Получение износостойкой порошковой карбидостали на основе быстрорежущей стали и карбида титана методом горячей штамповки

Диссертация посвящена получению, исследованию структуры и свойств износостойкого композиционного материала — карбидостали, составляющими которой являются быстрорежущая сталь и карбид титана. Для получения материала разработана технологии горячей штамповки неспечен-ных заготовок из смеси порошков быстрорежущей стали и карбида титана. Выбор для разработки технологии и исследования этой карбидостали обусловлен, в первую очередь, значительной потребностью машиностроения в такого рода износостойких материалах. Естественно, что выбор темы диссертации и ее актуальность не обосновываются только потребностью в разрабатываемых материалах. Здесь должны быть учтены результаты уже имеющихся научных и практических разработок по этому вопросу, подтверждающие научную перспективность и практическую ценность разработки, наличие соответствующего сырья и оборудования. Выбранная тема исследования удовлетворяет этим требованиям.

Актуальность темы

Машиностроительные отрасли России нуждаются в большой номенклатуре конструкционных деталей из износостойких материалов, которые должны отвечать высоким требованиям надежности, долговечности, экономичности при работе в условиях отсутствия смазки, работе в вакууме, агрессивных газовых и жидких средах. К такому классу материалов относятся карбидостали, которые состоят из быстрорежущей стали и карбида титана с массовой долей до 50%.

В США, Японии, Германии создано промышленное производство кар-бидосталей на основе технологии жидкофазного спекания. В СССР для получения карбидосталей промышленным способом использовали технологию горячего изостатического прессования (ГИП) с последующей обработкой давлением путем экструзии нагретых заготовок. По этой технологии выпускали порядка десяти разных марок карбидосталей, в том числе карбидостали типа быстрорежущая сталь — карбид титана (20 мае. %).

Данные зарубежных исследований свидетельствуют о перспективности использования порошковых инструментальных материалов с добавками тугоплавких соединений, преимущественно карбида титана. Карбидостали обладают уникальными свойствами, соединяя в себе технологичность сталей с твердостью и износостойкостью твердых сплавов. По своим служебным характеристикам занимают промежуточное положение между инструментальными сталями и твердыми сплавами. По сравнению с твердыми сплавами карбидостали при равноценной твердости (, 87 — 89 HRA) отличаются большей прочностью (на 30 — 50%) и более высокой ударной вязкостью (в 2 — 4 раза), пониженным коэффициентом трения (на 15−20%), а также меньшей стоимостью (на 50 — 60%).

Вместе с тем все указанные технологии получения карбидосталей мно-гооперациониые, а технология ГИП/экструзия обеспечивает получение лишь длинномерных прутковых заготовок. С точки зрения повышения экономичности определенной альтернативой применяемым технологиям может стать технология горячей штамповки, исключающая операции длительной термической обработки (спекание, ГИП) и обеспечивающая получение заготовок с размерами, близкими к готовому изделию, заданными плотностью и характеристиками прочности.

Таким образом, комплексное исследование фазового состава, структуры и свойств горячештампованпой карбидостали «быстрорежущая сталь — карбид титана» для производства высокоизпосостойких материалов и изделий, которые после штамповки не нуждаются или нуждаются лишь в незначительной механической обработке, а также создание научно-обоснованной технологии получения карбидосталей посредством подготовки порошкового сырья к переработке, холодного уплотнения и горячей штамповки порошковых заготовок, является актуальной научной и практической задачей в сфере порошковой металлургии и композиционных материалов.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой кафедры систем управления и технологических комплексов Кубанского государственного технологического университета № 4.1.06−10 «Развитие высокоскоростных и прецизионных обрабатывающих систем на базе интеллектуальных обрабатывающих технологических комплексов и инструментов нового поколения» (2006 — 2010 г. г.) и договором № 13−06/4−9 о взаимодействии, совместной научной и производственной деятельности между Государственным научно-техническим центром «Новейшие материалы и технологии» Института проблем материаловедения им. И. Н. Фрапцевича НАН Украины, Кубанским государственным технологическим университетом и Производственным предприятием «Техосиастка-Инструмепт» (2004 — 2007 гг.).

Цель и задачи работы. Целыо настоящей работы является установление закономерностей влияния размола порошкового сырья и термомеханической обработки заготовок из него на свойства карбидостали «быстрорежущая сталь Р6М4ФЗК5Х4 — карбид титана» и разработка на этой основе технологии получения конструкционных износостойких изделий из пссиечеппого порошка в пористой оболочке методом горячей штамповки.

Для достижения поставленной цели был поставлен ряд задач, решению которых и посвящена настоящая работа:

1. Установить закономерности механического диспергирования и приготовления смесей порошков карбидостали в атгриторе и определить физические, химические и технологические свойства размолотых порошков.

2. Методом компьютерного моделирования установить особенности горячего уплотнения порошка карбидостали в пористых металлических оболочках.

3. Установить технологические параметры горячей штамповки заготовок из порошков карбидостали.

4. Изучить особенности структурообразовапия и фазовый состав ка-рбидостали в процессе ее получения методом горячей штамповки неспечен-ных заготовок.

5. Установить физико-механические свойства карбидостали, формирующиеся в результате обработки давлением и термической обработки порошковых заготовок.

6. Разработать и апробировать технологические схемы получения износостойких конструкционных изделий методом горячей штамповки из неспе-ченных порошков в пористых оболочках.

Объект исследования — карбидосталь «быстрорежущая сталь Р6М4ФЗК5Х4 — карбид титана», полученная методом горячей штамповки из неспечеппых порошков.

Предметы исследования — (1) особенности начального этапа формирования макроструктуры в процессе укладки частиц в смсси порошков быстрорежущей стали и карбида титана- (2) особенности уплотнения шихты карбидостали в оболочках при горячей штамповке- (3) структурообразование и фазовый состав карбидостали- (4) свойства горячештампованпой и термооб-работаиной карбидостали.

Методы исследования. Исследования микроструктуры материала и его элементного состава проводились на электронных микроскопах Supra 40 и «ZEISS EVO-50». Фазовый состав металла-основы исследовался на установке ДРОН-ЗМ в железном Ка-излучепии. В работе использовали оригинальные и стандартные методы исследования исходного сырья и штампованных материалов. Так, для исследования фракционных составов размолотых порошков использовали анализатор изображений SIAMS-600. Укладка дисперсных частиц быстрорежущей стали и карбида титана после размола исследовалась методом компыотерно-иммитациопного моделирования случайной упаковки частиц различного размера1. Процесс штамповки порошковых заготовок в оболочках исследовали методом компьютерного моделирования с использованием соотношений теории пластичности пористого теларешение краевых задач проводилось па основе оригинальной версии метода конечных элементов2. Физико-мехапичсскис и технологические характеристики материалов определяли согласно стандартным методикам.

Научная новизна:

1. Методом компьютерного моделирования процесса укладки полидисперсных частиц порошковой карбидостали Р6М4ФЗК5Х4 — 20% TiC установлены соотношения их размеров, которые обеспечивают относительно равномерное распределение твердых включений в матричном материале. Рекомендуемое соотношение размеров частиц порошка основы к твердым включениям составляет (2,5. .5): 1. Результат, полученный на основе четырехпараметриче-ской модели вместо монои двухпараметрической, отличается от известных ранее тем, что устанавливает допустимые интервалы размеров твердых частиц карбида титана.

2. Установлены особенности горячего уплотнения порошка карбидостали в пористых оболочках методом компьютерного моделирования, отличающиеся от известных тем, что в отличие от горячего уплотнения порошка карбидостали с применением оболочек из компактных материалов при использовании пористых оболочек возможно регулирование распределения пористости в объеме изделия. Установлено, что направление течения уплотняемого материала и конечное распределение плотности определяется соотношением исходных плотностей оболочки и уплотняемого порошка. Установлено, что полное уплотнение карбидостали обеспечивается при штамповке в оболочках с толщиной донышка, значительно превышающим толщину слоя карбидостали.

1 Метод разработан в Луцком государственном техническом университете (ЛГТУ).

2 Метод разработан в Институте проблем материаловедения (ИПМ) НАН Украины.

3. Впервые получена графическая экспоненциальная зависимость уплот-няемости свободно засыпанного порошка карбидостали при горячей штамповке при температуре 1180 °C, в отличие от известных ранее результатов, описывающих горячую штамповку предварительно сформованных пористых заготовок.

4. Новизна установленного факта отсутствия кольцевой зоны вокруг карбидного зерна состоит в том, что при использовании метода горячей штамповки порошка карбидостали в оболочке не успевает произойти значительного диффузионного взаимодействия легирующих элементов стали с карбидом титана, как это имеет место в спеченной карбидостали. В карбидном зерне сохраняется химический состав, что обеспечивает высокую твердость как карбидных включений, так и материала в целом. Это способствует увеличению износостойкости штампованного материала, но сравнению со спеченным.

Практическая значимость и реализация полученных результатов.

Предложена новая технологическая схема размола, отличающаяся введением в технологический процесс операции предварительного размола порошка карбида титана до заданного размера частиц, что гарантирует получение в готовой шихте соотношения размеров частиц стали и карбида титана, близкого к оптимальному (Патент на полезную модель № 49 476 от 27.11.2005 г.).

Разрабо тана общая технологическая схема процесса горячей штамповки неспеченных порошков в оболочках, включающая все операции технологического процесса от подготовки исходной шихты к переработке до отделочных операций готового изделия.

Разработано устройство для изготовления заготовок из неформующего-ся порошка карбидостали в оболочке, на которое получен патент на полезную модель № 67 494 от 27.10.2007 г.

Предложенная технология горячей штамповки изделий из карбидоста-лей апробирована в опытно-промышленных условиях на производственном предприятии «Техоснастка — инструмент».

Личный вклад автора. Автором (совместно с научным руководителем) определена цель и поставлены задачи исследований. Проведена обработка и обсуждение результатов исследований, сформулированы основные положения, выводы и рекомендации по диссертационной работе.

Исследованы закономерности структурообразовапия и фазовый состав карбидостали на этапах ее получения — после распыления порошка, его отжига, нагрева под штамповку, термической обработки.

Проведено компьютерное моделирование (по программе ЛГТУ) укладки частиц быстрорежущей стали и карбида титана в размолотой шихте и экспериментально исследован процесса размола шихты карбидостали в аттриторе, установлены значения рабочих параметров размола. Сформулирована идея предварительного размола карбида титана до заданного размера частиц. Эта идея стала основой запатентованной технологической схемы приготовления шихты для получения карбидостали.

Сформулирована идея изготовления заготовок в специальном устройстве, обеспечивающем получение оболочек и заготовок в одной матрице. Эта идея также стала основой запатентованного устройства для изготовления заготовок из неформутощегося порошка карбидостали в оболочке.

Проведено компьютерное моделирование (по программе ИГ1М) горячего уплотнения неспеченпых шихт карбидостали, заключенных в оболочки. Рекомендованы конструкции оболочек для различных изделий из карбидоста-лей. По разработанной экспериментально-расчетной методике построена кривая уплотняемости свободно засыпанного порошка карбидостали при ее горячей штамповке.

Изучены особенности структурообразования и фазовый состав карбидостали в процессе ее получения методом горячей штамповки неспеченных заготовок. Установлено отсутствие кольцевой зоны вокруг карбидного зерна, как это имеет место в спеченной карбидостали.

Разработана технологическая схема процесса получения карбидостали методом горячей штамповки пористых заготовок с оболочкой, в соответствии с которой реализована опытно-промышленная технология. Автор лично участвовал в проектировании оснастки, выборе оборудования и отработке технологического процесса.

Апробация результатов диссертацииРабота выполнялась в Кубанском государственном технологическом университете на кафедре систем управления и технологических комплексов. Основные научные положения диссертации представлялись на всероссийских и международных конференциях: VII Всероссийской с между народным участием научно-технической конференции «Механики — XXI веку», Братск, 18−20 марта 2008 г.- VI международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, март 2008 г.- 7-ой международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия», Минск, Беларусь, 16−17 мая 2006 г.- международной конференции «EURO РМ 2005. Congress & Exhibition Proceedings», октябрь 2005 г., Прага, Чешская республикамеждународной конференции «Proceeding of the International Conference DF PM 2005. Deformation and Fracture in Structural PM Materials», 27−30 сентября 2005 г., Словакиямеждународной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Киев, Украина, 26−30 сентября 2005 г.- Ill международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», 13−17 сентября 2004 г., Кацивели, АР Крым, Украинамеждународной конференции «Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике», 8−12 сентября 2003 г., Киев, Украинамеждународной конференции «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and challenges», 4−8 ноября 2002 г., Киев, Украина.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ (две статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, включенном в Перечень ВАК РФ), в том числе получено два патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (126 наименований) и приложений. Общий объем диссертации составляет 203 страницы машинописного текста и содержит 71 рисунок, 15 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований получено новое решение научно-технической задачи — разработаны научные и технологические основы получения карбидостали Р6М4ФЗК5Х4 — 20% TiC методом горячей штамповки неспечегшых порошков в оболочках. Разработана технология изготовления из нее высокоизносостойких изделий конструкционного назначения, обеспечивающая экономичность продукции за счет исключения энергозатратных операций спекания, применяющихся в промышленных процессах изготовления изделий из карбидосталей.

2. Методом компьютерного моделирования процесса укладки частиц полидисперсной шихты карбидостали Р6М4ФЗК5Х4−20% TiC установлены соотношения их размеров, которые обеспечивают относительно равномерное распределение твердых включений в матричном материале. Рекомендовано использовать на практике соотношения размеров дисперсных твердых включений и матричного материала как 1:(2,5.5), при этом верхний размер частиц TiC не должен превышать 3 мкм. Для этого предложена технологическая схема, которая предусматривает предварительный размол порошка TiC и обеспечивает заданный размер твердых включений в конечном продукте.

3. Методом компьютерного моделирования установлены особенности горячего уплотнения заготовок из слоев порошка и оболочки, которые выражаются в непрерывном изменении их плотности, физических и деформационных свойств. От соотношений значений плотностей и физических свойств (твердости, прочности и пластичности) слоев зависит направление скорости течения материалов и, как следствие, конечное распределение показателей напряженно-деформированного состояния. Для этих условий впервые получена графическая зависимость уплотняемости свободно засыпанного порошка карбидостали при горячей штамповке от температуры 1180 °C, что позволяет при проектировании технологического процесса рассчитывать необходимые давления, усилие и затрачиваемую энергию на уплотнение шихты.

4. Изучена структура карбидостали, штампованной в оболочках при температуре 1180 °C. Показано, что как и в карбидосталях другого происхождения достигнута относительно равномерная дисперсность. Формирование микроструктуры горячештампованной карбидостали, как и в спеченных сталях, определяется образованием жидкой фазы, которая состоит, в основном, из карбидов легирующих элементов (W, Mo, V, Сг) быстрорежущей стали, однако при этом отсутствует их диффузионная растворимость в карбиде титана.

5. Установлено, что горячештампованная сталь обладает текстурой зерен металла-основы в направлении, перпендикулярном усилию штамповки. Особенностью структуры горячештампованной стали является отсутствие кольцевой зоны вокруг карбидного зерна, как это имеет место в спеченной карбидостали в результате диффузионного взаимодействия легирующих элементов с карбидом титана. В карбидном зерне сохраняется химический состав, что обеспечивает высокую твердость как карбидных включений, так и материала в целом. Это способствует увеличению износостойкости штампованного материала по сравнению со спеченным.

6. Метод горячей штамповки порошковых шихт в оболочках позволяет обеспечить довольно высокий уровень упруго-пластических характеристик и физико-механических свойств карбидостали для использования ее в производстве износостойких конструкционных изделий. Показано, что штампованная карбидосталь имеет механические свойства (прочность на изгиб, ударная вязкость) более высокие, чем спеченная и экструдированпая карбидостали. Срав-?штелы-1ые испытания карбидосталей износостойкости показали более высокую износостойкость штампованной карбидостали по сравнению со спеченной.

7. Практическая значимость работы определяется разработкой новых технологических схем процессов размола шихт карбидосталей и изготовления прессованием заготовок (шихт в оболочках). На технологическую схему размола и конструкцию устройства для изготовления заготовок получены патенты РФ на полезную модель.