Разработка процесса получения крупногабаритных твердосплавных изделий (КГИ) методом силового СВС-компактирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК институт структурной макрокинетики

На правах рукописи КВАНИН Вадим Леонидович

Уч. № 1/94 Для служебного пользования

Экз. №.

- УДК 621.762

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИЗДЕЛИЙ (КГИ) МЕТОДОМ СИЛОВОГО СВС-КОМПАКТИРОВАНИЯ

(Специальность 01.04Л7 — химическая физика,

в том числе физика горения и взрыва) |

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Черноголовка 1994

Работа выполнена в Институте структурной макрокинетики

Официальные оппоненты:

, . доктор технических наук Шаривкер С. Ю., доктор технических наук Кривонос Г. А.

1 Ведущая организация:

Московский институт стали и сплавов (МИСиС)

Защита состоится , ^ "_— 199^ г. в /^ГчгкГ.

на заседании специализированного совета Д 003.80.01 при Институте структурной макрокинетики РАН по адресу: 142432, п. Черноголовка, Ногинского района, Московской области, ИСМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института структурной макрокинетики РАН.

/л

Автореферат разослан < ..» ¿Я 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат _

физико-математических наук А. С. Мукасьян

О Институт структурной макрокинетики РАН

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время твердосплаь-пыв КГИ широко используются в мет-ллурпии (инотруиен? для . прокаиш черных и цвотных металлов, даоковыо поза), в мшта-поотроенли (элементы прессовой оснастки, вытягныв пташш, износостойкие детали мапмн), в производстве отроателышх ыа-териалов (футеровка смес^елей, запглта даеков, ардгрованио преосформ, олемен/ы биеэрных иельпиц для получения краоок) п т.д.

Использование твердосппавных КГИ позволяет существенно повнснть производительность, качество продукций, стойкость инструмента. Например, применение ЮМ в качестве валкоп горячей прокатки черных металлов повышает стойкость отого инструмента в 10-20 раз по сравнении со стальвши, увелг-чи- • вает скорость прокатки п качество проката. Использование твердпсплазяых уплотнений гозоперекачиванщях установок вземон стальных повышает вх стойкость в 50-100 раз. . *

Изготовление твердосплавных изделия в гфощгшленностп осуществляется исключительно методами порсзковой металлургии При ото« для получения ЮТ! используются наиболее слогные процессы, такие как горячее прессование (в тем числе изостати-ческое), промежуточное спекание и механическая обработка пластпФлвдрованных заготовок, гидростатическое прессование. Кроме того, существующие маркп твердых сплавов не во всех случаях удовлетворяют требованиям производства. Тагаш образом, для расширения области применения КГИ необходимо было разработать универсальный и простой метод их изготовления, позволяющий "конструировать" материала с различна,а. свойствами, отвечавдрми экешюутациоыным требованиям. Это стало-возмок-шш после открытия А.Г.Мернзновым, И.П.Боровянской и В.М.ДЬет-ро в 1967 г. процессов СВС. Открытие привело; к создании ряда технологических направлений на его осноге в той чцело н силового СЗС-кошактированшь Предварительные исследования . в 70-80 гг. показали возмоаяооть получение этим методом относительно дешелых юэмпактных твердоенлагдаг изделий . о

различными свойстващ вз неде&пдагшЕ ыатерлалов. Цредаагоы данной работы было освоение втого метода при получении ШГ. Работа вкполнялась в рашшг государственной програ&ш, хоздоговоров и контрактов.

Цель -работа. Основной целью работы является разработка совокупности процессов и оборудования, обеспечпвашдг научную, конструкторскую, технологическую п организационную готовность к выпуску СВС-КПИ в опнтно-про.\гышленнш: масштабах, а шекно:

разработка установки и теянсчгогшг получения КГИг исследование и оптимизация технологических. параметров; исследование свойств полученных КГИ: изучение методов улучшения свойств материалов КГИ; организация охштно-промышшнного производства КШ, тя: промышленные испытания, внедрение и т.д..

Научная новизна. Разработали .принципы проектирования проссФорм для получения КГИ. Измораш основные параметры прессования КГИ и вша тепа их математическая обработка. Предложена модель,. хорош описывающая поведение горячих продуктов синтеза, что позволяет прогнозировать при заданных peia&jax яагружешя плотность материалов КГИ. Исследованы в&зтсо-иохашческие свойства материалов КГИ и определены хос особенности. Установлена зависимость свойства материалов КГИ 01* температура lis нагрева. Определен температурный интервал, в котором .происходит релаксация : зкропапряг:ени!1 в- КГИ. Разработан новый тип материалов - "ыактокомпозкт". сочетающий в себе свойства твердого сплава и пластичного металла.

Прпктичеекая ценность.. Создана установка о прессЗорыой нового тша для получения КГИ. Разработана технология изготовления изделий. Предложена методы обработки и контроля качества готовых изделий.

Получены олнтно-прошилезвше партии износостойких колец для бисерных мельниц в валков горячей прокатки меда из сплава типа СТШ-4. Износостойкие кольца успешно експлуатируются в проудаленнооги, а валки для горячей прокатки меди проходят промышленные испытания, показывая более высокую стойкость по сравненье со стальным инструментом. Это подтверсадается аета-

im иошленнй.

Организовал учссток сшглю-прсшпялешгого получения КГИ. Предложена слома перспективного специализированного цеха по выпуску КГИ. Выполнен расчет акокомячеекой эффективности. Показало па примера валков, что рентабельность производство КГИ в прошионккх масштабах составляет 38 ..

¿пробоцкя работа. Материалы, диссертация докладывались на I? тематической сессия совета по процессам СБС (Bop.':o:.s, 1931 г.), IY Всесоюзной: иколе-сешнаре 'Теория и практика СВС-процессоп" (Чзрноголовна, 1938 г.), IX Тематической сессии Научного совета ГКНТ СССР "Теория и практика процессов самораспространяющегося вноокстожаратурного синтеза" (Днепропетровск , 1-;!89 г.). Конференции ВДНХ "Проблемы применения твердого сплава в нроккЕленлости1 (Москва, 1989 г.), Годовой итоговой конференции института (Черноголовка, 1990 г.), V школе-семинаре "Теория и практика ОВС-прсцесоов" (Махачка-. ла, 1991 г.), Выставке-оемкнаре по СВС-процеосьм (Финляндия, 1992 г.), Научной конференции института (1992г), 1-ом Ыезду-нарОА1Юм семинаре по силовому СЗС-кошактзрованию (Черноголовка, 1992 г).

Публикации. По материалам диссертации имеется 2S публикация в том числе 10 авторогах свидетельств, 1 зарубежна патент.

Структура н объем работы . Диссертация состоит из введет!.'., семи глав,- выводов и перечня цитируемой литературы. Диссертация содержит ... страниц машинописного текста, 4>?риоунка,(( таблиц, 'О.ФотограФлй и библиографических, наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблеш и. выбор объектов исследования, описываются основные направления , работы. i ■

Первая глава посвящена литературному ' обзору основополагающих работ в облаете получения твердосплавных

)

'.компактных КГИ как градационными мог одами, так и методом силового СВС-коыпактирования. Отмечено, что при получении КГИ ' традиционными методами порошковой металлургии используются сложные и трудоемкие процессы. Подробно рассмотрены наиболее современные из них, связанные с использованием горячего изостатического прессования. Оценены преимущества традациошшх методов к выявлены их недостатки. ItatiaaaHo, что существующие теоретические разрабротки по закономерностям структурообразования сплавов при СВС-кошак-тировашш, высокотемпературному уплотнению и Формованию пористых продуктов синтеза дазот необходимые предпосылка для разработки статно-промышленной технологии получения КГИ с использованием процессов СВС, которая была бы конкурентно-способной по сравнению о традиционными методами. Установлено, что ни в отчественной, ни в зарубежной литературе не приводятся данные, каспадюоя непосредственно вопросов получения методом силового СВС-кошактироаання КГИ диаметром более 100 мм.

На основание анализа литературных источников была сформулирована цель данной работы, заключающаяся в исследовании процесса получения КГИ диаметром 200 км и выше методом силового СВС-коыпахтнровйшя и создании ошгно-промшленной технологи!!.

Во второй главе представлены результаты исследований и разработок по созданию оборудован i для получения КГИ методом силового СВО-комяактированкя. Существуйте установки силового СВС~компактирова1гля не могли Сыть использованы по ряду причин для получения КГИ, поэтому при выполнении настоящей работы, потребовалось создать установку на базе пресса ДА 2243 о усилием прессования до 20 КМ для получения изделий диаметром свыше 200 мм, к который относятся валки горячей прокатки меда и износостойкие кольца бисерных мельниц. На рис.1 представлена схема етой установки, соотоящей из гидравлического пресса (I), прессФормы-реактора (II), пульта упрвления (III), измерительной системы (IV) и вентиляционного оборудования (V).

Bas: .ейшш конструктивным компонентом установки является

А

прессФорма-реактор, в которой осуществляется синтез и уплотнение материалов КГИ.

Проведенный полный анализ существующих технических решений пресоФорм для СВС-технолох'ик, показал, что ни одна из этих преосФорм не позволяет получать КГИ из-за имеющихся в них следующие недостатковг

недопустима» разогрев силовых конструкций прессФорм щн сгорании р них больших масс изотермических смесей, что приводит к закляли* йи:я& «чуаксон1) и взносу пресоФормы;

неьФФокттаная работа гьзевых дренежных систем на стадии прессования изделии;

резкое и ниратаомерное схлскденке изделия во время прессования, выггрессопки и остывания из-за недостаточной термоизоляции поверхностей матрицы и пуансона;

большие усилия Еыпрессонки, вызывающие износ и разрушение конструкций ареесФормн и изделий.

На основании этого анализа ц проведенных исследований, была г.. даята концепция создания нового типа пресеФормы, названной "гибридной*, сочетавшей преимущества ранее . применяемых прэсрФорм (пеш:овю, аестких, полукеотюп:) и лишенной многих из перечисленных недостатков. • При проектировании етого типа прессФорм были применены принципиально новые технические решения. Основными из них являются:

устройство пироксго кольцевого зазора ме««у внутренней поверхностью матрицы и нарунной поверхностью пуансона;

применение кестких газовых Фллътроз, вштелняэдих также роль еФФективной" термоизоляции;

наличие зазора меаду «■кзотершчес7<ой шихтой и внутренней поверхностью матрицы прессФормы; .

выпрессовка изделий совместно с влементами прессФормы; . капсулировапие изделия в . процессе прессования (образование непрерывной термоизоляционной оболочки вокруг горячего изделия). ■ * .

С целью обоснований этих технических решений был ■проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. Налргнэр, в традиционных прессФормах порошковой

металлургии зазор меяду пуансоном п матрицей определяется -дисперсностью исходных материалов. Показано, что величина зазора для . прессФорм КГИ зависит только от габаритов прессуемого изделия и от разности температур пуансона н матрицы (дТ) . При в г см имеется ввиду, что массивная матрица нагревается значительно меяызе составного пуансона.

Построены зависимости шркнн зазора от габаритов изделия для различных значений й 'Г (й Т^л Тд> лДЧ).

Измерения температур пуансона и матрицы при прессовании КГИ различных габаритов показали, что разница ыскду втпми температурами зо всех экспериментах не превышала 300°С. Это позволило расчитать область допустимых зазороз, при которых исключается заклинивание пуансона, показанную на рис.2, для всех типоразмеров прессФорм.

Предложен один из способов снижения нагрева силовых • конструкций прессФорш - устройство зазора мезду пихтой и матрицей. Однако, только за счет етого зазора не удается снизить температуру нагрева силовых ' конструкций цресощормы до необходимого уровня (50-100°С). Для втих целей необходимо применение е£Фектевной термоизоляции, при этом показано, что существующие методы изоляции СВС-прессФорм неприемлемы при получении КГИ.

Для выбора варианта теплообмена ' в процессе получения КГИ произведен расчет, на основании которого предложен и применен новый вид термо1:золяцка-"кесткие Фильтры". Эти елемонты, кроме защиты конструкции от разогрева, выполняют роль газовых Фильтров, а в конце прессования капсулируют готовое изделие. ,

С целью снижения усилия выпрессовки впервые в прессФор-мах для силового СВС-компектирования применены массивные секционные (элементы о гвэоотводяадеми коллекторами, которые вшзрессовывйются совместно о изделием. Секционные элементы, еЗФективная термоизоляция, наличие зазора между шхтой и матрицей позволили настолько снизить температуру нагрева силовых конструкций прессФорм, что при получении всех типов ■ КГИ силовой контейнер' не нагревался выше 50°С. Поэтому расчет основных силовых конструкций пресеФормн выполнялся по

принятем методикам для прессФорм голодного прессования металлических порошков. Расчет контейнера показывает, что воошпсакяие в нем напряжения в 2-2,5 реза шиш допустимых.

В главе дается подробнее описашга и пршщип действия разработанной "гибридной ггрэсоФорхи".

В третьей глапэ отшешш методика п опытная технология получения КГЛ, а именно, износостойких колец (й" 218мм,Н-12мм) и валков для горячей прокатки меда (0* 205>.?1,Н-5&.и>, а тагсхе приведены результаты исследований ваизтейшиг технологических параметров.

В качества материала отих изделий использовался сплав, типа ОТМ-4 систем Т1-В, исходными материалами которого олуяили порошок титана марки ПГС производства НПО Тулачермет и бор корпчнея'гй производства огагткого завода УНИИХИМ г. Актюбинск. Применение втого материала обусловлено его высокой термостойкость» и удовлетворительними Физико-механическими свойства»®. Кроме того, щж работе инструмента, изготовлен-, пого из данного сплава, отсутствует его химическое взаимодействие о обрабатываемом! материалами. Последнее условие особенно важно для прокатных валков, контактируюцях в процессе работы с горячей медью.

В отдельных случаях исследовались твердосплавные материалы, образующиеся при горении системы Г1С-Я1-"э, а такяа изучалось влияние на уровень Фхзико-мехашгчесгаа н шссплуа-тационных г-зойств некоторых легирующих добавок {Например,АЦ.

Процесс получения КГИ отличался от технологии изготовления мало- и средяегабаритных деталей методом силового СВС-котакъирования более сложными и трудоемкими операциями по подготовке просеФормы. К отям дополнительным операциям относилось изготовление я установка кеетких Фильтров. Кроме того, процесс получения КГИ включал ' в' себя термическую или газостатическую обработку заготовок. Большое ■ внимание уделялось также нерайрушакщш методам. контроля готовых изделий (ультразвуковая деФФектоокопия, измерение Плотности и т.д.). ' . ' • '

В работе произеедеш комплексные измерения параметров процесса получения КГИ и ылголнена математическая обработка

результатов измерений. При етоы измерялись следумцие параметры: давление еси^кости в главном цилиндре, ход пуансона, температура верхней и нииней поверхностей заготовки. На рис.Э представлены типичные осдаллограмш изменения етих,параметров в процессе получения ЮТ.

Из графиков видно, что разность теьетератур верхнего и нижнего основания заготовь (ТВ,1Н> в процессе прессования во всех экспериментах была незначительной (3-5 т.е.

'происходи!' достаточно быстрое выравнивание тешератур по объему заготовки. На этом основании распределение температур в заготовке считалось равномерным. Температурные зависимости позволили ' определить, помимо температур поверхностей зоготовки, начало и конец горения по максимумам ЭДС в верхних и шгакх термопарах.

Анализ осциллограмм показал, что начальный втап ■ уплотнения под постоянной нагрузкой (весом подшвшых частей пресса) характеризуется сравшгсельно большой скорость» деформации, о чем свидетельствует наклон кривой и на участке Затем скорость пуансона уменьшалась до нуля и его движение возобновлялось только о подъемом давления в главном цилиндре.

Приведенный реким нагруаения включал две паузы (Ц-Ьр которым соответствуют давления Р1 и ?2-

Реал5 кованный в исследовательских целях ступенчатый режим нагруаения, позволил обнаруашть пороговый характер уплотнения, т.е. при определенных нагрузках и температурах достигается равновесное состояние при котором прекращается уплотнеще и для дальнейшего прессования необходимо увеличить давление.

На основе результатов екопериментов с различными режимами яагружения получена зависимость равновесного давления от плотности (рис.4-). Данная зависимость позволяет выбрать в области, находящейся над кривой,такое значение давления, при котором достигается заданная плотность заготовки.

Обработка экспериментальных данных позволила установить, что скорость изменения плотности при прессовании удовлетворительно описывается дифференциальным уравнением

4?-= * <р ,т.е-*с>

■■у

где, 2-давлопи9 прессования;

{¡„-равновесное давление.

Теоретические кпншге уплотнения показывают хорошее совпадение е окопер/;.!снтагьш;ш результата«! (рис.5). Таким образом, задавая л;лдоолагаемий рюжы иагругвюм п пользуясь пр'лведетгасй ягл-ислгсостью, мог.шо прогнозировать мсменение плотности в процессе прессования по данному ре гашу. Это позволяет выорзть годходездде параметры прессования, не проводя дорогостоящи натурянх экспериментов.

3 четвертой глппо пгхтг.олгися результат исследований ■ '(¡гжнпсо-мехаякчеекк свойств .\'-гтег,:гялов КП1. Объекта.«! исследования слуаята образцы язнсгостсйккх колец к золкоц-для горячей прошша моди из сю&ва тип-» СТИИ-4-.

Для определения особенностей структуры материалов КГИ песледовались такке сплавц карбидной группи слсте:,м Л-С-И-Но с разлютита содержанием кспонеитов. Мэдолоя, из которых вырезались образцы, представлял:! собо:1 вгшеа для холодно;! обработки стая:;.

Цельа цзеледог.ания свойств метериалов КГП. было установление их соответствия прсмыгогонным аналогам, выявление специфики материалов КГИ и определение путе!; повышения эксплуатационных характеристик изделий.

Показано, что материал типа СТИМ-4 имеет равновесны!! Фазовый состав в соответствии с диагргвя/ой состояния 11-В. Он состоит из двух Фаз: моноборад титана (?1В) и ¿-Л, а . структура сплава имеет две составляйте: кристаллы монобо-рида различней величины на Фоне эвтектики (ИВ- <¿-54) и скопления эвтектики.

Предложен вероятный механизм образования структуры' сплава. Отмечено, что в материале ОТИл-4 отсутствует титановая связка в чистом виде, как считалось раньше а еэ роль выполняет ввтектика, что повышает хрупкость сплава.

Установлено влияние габаритоз изделий на макроструктуру их материалов. Материалы КГИ но сравнении о материалами того г;а состава малых- и среднегабаритннх изделий (диаметром до 70 ш) имеют аналогичной Фазовый и структурный состав, но структура КГИ более грубая. Так длина кристаллов ОД равна 20-4-0 шел, в ю время как в средиегабаритннн изделиях размеры отих кристаллов но превышают 10-15 mkäi.

В материалах карбидной группы (ша THJJ) средняя величина карбидных зерен в центральной зоне изделия в 1,5-2 раза больше, чем в переФирйЬшх. Эго объясняется тепловыми уеловиями получения КГИ.

Установлено влияние легирующих елемаятов на ёизюео-мехеничесхсив свойства материалов. Так в сплаве тепа СТШ-4 легарование 11 (1,5 ) повышает его ¿гизико-механи-чоские свойства ( €ГКЗ возрастает примерно 1,2 раза), а применение Мо в качестве ^-стабилизатора титана не привело к повышению свойств материала. Установлено, что из-за низкой температуры горения тахты и малых времен процессов прессования. Но переходит в сплав'в виде ненророагировавпшх включений. В сплавах г<е на основе карбида титана легирующий Li о играет активную роль. Он образует известные кольцевые структуры ..арбидных зерен, что повышает прочность материала.

Физико-механические свойства материалов КГИ имеют достаточно высокий уровень. Так дпя сплава типа СТ1М-4 предел прочности при изгабэ равен 800-1000 Мпа, твердость 83-85 HiU и плотность, в зависимости от лэгирозания 4,5-4,7 г/см'. Такие свойства соответствуют требованиям технических условий и позволяют успешо эксплуатировать изделия (износостойкие кольца) или проводить их промышленные испытания (валки).

К особенностям материалов КГИ относите/! обнаруженная анизотропия свойств, вызванная условиями синтеза, прессования н остывания массивных заготовок. Показано, что наиболее заметна анизотропия сеойотв по пределу прочности при изгибе. Так значения (>из» определенные на образцах:, вырезанных вдоль г-травления прессования, на 15-20 5 шике, .чем' полученные на образцах, расположенных пертендикулярцо оса .

прзсеовшшя. Твердость и плотность материалов одного исходного состава для всех исследованиях КГЦ практически одинакова. Наблюдается равномерное распределение твердости • по всем поверхностям и объемам КГИ за исключением узких периферийных областей, где она Незначительно снижается • в ,. пределах 1-2 едаииц ЕРА из-за краевого оФФекта (быстрое остивгние нарукяых поверхностей, взаимодействие с изоляционнш ело.".'.'., выдавливание связки и т.д.) (рис.6,7).

Расчетные шют.чоста £сех обработанных изделий? огштпо-прогящлезпгкх парт:;* отличок-тоя друг от друга в пределах одного процента. Приводятся результаты испытаний материалов на износостойкости, которая является важнейшей функциональной характеристикой для колец бисерныч мелышд. Испытания проводитесь по я.шшлтоЛ в ИС.МДНз методике чэ установка "НЕСХЕ1Т'' (Герматя). Одновременно определялась износо- . .стойкость и других конетрукцнс::лых материалов. В их число входили твердый сплаз юта ВК (производства Германии), когор"® является итатним ?<атер:талс" для колец бистшх мельшщ типа РМ-50, различные стали, нзплатна, материалу" группы СТЛМ. Нз рис.0 приведены результаты испытаний.

Видно, что материал КГИ С1!?.!-4 показал высокое

о

сопротивление износу 10-12 г/см", что лиаь не;.шог;н? уступает стойкости штатного материала износостойки колец (0 г/см-*). Материалы КГИ превосходили по износостойкости инструментальные легированные стали различных марок в 7-9,5 раз и в 3,5 износостойкую наплавку нз сормайта. Успешая эксплуатация колец в реальных условиях подтвердила правильность выбора их материала.

Пятая глава посвящена описанию результатов по повышении СГязико-мехвническзи: свойств материалов- КГИ путем термообработки как в печах, так и в условиях "горячего изостатического прессования (ГИП).

Возникавдке во время получения КГИ самоуравновешива-кщиеся в объеме детали остаточные напряжения существенно . снижают эксплуатационные характеристики изделий. Для снятия' этих напряжений необходимо перед механической обработкой заготовок выполнять низкотемпературный откиг. Для исклю-^

чекия коробления и растрескивания НТК был принят невысокий теш нагрева менее 300°С в час. Скорость нагрева и выдержка при задаяяой температуре в настоящей работе определялась методом проб. Для определения необходимых минимальных, параметров отаскга образу материалов КГИ термообрабатывались при различных заданных температурах, нагрева, а затем наследовались йизико-механические свойства отожженных образцоз. С учетом максимальных значений полученных свойств материалов определялись оптимальнее регзиш отгига. Изменение свойств материалов КГИ в зависимости от теиггературы термообработки приведены на рис.9. Видно, что предел прочности при изгибе заметно реагирует на изменение температуры термообработки, достигая максимума (1000 Мпа) в районе 550°С и практически остается неизменным до температуры 1230°С» Плотность и твердость под влиянием термообработки незначительно монотонно увеличивается. Лихь при температуре 1230°С они начинают резко возрастать, что вероятно связано с начинающимися процессами спекания и структурными изменениями.

Таким образом, при температуре 550-600°С происходит основная релаксация остаточных напряжений и дальнейшей нагрев материала незначительно влияет на его свойства. Это объясняется резким изменением Физико-механических свойств сплава при указанных температурах. Этот ©акт кашэл подтверждение при измерении гс.оячей твердости материала КГИ в интервале температур от 20-1000°С, хде до температуры 530°С твердость" материала меняется незначительно, а при дальнейшем повышении температуры резко подаст.

Влияние горячего газостатического прессования (ПШ) на материал СВС-КГИ исследовались на образцах, вырезашшх из КГИ. Испытания проводились на газостате ГГС-ЗО в НПО ВНИШЕТМАШ и в ШВШЕШ на газостате Фирмы "АБЕА" при содействии Фирмы И&ШУ1ХН. В обоих случаях обработка производилась примерно при одинаковых режимах: температура нагрева 1230°С, рабочий газ-технический аргон, максимальное давление 1100 атм. Исходная плотность образцов, обработанных в газостате ГГС-ЗО была 4,53 г/с:.!-*. Ъ результате обработки

плотность этого материала увеличилась до 4,72 г/см . Значительно возраоли и другие Физико-механическио свойства ( болов чем в 1,5 раза). Материал, обработанный в Швеции имел более виоокуа исходную плотность равную 4,67. В результате обработки его свойства йзмеш/лксь незначительно, lis око: результатов сделан внвод, что ГЖ1 следует подвергать то.гь:со то изделия, роторыя vùteivr недостаточную плотность гля скрытые деФектп.

Приводе'лг результату по, синтезу материалов КГИ с заданными: гдафэпродогародашос свойствам:!, получизимх название "макрокомпогжт". Эти материал весьма перспективны для получения КГИ, гт к как в одн::м нзделит. могут сочетаться свойства тг.о.рлого сплава н пл'-. стачного металла (заполнителя).

Оддом us методов, i:orir!0.r:>!ï':uiK получать макрокомпозити, является "Фрагментарное" запо.-лмпте матрицы прессФормн отдельными мелкими брикетами «о экзотор!.скческой икгга. При ото« брикет« располагаются в ыьтрзде па некотором расстоянии относительно друг друга. Образовавшиеся зазоры заполняет металлическим лороиком, зато:.! проводится одновременный подаог брикетоз из экзотермической • смеси, а по окончашят 1'орения разогретая заготовка прессуется. На рис. 10 показан мякрекомпозит - заготовка блока Фяльер.

Исследована структура макрокомпозпта, распределение концентраций элементов в зоне перехода от тердосплзвной вставки к металлической связке, Физико-механические свойства и влияние на них ПОТ.

Анализ полученных результатов показал, что применение макрокодаозитов позволит улучшить олуаебняе характеристики КГИ при одновременном енккезди их себестоимости.

В шестой главе рассмотрены методы обработка материалов КГИ, из которых наиболее еФФективным оказалось алмазное шлифование. Проведены исследования ' по выбору оптимальных режимов и инструмента. Определена интенсивность съема материала, в процессе обработки, которая для сплава типа СТ!й'Ч достегала 43 гр/час. Что в 1,5-2 . раза - вине, чем производительность шлиФоваяия спечеют твердых сплавов вольфрам-кобальтовой группы.

П

Изучены метода контроля готовых, изделий.' Впервые разработана методика у ль тра звукового контроля СВС-КГИ. Рекомендованы частота улм развука и состав контактной среди. На вталонном образце установлены характер и ©ор?.ы отраженных сигналов в зависимости от вида дефекта. Показана возможность определения пористости материалов КГК ультразвуковым методом

Описаны методы и ре ¡килы промышленных испытаний КГИ. Приведены их результаты. Износостойкие кольца из сплава типа СТИМ-4 (рис.11) были установлена на бисерные мельницы йирмн "Драйс" взамен Фирменных колец из твердого сплава. Анализ работа колец за период с 1991-1993 гг показал возможность успешного их использования вместо дефицитных импортных деталей из вольЛф&чсодержащкх твердых сплавов.

Испытания валков горячей прокатки меда, которые провс • дались в ОМ (Фирма КШШЕЕ), Германии (концерн ВАКОТЖ) и России (ТОО ЙЛКАТ) показали их работоспособность. При втом наибольшая стойкость СБО-валков превышала стойкость лучших стальных в два раза. Определены причины выхода валков из строя и намечена пути увеличения стойкости етих изделий.

' Проведены прочностные расчеты, которые показали, что существующие методе крепления валков на ось вызывают недопустимые напряжения в твердосплавных СВС-валках. На основа-ши расчетов предложено снизить в два раза усилие запрессовки валка ян ось. Выполнение этой рекомендации позволило во многих случаях избежать хрупкого ; крушения валков, при вксплустации и значительно повысить их стойкость.

В седьмой главе рассмотрены Еопросы организации промышленного производства КГЦ. Проведен сравнительный анализ пооперационных временных затрат при производстве КГИ способом силового-СВС компактирсвания и традиционным методом с использованием ГШ. Показано, что производство КМ по СВС-технологки требует в два раза меньше врзмени. Разрабо-. тана технологическая схема специализированно!1© цеха по производству КГИ методом силового СВС-комаоктирования. При реализации отого проекта будет достигнуто более высохая производительность (примерно-в два раза нише, чем при современной ч хнологии) за счет модульной зарядки прессФорм.

Предложена оригинальная методика расчета производительности ц<?ха. Установлено, что в предполагаемом цехе воз-|2ог.но производить до 1000 кг заготовок в месяц (150-200 ит)._ Проведен расчет вкочомической эффективности получения КГИ. .На прлмэре валков показано, что рентабельность их пропзБОД-дства составит 38!?.

выводи

1.Изучен процесс получения методом силового СБС-ноштак-. тированкя твердосплавных КГИ к разработана опнтяо-прачыален-ная технология. Создано оригинальное оборудование для ее реализация в том числе и ноеый тип прессФормы-реактора-"гибридный". не имеющий аналогов как в поропковой металлургии, так и в СЗС-технологиях.

2.Впервыз произведена комплексные измерения технологических параметров процесса получения КГИ. Еотолнене математическая обработка измерений. Проведен анализ закономерностей уплотнения. Использование ступенчатых регашов нагруаенпя позволило обнаружить порогог гй характер уплотнения-заготовки. Принятая математическая модель'процесса уплотнения дает возможность по задашш.му ре»гш/ нагругеняя прогнозировать коновую плотность изделия.

3.Исследованы йизико-кехашмеекш свойства ыатер-алов КГИ. Установлена завис.злость структуры материала от габаритов изделия. Обнаружена анизотропия свойств материалов КТО вызванная условиями 1,ореш>.я, прессования и остывания изделий. Показана возможность повышения <&.1зшсо-механическкх свойств материалов КГИ путем пртаенения термической и горячей изостатнческой обработки. Наследованы. изменения свойств материалов в зависимости от теалературы .их. пери-ческой обработки. Предложены технологические реяпш отзшта материалов типа СТЖ!-4. Показано, что горячая ^астатическая обработка наиболее эФФеипшна для пошшавия свсЗств. матералов с 1з»г?(сй »сходной ь .отаостьп, но из-за вхгсотай. стонкосги втего метода применение его в каадси кгачредавд случаз требует ехоисгяп&скего о^асповгзая.

4.Разработан новый тип материалов КГИ-вмакроксшозит'1, сочетеигдй в одном изделии свойства твердого сплава и пластичного металла. "Макрокоыпозит" повышает эффективность применения КГЛ в крсмышлепнооти к одновременно позволяет снизить их себестоимость.

5.Получены износостойкие кольца бисерных мельниц и валки для црокамш горячей меда. Кольца бисергда мельниц успешно применены в промышленности при производство строительных красок ьз&мен твердосплавных колец импортной поставки. Проходят промышленные испытания валки для горячей прокатам меди. Лучаая стойкость калибра валка из материала типа СТИЫ-4 в два раза превосходит стойкость калибра валка из стали 1113 производства США. Выполнены расчеты и ¿несены изменения в условия експлуатации валков.

6.Выполнен анализ вкопошческой оИрэктиеиооти производства КГй методом силового СЕС-вошахтировапий.. На яр::мерэ валков показано, что рентабельность их производства составит . 38$. Создан участок для опыию-ггроыьсзлепного производства КТО. Разработана и предложена перспективная технологическая схема цеха по производству КШ в промышенных

масштабах.

• Основное содержание работа опубликовано в следующих работах: .

1. АшраФьян S.B..Боровинская И.П..Дслбенко Е.Т. .Квапин В.Л., Дубовицкий ф.И..Ыеркапов А.Г,.Ратников 3.И.,Целиков A.M., Манохин А.И.,Розанов В.В.. Способ изготовления изделий. А.е.1" 72197?', 1579. ДСП. . ё. Голубков В.-Г. .Блехеров" B.U. ,'ЕертманА.А. .Попов А.К. АЕрй£ькнЭ.Б.,Подгаецкн£ А.И.Еайпмахер' М.Ш.Дубровин М.С. Кванин B.JC. Способ получения заготовок из порошкообразного материала. А.с.К 693231979, ДСП.

3. АирзФьян Э.Б. ,Кванж В.Л. .Мишулин A.A.„Долбенко Е.Т., ' Геориетическяе основы реологии неорганических материалов применительно к процессам высокотемпературного деФор?.га-•ровакия. Тезисы доклада. В информационном отчете о'работа 1V тематической сессии совета, посвядешзой процессов СВС

в проблеше создания инструментальных материалов. Черноголовка, 1981.

4. АлграФьян Э.В..Кванта В.Л..Долбенко S.T.,Лебедев В.П., Матевосоз Л.М.,Мертчов Л.Г. Дйшудин 'Л-А^Иуражо P.E., Унаняя З.Г. Устройство для изготовления изделий горячим деформированием. A.C.N 1029435, 1983, ДСП.

5. Кванин В.Л.,АираФьян Э.В..Долбенко Е.Г.»Алежечкина Г.Н. Износостойкий епечешдй материал. А.с.N1080503, 1983*ДСП.

6 .Квашш В.Л. .АшраФьяк S.S. .Долбенко е.Т. .Алешечкша Г.Н. Шихта для получения твердосплавного материала.

A.c.ii 1116746, 1984, ДСП.

7 .Кванин В.Л.. Долбенко Е.Т.. АираФьян Э.Б. Способ •

изготовления спеченных изделий из твердых сплавов. A.eJ 1330350, 1987, ДСП. Ö .Кванин В.Л.,Ашрс-ьян Э.Б..Долбенко Е.Т;.Балихина Н.Т. Способ изготовления изделий из порошковых материалов. ■ A.c. I 1317772,. 1987, ДСП. 9 .Кванин В.Л..АшраФьянЭ.Б..Нохаев Н.Т. ПрессФорма для горячего деформирования заготовок из порош* вых материалов. А.с.К 1450223, 1983, ДСП. Ю.Кв&якн В.Л..Балихина Н.Т..Питкшп А.Н.,Сычев- А.Е., Боярченко B.Ii. Получение крупногабаритных изделий методом силового СВС-кошактарования. Тезисы доклада. . Черноголовка, 1938.

11.Сычев А.Е..Боярченко В.К.,Кванин В.Л.,Балихика Н.Т., Паткииш А.Н. Исследование свойств материалов крупногабаритных изделий.. Тезисы доклада. Школа-сешшар, Черноголовка, 1S83. •

12. Кванин В.Л..Валлхлна Н Л. .Лкгамян А.Н. ,Мергаяоз А.Г. Способ изготовлеия ззделЛх из екзотерк^йескоЗ снеси порошков. A.c. I 1499815, 19в9, ДСП- -

f»

13.КВСЯШ Б.Л. .Баетхшш Н.Т. ,'Икткхиш А.Н.«Мёрганов А.Г. Способ изготовления твердосплавных изделий 'слогшой Формы. A.c. II 1513739, 1989, ДОП.

14.Квавка В.Л. .Балахнна Н.Т. .Питкжгя А.'Я. .Боровинокая И.П. Способ изготовления изделий из пороэШзнх Материалов. A.c. 3 1541883, 1989, ДСП.

15.Марзанов А.Г..Всровинская ".П. ,Гшт»лйн А.Н.,Квашн В.Л., Ратшпссп В.И.,Епшшн К.Л. Способ получения компо-

, зйциозеого материла. Патент США й 4938480 от 29.01.91.

16.Квашш В.Л..Балигииа Н.Т.,йиткшт А.И.,Снчез А.Е., Боровинокая И.П.,йержаков А.Г. Получение, структура и свойства крупногабаритных твердосплавных изделий из сйлава СГИМ-4. В . сб.г . Структура, свойства и технология металлических систем и керметов. М.:, 1939, стр.34-39.

_17.Богатов Ю.В..Левашов Е.А.,Питюлин А.Н,,Квшшн В.Л., Балахинз Н.'Г.,Боровинская И.П. .Мержанов А.Г. «Векцель Г.Н. Кабаков В.Н. ДЬиазв A.C. Давский H.H. Способ получения юиеней "для нашленпя. A.c.iT 163539S, 1990.

18.Квашн .Балихипа Н.Т.,Питилия А.Н..Воровхшокая И.П., Мержанов А.Г. Способ получения материалов на осповэ тугоплавких- соединений. А.с.К 1839003, 1992, ДСП.

19.Мер:,апозА.Г. .Воровинская И.П. ,Гштш;ш А.Н. .Ешгсял К.Л., Ратинов В.И.,Квашн Б.Л.Способ изготовления композиционного -материала. А. с. К 1672675, 1991-

гО.Чернеш» Е.В. .Балясина К.Т.,Кванин В.Л.,Питвлин А.Н., •Розслбанд В.1Г. Пара.-,'.етр-л газовыделения при горении вкзо-- термических смесей в преес&орлах для получения крупногабаритных изделий. Препринт, Черноголовка, 1990,стр.17.

21.Черкенш Е.В.,Кваииа В.Л. .Балипгаа Н.Г.,Изетмин А.Н. Способ изготовления изделий из порошковых материалов, ¿.с I 1802463, "1992, ДСП.

22.[<ваиин ВЛ.,Бакихи^ Н.Т. «Боровшская И.П. Установка для получения издзлай кз композиционных материалов кэтодои СВС.Заявка 5 492S59S от 28.02. 1991. * решение о выдача патента ¿JT 16.02-93- ••

гз.Кьантга В,Л. .Бэлихина Н.Т. .Питатая Л.Н. .Еоровшгская И.П., • л Вадченко С.Г. Поэтапный синтез компакипы тугоплавких .

соединений. Тезисы доклада. Школа-семинар, Махачкала, 199?. 24-.Нораалов А.Г. .Боровнвская И.П. .Бптюлин А.Н. .Епхсгпг К.Л., Ратгшков В.И. .Квашш В,Л.Способ получения ксшюзпцаснного материала. Международная заявка ГСГ/Б1Г-8В/С0270 от 20.12.89 номер международной публпсацт ¡Й 50/07014- дата публикация 2а.06.90. 25.Т.1.Х?я1п,Т.1.(}ого7о1,Н.?,Ва1ЙЫт,1.Р.Вого?11и!!ауа, апй Ь'/мМ^аиод. о* Ргосе?з о 1 ГогсзЗ

БНЗ СеярзеИоз . оГ 1а."£з-3са1е йагй-шо? АгШХсз. ■ • ' ШепаНоай Лит1 оГ ЕеН-Рэдрэзз^ .• Ши-л 2, йвЬег 1, рр 56-68, ¡393.

plic.l ПрииЦишаА-ная схема установи для получения КГИ | - пиравлическш" пресс

II - пресс:}»opf.'a-peliap

iii - культ управления

IV - fwrucrpiivjyioi|ie приборы

V . вснгиАЯЦШиная система

давлсиш мосла d глашюм ¡¿ялшдрс, , 2-аът<пк перемещения пуанссиа,

3-термолары

Рас. 2

Определение величины кольцевого зазора матр^цл-пумки}«" в преесфорые-реакторе.

1 - у\аяси1£ость велкчшш рекомендуемого

- зазора от деамстра прессуемых наделки,

2 - область допустимых аазорте»

3 - область ЗОКАКЛЙШ^исЯ пр*ч Т - 30 О С 3 "

р!'-. 3 Типичные осг уиограммы кзмскеши температур поверхностей заготовки (Т), давления в главной цилиндре (Р) и положения пуансона а процессе прессования КГИ (и)

ЦЛ^ " начало и конец горения; - начало движения пуансона; 14 - начало медленного уплотненна заготовки под'весом траверсы; Ц - начало подъема давления в главном цилиндре; 15-16 - выдержка загагопхн под давлением - подъем давления;

" пь1Держка под давленкм Ц - ггьшрессоаха заготозхн -

Рис. 4 Зависимость равновесного давления от плотности 1, 2, 3 номер эксперимента

Рис. 5 Зависимость относительной плотности (|>) и контактного осевого давления (у) от времени.

--------- расчет .'."."

. —1——■— вксперименг "

' 22

а - отечаток ииденгора

Рис. € Распределите твердости по рабочей гкшереагосг» износостойкого кольца бпсернои мельшщы а - горец кольца (рабочая пгаерхность), б - распределите твердости по радиусу НИА, * в - сечение кольца.

О 10 20 30 40 50 60 *

Рас. ? распределение значений твердости в четырех : (1-П/) уровнях сечения валка.

- а - номер образц а

Г/ем* »

saga-

ífi-'22

1 J 3 1 i t i i з «и

■ Рис. б Износ различных конструкционных и инструментальных материалов.

. -1 - СТИМ-5,

2 - ВК-8,

3 - СТИМ-1Б,

4 - СТИМ-ЗБ, ' '

5 - твердый спле» тепа ВК (Германия),

6 - материал типа СТИМ-4 для дисков

бисерных мелышц.

7 - сормаГгг,

8 - сталь У8-НИС-55,

9 - сталь ХВГМ-ЩС-49,

10 - сталь 45-HRC-43,

■ И - сталь 45-HRC-37.

бмп.

'А

1100 1000 900 800 700 600 •500 400

Рис.

- *,в

100 300 500 700 900 1100 1300

г 82

т,о

5 Влияние тсн'игратуры обработки (отшига) на физико-механическое евойстаа материала К!"И {дисков мелькну)

1 - предел прочное!., tipa мзгабс;

2 - нлеутноепь.

е

ir^ri >

YTÏ

1 v^V;

» 1

i M ''t <• ■i

1 i il

1 5

î r i '.и-."; ( f JT'. ■

'.Ь

г

к

} г

1 i

fí* "ä) '-IVI

A

;8Щ

1 1

• \

. j.r.

Vf '

\ i-

I !

■ t L- -v'-V'. ■ 'J'f .

t{ .........—--------

?ио.Ю Заготовка бдока-.^ильер-"макрокоипозлт" Çf 370 мм.

, ■ л«. . ***Z¡ií : У! tíS-¿ "ítsi -u i ! - •

ГА défi** As h,У - -г •

i 'k „ ;*f,t'f->í '

' ....«weft"

TW/»-* »«Р.. ' т

« f1 V у* >•

t i

f 4 i--'

:rj¡>'

^^»«UbSÁJUt.A'Sito.--'-» •

'ЗР53. II Износостойкие кольца оисерных мельниц. '