Баглюк Геннадій Анатолійович. Науково-технологічні принципи одержання виробів з порошкових матеріалів на основі гетерогенних залізо-вуглецевих сплавів з підвищеною зносостійкістю

Краткое описание

Баглюк Геннадій Анатолійович. Науково-технологічні принципи одержання виробів з порошкових матеріалів на основі гетерогенних залізо-вуглецевих сплавів з підвищеною зносостійкістю: дис... д-ра техн. наук: 05.16.06 / НАН України; Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича. - К., 2004.

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.

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 та 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 бору 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 карбіда бору, 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 бору 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 12300С) 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 досліджено механізм сплавоутворення при спіканні порошкових швидкоріжучих сталей з нікель-боридною активуючою присадкою. Показано, що поява рідкої фази в області температур нижче 12000С обумовлено, головним чином, утворенням у процесі нагрівання легкоплавкої евтектики в системі Ni-В. В міру підвищення температури спікання, збільшення вмісту бора в шихті, 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 подрібленню 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 11400С внаслідок дифузії вуглецю з контактуючих зі сталлю зерен TiС1-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 12700С, 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 різними технологічними варіантами (рідинофазне спікання, гаряче пресування в графітових формах, гаряче штампування пористих заготовок), показали, що застосування гарячого штампування призводять до збільшення міцності матеріалу на згин 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 FeTi був запропонований новий технологічний підхід до одержання композитів системи карбід титану сталь, що полягає в забезпеченні формування карбідної складовий псевдосплаву в результаті екзотермічної реакції при спіканні порошкових сумішей, що складаються з порошків титану, сплаву на основі заліза і вуглецю. Мікроструктури сплавів, отриманих при реакційному спіканні сумішей, розрахованих на формування різних стехіометричних значень TiСx,характеризуються рівномірно розподіленими по об’єму карбідними зернами, оточеними прошарками металевої зв’язки.
Вивчено механізм сплавоутворення в процесі реакційного спікання порошкових сумішей FeTiC. 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 металув 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.