Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.777:669.15

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення міцнісних властивостей порошкових виробів пресуванням карбідовмісної шихти на основі заліза

Спеціальність 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском

Корж Вікторія Володимирівна

Краматорськ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: порошковий експериментальний механічний

доктор технічних наук, професор Лаптєв Олександр Михайлович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), завідувач кафедри металознавства, технології і термічної обробки металів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Баглюк Геннадій Анатолійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України (м. Київ), завідувач відділу зносостійких, корозійностійких конструкційних порошкових матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент Стоянов Олександр Анатолійович, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля (м. Луганськ), доцент кафедри обробки металів тиском і зварювання

Захист відбудеться «21» жовтня 2010 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаській державній машинобудівній академії (84313 м. Краматорськ, вул. Шкадінова 72, ауд. 1319).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72.

Автореферат розісланий «17 » вересня 2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 Ю. К. Доброносов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток металургії й машинобудування нерозривно пов'язаний зі створенням нових високоефективних технологій і устаткування. Це повною мірою стосується технології виробництва деталей із металевих порошків. Цей процес включає пресування металевих порошків і наступне спікання заготівок, і належить до найбільш прогресивних технологій машинобудування. Дана технологія дозволяє одержувати вироби з унікальними властивостями при максимальному використанні матеріалу.

Аналіз номенклатури деталей, що випускаються й застосовуються на різних підприємствах України, показав наявність великої групи виробів, перспективних для виготовлення з металевих порошків. Але внаслідок тяжких умов експлуатації порошкові вироби повинні наближатися за міцністю й твердістю до виробів, отриманих із литої сталі. Крім того, інтенсифікація технологічних процесів, підвищення потужності й швидкохідності машин і механізмів викликає необхідність застосування більш міцних деталей і в тих вузлах, у яких деталі з металопорошків застосовуються вже тривалий час.

Конструкційні порошкові деталі, що випускаються, не завжди відповідають зазначеним вище експлуатаційним вимогам. Тому доцільно провести подальші наукові роботи, спрямовані на створення технології виробництва порошкових деталей, які за міцністю й твердістю наближаються до виробів із литої сталі. Враховуючи це, тема дисертаційної роботи спрямована на вдосконалення процесу пресування карбідовмісної шихти на основі заліза й підвищення на цій основі механічних властивостей одержуваних виробів і є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає Закону України «Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні» від 16.01.2003 р., №433-IV (стаття 8, положення 4 «Сучасні конструкційні матеріали, технології їхнього виробництва й застосування») і входить до плану НДР Донбаської державної машинобудівної академії. Дисертація виконувалась у рамках держбюджетної науково-дослідної роботи
№ 0103U003511, виконаної відповідно до координаційного плану Міністерства освіти й науки України, у якій автор брала участь як виконавець.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є підвищення міцнісних характеристик порошкових виробів на основі заліза шляхом пресування шихти з карбідовмісними домішками.

Для досягнення мети в роботі були поставлені такі задачі:

· вивчити склад та властивості вихідних порошків і розробити методику і обладнання для експериментальних досліджень;

· установити вплив карбідовмісних домішок на технологічні параметри процесу пресування в суміші із залізним порошком (тиск пресування, відносну щільність і шпаристість, напруження видалення з матриці, величину пружної післядії);

· визначити раціональний тиск пресування порошкових сумішей на основі заліза, які вміщують карбіди хрому, молібдену і ванадію;

· визначити механічні властивості спечених порошкових виробів, що досягаються в результаті легування карбідами;

· сформулювати рекомендації щодо способів підвищення механічних властивостей порошкових виробів шляхом легування і випробувати їх у промисловості.

Об'єкт дослідження. Процес пресування порошкових сумішей.

Предмет дослідження. Параметри процесу пресування порошкових карбідовмісних сумішей заліза з легувальними домішками Cr3C2, Мо2С, VC, а також вплив цих домішок на процес спікання й механічні властивості.

Методи дослідження. При виконанні роботи застосовані експериментальні методи визначення тиску пресування, напруження випресовування зразків із матриці, відносної щільності, величини пружної післядії, механічних характеристик спечених порошкових виробів, включаючи випробування на міцність при розтяганні, ударну в'язкість, зносостійкість, а також вимірювання твердості. Для обробки експериментальних даних використані методи математичної статистики й програмне забезпечення МS Exel, MathCad. Промислові випробування були проведені на низці підприємств України.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять такі результати:

· уперше встановлений вплив відсоткового вмісту доданих до порошку заліза порошків карбідів, тиску пресування, вмісту й складу твердих мастил на ущільнюваності й напруження випресовування порошкових заготовок;

· уточнені закономірності впливу відсоткового вмісту доданих до порошку заліза порошків карбідів, тиску пресування й режимів спікання на механічні властивості виробів;

· обґрунтовано можливість застосування карбіду хрому для підвищення міцності пресованих порошкових виробів.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи становлять наступні результати:

1. Визначено раціональні параметри процесу пресування порошкових карбідовмісних сумішей заліза з легувальними домішками Cr3C2, Мо2С, VC:

· тиск пресування порошкових сумішей заліза та порошків карбідів;

· кількість мастила при пресуванні порошкових сумішей на основі заліза, які містять карбіди хрому, молібдену, ванадію.

2. Установлено величини пружної післядії при пресуванні залізного порошку з добавками карбіду хрому

3. Розроблено рекомендації з:

· раціонального складу легувальних карбідовмісних домішок у порошкових деталях;

· пресування й спікання вищевказаних порошкових сумішей для виготовлення виробів, що працюють в умовах інтенсивного спрацювання;

4. Розроблено нову технологію пресування порошкових деталей, легованих карбідовмісними домішками, які за міцністю й твердістю не поступаються компактним виробам.

Результати роботи впроваджено у вигляді технологічних рекомендацій і технологій у ТОВ «НДІПТмаш - дослідний завод», (м. Краматорськ), ДП УкрНДІметалургмаш, (м. Слов'янськ), ТОВ «НДП “Крамтехцентр”», (м. Краматорськ).

Особистий внесок здобувача. Автор розробила методику, оснащення й провела експерименти з визначення раціонального тиску пресування заготовок із суміші порошків заліза й карбідів, та з визначення раціональної кількості твердих мастил (графіту й стеарату цинку), визначила величину пружної післядії. Автор дослідила механічні характеристики і твердість спечених порошкових деталей, провела експерименти з їх зносостійкості. У результаті експериментів був складений раціональний технологічний режим пресування й наступного спікання. Автором були розроблені й впроваджені у промисловість рекомендації щодо пресування вищевказаних матеріалів для виготовлення деталей, що працюють в умовах, де потрібна підвищена міцність, твердість і супротив зносу.

У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належать: вибір хромовмісних домішок, розробка методики і проведення експериментів, проектування пресоснащення, обробка й аналіз отриманих результатів.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи були представлені й обговорені на Всеукраїнській науково-технічній конференції «Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії», Краматорськ, 18-20 квітня 2000 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні й металургії», Краматорськ, 23-26 квітня 2001 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях машинобудування», Вінниця, 30 травня-2 червня 2001 р.; Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском», Краматорськ, 23-26 квітня 2002 р.; «Нові наукомісткі технології, обладнання й оснащення для обробки матеріалів тиском», Краматорськ,
10-23 квітня 2004 р.; «Нові методи й засоби дослідження процесів і машин обробки тиском», Краматорськ, 25-27 квітня 2005 р.; ІV Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених і фахівців «Інтелект молодих - виробництву 2005», Краматорськ, 2005 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Фізико-механічні проблеми формування структури й властивостей матеріалів, одержуваних методами обробки тиском», Краматорськ, 24-27 квітня 2007 р.; Міжнародній науково-методичній конференції «Сучасні проблеми технологій конструкційних матеріалів і матеріалознавства», Харків, 12 жовтня 2009 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць, із них 10 - у 10 збірниках наукових праць із переліку ВАК України.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 168 сторінок, у тому числі: 129 сторінок основного тексту, 50 рисунків, 31 таблиця, список використаних джерел із 145 найменувань і 5 додатків на 39 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми й показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано мету дослідження, подано характеристику об'єкта, предмета й методів дослідження. Наведено наукову новизну й практичну цінність отриманих результатів, а також подано відомості про їхню апробацію та промислове використання, визначений особистий внесок здобувача.

У розділі 1 «Стан проблеми й вибір напрямків дослідження» розглянуто процес пресування порошкових сумішей заліза, що містять домішки твердих порошків із низькою пластичністю (наприклад, карбідів), який досліджували Клименко В. М., Радомисельський І. Д., Напара-Волгіна С. Г., Дорофєєв Ю. Г., Анциферов В. М., Криштал М. О., Львовський М. М., Димченко В. А., Єрмаков С. С., Косолапова Т. Я., Власюк Р. З. та інші вчені. Показано, що ряд питань цієї технології має потребу в подальшому вивченні.

У розділі коротко описано технологію виробництва порошкових деталей, процес пресування порошкових сумішей і його особливості, залежності щільності порошкових виробів від тиску пресування й шляхи підвищення механічних властивостей пресованих і спечених порошкових виробів.

Процес пресування істотно впливає на якість кінцевої продукції. Виникаюча в процесі пресування неоднорідність щільності приводить до нерівномірної усадки виробу при спіканні, що знижує його механічні властивості і є причиною неконтрольованої зміни форми й розмірів. Правильно підібраний тиск пресування дозволяє збільшити точність отриманих деталей і стабільність їхніх розмірів. Тиск пресування сумішей залізного порошку з твердими домішками може змінюватися в межах від 250 до 1500 МПа. Конкретне значення залежить від бажаної щільності виробів. Занижений тиск пресування веде до опадання пресовань, а завищений - до розшаровування або появи тріщин у виробах при пресуванні.

Відзначено, що властивості порошкових виробів на основі заліза в значній мірі залежать від способу введення легувального елемента в шихту. Хромисті деталі є одними з найбільш широко застосовуваних у промисловості. Додавання порошку чистого хрому до залізної основи приводить до низьких механічних властивостей виробів. Як показав аналіз літературних джерел, одним зі шляхів підвищення механічних властивостей порошкових виробів є застосування менш концентрованих домішок, ніж чистий хром. Тому замість чистого хрому в наших дослідженнях був обраний його карбід Сr3C2. Додатково було досліджено легування карбідами молібдену Мо2С і ванадію VC. Відзначено, що ефективним методом підвищення твердості є термічна обробка, якій піддається значна частина сталевих виробів, але вона не одержала широкого поширення в промисловості при виробництві деталей із порошків.

Проведення подальших досліджень із визначення раціональних параметрів пресування, складу й кількості легувальних хромовмісних домішок, а також механічних властивостей одержуваних виробів є актуальною задачею.

У розділі 2 «Методика проведення досліджень» наведено методику підготовки порошків і складання порошкових сумішей, описано змішувальний пристрій. У розділі наведено дані про оснащення й машини, які застосовувалися для пресування порошків у циліндричній і прямокутній матрицях, і про устатковання для спікання. Наведено характеристики отриманих зразків. Щільність зразків визначалася, виходячи з вимірювання їхньої ваги й розмірів.

Визначено основні характеристики порошків, які використовувалися в експериментах: порошку карбіду хрому, карбіду молібдену й карбіду ванадію виробництва Донецького заводу хімічних реактивів і порошку заліза, отриманого розпиленням розплаву водою на Броварському заводі порошкової металургії. Форма часток порошків вивчалася методом електронної мікроскопії. Розподілення часток за розмірами досліджувалося методом розсіювання променя лазера. Визначався й порівнювався з даними сертифікатів вміст у порошку заліза кремнію й марганцю. В експериментах були використані також такі порошки: стеарат цинку НВО «Люмінофор» (м. Ставрополь), олівцевий графіт Завальєвського графітового комбінату, нітрид хрому Cr2N, борид хрому CrВ2, силіцид хрому CrSі2, відновлений хром ПХС-2, ферохром ФХ-650 і порошок сталі Х30.

Описано способи визначення коефіцієнта бічного тиску й величини пружної післядії при пресуванні порошкових зразків. Наведено методики випробувань порошкових зразків на розтягання, ударну в'язкість, твердість і зносостійкість. Експериментальні дослідження спікання були проведені на заводі «Перемога праці» (м. Артемівськ).

Отримані експериментальні залежності апроксимували за допомогою степеневої, експонентної або лінійної функцій. Вид апроксимувальної функції вибирався залежно від величини коефіцієнта вірогідності апроксимації R2.

У розділі 3 «Аналіз результатів досліджень» описані результати визначення раціональних параметрів процесу пресування та досягнуті механічні властивості порошкових виробів. Кількість карбідів, що вводяться в шихту, оптимізувалась з урахуванням їх впливу на межу міцності при розтяганні, ударну в'язкість і твердість.

З метою визначення раціональних складів порошкових сумішей здійснювалося їхнє легування домішками Сr3C2, Mo2C, VC у кількості від 2 до 10 % (за масою). Аналіз проведених досліджень дозволив зробити висновок про те, що найбільш високі механічні властивості мають порошкові вироби, які містять за вагою 5 % Сr3C2 або 7 % Mo2C або 3 % VC.

З метою підтвердження правильності вибору карбіду хрому як кращої легувальної домішки проводилося легування залізної матриці хромовмісними порошками по черзі: 5 % відновленого хрому, ферохрому, сталі Х30, силіциду хрому СrSі2, нітриду хрому Сr2N, бориду хрому CrВ2 (В - 29,6 %), ацетилацетонату хрому Cr (C5H7O2)3 (результати досліджень для ацетилацетонату хрому взяті з літературних джерел). Зразки з додаванням 5 % перерахованих вище хромовмісних домішок пресували при тиску 500 МПа й спікали при температурі 1150 °С протягом 1 години в середовищі ендогазу з наступним охолодженням у холодильнику печі спікання. Механічні властивості отриманих зразків наведено в таблиці 1. Їхній аналіз підтверджує припущення, що карбід хрому Сr3C2 є однією з кращих легувальних хромовмісних домішок. Отримані низькі механічні властивості порошкових деталей пояснюються високою залишковою шпаристістю й, таким чином, недостатньо високим тиском пресування. Тому був обраний тиск пресування 750 МПа, що дозволило підвищити межу міцності хромистих порошкових виробів з 400 до 750 МПа.

Вплив вмісту карбідів на ущільнюваність суміші при пресуванні в інтервалі тисків 250_1500 МПа зображено на діаграмах залежностей відносної щільності порошкових зразків від тиску пресування (рис. 1). Мастило в цьому випадку не застосовувалося. Аналіз цих даних показує однотипний вплив карбідів хрому, молібдену й ванадію на відносну щільність порошкових пресовань, що пов'язано з близькою мікротвердістю цих карбідів і їхнім аналогічним поводженням при пресуванні.

рпр, МПа рпр, МПа рпр, МПа

а) б) в)

Рис. 1. Залежності відносної щільності від тиску пресування і вмісту карбідів у сумішах: а - «залізний порошок - Сr3C2»; б - «залізний порошок - Мо2С»; в - «залізний порошок - VС».

Таблиця 1 Хімічний склад легувальних домішок і механічні властивості зразків

Вид хромовмісної домішки	Вміст елементів у домішці, %	Механічні властивості
	Fe	Cr	C	Si	S	P	N	ув МПа	KC, кДж/м2	HB, МПа
Без домішки	98,0	-	0,12	0,25	0,03	0,02	-	100	150	600
Відновлений хром ПХС-2	0,33	99,3	0,06	-	-	-	-	150	45	710
Ферохром ФХ-650	24,0	68,0	6,3	0,8	0,05	0,03	-	320	40	1450
Порошок сталі Х30	72,5	26,5	0,51	-	-	-	-	250	35	850
Силіцид хрому СrSi2	-	47,0	-	50,2	-	-	-	120	29	590
Нітрид хрому Cr2N	-	88,0	-	-	-	-	11,2	160	37	950
Ацетилацетонат хрому Cr (C5H7O2)3	Точний вміст елементів не представлений	300	80	2400
Карбід хрому Cr3C2	-	85,8	12,8	-	-	-	-	400	60	2260
Борид хрому CrB2 (В-29,6%)	-	68,5	0,3	-	-	-	-	280	48	1870

Залежності напруження випресовування зразків від тиску пресування порошкової шихти з різними процентними домішками карбідів у порошок заліза наведено на рис. 2. Як випливає з рис. 2, напруження випресовування лінійно зростає з підвищенням тиску пресування. Це можна пояснити збільшенням бічного тиску й, відповідно, напруження, необхідного для подолання сил тертя між зразком і внутрішньою поверхнею матриці. Напруження випресовування становить приблизно 20 % від тиску пресування. Деталі з досліджених сумішей, спресовані при тиску 500 МПа, спікали при температурі 1130_1150 °С у середовищі ендогазу протягом двох годин. Охолодження проводили в холодильнику печі спікання.

рпр, МПа рпр, МПа

а) б)

рпр, МПа

в)

Рис. 2. Залежності напруження випресовування від тиску пресування для сумішей: а - «залізний порошок - Сr3C2»; б - «залізний порошок - Мо2С»; в - «залізний порошок - VС».

З'ясовано вплив вмісту карбіду хрому й тиску пресування на величину пружної післядії (шихта без мастил). Визначено вплив складу й вмісту твердих мастил (стеарату цинку й графіту) на напруження випресовування й щільність порошкових пресовань. Величина пружної післядії зростає зі збільшенням процентного вмісту карбідів хрому, молібдену, ванадію в шихті й тиску пресування. Так, додавання 1 % карбіду хрому в шихту збільшує величину пружної післядії втулки діаметром 30 мм після її виймання з матриці на 50 мкм.

Стеарат цинку було обрано як найбільш застосовуване мастило для пресування порошкових виробів. Досліджували вплив його вмісту в кількості 0,5 %, 1 % і 1,5 % на процес пресування порошкової шихти на основі порошку заліза з домішками 5 % Cr3C2. Було встановлено, що вміст твердого мастила 1_1,5 % виключає можливість скріплювання та приводить до істотного зниження напруження випресовування порошкових зразків. На підставі вищенаведених експериментальних даних рекомендовано при пресуванні карбідовмісної порошкової шихти вводити 1 % стеарату цинку для полегшення процесу пресування й продовження терміну служби інструмента.

При виробництві порошкових деталей іноді необхідно підвищити вміст вуглецю понад внесений карбідом хрому. Це досягається додаванням у шихту порошку графіту. Для оцінювання впливу графіту на процес пресування було проведено серію дослідів із додаванням до шихти додатково 0,5 % порошку графіту. Аналіз результатів експериментів показав (рис. 3), що при комплексному введенні в шихту 0,5 % графіту й 1 % стеарату цинку напруження випресовування зразків істотно знижується в порівнянні з тим, якщо вводити окремо 0,5 % графіту, 1 % стеарату цинку або пресувати шихту без мастил.

1 - Fe + 5 % Cr3C2 + 1 % Zn (C17H35O2)2 + 0,5 % С;

2 - Fe + 5 % Cr3C2 + 1% Zn (C17H35O2)2;

3 - Fe + 5 % Cr3C2 + 0,5 % С;

4 - Fe+5 % Cr3C2

Рис. 3. Залежність напруження випресовування порошкових зразків від тиску пресування при різному вмісті й складі твердих мастил у порошковій шихті.

У роботі був досліджений коефіцієнт бічного тиску хромистих зразків ж. Осьове зусилля вимірювалося за допомогою месдози стиснення, а бічне - за допомогою штифтової месдози за методикою, розробленою в Донбаській державній машинобудівній академії.

Щоб звести до мінімуму похибки, пов'язані з нерівномірністю щільності, експерименти проводили на зразках із невеликим відношенням висоти до діаметра: 1,3/l,5. Експерименти проводили з уведенням твердих мастил, зі змащенням стінок матриці прес-форми мастилографітовою композицією й без змащення. Результати експериментів показали, що величина ж не залежить як від мастила, уведеного в шихту, так і від змащування стінок прес-форми.

Як видно з рис. 4, коефіцієнт бічного тиску зростає зі збільшенням тиску пресування й зменшується зі збільшенням вмісту карбіду хрому в шихті. Це можна пояснити підвищенням рівня міжчастинного тертя в хромистих зразках, що приводить до зменшення ж для сумішей.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта бічного тиску від вмісту карбіду хрому в шихті й тиску пресування, МПа.

У розділі 4 «Наступна обробка холоднопресованих порошкових зразків на основі заліза, легованих Cr3C2, Мо2С, VC» розглянуто спікання, що є невід'ємною частиною технологічного процесу одержання порошкових виробів і визначається необхідністю одержання заданих властивостей. Спікання пресовань на основі заліза, легованого карбідами металів Cr3C2, Mo2C, VC, виконували у вакуумі при температурі 1280 °С. Охолодження зразків відбувалося разом із піччю протягом 4 годин. Для досліджень механічних властивостей були виготовлені прямокутні зразки з розмірами 10х10х55 мм3 із шихти з вмістом карбідів Cr3C2, Mo2C, VC - 2, 4, 6, 8, 10 %, спресовані при 750 МПа. Механічні властивості після спікання порошкових зразків представлені на рис. 5-7.

Рис. 5. Вплив вмісту карбідів на ударну в'язкість порошкових зразків, отриманих при прискореному охолодженні.

Аналіз даних на рис. 5 показує, що найбільшу ударну в'язкість -
520_550 кДж/м2 мають порошкові зразки, леговані 7 % Mo2C, що дозволяє рекомендувати цю композицію для роботи в умовах ударних навантажень. Меншу ударну в'язкість (300_350 кДж/м2) мають хромисті порошкові зразки. Ванадієві порошкові зразки після спікання показали стабільні результати (300_400 кДж/м2) у всьому діапазоні вмісту карбідів 3_10 %.

Рис. 6. Вплив вмісту карбідів Cr3C2, Mo2C, VC на твердість порошкових зразків.

Твердість після спікання порошкових зразків виявилася невисокою й перебувала в межах 800-1500 МПа. Найбільшу твердість (900-1500 МПа) мали порошкові зразки, леговані молібденом. У хромистих порошкових зразках відзначалася твердість у діапазоні 800-1100 МПа. Невисока твердість порошкових зразків є наслідком недостатньої швидкості природного охолодження в холодильнику печі, що становила приблизно 0,08 °С/сек. Тому в подальшому збільшили швидкість охолодження зразків до 1,3 °С/сек, за рахунок інтенсифікації охолодження в холодильнику печі спікання (збільшення швидкості подавання холодної води). Отримана твердість порошкових зразків зображена на рис. 6. У результаті досліджень установлено, що максимальна твердість зразків (3000-3200 МПа) досягається в разі введення в шихту 5-6 % Cr3C2. Для молібденових деталей, що містять 7 % Mo2C, максимальна твердість становить 2500 МПа, а для ванадієвих порошкових деталей, що містять 3-4 % VC - 2400 МПа. Подальше підвищення твердості порошкових деталей можливе за рахунок зменшення їхньої шпаристості.

Можливість розчинення карбідів при високих температурах спікання дозволяє одержати високоміцні порошкові деталі (рис. 7). Хромисті порошкові деталі при високотемпературному спіканні мають найбільшу межу міцності при розтяганні, що становить 750 МПа, молібденові - 620 МПа, ванадієві - 670 МПа. Таким чином, використання легувального елемента у вигляді карбіду Cr3C2 є кращим порівняно з Mo2C і VC у разі одержання високоміцних деталей.

Результати випробувань зносостійкості за схемою «ролик по ролику», свідчать про збільшення зносостійкості хромистих зразків у порівнянні із залізографітовими більш ніж в 15 разів.

Випробування на зносостійкість у режимі сухого тертя за схемою «порошковий ролик - сталевий сегмент» проводили при швидкості ковзання 0,23 м/с і питомому навантаженні - 0,75 МПа. Тривалість випробувань становила 5 годин, зносостійкість хромистих порошкових зразків і при цьому виді випробувань виявилася істотно вищою від залізографітових (спрацювання залізографітового ролика - 0,30 мм, порошкового з карбідом хрому - 0,017 мм).

Рис. 7. Вплив вмісту карбідів Cr3C2, Mo2C, VC на межу міцності при розтяганні порошкових зразків.

Таким чином, застосування карбідовмісних матеріалів може розширити галузь застосування порошкових виробів у рухомих з'єднаннях механізмів. Подальше підвищення механічних властивостей порошкових деталей можливе за рахунок зменшення шпаристості при гарячій обробці тиском. Порівняльні характеристики отриманих порошкових і існуючих компактних сталей подані в таблиці 2.

Таблиця 2 Порівняльні характеристики порошкових і литих сталей

Марка сталі	Вид постачання	НВ, МПа	КС, кДж/м2	ув, МПа
Хромисті сталі
7Х3 (лита) (0,65%С, 3,2 % Cr)	Прокат, кування	1700 1750	510	690
ПК80Х4 (порошкова), (4,25 % Cr, 0,75 % C)	Готовий виріб	3000 3200	300 350	680 750
Сталь, що містить молібден
ПК50М6 (порошкова), (6,5 % Мо, 0,5 % С)	Готовий виріб	2400 2500	520 550	600 640
Сталь, що містить ванадій
45ФЛ (лита) (0,45 % С, 0,15 %V)	Виливки	580	300	500 600
ПК60Ф2 (порошкова), (2,4 % V, 0,6 % С)	Готовий виріб	2300 2400	300 400	600 670

Обробку отриманих у ході роботи експериментальних даних здійснювали на основі методів математичної статистики за допомогою точкових й інтервальних оцінок.

У розділі 5 «Технологічні рекомендації із застосування технології виготовлення хромистих порошкових виробів наведено рекомендації із застосування технології виготовлення хромистих порошкових виробів на основі заліза. Сформульовано вимоги до процесу пресування й дані для розрахунку прес-форм. Описано методи контролю й види браку.

З урахуванням цих рекомендацій розроблені й пройшли дослідно-виробничі випробування порошкові деталі: «втулка» - знижено собівартість робіт з модернізації вузлів тертя на 15 % при одночасному підвищенні експлуатаційних характеристик у 2 рази (НВП «Крамтехцентр»), «накаблучник» - підвищені зносостійкість і конкурентоспроможність (ТОВ «НДІПТмаш - дослідний завод»), «ніпель» - знижено собівартості виготовлення деталей, усунуто операції мехобробки, досягнуто економію металу й зниження завантаження верстатного парку (прийняте до впровадження ДП «УкрНДІметалургмаш»).

Загальні висновки

У дисертації виконано нові науково-технічні розробки з розвитку й удосконалення технології пресування порошкових деталей, легованих карбідовмісними домішками, і на цій основі вирішено актуальне завдання підвищення міцності й зносостійкості порошкових виробів, що має важливе практичне значення.

1. Аналіз стану питання показав, що введення порошку чистого хрому в шихту не приводить до підвищення механічних властивостей порошкових матеріалів на основі заліза. Перспективним напрямом є підвищення міцнісних властивостей порошкових виробів за рахунок додавання в шихту на основі заліза порошків хромовмісних домішок.

2. Карбід хрому є однією з кращих хромовмісних легувальних домішок. Він забезпечує високі показники міцності порошкових виробів на основі заліза. Додавання порошків карбідів Cr3C2, Mo2C, VC у кількості 2-10 % до порошку заліза приводить до зниження ущільнення суміші. Напруження випресовування зразків із досліджуваних композицій становить 10-30 % від тиску пресування без використання твердих мастил і 8-20 % - у випадку їхнього використання.

3. Додавання в шихту стеарату цинку в кількості 0,5-1,5 % значно зменшує напруження випресовування хромистих зразків при однаковому тиску пресування. Додавання в шихту порошку графіту в кількості 0,5 % зменшує напруження випресовування, але не в такій мірі, як стеарат цинку. При комплексному введенні в шихту 1 % стеарату цинку й 0,5 % графіту істотно знижується напруження випресовування в порівнянні з тим, якщо вводити окремо 0,5 % графіту або 1 % стеарату цинку.

4. Коефіцієнт бічного тиску зразків із додаванням карбіду хрому зростає зі збільшенням тиску пресування й зменшується зі збільшенням вмісту карбіду в шихті. Так, зі збільшенням вмісту карбіду хрому в шихті від 0 до 10 % коефіцієнт бічного тиску зменшується від 0,48 до 0,32 при тиску пресування 400 МПа; від 0,55 до 0,40 - при тиску пресування 750 МПа; та від 0,58 до 0,44 - при тиску пресування 1000 МПа.

5. Величина пружної післядії зростає зі збільшенням тиску пресування й вмісту порошків карбідів Cr3C2 у шихті. Так, додавання 1 % карбіду хрому в шихту збільшує пружну післядію втулки діаметром 30 мм після її виймання зі штампа на 0,05 мм.

6. Найкращі властивості мають зразки з порошку заліза із вмістом карбідів (окремо по масі): 5 % карбіду хрому, 7 % карбіду молібдену, 3 % карбіду ванадію, які спресовані при тиску 750 МПа. При цьому додавання карбіду хрому дозволяє одержати найбільшу міцність виробів (ув = 750 МПа), а додавання карбіду молібдену - найбільшу ударну в'язкість (КС = 520 кДж/м2). За міцністю й пластичністю порошкові матеріали, леговані хромовмісними домішками, близькі до литих сталей відповідного складу, але істотно перевершують їх за твердістю.

7. Розраховано кореляційні залежності щільності й напруження випресовування від тиску пресування, що дозволяють прогнозувати зусилля, необхідні для пресування й випресовування порошкових виробів із різним вмістом карбідної фази, що є важливим при розробці технологічних процесів пресування порошкових деталей.

8. Результати дисертаційної роботи у вигляді нових технічних рішень і практичних рекомендацій застосовані на НВП «Крамтехцентр», ТОВ «НДІПТмаш - дослідний завод», ДП «УкрНДІметалургмаш». Застосування даних рекомендацій дозволило підвищити конкурентоспроможність, міцність і зносостійкість порошкових деталей і знизити трудовитрати при їх виробництві.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Михайленко Б. Е. Выбор хромсодержащей легирующей добавки для получения порошковых сталей / Б. Е. Михайленко, В. Г. Корж, В. В. Корж // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2000. - С. 246-248.

2. Михайленко Б. Е. Выбор оптимальной пористости и количества вносимой смазки для получения хромистой порошковой заготовки под последующую горячую штамповку / Б. Е. Михайленко, В. В. Корж, В. Г. Корж // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тематичний зб. наук. праць. - Краматорськ - Слов'янськ : ДДМА, 2000. - С. 283-286.

3. Михайленко Б. Е. Исследование влияния изменения давления прессования на плотность и пористость прессовки из хромистого порошкового материала / Б. Е. Михайленко, В. В. Корж, В. Г. Корж // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском : тези доповідей на Міжнар. наук.-техн. конференції. - Вінниця, 2001. - С. 92-93.

4. Исследование технологических параметров горячей штамповки порошковой хромистой стали / Б. Е. Михайленко, С. Г. Прийменко, В. В. Корж, В. Г. Корж // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2002. - С. 362-365.

5. Лаптев А. М. Исследование величины коэффициента бокового давления при прессовании железного порошка с добавками карбида хрома / А. М. Лаптев, В. В. Корж // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2002. - С. 174-176.

6. Корж В. В. Исследование влияния гранулометрического состава и количества карбида хрома на процесс прессования порошка железа / Корж В. В. // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2003. - С. 608-610.

7. Корж В. В. Исследование влияния давления прессования на плотность и напряжение выпрессовки смеси порошка железа и карбида хрома / Корж В. В. // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2004. - С. 456-460.

8. Корж В. В. Исследование влияния стеарата цинка на процесс прессования порошковой шихты с содержанием карбида хрома / Корж В. В. // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2005. - С. 374-378.

9. Корж В. В. Исследование процесса спекания хромистых порошковых прессованных образцов в интервале температур 1150 °С-1200 °С / В. В. Корж, А. М. Лаптев, В. Г. Корж // Интеллект молодых - производству 2005 : сборник тезисов ІV Междунар. наук.-практ. конференции молодых учёных и специалистов. - Краматорск, 2005. - С. 74-75.

10. Корж В. В. Металлографические исследования структурных составляющих прессованных хромистых образцов после спекания в интервале температур 1150 °С-1280 °С и изотермической выдержке 5, 15, 30, 45, 60 мин / В. В. Корж, А. М. Лаптев // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2007. - С. 83-86.

11. Корж В. В. Получение хромистих порошковых деталей горячей штамповкой без предварительного спекания / Корж В. В. // Обработка материалов давлением: сб. науч. трудов. - Краматорск : ДГМА, №2(21)-2009. - С. 329-332.

12. Корж В.В. Выбор хромсодержащей легирующей добавки для получения конструкционной порошковой стали / В. В. Корж, А. М. Лаптев // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: сб. науч. трудов, выпуск 46. - Харьков: ХНАДУ, 2009. - С. 102-104.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві:

[1] - вибір хромовмісних легувальних домішок, обробка й аналіз результатів досліджень; [2] - розробка методики проведення експериментів, пресування зразків, обробка й аналіз результатів досліджень; [3] - пресування зразків, обробка й аналіз результатів досліджень; [4] - визначення середовища нагрівання порошкових зразків, проектування пресового оснащення, вибір технологічних параметрів, обробка й аналіз результатів досліджень; [5] - проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів досліджень; [9] - вибір технологічних параметрів, обробка й аналіз результатів досліджень; [10] - розробка методики проведення експериментів, пресування зразків, обробка й аналіз результатів досліджень; [12] - постановка завдання, розробка методики проведення експериментів, пресування зразків, вибір хромовмісної легувальної домішки, обробка й аналіз результатів досліджень.

Анотація

Корж В. В. Підвищення міцнісних властивостей порошкових виробів пресуванням карбідовмісної шихти на основі заліза - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2010.

Дисертація спрямована на удосконалення процесу пресування композиційних порошкових матеріалів, що містять порошок заліза і домішки у вигляді порошків карбідів хрому, молібдену і ванадію, та на підвищення механічних властивостей порошкових виробів. Визначено, що карбід хрому є кращою легувальною домішкою. Встановлено основні закономірності пресування вибраних композиційних матеріалів і видалення пресовань із матриці. З'ясовано вплив вмісту карбіду хрому і тиску пресування на величину пружної післядії. Визначено раціональний тиск пресування, вміст і склад твердих мастил (графіту і стеарату цинку) у суміші, що забезпечують найменше тертя. Встановлено раціональні режими спікання порошкових зразків вибраного складу.

Визначено механічні характеристики спечених композиційних виробів, включаючи міцність при розтяганні, твердість, ударну в'язкість, а також характеристики зносостійкості. Сформульовано і впроваджено у виробництво рекомендації із застосування технології виготовлення хромистих порошкових виробів на основі заліза.

Ключові слова: порошкові вироби, карбідовмісні домішки, карбід хрому, пресування порошку, тиск пресування, напруження видалення, пружна післядія, шпаристість, стеарат цинку, механічні властивості.

Аннотация

Корж В. В. Повышение прочностных свойств порошковых изделий прессованием карбидосодержащей шихты на основе железа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2010.

Диссертация направлена на усовершенствование процесса прессования композиционных порошковых материалов, которые содержат порошок железа и добавки в виде порошков карбидов хрома, молибдена и ванадия, и на повышение механических свойств порошковых изделий.

Определены основные характеристики порошковых материалов, используемых в экспериментальных исследованиях. Разработаны методы и оснастка для изготовления смесей и образцов из порошковых материалов для испытаний на прочность, твёрдость, ударную вязкость и износостойкость.

С целью подтверждения правильности выбора карбида хрома как лучшей легирующей добавки проведено легирование железной матрицы хромосодержащими порошками поочередно: 5 % восстановленного хрома, феррохрома, стали Х30, силицида хрома СrSі2, нитрида хрома Сr2N, борида хрома CrВ2 (В - 29,6 %), ацетилацетоната хрома Cr (C5H7O2)3. Установлено, что карбид хрома является наилучшей легирующей хромсодержащей добавкой. Он обеспечивает наиболее высокие показатели прочности порошковых изделий на основе железа.

Влияние карбидов Cr3C2, Mo2C, VC на поведение железного порошка при прессовании определяется степенью различия свойств порошков. С увеличением микротвёрдости карбидов Cr3C2 > Mo2C > VC несколько ухудшается уплотняемость железного порошка. Включения карбида, действующие подобно абразиву, затрудняют относительное скольжение частиц порошка железа, что приводит к увеличению сил межчастичного трения и требует приложения большего давления для достижения заданной плотности.

Установлены основные закономерности прессования выбранных композиционных материалов и их удаления из матрицы. Определено влияние содержания карбида хрома и давления прессования на величину упругого последействия. Определен коэффициент бокового давления при прессовании образцов с добавками карбида хрома. Определены рациональное давление прессования, содержание и состав твердых смазок (графит и стеарат цинка) в смеси, которые обеспечивают наименьшее трение. Установлены рациональные режимы спекания порошковых образцов выбранного состава. Установлены механические характеристики спеченных композиционных изделий, включая прочность при растяжении, твердость и ударную вязкость, а также характеристики износостойкости. Эти свойства близки к свойствам соответствующих по составу литых материалов.

По результатам экспериментальных исследований установлены и рассчитаны корреляционные зависимости плотности и напряжения выпрессовки от давления прессования, позволяющие прогнозировать уплотнение и давление выпрессовки для порошков с различным содержанием карбидной фазы.

Сформулированы и внедрены в производство рекомендации по применению технологии изготовления хромистых порошковых изделий на железной основе.

Ключевые слова: порошковые детали, карбидосодержащие добавки, прессование порошка, давление прессования, напряжение выпрессовки, упругое последействие, пористость, стеарат цинка, механические свойства.

Abstract

Korzh V. V. Increase of strength properties of powder parts by pressing of iron based feedstock containing carbides. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's in Engineering Specialty 05.03.05 - Processes and machines of plastic working. - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2010.

The thesis concerns the improvement of pressing of composite powder materials, containing iron powder and additives in the form of chromium, molybdenum, vanadium carbides and increase of mechanical properties of obtained powder parts. It was found, that chromium carbide is the best alloying additive. The main relationships between compaction pressure and ejection stress for chosen powder composite materials were determined. The influence of chromium carbide content and pressure on spring back value was clarified. The rational compaction pressure, amount and composition of powder lubricant (graphite and zinc stearate) in the mixture, resulting the minor friction, were determined.

The mechanical properties of sintered composite parts including tensile stress, hardness and fracture toughness were found. The recommendations on application of technology at production of iron based powder parts alloyed by chromium carbide were formulated and applied in the industry.

Key words: powder parts, carbides containing additives, powder pressing, compaction pressure, ejection stress, spring back, porosity, zinc stearate, mechanical properties.

Размещено на Allbest.ru

...