Формирование порошковой стали методом электроконтактного уплотнения (стр. 1 )

На правах рукописи

Формирование порошковой стали методом электроконтактного уплотнения

Специальность 05.16.06. – «Порошковая металлургия

и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2010

Работа выполнена в Волгодонском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Технология машиностроения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, ст. преподаватель

Ведущее предприятие: научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт атомного машиностроения»

Защита состоится 23 декабря 2010 года в 1000 часов 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 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «3» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к. т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе приведены результаты экспериментальных исследований электроконтактного уплотнения (ЭКУ) порошковой стали, рассмотрено влияние технологических режимов на структуру и свойства полученного материала, а также направления по обеспечению его необходимого уровня. Осуществлена реализация полученных результатов при производстве конкретного изделия.

Актуальность темы.

Современная тенденция развития порошковой металлургии заключается не только в совершенствовании широко применяемых в промышленности технологических процессов, но и в разработке технологий, использующих наряду с механическим электрическое, электромагнитное воздействия на уплотняемую шихту. Выбор того или иного технологического процесса зависит от уровня требуемых функциональных свойств формируемого порошкового материала, определяемого в первую очередь значением пористости. В тех случаях, когда работоспособность материала достигается при пористости в пределах 2 – 6 % целесообразно использовать технологию, исключающую горячую допрессовку пористой заготовки. К таким технологическим процессам относится электроконтактное уплотнение, совмещающее электротермическое и деформационное воздействия, являющееся предметом исследования диссертационной работы.

Актуальность темы диссертации заключается в развитии этого технологического метода, отличающего высокой производительностью, экономической эффективностью и позволяющим сформировать порошковый материал за одну технологическую операцию, раскрытии закономерностей основополагающих процессов формирования порошкового материала, способствующих развитию теории и практики порошкового материаловедения. Работа выполнена в рамках научно - технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по разделу 05 «Функциональные порошковые материалы» (№ 000.05.01.026)

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является расширение технологических возможностей электроконтактного уплотнения за счет создания порошковой стали с остаточной пористостью 2-6 % за одну технологическую операцию.

Исходя из этого, были поставлены следующие задачи:

1. Определить принципиальную возможность формирования порошковой стали методом ЭКУ на основе железо – графитовой шихты. 2. Выявить закономерности уплотнения, структурообразования и межчастичного сращивания при формировании порошковой стали.

3. Провести теоретический анализ влияния параметров электроконтактного уплотнения на формирование порошковой стали.

4. Разработать рекомендации для промышленного использования ЭКУ.

Научная новизна.

1. Установлено, что электроконтактное уплотнение сопровождается интенсификацией диффузионных процессов, обеспечивающих гомогенизацию железографитовой композиции в течении 50 – 70 с и отличающейся тем, что этот эффект наблюдается при меньших плотностях тока (28 – 36 МА/м2), чем при электроимпульсном спекании (102 – 103 МА/м2).

2. Раскрыты закономерности межчастичного сращивания, отличающиеся тем, что формирование качественного межчастичного сращивания происходит не только при миграции межчастичной поверхности сращивания, сопровождающейся увлечением сегрегационной атмосферы и субмикропор, но и при ее отрыве от зернограничных дефектов, реализуемого при превышении движущей силы миграции сил торможения этого процесса за счет более интенсивного залечивания внутризеренных субмикропор в условии прямого пропускания электрического тока.

3. В отличие от статического холодного прессования при электроконтактном уплотнении прессовки из распыленного железного порошка обладают лучшей прессуемостью и большей прочностью, чем прессовки из восстановленного порошка, что объясняется различной дискретностью межчастичных контактных зон, обуславливающей различие в локальном тепловыделении и развитии межчастичного сращивания.

Практическая значимость полученных результатов.

Полученные в работе результаты имеют практическую значимость. Основные положения настоящей работы могут быть применены для оптимизации технологических параметров электроконтактного уплотнения при производстве деталей конструкционного и антифрикционного назначения. На основе проведенных исследований и выявленных закономерностей формирования порошковой стали методом ЭКУ разработана технология и технологическая оснастка для изготовления сменной насадки отверток с остаточной пористостью в пределах 2 - 6 %, обладающей повышенной твердостью за счет формирования бейнитной структуры без дополнительной термической обработки.

Реализация полученных результатов.

Результаты исследований апробированы кафедре «Технология машиностроения» ВИ(Ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). На их основе разработана опытно - промышленная технология изготовления порошковой сменной насадки отверток. Опытная партия этих деталей успешно прошла испытания в производственных условиях на предприятии термоэлектричества», г. Волгодонск.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Степень достоверности результатов подтверждена согласованностью полученных результатов в общепризнанными положениями порошкового материаловедения, использованием современных методов структурных исследований в сочетании с механическими испытаниями по апробированным методикам, воспроизводимостью экспериментальных результатов в лабораториях и производственных условиях.

Апробация результатов диссертации.

Диссертация обсуждалась на кафедрах «Технология машиностроения» Волгодонского института, «Материаловедения и технологии материалов» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 5 статей опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК: «Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия» и «Металлург», 2 работы в материалах международной и всероссийской конференций, 3 работы выполнены единолично. Общий их объем составляет 1,91 п. л.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, приложений. Работа выполнена на 158 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунка, 32 таблиц, список литературы из 90 источников. Общий объем работы - 166 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена оценка современного состояния решаемой проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы и показана ее практическая значимость. Сформулированы цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по теме диссертации. Приведен анализ свойств и структурообразования порошковых углеродистых сталей. Указаны основные достоинства и недостатки существующих методов, возможность их практического применения. Описана зависимость качества порошковых деталей и заготовок от параметров того или иного метода формования.

Произведен обоснованный выбор в качестве объекта исследования изученного еще не достаточно полно метода формования порошкового материала - уплотнения с одновременным прямым пропусканием через прессовку электрического тока.

Проведен анализ основных сил, действующих в теле пористой заготовки в момент прессования. Отмечено, что процесс прессования сопровождается явлениями, детальное изучение которых необходимо для определения оптимальных режимов электроконтактного уплотнения, разработки принципиально новых конструкций пресс форм и вспомогательного оборудования. Рассмотрены факторы, влияющие на качество порошковых изделий, получаемых спеканием металлического порошка электрическим током.

Описаны рациональные приемы формования порошковых материалов, позволяющие повысить качество порошковых изделий, уменьшить давление прессования, снизить трудоемкость и себестоимость процесса. Отмечено, что исследованию формирования металлических порошков, основанного на электропластическом эффекте, уделено не достаточно внимания. Данное обстоятельство не позволяет выработать конкретные рекомендации в этом направлении и обеспечить его применение для широкой номенклатуры порошковых деталей.

Резюмируя анализ литературы, следует отметить, что совмещение пластической деформации и пропускание электрического тока известено уже несколько десятилетий и нашло практическое применение в промышленности, тем не менее остается множество не изученных в полной мере явлений, происходящих в металлических порошках при ЭКУ. Данный факт оставляет задачу по их уточнению и развитию весьма актуальной. Выяснение природы и построение теории этих явлений позволит разработать рациональную технологию производства практически важных материалов.

В заключительном разделе главы сформулированы выводы, цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена методическим вопросам. Приведены характеристики используемых материалов, методики проведения электроконтактного уплотнения, математического планирования экспериментов, исследований структуры и свойств формируемого материала, оценки точности результата эксперимента. Описана лабораторная установка, приборы и оборудование, применяемые при ЭКУ порошковой шихты.

В настоящей работе использовалась лабораторная установка для ЭКУ, спроектированная и изготовленная на кафедре «Технология машиностроения» ВИ (Ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ), позволяющая обеспечить приложение к помещенной в диэлектрическую матрицу шихте давления прессования и пропускать через нее электрический ток. В качестве защитной атмосферы использовался аргон.

Плотность образцов определяли методом гидростатического взвешивания.

Анализ химического состава выбранных участков поверхности частиц проводили методом локальной Оже-электронной спектроскопии (ОЭС) на Оже-спектрометре модели PHJ-680 фирмы "Physical Electronics" при давлении остаточных газов в аналитической камере прибора (1-2,5)* 1 0-7 Па.

Рентгеностукрукный анализ про водился на дифрактометре ДРОН-6 с фокусировкой по Брэггу-Брентано. Использовалось монохроматическое железное Кα - излучение при напряжении 45 кВ.

Микроструктуру полученного материала изучали с помощью металлографического микроскопа МЕТАVERТ (фирмы REICНERТ, Австрия). Фотографирование микроструктуры осуществляли на микроскопе МЕР - 2 (той же фирмы). Испытания образцов на разрыв проводили на разрывной машине ЗИП Модель 2001 ГОСТ 7762-67. Замер микротвердости образцов осуществляли с помощью прибора микротвердости ПМТ - 3.

Третья глава. Для определения возможности получения порошкового материала ЭКУ был применен метод математического планирования эксперимента. В качестве параметров оптимизации были выбраны плотность и содержание связанного углерода. В результате реализации серии экспериментов на факторном поле и крутого восхождения по поверхности отклика были получены требуемые значения параметров оптимизации: плотности ρ=7,62 г/см3, достигаемое при следующих технологических режимах ЭКУ: плотность тока 36 МА/м2, длительность пропускания тока 40 с, давление прессования 253 МПа и содержание связанного углерода Ссвяз =0,45%, достигаемое при следующих технологических режимах ЭКУ: плотность тока 36 МА/м2, длительность пропускания тока 70 с, давление прессования 380 МПа.

Таким образом, в результате применения метода математического планирования эксперимента были установлены технологические режимы рассматриваемого процесса уплотнения, обеспечивающие получение порошкового материала с остаточной пористостью 1,5% и полным растворением углерода. Также было определено превалирующее влияние плотности электрического тока на пористость получаемого материала и длительности пропускания тока на количество связанного углерода, а также пластической деформации на формирование порошковой стали.

Для выявления последнего обстоятельства было проведено макромоделирование ЭКУ, в результате которого установлено, что без пластической деформации материала частиц не происходит формирования материала при установленных ранее режимах ЭКУ.

Для выявления закономерностей уплотнения и выяснения степени влияния на плотность материала таких технологических факторов как длительность пропускания электрического тока и давление прессования был предпринят ряд экспериментов, заключающихся в поочередном варьировании указанных параметров (рис.1).

Анализ зависимости, свидетельствует о монотонном понижении пористости с увеличением давления прессования. Однако при продолжительности пропускания электрического тока 10с выделяется участок зависимости с повышенной интенсивностью уплотнения, что позволяет рассматривать этот процесс как состоящий из двух стадий. Начальный период формирования порошкового материала кривой (10с), характеризующийся относительно высокой интенсивностью, отличается механизмом уплотнения. Первая стадия (p=МПа) представляет собой уплотнение с преобладанием структурной составляющей деформации пористого тела. Вторая стадия (p=МПа) с относительно низкой интенсивностью уплотнения обусловлена состоянием межчастичных контактов. Образование локальных каналов протекания тока, ограничивающих электрическое воздействие на материал, затрудняет его объемный нагрев и дальнейшее уплотнение.

р, МПа

П, %

J=36МА/м2

Рис. 1. Зависимость пористости материала от давления прессования при различной длительности пропускания электрического тока и плоскостях тока

( -10с, -20с, - 40с, - 70с), (-:ПЖР 3.200.28, --: ПЖВ 3.160.28)

В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что изменение значения плотности тока оказывает наибольшее влияние на плотность образцов, полученных методом ЭКУ.

На этапе изучения механических свойств получаемого порошкового материала предпочтение отдавалось исследованию образцов на временное сопротивление разрыву, ввиду того, что прочностная характеристика является одной из наиболее важных для материала конструкционного назначения, имеющего остаточную пористость. Характерные режимы и результаты электроконтактного уплотнения представлены в табл. 1. В последней колонке в числителе указаны значения предела прочности прессовок на основе порошка марки ПЖР 3.200.28, в знаменателе - ПЖВ 3.160.26.

Анализ зависимостей предела прочности порошкового материала от параметров ЭКУ показал, что изменения давления прессования и длительности пропускания электрического тока оказывают незначительное влияние на величину предела прочности исследуемого материала. Варьирование же плотностью тока приводит к существенному изменению его прочностных характеристик.

Таблица 1

Предел прочности порошкового материала в зависимости

от режимов электроконтактного уплотнения

	Режимы электроконтактного уплотнения	Предел
Плотность тока	Длительность про-	Давление прес-	прочности,
	J,МА/м2	пускания тока τ, с	сования р, МПа	σв, МПа
	1	2	3	4
	10	127 253 380	225/200 237/215 270/265
20	127 253 380	250/230 268/250 275/255
	32	40	127 253 380	332/315 340/320 350/335
	70	127 253 380	412/390 420/400 440/420
		10	127 253 380	240/225 255/240 293/287
36		127	280/265
20	253	332/320
	380	349/330
	127	329/310
40	253	332/325
	380	343/320
	127	353/335
70	253	365/340
			380	340/320

Результаты измерения микротвердости полученной порошковой стали показали (рис.2), что ее формирование при ЭКУ связано во многом с протеканием гомогенизацией материла. Если при минимальной продолжительности его микротвердость соответствует микротвердости феррита, то увеличение длительности ЭКУ приводит к расширению диапазона значений микротвердости. Причем минимальное значение сохранялось в течение 40с., что свидетельствует о сохранении в структуре ферритной фазы. Рост значений микротвердости объясняется растворением углерода в железе и образованием феррито-цементитных колоний. При повышении длительности ЭКУ до 70с наблюдается сокращение интервала изменения твердости, характерное при повышении степени однородности порошковой стали. При этом значение микротвердости превышает микротвердость перлита и соответствует микротвердости бейнитной структуры.