Результати досліджень основних фізико-механічних властивостей карбідосталей, виготовлених за різними технологічними варіантами (рідинофазне спікання, гаряче пресування в графітових формах, гаряче штампування пористих заготовок), показали (табл.2), що останні мають досить високі значення твердості (68-71 HRC). У той же час, залежність характеристик міцності матеріалу від технології виготовлення останнього істотне - застосування гарячого штампування спечених заготовок призводить як до збільшення міцності матеріалу на вигин, так і ударної в'язкості в порівнянні з матеріалами, отриманими рідинофазним спіканням чи гарячим статичним пресуванням.

Таблиця 2

Середні значення фізико-механічних властивостей карбідосталей, отриманих за різними технологічними схемами

Технологія виготовлення	Щіль-ність, г/см3	Твердість, HRC	зг, МПа	Ударна в'язкість, кДж/м2
		відпал	загарту-вання
Спікання	7,12	42	68 - 70	1660	23,4
Гаряче пресування	7,17	44	68 - 71	1690	24,6
Гаряче штампування	7,02	41	66 - 69	1930	52,0

Аналіз отриманих вище результатів показує, що при використанні традиційної технології одержання карбідосталей, що включає розмол і змішування шихти, що складається з порошків карбіду титана і сплаву на основі заліза, не вдається повною мірою реалізувати їхні позитивні властивості через неповну змочуємість карбіду титана сталевою зв'язкою і інтенсивним зростанням карбідних зерен у процесі рідинофазного спікання. Часткове окислювання карбідних часток, що відбуває при розмолі шихти, погіршує їх змочуємість розплавом сталі і призводить до появи додаткової пористості, що істотно знижує механічні властивості матеріалу. Крім того, неможливість надійно забезпечити чистоту міжфазных границь у спеченому матеріалі знижує міжфазную міцність композита.

У зв'язку з вищевикладеним, був запропонований новий підхід до одержання високозносостійких дрібнозернистих композитів системи карбід титана - сплав на основі заліза, який полягає в тому, що карбідна фаза не вводиться у вихідну шихту у виді порошку карбіду титана, а формується в процесі сплавоутворення при реакційному спіканні порошкових сумішей, що складаються з порошків титана, заліза (сталі) і вуглецю.

Сутність такого підходу базується на аналізі діаграми стану системи Fe - Ti, відповідно до якого в області концентрацій Ti близько 5377 % (ат.) у системі існує низькотемпературна евтектична зона з температурою плавлення 1085 ⁰С. При нагріванні порошкової суміші вище зазначеної температури сплав буде складатися з інтерметаліду FeTi і Ti. При додаванні до такого сплаву вуглецю, що знаходиться в порошковій суміші, і з огляду на високу спорідненість вуглецю до титана і гарну його розчинність у залізі, створюються сприятливі умови для активної взаємодії між компонентами шляхом реалізації відомих реакцій:

TiFe + C TiС + Fe;

Ti + C Ti;

що супроводжується виділенням у результаті реакцій часток карбіду титана. Взаємодія між титаном і вуглецем супроводжується екзотермічною реакцією, проходження якого підтверджується даними ДТА суміші титана, заліза і вуглецю.

Результати експериментального спікання показали, що при 1000 ⁰С зразки практично не спікаються і являють собою пухку губку зі слабкими міжчастковими зв'язками. Підвищення температури спікання до 1150 і 1200 ⁰С істотно змінює характер одержуваного матеріалу. Зразки після спікання при таких температурах являють собою досить міцні, але розділені на прошарки конгломерати, що нагадують по зовнішньому вигляду зразки, одержувані при СВС синтезі. Аналіз результатів спікання порошкових сумішей Ti-Fe-C з різним вихідним вмістом компонентів дозволив зробити висновок, що максимальний вміст титана у вихідній суміші, що забезпечує одержання достатньо міцних і без розшаруквання зразків, складає 2225 % (мас.), що відповідає розрахунковому вмісту карбіду титана у псевдосплаві близько 30 %. Зі збільшенням вмісту титана і вуглецю в шихті, незважаючи на наявність у процесі спікання значної кількості рідкої фази, не тільки не відбувається усадка, але навіть спостерігається помітний об'ємний ріст і розшарування матеріалу унаслідок швидкоплинного протікання екзотермічної реакції при взаємодії між титаном і вуглецем, що супроводжується виділенням значної кількості тепла і газоподібних продуктів реакції.

Структурні дослідження спечених зразків показали, що їх структури характеризуються рівномірно розподіленими по розміру карбідними зернами, оточеними прошарками металевої зв'язки. Розмір карбідних зерен складає 0,62 мкм. Зі зменшенням вмісту вуглецю у вихідній суміші розмір зерен карбідної фази помітно зменшується. Рентгенівський аналіз сплавів показав наявність у сплаві фаз TiС і б-Fe. Встановити присутність карбідів заліза або цементиту не вдалося.

Спечені при 1200 ⁰С пористі зразки піддавали гарячому штампуванню, відпалу і загартуванню з температури 870 ⁰С в воду з наступним відпуском при 180 ⁰С.

Основні механічні властивості отриманих матеріалів представлені в табл.3.

Таблиця 3

Механічні властивості карбідосталей після реакційного спікання, гарячого штампування, відпалу і загартування

Склад матеріалу	зг., МПа	HRC (відпал)	HRC (загартування)
70 % Fe - 30 % TiC1,0	1520	32 - 36	41 - 44
70 % Fe - 30 % TiC0,8	1580	30 - 34	35 - 38
70 % (Fe - 1,2 % С) - 30 % TiС1,0	1730	34 - 38	62 - 65

Як випливає з приведених даних, усі три склади композитів після гарячого штампування й відпалу мають відносно невисоку твердість, що дозволяє проводити механічну обробку поковок звичайним твердосплавним інструментом. У той же час, отримані матеріали істотно відрізняються по здатності сплаву до закалюємості. Так, карбідосталь з карбідом титана зниженої стехіометрії практично не піддається загартуванню, що характеризується мінімальним підвищенням твердості матеріалу після термообробки. Дещо вище характеристики твердості, отримані після загартування композита зі стехиометричним карбідом титана, і тільки сплав з підвищеним вмістом вуглецю в шихті має здатність піддаватися повноцінному загартуванню. Вкрай низька характеристика закалюємості перших двох складів обумовлена збідненням вуглецем металевого зв'язки, що виражається в практично повній відсутності в сплаві карбідних фаз заліза.

Результати трибологічних випробувань при сухому терті по сталі 40Г під тиском 2,0 МПа (табл.4) вказують на істотно більш високу зносостійкість карбідосталі зі зв'язким з вуглецевої сталі як у порівнянні з аналогічними карбідосталямі на основі маловуглецевої залізної зв'язки, так і стандартними легованими сталями, виготовленими з використанням традиційної металургійнії технології.

Таблиця 4

Порівняльні трибологічні характеристики карбідосталей, литих і деформованих сталей Р6М5 і ШХ-15

Склад матеріалу	Коефіцієнт тертя	Знос, мкм/км
70 % Fe - 30 % TiC1,0	0,25	1,95
70 % Fe - 30 % TiC0,8	0,27	2,34
70 % (Fe - 1,2 % З) - 30 % TiС1,0	0,20	0,76
Р6М5	0,23	1,79
ШХ-15	0,22	2,04

П'ятий розділ присвячений розгляду теоретичних основ процесів деформації при гарячому штампуванні пористих порошкових заготовок. У результаті аналітичного огляду існуючих положень про механіку поводження пористих стисливих середовищ обґрунтована можливість опису плину пористого матеріалу при моделюванні процесів гарячого штампування на відносно високошвидкісних механічних пресах з використанням однієї з моделей жорстко-пластичного пористого тіла без урахування в”язкої складової.

Надалі для описання процесів гарячого штампування в якості реологічної моделі середовища, що деформується, прийнята модель жорстко-пластичного пористого тіла, матеріал якого підпорядковується умові пластичності виду:

; (1)

де і - деякі функції пористості матеріалу, що визначають його реологічні властивості; - границя текучості матеріалу основи для застосовуваних температурно-швидкісних умов деформування.

Силові і кінематичні параметри, що характеризують стан деформуємого середовища, не можуть бути довільними, а повинні задовольняти класичним законам механіки. У зв'язку з цим, в роботі приведені основні визначальні рівняння пластичного плину пористих тіл, а також розглянуті залежності, що дозволяють формулювати задачу про пластичну деформацію пористих матеріалів у кінематичних перемінним.

Використання теорії пластичності пористих тіл надає принципову можливість з рішення замкнутої (повної) системи диференціальних рівнянь рівноваги і рівняння стану середовища при відомих граничних умовах визначити напружено-деформований стан у кожній точці оброблюваного тіла в будь-який момент його деформації. Однак, труднощі математичного плану, що виникають при цьому, часто, особливо у випадку неоднорідного напруженого стану, не дозволяють одержувати практично прийнятне рішення безпосереднім інтегруванням системи рівнянь у загальному виді. Одним з ефективних методів рішення задач теорії пластичності є варіаційний (енергетичний) метод розрахунку процесів обробки тиском спечених порошкових заготовок, заснований на принципі мінімуму повної енергії деформації. Відповідно до цього принципу, серед усіх кінематичних можливих полів швидкостей деформацій дійсне поле мінімізує деякий варіаційний функціонал, зв'язаний з повною енергією деформації.

Рівняння варіаційного функціонала для жорстко-пластичного пористого тіла, матеріал якого підпорядковується умові пластичності (1), має вигляд:

(2)

де D - дисипація потужності на поверхнях розриву кінематично можливих швидкостей переміщень :

Задаючи функції поля швидкостей, що відповідають граничним умовам, у виді багаточленів:

(3)

де k - узагальнена координата; a_i - чисельні коефіцієнти - невідомі параметри, що варіюються; _i(k) - деякі функції координат, і, з використанням одного з відомих методів оптимізації, підбираючи значення кожного з коефіцієнтів а_і таким чином, щоб він мінімізував величину функціонала (2), можна знайти функції (3) і скласти модель плину для досліджуваного процесу. Маючи модель плину по відомих залежностях нескладно обчислити компоненти тензора швидкостей деформацій H і швидкість ущільнення е, що дозволяє вирішувати задачі кінцевої формозміни, визначати силові й енергетичні параметри процесу.

Прийнята в якості базової реологічна модель була використана для описання процесу ущільнення пористої циліндричний осесиметричної заготовки в закритому штампі під дією прикладеного осьового зусилля (рис.4,а).

Цей спосіб формування є одним з найбільше широко використовуваних у практиці порошкової металургії для одержання переважної (у процентному відношенні) кількості деталей. Розрахункова схема такого процесу, що включає граничні умови, з однієї сторони очевидна, а з іншого боку - дозволяє досліджувати основні фактори, що впливають на характер плину й ущільнення матеріалу по об”єму виробу.

Для описання плину матеріалу при ущільненні циліндричної заготовки у жорсткій матриці були прийняті наступні залежності:

; (4)

де а₁ і а₂ - невідомі параметри, що варіюються.

При чисельному моделюванні процесу ущільнення осесиметричне тіло розбивали на кільцеві елементи з прямокутним поперечним перерізом, у вузлах яких визначалися значення величин, що входять у рівняння (4). Розрахунок робили шляхом послідовних малих деформацій із застосуванням кінцево-різницевого методу. Вихідну пористість матеріалу у всіх елементарних чарунках приймали рівній початковій середній пористості заготовки (i,j) = ₀. На кожному кроці деформації методом покоординатного спуску знаходили значення параметрів а_i, що мінімізують функціонал (2), і визначали нові координати кожної вузлової точки і значення пористості матеріалу в кожній з елементарних чарунок, що були початковими даними для наступного кроку деформації.

Аналіз отриманих результатів показав, що на першій стадії ущільнення з'являється і росте різнощільність заготовок (що зв'язано з впливом сил тертя матеріалу, що ущільнюється, об стінки матриці); пористість при цьому зменшується від нижнього торця заготовки до верхнього. Друга стадія деформації характеризується утворенням у верхній частині заготовки практично безпористой зони (об”єму з близькою до нульовою пористістю), що супроводжується тенденцією до зниження різнощільністі в об”ємі заготовки. У заготовок з більш високою початковою щільністю перехід від першого етапу ущільнення до другого за інших рівних умов відбувається при меншій осьовій деформації.

У той же час, приведені вище дані вказують на те, що схема деформації з нерухомою матрицею, очевидно, не є оптимальною як з погляду енерговитрат, так і рівнощільності заготовки. Тому, поряд з таким варіантом доущільнення була досліджена і схема, при якій на першій стадії деформація відбувається аналогічно з першим варіантом (матриця нерухома), а на другій - матриця переміщається вниз зі швидкістю, рівній швидкості руху деформуючого пуансона, тобто реалізується варіант із використанням активних сил тертя. Перехід до другої стадії процесу здійснювався при ступені осьової деформації, рівній 50 %.

Результати моделювання показали, що зміна схеми штампування на другій стадії процесу за рахунок реалізації активних сил тертя різко знижує потужність деформації, а також сприяє зниженню поточної різнощільності заготовки ще до моменту досягнення практично безпористого стану в будь якій з областей поковки, як у випадку штампування в нерухомій матриці.

Отримані дані дозволяють зробити важливий для практичного застосування висновок про те, що при гарячому штампуванні пористих заготовок доцільно використовувати схему деформації, при якій на першій стадії процесу матриця нерухома, а на другий здійснюється її примусовий рух у напрямку переміщення деформуючого пуансона.

У роботі представлені, також, результати дослідження схем деформації пористої заготовки, елементи якої досить часто зустрічаються в реальних процесах штампування, що характеризуються наявністю вільної бічної поверхні - вільного осаджування пористого циліндра й осадки пористої кільцевої заготовки в жорсткій матриці. У зв'язку з цим, при розрахунку плину пористих заготовок виникає необхідність урахування співвідношення між об'ємною зміною і формозміною заготовки в процесі штампування. В результаті моделювання з урахуванням сил контактного тертя показана чітко виявляється двухстадійність процесів деформації з вільною внутрішньою чи зовнішньою бічною поверхнею: на початковому етапі деформації ущільнення заготовки переважає над формозміною, що виражається в незначній зміні поперечних розмірів при досить інтенсивному зменшенні пористості. При цьому зі збільшенням вихідної пористості чи коефіцієнта тертя інтенсивність ущільнення росте, а радіальна швидкість деформації знижується. На другому етапі швидкість радіальної деформації різко зростає і, зокрема при осаді кільцевої заготовки, зі зниженням її середньої пористості до 46 % відбувається навіть “закриття” центрального осьового отвору кільця.

З використанням методу проникних елементів створені математичні моделі для чисельного моделювання ущільнення і формозміни в процесі гарячого штампування пористих заготовок у відкритих (рис.5,в) і напівзакритих штампах з компенсаційною порожниною (рис.5,б) з урахуванням контактного тертя. Показано, що ущільнення різних зон заготовки на різних етапах деформації істотно нерівномірне й у значній мірі залежить від схеми деформації і вихідних технологічних параметрів процесу. Встановлено, що якщо при штампуванні у відкритому штампі витиснення матеріалу в облой починається вже на початкових етапах деформації, то в закритому штампі з компенсаторами - тільки після досягнення заготовкою деякого граничного, досить високого, рівня щільності (при = 25 %), що обумовлює зменшення скінченний величини заусенця при штампуванні в штампі з компенсаторами.

У той же час, різке збільшення опору витіканню металу в облой на кінцевій стадії відкритого штампування внаслідок поступового змикання напівматриць, сприяє більш інтенсивному доущільненню матеріалу в порожнині матриці, у той час як при закритому штампуванні з компенсатором у зв'язку з постійною величиною зазору між напівматрицями, опір витіканню в магазин змінюється незначно, що визначає наявність деякої залишкової (0,51,5 %) пористості заготовки.

Результати розрахунків силових параметрів процесів гарячого штампування при різних схемах деформації (рис.5) показують, що використання схеми закритого штампування викликає необхідність прикладання істотно більш високих зусиль для одержання високощільних поковок. Внаслідок цого традиційну схему гарячого штампування пористих заготовок у закритому штампі не можна вважати оптимальною з погляду енергосилових параметрів процесу що вказує на доцільність використання менш жорстких схем деформації з частковим видавлюванням матеріалу заготовок в компенсатор.

У шостому розділі викладені результати практичного використання, дослідно-промислової апробації і впровадження результатів досліджень. Так, зокрема, на основі результатів моделювання процесів відкритого і закритого гарячого штампування пористих заготовок і аналізу конструктивних особливостей штампів закритого і напівзакритого штампування сформульовані основні вимоги до конструкцій магазинів (компенсаторів) для розміщення надлишкового металу заготовки. З урахуванням цих вимог розроблена серія нових конструкцій штампів, у тому числі з використанням активних сил тертя, дослідно-промислова апробація яких показала їхню високу надійність і ефективність.

Отримані в роботі результати були покладені в основу при розробці технологічних процесів виготовлення заготовок напрямних роликів дротопроктного стану з порошкових композитів системи TiС - сталь; лопаток дробеметных турбін з економнолегованого борвміщуючого порошкового матеріалу на основі безабразивних шламових відходів підшипникових сталей; заготовок ріжучого інструмента з порошкових економнолегованих і швидкоріжучих сталей - дискових фрез, плашок, державок різців, корпусів збірних фрез, корпуса цангового патрона. Висока ефективність застосування розроблених технологій обумовлена підвищеною зносостійкістю одержуваних матеріалів, значним зниженням трудомісткості виготовлення виробів і істотно більш високим коефіцієнтом використання металу у порівнянні з виготовленням їх зі сплавів традиційного металургійного переділу.

Розроблені нові матеріали, технологічні процеси і нові конструкції штампової оснастки пройшли апробацію і були впроваджені на ряді підприємств країни.

Загальні висновки

1. На основі узагальнення результатів аналізу сучасних тенденцій розвитку матеріалознавства порошкових зносостійких і конструкційних матеріалів, експериментальних і аналітичних досліджень процесів структуроутворення матеріалів і формоутворення деталей розроблені теоретичні основи й експериментальне обґрунтування комплексного підходу до створення технологічних процесів одержання ряду нових порошкових композиційних матеріалів на основі заліза для роботи в умовах підвищених навантажень і інтенсивного стираючого впливу, а також ефективних маловідходных технологій виготовлення з них виробів з метою забезпечення заданого комплексу властивостей.

2. З огляду на високу актуальність проблеми утилізації відходів машинобудування, задовільну технологічність і високу однорідність безабразивних шламових відходів підшипникової сталі ШХ-15, а також приклади високої зносостійкості цієї сталі, обґрунтована доцільність їхнього використання як основи для одержання нових порошкових зносостійких і конструкційних матеріалів.

Дослідження технологічних характеристик порошків, отриманих у результаті відпалу шламових відходів як у середовищі проточного водню, так і в продуктах розкладання і конверсії залишків МОР, що знаходяться в шламі, показало задовільний рівень його пресуємості поряд з низькими характеристиками плинності і насипної щільності. У процесі спікання пресовок з отриманих порошків відбувається активне відновлення часток порошку як за рахунок газового середовища, так і за рахунок зв'язаного вуглецю сталі, у результаті чого спостерігається значне обезвуглецювання останньої. Добавки вуглецю у вихідну шихту дозволяють дещо знизити вміст кисню в спеченому матеріалі в порівнянні з матеріалом, отриманому із шихти без добавок вуглецю, підвищити твердість і міцністні властивості сталі.

3. При виборі схеми легування для одержання економнолегованого порошкового матеріалу була обґрунтована ефективність застосування бора в якості основного легуючого елемента для виготовлення зносостійких порошкових композицій на основі сплавів заліза, що обумовлюється цілим рядом його унікальних властивостей.

На базі теоретичних принципів формування борвміщуючих залізовуглецевих сплавів і результатів експериментальних досліджень структуроутворення при спіканні композиції на основі шламових відходів стали ШХ-15 і карбіду бора, вивчені особливості формування специфічної каркасної структури, що виявляється в тому, що карбіди входять переважно до складу перліту, а бориди локалізуються, головним чином, по границях зерен, що є дуже важливим у практичному відношенні. Це забезпечує можливість незалежного зміцнення матеріалу за допомогою бора і вуглецю: варіюючи склад порошкової суміші і температуру спікання, можна одержуваати різні по фазовому складу і структурному стану матеріали з різним рівнем “об'ємного” (за рахунок карбідів) і “каркасного” (за рахунок боридів) зміцнення з утворенням істотно гетерогенної структури матеріалу.

4. Вивчено основні технологічні і структурно-фазові характеристики газорозпилених порошків швидкоріжучої сталі; відзначена вкрай низька формуємість порошків у випадку холодного пресування без застосування зв”язки-пластифікатора внаслідок високої твердості і сферичної форми часток. Вперше показана можливість одержання міцних пресовок при формуванні сферичних часток швидкоріжучої сталі з використанням зсувних схем деформації.

Дослідження процесу спікання швидкоріжучих сталей показало, що досягнення високої щільності при температурах нижче точки солідус (близько 1225 1230 ⁰С) не відбувається у відсутності в складі суміші активуючих добавок. Показано високу ефективність використання в якості активатора спікання порошкових швидкоріжучих сталей комплексної присадки, що вміщує 1030 % B і 7090 % Ni. Введення активуючої добавки в шихту не тільки знижує температуру основних критичних точок сплаву, але й істотно розширює температурний діапазон ліквідус - солідус, що дозволяє знизити загальну температуру спікання та знижує вимоги до жорсткості регулювання температури спікання.

5. Вперше досліджений механізм сплавоутворення при спіканні порошкових швидкоріжучих сталей з нікель-боридною активуючою присадкою. Показано, що поява рідкої фази в області температур нижче 1200 ⁰С обумовлено, головним чином, утворенням у процесі нагрівання легкоплавкої евтектики в системі Ni-В. В міру підвищення температури спікання, збільшення вмісту бора за рахунок підвищення кількості активатора в шихті, чи вмісту бора в присадці, об'ємний вміст евтектики в структурі матеріалу зростає; процес структуроутворення при цьому характеризується помітним збільшенням розміру зерен твердої фази.

В результаті аналізу ступеня впливу кожного з компонентів активатора на структуру спеченого матеріалу виявлений ефект подрібнюючих властивостей нікелю: при однаковому загальному вмісті бора у вихідній шихті як величина зерна аустеніту, так і розміри часток твердої фази помітно менше в структурі сталі з добавкою, що вміщує нікель.

6. Встановлено, що інтенсивна пластична деформація при температурі гарячого штампування сприяє помітному дробленню евтектичної сітки, що утвориться після спіканні. У гарячештампованому матеріалі карбіди утворюють по границях зерен, на відміну від спечених заготовок, не суцільну кільцеву евтектичну сітку, а розірвані карбідні ланцюжки, що свідчить про підвищений ступінь активації матеріалу на контактних межзеренних поверхнях.

7. Розроблено новий ефективний технологічний процес одержання високощільних композитів системи сталь - карбід титана із застосуванням методу гарячого штампування спечених заготовок. Досліджено основні закономірності формування структури на всіх стадіях техпроцесу. Аналіз результатів ДТА суміші швидкоріжуча сталь - карбід титана показав, що поява рідкої фази при спіканні виявляється вже при температурі 1130 1140 ⁰С внаслідок дифузії вуглецю з контактуючих зі сталлю зерен TiС_1-x. При відносно малих вмістах TiС у композиті (до 30 %), утворення рідкої фази при температурах спікання нижче температури утворення евтектики для сплаву металевого зв'язки, локалізується, головним чином, навколо зерен TiС з утворенням так називаною “кільцевої зони”. Евтектика, що з”являється навколо карбідних зерен, активує спікання сплаву, але в загальній масі матеріалу спікання відбувається аналогічно твердофазному спіканню відповідної сталі-зв'язки, і тільки з підвищенням температури до 1250 1270 ⁰С, об”єм рідкої фази різко зростає і у сплаві спостерігається інтенсивна усадка. При цьому, зі збільшенням вмісту карбіду титана у вихідній суміші температура спікання, необхідна для одержання щільних заготовок, підвищується.

Встановлено, що гаряча пластична деформація порошкового псевдосплаву швидкоріжуча сталь - карбід титана поряд з ущільненням матеріалу сприяє, також, активації сплавоутворення. Якісна оцінка розподілу елементів між матрицею і частками карбіду титана показала, що в карбідосталі, отриманої спіканням у присутності рідкої фази, зерна TiС збагачені ванадієм, вольфрамом і молібденом з чітко вираженою кільцевою структурою по границях зерна. У випадку ж використання технології гарячого штампування, концентрація елементів у значній мірі вирівнюється, у результаті чого спостерігається істотно більш рівномірний розподіл легуючих елементів по полю шліфа.

Дослідження основних фізико-механічних властивостей карбідосталей, виготовлених за різних технологічними варіантами (рідинофазне спікання, гаряче пресування в графітових формах, гаряче штампування пористих заготовок), показали, що застосування гарячого штампування призводять до збільшення міцності матеріалу на вигин і ударної в'язкості у порівнянні з матеріалами, отриманими рідинофазним спіканням чи гарячим статичним пресуванням при збереженні досить високих значень твердості (68 71 HRC).

8. На основі використання ефекту утворення низькоплавкої евтектики в системі Fe - Ti був запропонований новий технологічний підхід до одержання композитів системи карбід титана - сталь, що полягає в забезпеченні формування карбідної складовий псевдосплаву в результаті екзотермічної реакції при спіканні порошкових сумішей, що складаються з порошків титана, сплаву на основі заліза і вуглецю. Мікроструктури сплавів, отриманих при реакційному спіканні сумішей, розрахованих на формування різних стехіометричних значень TiС_x, характеризуються рівномірно розподіленими по розміру карбідними зернами, оточеними прошарками металевогї зв'язки.

Вивчено механізм сплавоутворення в процесі реакційного спікання порошкових сумішей Fe-Ti-C. Показано, що регулюючи температуру саморозігріву композиції шляхом зміни складу шихти, можна керувати ростом карбідних зерен; зі зменшенням вмісту вуглецю у вихідній суміші і, відповідно, ступеня стехіометричності одержуваного карбіду титана, розмір зерен карбідної фази помітно зменшується.

9. На основі аналітичного огляду існуючих уявлень про механіку поводження пористих стисливих середовищ обґрунтована можливість описання плину пористого матеріалу при моделюванні процесів гарячого штампування на відносно високошвидкісних механічних пресах з використанням моделі жорстко-пластичного пористого тіла без урахування в”язкої складової. Прийнята модель була використана в якості базової при розробці комплексу програм для моделювання ряду технологічних схем гарячого штампування пористих заготовок - вільного осаджування, осадки пористого кільця в штампі, доущільнення у жорсткій циліндричній матриці.

Аналіз результатів моделювання ущільнення пористої циліндричної осесиметричної заготовки в закритому штампі виявив двухстадійність процесу, що виявляється в тім, що на першій стадії росте нерівномірність деформації і різнощільність в об”ємі заготовки, у той час як друга стадія процесу характеризується тенденцією до її зниження. Показано ефективність реалізації активних сил тертя, що різко знижує потужність деформації і поточну різнощільність заготовки в порівнянні зі штампуванням у нерухомій матриці.

10. Вперше створені математичні моделі для чисельного моделювання ущільнення і формозміни в процесі гарячого штампування пористих заготовок у відкритих і напівзакритих штампах з урахуванням контактного тертя. Результати розрахунків дозволили встановити основні закономірності розподілу щільності в різних зонах заготовки на різних етапах деформування і їх залежності від схеми деформації і вихідних технологічних параметрів процесу.

Результати розрахунків силових параметрів процесів гарячого штампування при різних схемах деформації показали, що використання схеми закритого штампування викликає необхідність прикладання істотно більш високих зусиль для одержання високощільних поковок. Найменше зусилля деформації - при відкритому штампуванні. Це дозволяє зробити висновок, що традиційна схема гарячого штампування пористих заготовок у закритому штампі є найменш придатною з погляду енергосилових параметрів процесу, що вказує на доцільність використання менш жорстких схем деформації з частковим видавлюванням матеріалу заготовок у компенсаційні порожнини.

11. На основі виконаних комплексних досліджень розроблені технологічні процеси виготовлення заготовок напрямних роликів дротопрокатного стану, лопаток дробеметных турбін, заготовок ріжучого інструмента і ряду інших виробів. Висока ефективність застосування розроблених технологій обумовлюється підвищеною зносостійкістю одержуваних матеріалів, значним зниженням трудомісткості виготовлення виробів і істотно більш високим коефіцієнтом використання металу в порівнянні з виготовленням їх зі сплавів традиційного металургійного переділу.

Були сформульовані основні вимоги до конструкцій магазинів (компенсаторів) для розміщення надлишкового металу заготовки, з урахуванням яких розроблена серія принципово нових конструкцій штампів для гарячого штампування пористих заготовок, у тому числі з використанням активних сил тертя.

Розроблені нові матеріали, технологічні процеси і нові конструкції штампового оснащення пройшли дослідно-промислову апробацію і були впроваджені на ряді підприємств країни.

Новизна розробок підтверджена наявністю шести авторських свідоцтв і трьох патентів на винаходи.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Основні матеріалі дисертації опубліковані в 64-х роботах, в тому числі:

1. Мажарова Г.Е., Баглюк Г.А., Быков А.И., Позняк Л.А. Формование распыленных порошков быстрорежущих сталей в условиях сдвиговых деформаций // Порошковая металлургия. 1986. № 10. С. 18-22.

Розроблена методика формування, виконані експериментальні роботи, узагальнені результати досліджень

2. Баглюк Г.А., Радомысельский И.Д., Юрчук В.Л. Анализ напряженно-деформированного состояния уплотняемого, осесимметричного пористого тела с использованием вариационных методов // Порошковая металлургия. 1986. № 10. С. 26-30.

Сформульована задача та одержані основні аналітичні залежності.

3. Баглюк Г.А., Юрчук В.Л., Коваленко С.С. Применение вариационных методов для расчета процессов обработки давлением спеченных заготовок // Физика и техника высоких давлений. 1987. вып.24. С. 57-61.

Сформульована задача та одержані основні аналітичні залежності.

4. Баглюк Г.А. Свободная осадка нагретых пористых цилиндрических образцов // Порошковая металлургия. 1988. № 7. С. 33-37.

5. Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е. Штамп для горячей штамповки порошковых заготовок с активными силами трения // Порошковая металлургия. 1989. № 4. С. 92-94.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

6. Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е., Позняк Л.А., Капля С.Н. Технологические свойства порошков быстрорежущей стали Р6М5К5 // Порошковая металлургия. 1989. № 5. С. 1-4.

Проведені експериментальні дослідження дослідження, обговорені та узагальнені результати роботи.

7. Баглюк Г.А., Штерн М.Б., Юрчук В.Л. Сравнительный анализ схем нагружения при горячем доуплотнении пористой заготовки в закрытом штампе // Порошковая металлургия. 1989. № 11. С. 19-22.

Сформульована задача досліджень та одержані основні результати.

8. Баглюк Г.А. Исследование силовых режимов горячей штамповки пористых заготовок // Порошковая металлургия. 1989. № 12. С. 1-4.

9. Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е., Капля С.Н., Позняк Л.А., Власюк Р.З. Прессование заготовок из газораспыленных порошков быстрорежущей стали // Порошковая металлургия. 1990. № 7. С. 9-12.

Розроблена методика експерименту, узагальнені результати досліджень.

10. Баглюк Г.А., Капля С.Н., Позняк Л.А., Кононенко О.Ю. Влияние фракционного состава шихты на спекание порошка быстрорежущей стали // Порошковая металлургия. 1992. № 10. С. 15-20.

Розроблена методика експерименту, узагальнені результати досліджень.

11. Баглюк Г.А. Анализ кинематики процесса свободной осадки пористого цилиндра с учетом контактного трения // Порошковая металлургия. 1993. № 1. С. 17-21.

12. Баглюк Г.А., Юрчук В.Л., Капля С.Н. Энергетика процесса свободной осадки пористого цилиндра // Физика и техника высоких давлений. 1992. № 4. С. 110-114.

Сформульована задача та одержані основні аналітичні залежності.

13. Капля С.Н., Баглюк Г.А. Влияние давления прессования на процессы уплотнения при прессовании и активированном спекании образцов из порошковой быстрорежущей стали // Физика и техника высоких давлений. 1992. № 4. С. 151-154.

Розроблена методика експерименту, узагальнені результати досліджень.

14. Баглюк Г.А. Диссипация мощности на поверхностях разрыва скоростей в пористом жесткопластическом материале // Физика и техника высоких давлений. 1993. № 3. С. 86-89.

15. Баглюк Г.А. Моделирование процесса осадки пористого кольца в штампе с учетом контактного трения // Порошковая металлургия. 1994. №1-2. С. 15-17.

16. Баглюк Г.А., Кононенко О.Ю., Позняк Л.А., Капля С.Н. Исследование методом ДТА процесса активированного спекания порошков быстрорежущей стали // Порошковая металлургия. 1995. № 1/2. С. 26-29.

Сформульована задача, узагальнені результати досліджень.

17. Баглюк Г.А., Капля С.Н. Измельчение сферического порошка и стружки быстрорежущей стали на планетарной мельнице // Порошковая металлургия. 1995. № 3/4. С. 11-14.

Проведені експериментальні дослідження, узагальнені одержані результати.

18. Баглюк Г.А., Юрчук В.Л. Расчет пластического течения пористого материала при штамповке в открытом штампе // Порошковая металлургия. 1997. № 7/8. С. 1-7.

Сформульована задача та одержані основні аналітичні залежності.

19. Баглюк Г.А. Уплотнение пористого материала при горячей штамповке в закрытом штампе с компенсатором // Порошковая металлургия. 1998. № 5/6. С. 14-18.

20. Баглюк Г.А. Сравнение энергосиловых параметров горячей штамповки пористых заготовок при различных схемах деформации // Порошковая металлургия. 1998. № 9/10. С. 12-15.

21. Баглюк Г.А. Моделирование процесса деформации пористой заготовки в открытом штампе // Порошковая металлургия. 1997. № 9/10. С. 5-7.

22. Баглюк Г.А., Позняк Л.А. Порошковые износостойкие материалы на основе железа. Сообщ.I. Материалы, полученные спеканием и пропиткой // Порошковая металлургия. -2001. № 1-2/01. С. 44-53. Сообщ.II. Материалы, полученные с использованием горячей обработки давлением пористых заготовок. // Там же. № 3/4. С. 94-99.

Проведено узагальнення аналітичних матеріалів.

23. Баглюк Г.А. Усовершенствование процессов деформирования порошковых материалов на основе управления силами контактного трения // Порошковая металлургия. 2002. № 1/2. С. 19-25.

24. Баглюк Г.А., Позняк Л.А. Особенности спекания порошковой быстрорежущей стали с активирующими добавками // Порошковая металлургия. 2002. № 7/8. С. 35-38.

Проведені експериментальні дослідження дослідження, обговорені та узагальнені результати роботи.

25. Баглюк Г.А., Позняк Л.О. Інтерполяційна модель активованого спікання порошкової швидкорізальної сталі // Металознавство та обробка металів. 2003. № 4. С. 51-54.

Сформульована задача досліджень та одержані основні аналітичні залежності.

26. А.с. №1194577 (СССР). Пресс-форма для штамповки изделий из пористых заготовок / Г.А.Баглюк, Г.Е.Мажарова. // Открытия, изобретения. 1985. № 44.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

27. А.с. №1259563 (СССР). Установка для прессования металлов / Позняк Л.А., Баглюк Г.А., Гогаев К.А., Мажарова Г.Е. Без права публ.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

28. А.с. №1282959 (СССР). Устройство для штамповки изделий из порошковых материалов / Радомысельский И.Д., Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е. // Открытия, изобретения. -1987. № 2.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

29. А.с. № 1498588 (СССР). Штамп для закрытой объемной штамповки порошковых изделий / Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е., Позняк Л.А., Капля С.Н., Гринвальд Г.В. // Открытия, изобретения. 1989. № 29.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

30. А.с. №1677081 (СССР). Способ получения изделий из порошка быстрорежущей стали / Позняк Л.А., Солнцев В.П., Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е., Капля С.Н., Солнцева Т.А. // Открытия, изобретения. 1991. № 34.

Постановка задачі та обгрунтування ідеї.

31. А.с. №1785805 (СССР). Шихта для получения спеченных изделий на основе железа / Баглюк Г.А., Позняк Л.А., Куровский В.Я., Мажарова Г.Е., Капля С.Н. // Открытия, изобретения. 1993. № 1.

Обгрунтування та експериментальне підтвердження ідеї.

32. Патент №26606 (Україна). Спосіб отримання високощільних спечених виробів / Баглюк Г.А., Миронець С.В. // Бюл. №6. 11.10.1999 р.

Обгрунтування та експериментальне підтвердження ідеї.

33. Пат. № 29502 (Україна). Штамп для гарячої штамповки порошкових заготовок / Баглюк Г.А., Позняк Л.О., Мажарова Г.Ю., Капля С.М. // Бюл. № 6. 15.11.2000 р.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

34. Деклараційний патент на винахід № 47662А (Україна). Спосіб виготовлення виробів із порошкових композиційних матеріалів / Баглюк Г.А., Позняк Л.О., Тихомиров С.В. // Бюл. №7. 15.07.2002 р.

Обгрунтування та експериментальне підтвердження ідеї.

35. Баглюк Г.А., Капля С.Н. Формование изделий сложной формы из порошковой шихты с термопластичным пластификатором // Кузнечноштамповочное производство. 1991. №7. С.4.

Проведені експериментальні дослідження дослідження, обговорені та узагальнені результати роботи.

36. Баглюк Г.А., Капля С.Н. Штамп для горячей штамповки порошковых заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 11. С. 25.

Запропонована конструкція, участь у реалізації технічних рішень.

37. Баглюк/ Г.А., Мажарова Г.Е., Позняк Л.А. Порошковые горячештампованные стали // Вестник машиностроения. 1992. № 3. С. 42-48.

Проведений аналіз та узагальнення отриманих матеріалів.

38. Баглюк Г.А., Позняк Л.А., Дацкевич О.В. Получение и свойства порошковой стали из безабразивных шламовых отходов подшипникового производства // Вестник машиностроения. 1993. № 10. С. 15-17.

Проведені експериментальні дослідження дослідження, обговорені та узагальнені результати роботи.

39. Baglyuk G.A. Densification and Shape Change of Porous Billets in Closed and Open Dies // Recent Developments in Computer Modeling of Powder Metallurgy Processes. -IOS Press, 2001. P. 163-168.

40. Baglyuk G.A. Recycling Processes of Industrial Powderlike Waste by Die Forging of Porous Preforms // The XV Jubilee International Scientific and Technological Conference “Desigh and Techology of Drawpieces and Die Stamping”, Poznan-Wasowo, 17-19.06.2002/ Poznan, Poland. Metal Forning Institute. 2002. Р. 223-226.

41. Баглюк Г.А. Особенности технологии, свойства и области применения карбидосталей // Оборудование и инструмент для профессионалов. 2003. №10. С. 44-46.

41. Баглюк Г.А., Мажарова Г.Е., Капля С.Н. Разработка технологии изготовления плашек из порошка быстрорежущей стали // Порошковые быстрорежущие стали. Киев: ИПМ АН УССР. 1990. С. 119-126.

Проведені експериментальні дослідження дослідження, обговорені та узагальнені результати роботи.

42. Капля С.Н., Ульшин В.И., Кононенко О.Ю., Баглюк Г.А. Отжиг горячештампованной порошковой быстрорежущей стали с добавками бора // Порошковые инструментальные стали. Киев: ИПМ АН УССР, 1992. С. 41-44.

Постановка задачі досліджень, обговорені та узагальнені результати роботи.

43. Баглюк Г.А. Анализ комплексного влияния технологических параметров на плотность материала при активированном спекании порошковой быстрорежущей стали // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. Сб. докл. 4-й Международн. конф. Часть 2. Харьков, 2002. С. 309-311.

Анотація

Баглюк Г.А. Науково-технологічні принципи одержання виробів з порошкових матеріалів на основі гетерогенних залізо-вуглецевих сплавів з підвищеною зносостійкістю. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.06 - “Порошкова металургія і композиційні матеріали”. Інститут проблем матеріалознавства НАН України. - Київ, 2004.

В дисертації на основі узагальнення результатів аналізу сучасних тенденцій розвитку матеріалознавства зносостійких і конструкційних матеріалів розроблений комплексний підхід до створення технологічних процесів одержання порошкових композиційних матеріалів на основі заліза для роботи в умовах підвищених навантажень і інтенсивного тертя, а також ефективних маловідходных технологій виготовлення з них виробів з метою забезпечення заданого комплексу властивостей. Обґрунтована доцільність та показана ефективність використання безабразивних шламових відходів підшипникової сталі в якості основи для одержання виробів з порошкових зносостійких і конструкційних матеріалів. Вивчено основні технологічні і структурно-фазові характеристики газорозпилених порошків швидкоріжучої сталі та особливості сплавоутворення при їх спіканні (в т.ч. активованому) та гарячому штампуванні. Розроблено новий ефективний технологічний процес одержання високощільних композитів системи сталь - карбід титану із застосуванням методу гарячого штампування спечених заготовок. Досліджено основні закономірності формування структури на всіх стадіях техпроцесу. Створені математичні моделі для чисельного моделювання ряду схем гарячого штампування пористих заготовок з урахуванням контактного тертя та встановлені основні закономірності ущільнення і формоутворення.

Ключові слова: сталь, порошок, карбід, зносостійкість, композит, міцність, деформація, спікання, штампування, структура, бор, пористість, моделювання.

Аннотация

Баглюк Г.А. Научно-технологические принципы получения изделий из порошковых материалов на основе гетерогенных железо-углеродистых сплавов с повышенной износостойкостью. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.16.06 - “Порошковая металлургия и композиционные материалы”. Институт проблем материаловедения НАН Украины. - Киев, 2004.

В диссертации на основе обобщения результатов анализа современных тенденций развития материаловедения износостойких и конструкционных материалов разработан комплексный подход к созданию технологических процессов получения порошковых композиционных материалов на основе железа для работы в условиях повышенных нагрузок и интенсивного истирающего воздействия, а также эффективных малотходных технологий изготовления из них изделий с целью обеспечения заданного комплекса свойств. Обоснована целесообразность и показана эффективность использования безабразивных шламовых отходов подшипниковой стали в качестве основы для получения изделий из порошковых износостойких и конструкционных материалов, а также эффективность применения бора в качестве основного легирующего элемента для получения изделий из экономнолегированного порошкового материала. Показаны особенности формирования специфической существенно гетерогенной каркасной структуры спеченных борсодержащих материалов, а также изучены их основные физико-механические и триботехнические свойства.

Изучены основные технологические и структурно-фазовые характеристики газораспыленных порошков быстрорежущей стали и особенности процессов формования и сплавобразования при их спекании (в т.ч. - активированном) и горячей штамповки. Показана высокая эффективность сдвиговых схем формования заготовок. Предложена и подтверждена возможность использования в качестве активатора спекания порошковых быстрорежущих сталей комплексной никель-боридной присадки. Исследовано влияние фракционного состава порошковой шихты, состава и содержания активирующей присадки и температуры спекания на структуру и свойства спеченных и горячештампованных материалов.

Результаты исследования режущих свойств горячештампованной порошковой быстрорежущей стали свидетельствуют о её высоких эксплуатационных характеристиках что обусловлено, в частности, повышенной теплостойкостью стали, легированной никель-боридной присадкой.

Разработан новый эффективный технологический процесс получения высокоплотных композитов системы сталь - карбид титана с применением метода горячей штамповки спеченных заготовок. Исследованы основные закономерности формирования структуры на всех стадиях техпроцесса.

На основе использования эффекта образования низкоплавкой эвтектики в системе Fe-Ti подтверждена возможность получения композитов системы карбид титана - сталь в результате экзотермической реакции при спекании порошковых смесей, состоящих из порошков титана, сплава на основе железа и углерода.

На основе обобщенной феноменологической модели жестко-пластического деформируемого пористого тела созданы математические модели для количественного описания уплотнения и формоизменения в процессе горячей штамповки пористых заготовок в открытых и полуоткрытых штампах с учетом контактного трения. Установлены основные закономерности изменения распределения плотности в различных зонах заготовки на разных этапах деформирования и их зависимости от схемы деформации и исходных технологических параметров процесса.

В результате сравнительной оценки силовых параметров процессов горячей штамповки при различных схемах деформации впервые показано, что использование традиционной схемы закрытой штамповки вызывает необходимость приложения существенно более высо-ких усилий для получения высокоплотных поковок по сравнению со схемами открытой и полуоккрытой штамповки.

Полученные в результате выполнения работы основные результаты были использованы в качестве базовых при разработке ряда новых эффективных малоотходных технологических процессов получения изделий инструментального и конструкционного назначения из износостойких композиционных материалов на основе железа.

На основе результатов моделирования процессов горячей штамповки пористых заготовок и анализа конструктивных особенностей штампов закрытой и полузакрытой штамповки разработана серия новых конструктивных схем деформирования пористых заготовок и конструкций штамповой оснастки для их реализации.

Разработанные новые материалы, технологические процессы и новые конструкции штамповой оснастки прошли широкую опытно-промышленную апробацию и были внедрены на ряде предприятий страны.

Ключевые слова: сталь, порошок, карбид, износостойкость, композит, прочность, деформация, спекание, штамповка, структура, бор, пористость, моделирование.

Abstract

Baglyuk G.А. Scientific and technological principles for manufacturing products from powder materials based on heterogeneous iron-carbon alloys with increased wear resistance. The manuscript.

Thesis for the Doctor of Science (Engineering) degree in spetiality 05.16.06 - “Powder metallurgy and composite materials”. Institute for Problems of Materias Science, National Academy of Science of Ukraine. - Kiev, 2004.

This work is devoted to development of new types of wear resistant powder composite materials based on iron-carbon alloys and the creation of effective low waste technological processes for manufacturing products from them with purpose of maintenance of the given complex of properties. The expediency is proved and was shown the efficiency of use of the abrasiveless slurry from bearing production as a basis for materials of powder wear resistant and constructional materials. The basic technological and structural - phase characteristics of gas atomized high speed steel powders and features of alloy formation are investigated at their sintering (including activated one) and hot forging. The new effective technological process for manufacturing of steel - TiC system high density composites with application of hot forging of sintered preforms method is developed. The basic features of structure formation at all stages of the process are investigated. The mathematical models for numerical simulation number of the circuits of porous preforms hot forging are created in view of contact friction and the basic laws of densification and shape forming are established. The basic results of the researches have found practical application by development and introduction of technological processes for manufacturing of tool and constructional purpose products and new effective designs of technological equipment at a number of the enterprises of the country.

Key words: steel, powder, carbide, wear resistance, composite, strength, deformation, sintering, forging, structure, boron, porosity, simulation.

Размещено на Allbest.ru

...