Разработка технологии производства порошковых биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем

На правах рукописи

Ефимов Артём Дмитриевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИЗНОСОСТОЙКИМ

РАБОЧИМ СЛОЕМ

05.16.06 – «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: доктор технический наук, профессор

Гасанов Бадрудин Гасанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кем Александр Юрьевич

кандидат технический наук, доцент

Егоров Николай Яковлевич

Ведущая организация: Волгоградский государственный

технический университет

Защита состоится 24 декабря 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу:

346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул.Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан «__» ________ 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

к.т.н., доцент Устименко В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Темпы научно-технического прогресса во многом определяются не только свойствами используемых и вновь создаваемых машин и механизмов, но и реализацией новых материалов и инновационных технологий. Создание техники, способной работать в экстремальных условиях, требует разработки новых надежных материалов, отвечающих высоким, порой, казалось бы, взаимопротиворечащим требованиям. Поэтому в последние годы интенсивно развиваются исследования в области создания биметаллических и многослойных порошковых материалов различного функционального назначения. Это обусловлено тем, что технология порошковой металлургии имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами изготовления слоистых материалов, в частности, позволяет варьировать в широких пределах состав и свойства деталей. Кроме того, методы порошковой металлургии позволяют экономить дорогостоящие стали и сплавы, за счет производства изделий, основной слой которых выполнен из менее дорогих порошков железа, а рабочий – из смеси с высоким содержанием карбидов, боридов, нитридов и других соединений.

Наиболее перспективными методами изготовления порошковых биметаллических изделий являются те, при которых слоистая заготовка формируется в процессе холодного прессования. Несмотря на расширение в последнее время применения спеченных биметаллических материалов, а также на увеличение количества публикаций в области теории и технологии производства многослойных ПМ, существуют определенные трудности, связанные с формированием заданной структуры легированного слоя и переходной зоны, в том числе появление при спекании межслойной пористости, а также обеспечением требуемого уровня механических, эксплуатационных и технологических свойств. Это связано с тем, что большинство работ посвящено исследованию технологии производства спеченных изделий, в которых изучается влияние вида и количества легирующих добавок, а также технологических параметров и режимов термомеханической обработки. Не достаточно исследована кинетика диффузионных процессов, определяющая структуру и свойства изделия, при изотермическом и неизотермическом спекании заготовок. Мало изучено влияние добавок ферросплавов, сродных легирующим соединениям, а также температурно-временных характеристик нагрева ТВЧ и последующей термической обработки на процессы структурообразования и свойства биметаллических и многослойных порошковых материалов.

Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005-2010 гг. (1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов»).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка энергосберегающей технологии получения биметаллических материалов и изделий с прогнозируемыми механическими и эксплуатационными свойствами износостойкого слоя при использовании двухступенчатого спекания.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование кинетики диффузии компонентов и процессов структурообразования биметаллических материалов при изотермическом и неизотермическом процессах спекания.

2. Разработка способа расчетного определения технологических параметров двухступенчатого спекания.

3. Исследование влияния состава и количества вводимых в рабочий слой легирующих добавок, пористости, гранулометрического состава шихты на свойства биметаллических материалов с износостойким слоем.

4. Исследование влияния параметров высокочастотного нагрева на второй ступени спекания на свойства биметаллических материалов.

5. Разработка технологии и составление рекомендаций по практическому применению двухступенчатого спекания для производства биметаллических изделий с износостойким рабочим слоем.

Научная новизна.

1. Составлены феноменологические уравнения диффузии компонентов в гетерогенных сплавах, отличающиеся от известных тем, что впервые учтено влияние градиента температуры на плотность и скорость диффузионных потоков в пористых системах. Это позволило рассчитать эффективные коэффициенты диффузии, концентрацию компонентов в переходных зонах межчастичных контактов и частиц порошков железа и карбида хрома, определить параметры высокочастотного нагрева износостойкого слоя спеченных на первой стадии заготовок.

2. Теоретически и экспериментально доказана эффективность новой технологии получения биметаллических изделий с заданными свойствами, отличающейся от известных тем, что на первой стадии печного изотермического спекания формируется структура основы изделия, а на второй стадии – при нагреве спеченной заготовки токами высокой частоты протекает контролируемый диффузионный массоперенос и структурные превращения только в наружном (износостойком) слое.

3. Впервые выявлено, что при циклическом термическом воздействии нагревом токами высокой частоты активируется массоперенос хрома из частиц карбида и феррохрома в частицы железа, что позволяет регулировать его концентрацию в -железе и обеспечить после закалки аустенитно-мартенситную структуру, с требуемым уровнем свойств износостойкого слоя.

Практическая значимость.

1. Экспериментально установлено, что добавление в шихту рабочего слоя, полученную из порошков железа и карбида хрома, порошка высокоуглеродистого феррохрома порядка 22-24% (масс.), приводит к формированию гетерогенной структуры с равномерно распределенными частицами карбидов в прочной и вязкой матрице, состоящей из мелкодисперсных выделений мартенсита в аустените, и улучшению механических и эксплуатационных свойств биметаллического материала.

2. На основе выявленных закономерностей формирования структуры и свойств биметаллических материалов, полученных двухступенчатым спеканием цельнопрессованных заготовок, предложена инновационная технология изготовления износостойких деталей с повышенной стойкостью против абразивного износа и вязкой нелегированной сердцевиной из порошков железа.

3. Разработанная технология позволяет совместить спекание на второй стадии и нагрев под закалку, снизить расход легирующих добавок, так как корпус деталей изготовляется из порошка железа, а рабочий слой из смеси порошков, что снижает себестоимость производства изделий при достижении требуемых механических и эксплуатационных свойств.

4. Разработана принципиальная конструктивная схема установки для высокотемпературного спекания ТВЧ тянущих роликов рубочных станков, позволяющая производить термообработку погружением в охлаждающую жидкость непосредственно с температуры нагрева после второй стадии спекания.

Автор защищает научно и экспериментально обоснованную новую технологию получения биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем, основной слой которых изготовлен из недорогих порошков железа, а рабочий легирован карбидом хрома и феррохромом. Теоретически и экспериментально обоснованные положения о механизме структурообразования в рабочем слое и межслойных границах, а также влиянии технологических факторов на свойства износостойких биметаллических изделий.

Апробация работы. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях и тезисах, а также по теме диссертации получен патент на полезную модель и положительное решение о выдаче патента по заявке на изобретение. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Международных конференциях: V Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010». 14-16 сентября 2010 г. г. Волгоград, Россия; Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем – 2009». 13-15 октября 2009 г. г. Волгоград, Россия; а также ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института): Студенческая весна 2008, 2009 и 2010; 59-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, изложена на 157 страницах, включая 57 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 113 наименований и приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность поставленной научно-технической проблемы, приведены основные результаты по ее решению с указанием новизны положений, защищаемых автором и практической ценности диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ результатов исследований структурообразования и технологии получения износостойких и многослойных материалов, проведённых за последние 15-20 лет. Он показывает, что проблема повышения механических и эксплуатационных свойств этих материалов, а также снижения себестоимости их изготовления далеко не полностью решена в теоретическом и практическом отношениях. Наиболее актуальны исследования по разработке технологии производства износостойких материалов легированных карбидом хрома, комплексно карбидом хрома и феррохромом и карбидом бора и феррохромом, отличающихся высоким уровнем требуемых свойств при относительно невысокой стоимости изготовления. Рассмотрены и проанализированы особенности и пути интенсификации индукционного нагрева спеченных материалов, применение которого позволит значительно сократить продолжительность технологических процессов изготовления изделий. На основании этих и других задач и трудностей, возникающих при разработке технологии получения износостойких биметаллических материалов, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена характеристика используемых порошковых материалов, технологического и исследовательского оборудования, методики проведения экспериментов и определения свойств изделий.

В качестве основных материалов для изготовления исследуемых образцов использовали железный порошок марки ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), порошок карбида хрома (ГОСТ 9586-84), карбида бора (ГОСТ 9668-85) и высокоуглеродистого феррохрома (ГОСТ 4557-91), стеарат цинка марки С (ТУ 6-09-17-316-96). Основной слой биметаллического материала выполнен из порошка железа, а рабочий – из смеси порошков железа с карбидами и феррохромом. Технология изготовления образцов в виде биметаллических колец с наружным диаметром 70 мм, высотой 10 мм, внутренним диаметром 40 мм и толщиной рабочего слоя 3 мм включала статическое холодное прессование в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе ПГ-125, спекание в камерной печи в среде диссоциированного аммиака при температуре 1150-11800С в течение 2 часов, высокотемпературное спекание наружного слоя ТВЧ на лабораторной установке в интервале 1250-14000С в течение 10-40 с последующей закалкой в охлаждающей жидкости.

В работе использовались классические методики исследования макро- и микроструктуры, электрономикроскопического и микрорентгеноспектрального анализа, рентгеновского качественного и количественного фазового анализа, определения твердости, микротвердости, предела прочности при радиальном сжатии и стойкости при абразивном износе. Для повышения достоверности экспериментальных данных использовались общепринятые методы статистической обработки.

В третьей главе показаны особенности феноменологического описания диффузионных процессов в гетерогенных системах и результаты исследования кинетики диффузии при двухступенчатом спекании в межслойных и межчастичных границах биметаллического материала, рабочий слой которого изготовлен из смеси порошков Fe-(Cr,Fe)7C3-Cr7C3.

Известно, что плотность диффузионного потока i-го компонента в многокомпонентной пористой системе определяется величиной градиента химического потенциала . Изменение химического потенциала обусловлено вариациями состава шихты порошкового материала, давления и температуры – . При высокочастотном нагреве спеченных заготовок на второй стадии спекания в рабочем слое, выделяется больше тепла, чем в основе материала, что способствует появлению некомпенсированного потока атомов из последней в направлении переходной зоны. На первой же стадии спекания влияние термодинамической силы, связанной с наличием градиента температуры, в виду изотермичности процесса можно не учитывать.

Для изотермического процесса спекания пористых гетерогенных систем плотность диффузионного потока и скорость диффузии соответственно равны:

. (1)

На основе анализа публикаций установлено, что градиент температуры по сечению слоистых изделий при высокочастотном нагреве определяется энтальпией i-го компонента , его температуропроводностью , геометрическими размерами заготовки и глубиной нагрева .

Используя известные положения, результаты анализа выполненных исследований и теоретических изысканий были получены выражения для оценки плотности и скорости диффузионного потока в пористых материалах при высокотемпературном нагреве ТВЧ:

(2)

где химический коэффициент объемной диффузии i-го компонента; кинетические коэффициенты диффузии в многокомпонентной системе; энтальпия i-го компонента.

В процессе исследования диффузионного массопереноса в трехкомпонентной пористой системе Fe-(Cr,Fe)7C3-Cr7C3 составлены феноменологические уравнения, позволяющие определить плотность и скорость диффузионного потока компонентов в зоне контакта разнородных частиц, имеющие следующий вид –

при изотермическом спекании (первая стадия):

(3)

(4)

при высокотемпературном спекании нагревом ТВЧ (вторая стадия):

(5)

(6)

где i, j и n – компоненты пористой гетерогенной системы; масса атома i-го компонента; и коэффициенты объемной и поверхностной диффузии компонентов; и текущая и начальная относительная плотность материала; атомный объем i-го компонента; постоянная Больцмана; радиус кривизны пор в зоне межчастичных контактов ; и соответственно диагональные и недиагональные коэффициенты Онзагера.

На основе уравнений (1-6) предложена формула для расчета коэффициентов взаимной диффузии в гетерогенных пористых системах при нагреве рабочего слоя биметаллического материала токами высокой частоты:

(7)

Поскольку в литературных источниках не приведены величины коэффициентов поверхностной диффузии компонентов (), то в работе выполнены теоретические исследования, на основании которых получены математически обоснованные выражения, позволяющие определить коэффициент поверхностной диффузии на каждой стадии спекания следующего вида –

при изотермическом процессе: (8)

при неизотермическом процессе: (9)

где ; эффективный коэффициент термодиффузии.