ВВЕДЕНИЕ 8
1 Анализ материалов и технологий обработки, применяемых для
производства штампов 13
1.1 Требования, предъявляемые к штампам горячего деформирования 13
1.2 Материалы, применяемые при производстве штампов 18
1.2.1 Штамповые стали 19
1.2.2 Сплавы тугоплавких металлов 33
1.2.3 Твердые сплавы 35
1.2.4 Биметаллы 35
1.3 Теория и практика изготовления биметаллов 36
1.3.1 Теория сцепления металлов 36
1.3.2 Практические результаты сцепления биметаллов 41
1.3.3 Изучение контактной зоны и пластических свойств биметалла 44
1.4 Технологии изготовления биметаллических изделий 45
1.4.1 Изготовление биметаллов литьем заливкой 45
1.4.2 Изготовление биметаллов пластическим деформированием 54
1.4.3 Изготовление биметаллов с помощью сварки и пайки 55
1.4.4 Сравнение методов получения биметаллов 57
1.5 Патентный поиск 60
2 Материалы и методы исследования 66
2.1 Материалы исследования 66
2.1.1 Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом 66
2.1.2 Штамповые стали 69
2.2 Методы исследования 73
3 Разработка материалов для биметаллических штампов 76
3.1 Разработка химического состава и способа получения высокопрочного
чугуна (Патент РФ 2605016) 79
3.2 Разработка химического состава и способа получения литой дисперсионно-твердеющей ферритокарбидной стали (Патент РФ 2605017) 88
3.3 Конструктивное решение биметаллического штампа для горячего деформирования системы «чугун - сталь» 98
4 Исследование переходного слоя биметаллической системы «сталь - чугун»
на примере толкателя клапана 101
4.1 Особенности работы и технологии изготовления толкателя клапана.. 101
5 Аналоговые исследования термомеханической усталости поверхностно - упрочненных штамповых сталей 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
Список использованной литературы 117
Актуальность работы. В современном мире важное значение приобретает получение новых материалов со специальными свойствами. Особая роль среди новых материалов со специальными свойствами принадлежит слоистым металлическим композициям. Такие материалы могут быть изготовлены соединением разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. Слоистая металлическая композиция, или слоистый металл, - это материал, состоящий из двух или более слоев разнородных металлов, обладающий новыми качествами, отличных от качеств исходных металлов, например, высокую прочность с коррозионной стойкостью, ударную вязкость с износостойкостью, прочность с высокой электро- и теплопроводностью и т. д. Основную часть этих материалов представляют биметаллы - металлические материалы, состоящий из двух слоев разнородных металлов или сплавов (например, сталь и алюминий, сталь и ниобий, алюминий и титан, титан и молибден и др.). Биметаллы применяют для повышения прочности и жаростойкости конструкций, снижения их массы с целью экономии дорогостоящих и дефицитных металлов или как материал со специальными свойствами [1 - 4].
Металлургической промышленностью освоены и выпускаются некоторые виды биметалла, находящие широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время биметалл как прогрессивный вид материала нашел применение в самых различных отраслях промышленности: в химической и нефтеперерабатывающей аппаратуре, в машиностроении и приборостроении, в судостроении и автотракторостроении, в сельском хозяйстве и электропромышленности, в инструментальной промышленности и радиоэлектронике и т. д. Применение в различных отраслях промышленности биметаллов непрерывно расширяется. Общий объем потребления толстолистового коррозионностойкого биметалла в России ориентировочно составляет 20 - 30 тыс. кв.м. в год. На 70 - 80 % она удовлетворяется за счет импортной продукции из Германии, Франции и США, стоимость которой в 1,5 - 2 раза превышает стоимость аналогичной продукции отечественного производства при одинаковом качестве товара [4].
Биметаллические двухслойные и трехслойные листы и полосы нашли широкое применение для различных инструментов. В результате широкого использования биметалла для режущего инструмента достигается значительная экономия высоколегированных сталей, имеющих дефицитные легирующие элементы, такие как хром, вольфрам, ванадий и др. Например, в качестве износостойкого слоя используют стали и сплавы, обладающие высокой стойкостью против абразивного износа. Высокоуглеродистые инструментальные стали с содержанием углерода 0.6...1.3% или различные легированные износостойкие стали, типа 6ХС; 85ХФ; 65Г; Х12 и др. Для основного слоя обычно используют малоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,06.0,5%. Механические свойства определяет основной слой металла, а износостойкие свойства - свойствами износостойкого металла. Способ изготовления: совместная прокатка, наплавка, сварка взрывом.
Трудность изготовления инструментов из биметаллов, состоит в том, что при выборе состав композиции необходимо учитывать не только механические свойства металлов, входящих в нее, но и совместимость режимов термической обработки. Объем производства биметаллов еще в ряде случаев значительно отстает от имеющихся потребностей в таком материале. Темпы роста производства освоенных, создание и освоение новых видов биметалла также не вполне отвечают требованиям и имеющимся возможностям [5 - 7].
Перспективно применение биметаллических композиций и для производства штампового инструмента с целью экономии дорогостоящих материалов и повышения их стойкости. Однако, в настоящее время такие композиции практически отсутствуют, что связано с недостаточным объемом исследовательских работ по данной теме.
Следовательно, разработка и исследование материалов для биметаллических штампов высокой стойкости является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования: Целью работы является разработка новых и экономичных материалов для изготовления биметаллических штампов системы «чугун - сталь», обладающих высокой теплостойкостью и долговечностью при производстве горячедеформируемых полуфабрикатов в машиностроении.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ химических составов, структуры и свойств сплавов, применяемых для производства штампов;
- изучить современные представления о влиянии режимов термической обработки на свойства сплавов, применяемых для производства штампов;
- выбрать материалы и методы их исследования;
- разработать химические составы и способы получения (обработки) чугуна и стали, обладающих высокой теплостойкостью и долговечностью для производства горячедеформируемых полуфабрикатов в машиностроении;
- исследовать переходный слой системы «чугун - сталь» на наличие структурных дефектов;
- исследовать влияние термической, химико-термической обработки штамповых сталей на физико-механические и специальные свойства в зависимости от температурно-силовых воздействий, характерных для штампов горячего деформирования.
Научная и практическая значимость работы.
1. Разработан химический состав и способ получения алюминиевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-бейнитной структурой с пределом прочности аВ > 1200 МПа путем бейнитной закалки из литого состояния без дополнительной термической обработки.
2. Разработан химический состав и способ получения литой дисперсионно-твердеющей ферритокарбидной стали путем утилизации отработанных сплавов типа: Т5К6, Т15К6, Т5К10, Т21К8, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К9, ТТ20К9 и Т30К4, содержащих карбиды титана (TiC), тантала (ТаС), вольфрама (WC).
3. Установлено, что биметаллические композиции системы «чугун - сталь» на примере толкателя клапана ДВС имеют качественный переходный слой, что позволит использовать разработанные материалы для производства биметаллических штампов, обладающих высокой теплостойкостью и долговечностью при производстве горячедеформируемых полуфабрикатов в машиностроении.
4. Установлено, что работоспособность штампового инструмента в варианте с диффузионным упрочнением определяется специфическими закономерностями разупрочнения и разрушения контактных зон. При этом возникновение трещин на начальных этапах эксплуатации не является определяющим. Положительное влияние борирования и азотирования на работоспособность штампов «Автофордж» связывается с повышенной структурной стабильностью зон диффузионного насыщения, обеспечивающей сохранение высокого уровня механических характеристик рабочих поверхностей инструмента - твердости, прочности, и как следствие высокой износостойкости. Анализ данных стойкостных испытаний штампов «Автофордж» показал, что работоспособность инструмента дополнительно подвергнутому азотированию, несмотря на возникновение трещин в упрочненном слое на ранних этапах эксплуатации, повышается на 30 - 50%.
5. Разработанные высокопрочный чугун и дисперсионно-твердеющая сталь могут быть использованы для других изделий машиностроения, как по отдельности, так и совместно.
6. Результаты исследования могут быть использованы на заводах ПАО КАМАЗ при производстве штампов горячего и холодного деформирования металлов.
7. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе НЧИ К(П)ФУ, при освоении дисциплин материаловедения, технологии конструкционных материалов и основы научных исследований.
Объект исследования: Высокопрочные чугуны и конструкционные стали и сплавы со специальными свойствами.
Предмет исследования. Химический состав, структура, свойства, способы термической обработки железоуглеродистых сплавов.
Методы исследования.
В работе использованы методы планирования эксперимента и статистического анализа для обработки экспериментальных данных. Для анализа химического состава и распределения элементов, определения физических, механических, литейных свойств чугунов и сталей опытных и промышленных плавок использовали современную аппаратуру и специальное оборудование, имеющееся на ПАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны), Набережночелнинском институте (филиале) КФУ.
Апробация работы. Основные материалы по теме диссертации были доложены на международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (г. Москва, 30 декабря 2014г.); на всероссийской научно-практической конференции «VIII Камские чтения» (г. Набережные Челны, 22 апреля 2016г.); на международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2016» (г. Казань, 2016г.); на всероссийской научно-практической конференции «IX Камские чтения» (г. Набережные Челны, 21 апреля 2017г.); на II всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Наука в движении: от отражения к созданию реальности» (г. Альметьевск, 15 июня 2017г.); на Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского федерального университета (г. Казань, 2017г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 11 работ, в том числе 2 патента на изобретения, 3 статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций.
1. На основе исследования литературных источников и производственных результатов установлены основные требования, предъявляемые к штамповому инструменту, эксплуатирующему в различных условиях. Показана целесообразность изготовления и использования биметаллических штампов.
2. Разработан способ получения алюминиевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-бейнитной структурой с пределом прочности аВ > 1200 МПа путем бейнитной закалки из литого состояния без дополнительной термической обработки.
3. Разработан способ получения литой дисперсионно-твердеющей ферритокарбидной стали путем утилизации отработанных твердосплавных металлокерамических вставок режущего инструмента из сплавов типа: Т5К6, Т15К6, Т5К10, Т21К8, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К9, ТТ20К9 и Т30К4, содержащих карбиды титана (TiC), тантала (ТаС), вольфрама (WC).
4. Установлено, что биметаллические композиции системы «чугун - сталь» на примере толкателя клапана ДВС имеют качественный переходный слой, что позволит использовать разработанные материалы для производства биметаллических штампов, обладающих высокой теплостойкостью и долговечностью при производстве горячедеформируемых полуфабрикатов в машиностроении. При практической реализации себестоимость оснастки только за счет экономии штамповой стали уменьшится ориентировочно в 2,6 раза.
5. Установлено, что работоспособность штампового инструмента в варианте с диффузионным упрочнением определяется специфическими закономерностями разупрочнения и разрушения контактных зон. При этом возникновение трещин на начальных этапах эксплуатации не является определяющим. Положительное влияние борирования и азотирования на работоспособность штампов «Автофордж» связывается с повышенной структурной стабильностью зон диффузионного насыщения, обеспечивающей сохранение высокого уровня механических характеристик рабочих поверхностей инструмента - твердости, прочности, и как следствие высокой износостойкости. Анализ данных стойкостных испытаний штампов «Автофордж» показал, что работоспособность инструмента дополнительно подвергнутому азотированию, несмотря на возникновение трещин в упрочненном слое на ранних этапах эксплуатации, повышается на 30 - 50%.
6. Разработанные высокопрочный чугун и дисперсионно-твердеющая сталь могут быть использованы для других изделий машиностроения, как по отдельности, так и совместно.
7. Результаты исследования могут быть использованы на заводах ПАО КАМАЗ при производстве штампов горячего и холодного деформирования металлов. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе НЧИ К(П)ФУ, при освоении дисциплин материаловедения, технологии конструкционных материалов и основы научных исследований.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
