Теоретические предпосылки обеспечения заданного качества порошковых изделий и рекомендации по их практической реализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, доктор технических наук Скориков, Александр Валентинович

• Скориков, Александр Валентинович
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Скориков, Александр Валентинович

Введение.

1. Методы повышения эффективности изготовления изделий из ПМ. Литературный обзор.

1.1. Обрабатываемость резанием.

1.1.1. Особенности обрабатываемости резанием ПМ.

1.1.2. Анализ методов повышения эффективности обработки резанием ГДПС.

1.1.3. Обоснование критериев оценки обрабатываемости резанием.

1.2. ХТОГДПС.

1.3. Выводы, цель и задачи исследования.

2. Влияние особенностей ГДПС на обрабатываемость резанием и формирование структуры их поверхностных слоев в процессе обработки.

2.1. Структура и свойства исследуемых материалов.

2.2. Влияние технологических факторов на обрабатываемость резанием.

2.2.1. Пористость и особенности структуры.

2.2.2. Содержание углерода.

2.2.3. Термическая обработка.

2.2.4. Сочетание свойств обрабатываемого и инструменталь- 61 ного материалов.

2.2.5. Параметры механической обработки.

2.3. Формирование поверхностного слоя.

2.3.1. Шероховатость обработанной поверхности.

2.3.2. Остаточные напряжения, дефектность структуры и уплотнение поверхностного слоя при чистовом точении.

2.3.3. Качественные показатели обработанной поверхности

2.4 Выводы.

3. ГДПС с улучшенной обрабатываемостью резанием.

3.1. Свинецсодержащие ГДПС.

3.1.1. Обрабатываемость резанием.

3.1.2. Свойства СГДПС.

3.1.3. Структурообразование СГДПС.

3.2. Висмутсодержащие ГДПС.

3.2.1. Обрабатываемость резанием.

3.2.2. Свойства ВГДПС.

3.2.3. Технологические особенности получения ВГДПС.

3.3. Кальций и кальций-фосфорсодержащие ГДПС.

3.3.1. Выбор легирующих КС.

3.3.2. Влияние технологических параметров получения КГДПС на механические свойства.

3.3.3. Оптимизация технологических режимов горячего уплотнения при получении КГДПС.

3.3.4. Обрабатываемость резанием.

3.3.5. Определение основных зависимостей для расчета режимов резания.

3.3.6. Структурообразование кальцийсодержащих ГДПС.

3.4. Выводы.

4. Повышение эффективности и качества изготовления изделий из ГДПС.

4.1. Диффузионное хромирование в расплавах солей с применением электролиза ионных расплавов.

4.1.1. Кинетика образования диффузионных слоев.

4.1.2. Свойства ПС, прошедших ЭДХ.

4.2. Диффузионное хромирование в расплавах солей с применением нагрева ТВЧ.

4.2.1. Кинетика образования диффузионных слоев.

4.2.2. Свойства ПС, прошедших ДХТВЧ.

4.3. Выводы.

5. Реализация результатов исследований.

5.1 Автоматизация процессов оптимизации режимов резания ГДПС.

5.1.1 Автоматизация расчетов оптимальных режимов резания

5.2 Изделия из ГДПС.

5.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические предпосылки обеспечения заданного качества порошковых изделий и рекомендации по их практической реализации»

Проблема повышения эффективности и качества производства порошковых изделий из высокопрочных конструкционных сталей стала актуальной практически сразу же, как только технологии порошковой металлургии вышли за рамки экспериментальных исследований. Наилучшим образом эта проблема решается сочетанием различных технологических методов получения изделий, таких как: ГОДПЗ, ТО, МО, и ХТО.

Некоторое время преобладало мнение, что получение изделий из ПМ в производственных условиях можно обеспечить без применения МО, поэтому основные усилия были направлены на исследование процессов их горячего уплотнения, структурообразования и ТО. По мере освоения промышленностью сложных и высокоточных деталей несостоятельность такого подхода стала очевидной. В настоящее время уже не подвергается сомнению тот факт, что обработка резанием отдельных поверхностей порошковых деталей, таких как посадочные поверхности высокой точности, пазы, резьбы, отверстия малого диаметра и ряд других подобных элементов, является наиболее эффективным методом формообразования. Помимо этого, достижение предельной точности размеров на операции ГОДПЗ без применения МО не всегда технически и экономически целесообразно, так как вынуждает неоправданно завышать точность рабочих элементов штамповой оснастки и ограничивать срок ее эксплуатации их размерным износом. Наилучшие технико-экономические показатели технологического процесса изготовления порошковых изделий, как правило, достигаются при рациональном сочетании операций ГОДПЗ и МО.

Начиная с середины 60-х г.г. в СССР разворачиваются систематические исследования обрабатываемости резанием СПМ, которые нашли свое отражение в работах А.Я.Артамонова, Э.И.Фельдштейна, Б.А. Белькевича, В.И.Кононенко [11,12, 13, 25, 26, 109, 110, 207].

Несколько позже, в начале 70-х г. г., появляются работы по исследованию обрабатываемости резанием ГДПМ [65, 67, 203]. Уже первые исследования структуры, свойств и технологии получения этих материалов и изделий из них показали, что они по структуре и свойствам существенно отличаются как от СПМ, так и от ЛС и ГКС аналогичного химического состава [72, 73], а это неизбежно отражается и на их свойствах. Тема привлекала к себе все большее внимание по мере того, как ГДПС начали эффективно внедряться в массовое производство, но из анализа публикаций можно сделать вывод, что их обрабатываемость резанием в настоящее время исследована далеко не достаточно.

Особый интерес при производстве порошковых изделий представляет сочетание таких технологий, как ГОДПЗ, МО и ХТО. При этом возможно получение деталей из углеродистых сталей сложной формы с высокой прочностью, твердостью и размерной точностью, а также со свойствами поверхностей, не уступающих деталям, изготовленным из легированных сталей. Однако комплексных исследований в этом направлении практически не велось.

Всем этим обусловлена актуальность исследований в области повышения эффективности и качества изготовления изделий из ГДПС конструкционного назначения. В качестве приоритетных следует выделить исследования, связанные с улучшением показателей обрабатываемости резанием ГДПС в сочетании с совершенствованием методов их ТО и ХТО.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданиями Единого плана проведения исследований, разработок и опытных работ МНТК "Порошковая металлургия" на 1986-1990 г.г. (приказ Минвуза СССР № 600 от 18 августа 1986 г.); межвузовских научно-технических программ Российской Федерации: "Исследования в области порошковой металлургии" (темы 94/16Т и 95/5И) и "Перспективные материалы" (тема 95-99/17Ф); госбюджетных тем: 49.94 "Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их формирования при горячей обработке давлением" на 1994-1998 г.г., 2.99Ф "Исследование закономерностей формирования структуры и свойств порошковых композиционных материалов и формирования заготовок при термомеханической обработке" на 1999-2003 г.г., 002 "Научные исследования высшей школы в области новых материалов" на 2000 г., раздел "Функциональные порошковые материалы" (проект 04.01.09), а также заданий большого числа производственных и научно-исследовательских организаций страны и др.

Автор защищает. 1. Теоретические предпосылки и практические рекомендации по обеспечению заданного качества изделий из ГДПС, полученные на основании исследований их структуры и свойств в процессе ГОДПЗ, МО,ТОиХТО.

2. Результаты исследований влияния структуры и свойств ГДПС на физические закономерности процессов их МО и ХТО и особенности формирования структуры и свойств поверхностей изделий, подвергшихся этим видам обработки.

3. Методы совершенствования состава и технологии получения ГДПС с улучшенными технологическими свойствами, результаты исследований процессов их структурообразования.

4.Разработки по совершенствованию процессов ХТО, направленные на их интенсификацию, улучшение технологических и эксплуатационных свойств ГДПС, а также результаты исследований процессов структурообразования и формирования диффузионных слоев.

5. Рекомендации по повышению эффективности и качества изготовления изделий из ГДПС, методы оптимизации технологических решений.

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Скориков, Александр Валентинович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснованы предпосылки повышения качества порошковых изделий и эффективности их изготовления путем построения технологических процессов, включающих операции ГОДПЗ, МО, ТО и ХТО в их рациональном сочетании. Показано, что применение МО при условии оптимизации ее режимов позволяет получать сложные по форме изделия с высокими показателями точности размеров и качества поверхностей, а эффективные методы ТО и интенсивные методы ХТО - значительно улучшить их технологические и эксплуатационные свойства.

2. Доказано, что ГДПС имеют более низкие показатели обрабатываемости резанием, чем аналогичные по химическому составу горячекатаные материалы как по скорости резания, так и по стойкости режущего инструмента. Адгезионный износ интенсифицируется по причине более высоких значений внутренних напряжений второго рода и плотности дислокаций; диффузионный - за счет большей разветвленности межзеренных границ и высокой степени дисперсности субструктуры; абразивный - за счет повышенного содержания неметаллических включений и склонности материала к окислению при высоких температурах. Остаточная пористость < 3,5% , как фактор несплошности материала, на износ инструмента существенного влияния не оказывает. Решением проблемы является разработка ГДПС с улучшенной обрабатываемостью резанием.

3. С увеличением пористости ГДПС до 3,5% ее прочностные свойства ухудшаются более значительно, чем теплопроводность. При этом обрабатываемость резанием по всем параметрам улучшается: понижаются температура и усилия резания, снижается износ режущего инструмента. Установлена прямая взаимосвязь между энергетическими параметрами процесса резания и свойствами ГДПМ.

4. Установлено, что в процессе резания ГДПС с пористостью < 3,5% поверхностный слой уплотняется до пористости 0,5% и менее, а параметры субструктуры для сталей с различной исходной пористостью практически не отличаются. В то же время, плотность дислокаций у ПМ на порядок выше, чем у горячекатаных.

5. Выявлено влияние структуры ГДПС на обрабатываемость резанием. Показано, что лучший комплекс свойств достигается при высокотемпературном отжиге, а также при ТО на мелкодисперсный пластинчатый перлит, менее склонный к адгезии с ПМ. Установлено, что термоциклическая обработка существенно улучшает обрабатываемость резанием, прочностные и пластические свойства ГДПС, способствуя интенсивному дроблению цементита и неметаллических включений. Оптимальное количество циклов составляет от 3 до 10 в зависимости от марок исходных порошков.

6. Определено влияние характеристик исходных порошков на обрабатываемость резанием ГДПС. Лучшую обрабатываемость имеют материалы, изготовленные из порошков с наименьшим содержанием оксидов и неметаллических включений, оказывающих повышенное абразивное воздействие на режущий инструмент. Порошки, обеспечивающие высокое качество сращивания, ухудшают обрабатываемость ПС.

7. Установлено, что при обработке гомогенных материалов предпочтительнее применять инструменты из твердых сплавов группы ТК и минера-локерамики, а при обработке гетерогенных - из твердых сплавов группы ВК. При обработке закаленных сталей предпочтение отдается инструментам СТМ.

8. Показано, что легирование ГДПС легкоплавкими металлами (свинец и висмут) в пределах 1-2% , улучшает обрабатываемость резанием в среднем в 2 - 3 раза, не ухудшая прочностных и пластических свойств материала. Определены закономерности влияния легирующих присадок на обрабатываемость резанием. Выявлены особенности структурообразования этих материалов, оптимизирована технология их получения.

9. Доказана возможность получения ГДПС с улучшенной обрабатываемостью резанием за счет легирования кальций- и кальцийфосфорсодер-жащими соединениями, разлагающимися на стадии спекания с образованием активных восстановительных элементов. Показано, что наиболее эффективные соединения - карбид и гипофосфит кальция. Раскрыт механизм структу-рообразования этих материалов, оптимизированы технологические параметры их получения. Определены закономерности влияния легирующих присадок на обрабатываемость резанием.

10. Разработаны методы ДХ ГДПС в среде расплава солей с применением электролиза ионных расплавов и высокоскоростного нагрева ТВЧ. Выявлены механизмы интенсификации, фазовый состав и кинетика формирования диффузионных слоев, оптимизированы параметры процессов. Организация технологических процессов изготовления изделий из ГДПС по схеме ГОДПЗ+ТО+МО+ДХ позволит в ряде случаев избежать низкоэффективной МО объемнолегированных ПС.

11. Получены аналитические зависимости для выбора оптимального сочетания элементов режимов резания ГДПС. Предложен метод ускоренного определения оптимальных режимов резания и способ автоматического регулирования процесса резания этих материалов.

12. Осуществлена производственная апробация и внедрение изделий из ГДПС, изготовленных на основании предложенных рекомендаций. Годовой экономический эффект, приведенный к ценам 2000 года, составляет более 5 миллионов руб.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Скориков, Александр Валентинович, 2003 год

1. Агеев Ю.А., Заславский А.Я. Условия формирования, состав и свойства неметаллических включений в кальцийсодержащих сталях. / Металлы. -1981. - № 5. - С. 35 - 38.

2. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. — М.: Металлургия, 1969. 158 с.

3. Айзенцон Е.Г., Спивак JI.B., Утробина И.К. // Структурные и фазовые превращения при нагреве стали и сплавов. Сб. № 148. -Пермь: ППИ, 1974. С. 120 - 125.

4. Андриевский P.A. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991.-205 с.

5. Анциферов В.Н., Акименко В.Б., Гревнов JI.M. Порошковые легированные стали. М.: Металлургия, 1991. - 318 с.

6. Анциферов В.Н., Черепанова Т.Г., Яблоновская P.P. Влияние хрома на структурные превращения в поверхностных слоях при трении спеченных материалов/У Порошковая металлургия. -1975. №3. - С. .51-55.

7. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин JI.K. и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М.: Металлургия, 1987. - 729 с.

8. Арзамазцева Э.А. Некоторые достижения порошковой металлургии // Автомобильная промышленность США.- 1988. № 5. -С. 31-39.

9. Арзамасов Б.Н., Мельников P.A. Исследование процесса порообразования при диффузионном хромировании стали 40Х циркуляционным методом У/ МиТОМ. 1994. - № 9. - С. 11-14.

10. Армарего И.Дж.А., Браун Р.Х. обработка металлов резанием. -М.: Машиностроение, 1977. 325 с.

11. Артамонов А.Я., Заболотный A.B. Обработка металлокерамиче-ских материалов резанием. Вестник машиностроения, 1962.2.- С. 28-32.

12. Артамонов А.Я. Влияние условий обработки на физико-механическое состояние металлокерамических материалов. Киев: Наукова думка, 1965. 263 с.

13. Артамонов А.Я., Безикорнов А.И. Стойкость резцов при резании пористых металлокерамических материалов. — Порошковая металлургия, 1965. №8. - С. 38 -41.

14. Артамонов А.Д., Кононенко В.И. Исследование стойкости твердых сплавов при резании пористых металлокерамических материалов. -Порошковая металлургия, 1966. №10. - С. 84-90.

15. Абе Такати и др. Характер сегрегаций фосфора по границам зерен в аустенитной области и их влияние на особенности превращения стали. /Тэку то хаганэ. институт железа и стали. Япония, -1984. -70- Т. -№ 13.-1261 с.

16. Бабад-Захрянин A.A., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. М.: Атомиздат, 1975. - 175 с.

17. Барк Д., Вейс В. Порошковая металлургия материалов специального назначения. М.: Металлургия, 1977. - 376 с.

18. Барташев JI.B. Технико-экономические расчеты при проектировании и производстве машин. М.: Машиностроение, 1979. - 384 с.

19. Барташев JI.B. Справочник конструктора и технолога по технико-экономическим расчетам. М.: Машиностроение, 1979. - 221 с.

20. Барташев JI.B. Технолог и экономика. — М.: Машиностроение,1983, 152 с.

21. Басов В.В., Берляев Б.В., Черемисин A.C., Матяева JI.K. Сравнительное исследование обрабатываемости автоматных сталей АС35, ТГ и АС11 температурно-статистическим методом. /Теплофизика технологических процессов. Куйбышев, 1980. - С. 3 - 8.

22. Безъязычный В.Ф. О взаимосвязи между параметрами процесса резания и эксплуатационными характеристиками обрабатываемых деталей // Научные принципы управления качеством поверхностного слоя при механической обработке. Ярославль,0 1976.-С. 45-50.

23. Белло Ж. О сталях улучшенной обрабатываемости резанием //Ми-ТОМ.- 1980.-№ 11.-С. 14-18.

24. Белькевич Б.А. Обработка металлокерамических материалов резанием. Минск: Наука и техника, 1965. - 100 с.

25. Белькевич Б.А., Николаев В.А. Новое в технологии точения материалов синтетическим инструментом. Минск: Беларусь, 1975.- 127 с.

26. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975, 344 с.

27. Бобров В.Ф., Спиридонов Э.С. О выборе сочетания подачи искорости резания при точении за один проход. В сб.: Резание и инструмент. Харьков: Вища школа, 1981, вып. 26. - С. 69 -73.

28. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. -248 с.

29. Бородуля В.А. Высокотемпературные процессы в электротермическом кипящем слое. Минск: Наука и техника, 1973. - 176 с.

30. Боуден Ф.П. Тебор Д., Трение и смазка твердых тел. М.: Ма

31. Ф шиностроение, 1968. 542 с.

32. Брузель Ю.М., Васильков В.Ф., Фомин И.Н. Влияние режимов термической обработки конструкционной стали на стойкость инструмента при сверлении и фрезеровании // Сталь. 1993. - № З.-С. 68-71.

33. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1978. - 272 с.

34. Васильева А.Г. Деформационные упрочнения закаленных конструкционных сталей. М.: Машиностроение, 1981.-231 с.

35. Васильев C.B. ЭДС и температура резания. Станки и инструмент, 1980. - № 10. - С. 20 - 22.

36. Великанов K.M. Определение экономической эффективности вариантов механической обработки деталей. — JL: Машиностроение, 1970. 240 с.

37. Великанов K.M. и др. Экономическая эффективность новой техникой и технологии в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1981.-255 с.

38. Влияние кальция на структуру и свойства стали 15 ГБ после контролируемой прокатки. / В.Ю. Слюсарев, И.В. Лейрих, С.С. Гар-маш и др. Донецк, 1987. - 6 с. - Деп. в Черметинформации 26.01.87., №3776.

39. Волчков А.И. Влияние пористости порошковых материалов и режимов резания на усадку стружки. В кн.: Горячее прессование. Тезисы докл. V Всесоюзной науч.-техн. конф. "Горячее прессование в порошковой металлургии". Новочеркасск, 1982. -С. 126.