГТУ «МАМИ», 2011,№ 1. С. 177-184.

8. Калпин Ю.Г., Крутина Е.В., Петров П.А. Нагрев и нагревательные устройства кузнечного производства/ Конспект лекций // Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), кафедра "Кузовостроение и обработка давлением". Москва, 2010