Спосіб виготовлення заготівок з композиційних матеріалів

Винахід належить до порошкової металургії, головним чином, до способів виготовлення заготівель зносостійких деталей з порошкових композицій, що складаються зі сталевої основи з добавкою карбідів чи нітридів тугоплавких металів і може бути використаний при виготовленні зносостійких деталей привалкової арматури дрібносортних і дротових прокатних станів. У ввідних роликових коробках дрібно сортних і дротових станів ролики є одними з основних деталей, від яких залежить надійність роботи станів. У зв'язку з цим до них пред'являються високі вимоги по зносостійкості, особливо до роликів чистових клітей, у яких швидкість прокатки досягає - 100 м/сек. Тому в даний час для виготовлення роликів використовують зносостійкі композиційні матеріали, зміцнені карбідами, нітридами, оксидами. Однак, порошкова технологія, що використовується для одержання деталей з такого роду матеріалів, поєднана із цілим рядом проблем, таких як, відсутність постійної щільності, геометричних розмірів і інших характеристик. Крім того, механічна обробка таких роликів утруднена, за рахунок високої твердості їхнього матеріалу. Відомий спосіб виготовлення заготівок з композиційних інструментальних матеріалів на основі сталі, описаний в а. с. СРСР №1052555 МПК: С22С1/04, опубл. 16.07.82 р., що включає подрібнення, змішування порошків сталі і тугоплавкої сполуки, що містить титан і вуглець, пресування і спікання, яке проводять під тиском при температурі 1060-1140°С. Даний спосіб вимагає складного устаткування, і відрізняється складністю. Також відомий спосіб виготовлення заготівок з інструментальних матеріалів на основі сталі, описаний в а. с. СРСР №1586248 МПК: С22С33/02, заявлено 26.12.88р., що включає змішування вихідних компонентів шихти, попередній відпал у вакуумі при температурі 1100-1150°С, загружання суміші в капсулу, герметизацію і гаряче пресування. При цьому в шихту вводять додатково титановий порошок фракції до 10 мікрон, а перед відпалом шихту збагачують вуглецем в атмосфері природного газу при залишковому тиску (0,1-1,0)·. 103 Па і температурі 720-770°С. Цей спосіб відрізняється багатостадійністю і складністю і не призначений для одержання порожніх заготівок, тому що виготовлення капсули і її герметизація трудомісткі, а після гарячого пресування цю капсулу необхідно видалити. Слід також зазначити, що при гарячому пресуванні заготівки з низькою щільністю можлива втрата стійкості стінки капсули і, зв'язане з цим виникнення складок, що призводить до браку заготівки. Найбільш близьким до винаходу, що заявляється, по технічній суті і результату, що досягається, є спосіб виготовлення заготівок з композиційних матеріалів на основі сталі, описаний у статті И.Д. Бикова, Г.Л. Дуброва, Ю.Ф. Бокія й ін. «Досвід виготовлення інструмента з карбідосталі», опублікований у журналі Порошкова металургія, №5 за 1984р. Спосіб включає готування шихти шляхом спільного подрібнення, і змішування порошків сталі і карбіду титана, компактування її в заготівку, спікання у вакуумі при залишковому тиску зі ступінчастим режимом нагрівання і контрольованою швидкістю між окремими ступінями. При цьому, після спільного подрібнення порошків уводять 10%-ний розчин каучуку в бензині, сушать суміш при 50-70°С у вакуумі і пресують її при тиску 50-100 МПа до відносної щільності 45-50%. Проводять попереднє спікання, що здійснюють у середовищі аргону чи азоту при 600-700°С для видалення каучуку і залишків уайт-спириту й остаточно опікають у вакуумній печі при залишковому тиску 1 ·10-2-1·10-3 мм рт. ст., при температурі 1320-1380°С в спливанні 0,5 - часу. Режим нагрівання при цьому ступінчастий з контрольованою швидкістю між окремими ступінями. Спечені заготівки охолоджують з піччю до 200°С. Твердість заготівок після спікання 50HRC. Для поліпшення оброблюваності, при механічній обробці, заготівки додатково відпалюють по наступному режимі: нагрівають до 840 ± 10°С, витримують 2 часи, охолоджують до 760°С, витримують 8 годин, охолоджують з піччю до 600°С, далі на повітрі. При відпалі заготівки пакують в чавунну стружку. Твердість після відпалу 40-45 HRC. До недоліків описаного способу можна віднести трудомісткість усього процесу, яка зв'язана з великою тривалістю технологічного циклу. Так, багато операцій, таких як змішування з пластифікатором, вакуумне сушіння, попереднє спікання, і т.д. збільшують тр удомісткість і енергоємність процесу. Крім того, пресування в прес-формі забезпечує низьку щільність 45-50%, що створює велику імовірність ушкодження заготівок при здійсненні подальших операцій. До того ж звичайне пресування не забезпечує однорідної щільності заготівель, а це викликає нерівномірність усадки при спіканні і відповідно до перекручування її форми і розмірів, а при значній величині неоднорідності, до руйнування. Низька щільність заготівок не може забезпечити високі механічні властивості. Слід також зазначити обмежені можливості даного способу в частині одержання порожніх заготівель. Задачею дійсного винаходу є удосконалення способу виготовлення заготівок з композиційних матеріалів шляхом зміни технологічного циклу, що дозволить розширити асортимент заготівок, що виготовляються, і поліпшити їхні експлуатаційні характеристики. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення заготівок, що полягає в готуванні шихти шляхом подрібнення і змішування порошків сталі і тугоплавкої сполуки, компактуванні її в заготівку методом пресування, спіканні у вакуумі при залишковому тиску зі ступінчастим режимом нагрівання і контрольованою швидкістю між окремими ступінями й відпал, відповідно до винаходу подрібнення ведуть поетапно, спочатку порошок сталі до фракції не більш 93 мікрон, потім порошок тугоплавкої сполуки до фракції не більш 40 мікрон, після чого порошки змішують у співвідношенні 9:1-7:3 по вазі і здійснюють остаточне подрібнення до фракції не більш 40 мікрон. Перед компактуванням шихту формують в оболонкові газопроникні форми, герметизують і проводять пресування гідростатичним методом при тиску 300-1000МПа, а відпал заготівок здійснюють по ступінчастому режимі безпосередньо з температури спікання і забезпечують контрольовану швидкість охолодження. Крім того, при спіканні спочатку температуру збільшують до 0,6-0,7 Тпл. зі швидкістю 230-300°С в годину і витримують одну годину, потім температуру підвищують до 0,72-0,78Тпл. зі швидкістю 100-130°С в годину і витримують одну годину, далі підіймають температуру до 0,8-0,86 Тпл. зі швидкістю 60-80°С в годину і витримують дві години, після чого температур у доводять до 0,9-0,95 Тпл. зі швидкістю 70-80°С в годину, і витримують 0,5-1,5 години. Величина швидкості підняття температури призначається в залежності від розмірів заготівок. При цьому відпал призводять безпосередньо після процесу спікання, а саме, при охолодженні від температури спікання до 860°С, витримують дві години, охолоджують до 740°С зі швидкістю 50-60°С в годину, витримують протягом двох годин, потім охолоджують до 300°С зі швидкістю 150-160°С, після чого з піччю до 200°С і на повітрі до кімнатної температури. Запропонований спосіб відрізняється від відомого послідовністю і кількістю виконуваних операцій технологічного циклу і його режимами. У способі, що заявляється, подрібнення порошків ведуть роздільно, кожного до визначеної фракції, потім змішують у заданих співвідношеннях і вже, потім подрібнюють до фракції не більш ніж 40 мікрон, а по прототипі порошки відразу змішують і подрібнюють. За допомогою запропонованого способу виготовлення шихти ми одержуємо оптимальний гранулометричний склад, що забезпечує підвищене пресування шихти, найбільш рівномірний розподіл тугоплавкої добавки і високу щільність при спіканні. Важливим є те, що шихту формують у газопроникні оболонкові форми, після чого герметизують. Це забезпечує однорідно напружено-здеформований стан при компактуванні порожніх заготівок, тому що при цьому пресування здійснюється за схемою всебічного стиску. Крім того, гідростатичне пресування в газопроникній оболонці дозволяє одержувати заготівлі високої й однорідної щільності 75-80% без пластифікатора з високою міцністю, які можна піддавати перед спіканням попередній механічній обробці. Верхня межа величини тиску відповідає меншому значенню змісту тугоплавкої сполуки і навпаки. Сполучення процесу відпала з процесом спікання дозволяє знизити витрати енергії, зменшити час проведення відпалу і трудомісткість, а також підвищити якість, тому що він здійснюється у вакуумі. Режими ступінчастого нагрівання з контрольованою швидкістю між ступінями і режими відпалу визначені дослідним шляхом з метою забезпечення плавного і рівномірного прогріву заготівок по всьому перетині, а також для забезпечення протікання дифузійних процесів і зменшення залишкових напруг при спіканні. Зниження температури спікання нижче 0,9-0,95Тпл призводить до зниження відносної щільності, а підвищення вище до оплавлення заготівель, при цьому більше значення температури відповідає більшій кількості тугоплавкої сполуки, менший час витримки відповідає більшому значенню температури і навпаки. Приклад Методом порошкової металургії, застосовуючи запропонований спосіб, одержували заготівлі напрямних роликів ввідних коробок дротового прокатного стану з розмірами - зовнішній діаметр 56 мм, діаметр отвору 30 мм, висота 30 мм вагою 370 г. з порошку карбідосталі. Як основу використовували газо-розпилений порошок швидкорізальної сталі марки Р6М5Ф3 з додаванням 20% по вазі карбіду титана. Шихту готували таким способом: порошок основи розмелювали і розсіювали до фракції не більш 93 мікрон, а порошок карбіду титана розмелювали до фракції не більш 40 мікрон, після чого робили спільний розмел і розсів шихти до фракції не більш 40 мікрон. Виготовлена шихта засипалася в паперову оболонку подібної форми, яка запаковувалася, герметизувалася поліетиленовою плівкою і піддавалася гідростатичному пресуванню при тиску 600 МПа. Після гідропресування заготівка розпаковувалася і призволилось спікання у вакуумній печі при залишковому тиску 1.10-2 мм рт. ст. по наступному ступінчастому режимі: нагрів до 900 °С зі швидкістю 250°С в годину, витримка протягом 1 години, потім підйом зі швидкістю 110°С в годину до 1150°С, підйом до 1250°С зі швидкістю 60-80°С в годину, витримка 2 години, підйом до 1380°С зі швидкістю 70-80°С в годину, витримка 40 хвилин, після чого охолодження до 860°С зі швидкістю 100°С в годину, витримка протягом 3,5 годин, потім зниження до 740°С з витримкою при цій температурі 2 години й охолодження до 300°С зі швидкістю 150°С в годину, потім охолодження з піччю до 100°С, а далі на повітрі. Відносна щільність заготівель після спікання складає 95-98%, твердість - 35-37 HRC. Запропонований спосіб виготовлення заготівок з композиційних матеріалів на основі сталі, дозволяє одержувати заготівки високої й однорідної щільності і міцності, без пластифікатора. Знижує трудомісткість і енергоємність процесу, поліпшує експлуатаційні характеристики заготівок і розширює асортимент заготівок, які виготовляються, дозволяючи одержувати порожні заготівки. Ролики ввідних коробок, виготовлені за допомогою запропонованого способу, пройшли виробничі іспити на дротовому прокатному стані Криворізького державного гірничо-металургійного комбінату «Криворіжсталь». Стійкість роликів до перешліфовування калібру склала 2000-2500 т. Для порівняння - стійкість сталевих роликів, виготовлених зі сталей ШХ15 чи Х12Ф1, складає 200-300 т.