Спосіб виготовлення заготівок з композиційних матеріалів

1. Спосіб виготовлення заготівок з композиційних матеріалів, при якому готують шихту шляхом подрібнення і змішування порошків сталі і тугоплавкої сполуки, компактують її в заготівку методом пресування, здійснюють попереднє і остаточне спікання у вакуумі при залишковому тиску із ступінчастим режимом нагрівання і контрольованою швидкістю між окремими ступенями, відпалюють, який відрізняється тим, що подрібнення проводять поетапно, спочатку порошок сталі подрібнюють до фракції не більше 93 мікрон, потім порошок тугоплавкої сполуки - до фракції не більше 40 мікрон, після чого порошки змішують у співвідношенні 9:1-7:3 по вазі і здійснюють остаточне подрібнення до фракції не більше 40 мікрон, перед компактуванням шихту формують у газопроникні оболонкові форми і герметизують, а пресування здійснюють за тиском 300-600 МПа методом гідростатичного пресування, потім заготівку розпаковують і проводять попереднє спікання у вакуумі при 0,7-0,8#Тпл, а перед остаточним спіканням заготівку герметизують, допресовують тиском 700-1000 МПа і проводять механічну обробку, після чого здійснюють остаточне спікання при 0,94-0,95«Тпп із нагріванням у заданому режимі, а відпал заготівки призводять безпосередньо з температури спікання в ступінчастому режимі і забезпечують контрольовану швидкість охолодження. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що попереднє спікання здійснюють в наступному режимі, спочатку заготівку нагрівають до 700°С зі швидкістю 200-250°С за годину і витримують протягом однієї години, потім підвищують температуру до 0,7-0,8*Тпл зі швидкістю 100-120°С за годину і витримують дві години, після чого охолоджують до 700°С з швидкістю 100-120°С за годину, а надалі з піччю. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при остаточному спіканні заготівку спочатку нагрівають до 0,8-085#Тпл зі швидкістю 200-250°С за годину і витримують одну годину, далі піднімають температуру до 0,9*Тпл зі швидкістю 60-80°С за годину і витримують одну годину, потім піднімають температуру до 0,94-0,95'Тпл зі швидкістю 70-80°С за годину і витримують 0,5-1,5 години в залежності від кількості тугоплавкої добавки. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що охолодження при відпалі здійснюють від температури спікання до 860°С зі швидкістю 100-120°С за годину і витримують протягом чотирьох годин, потім охолоджують до 740°С зі швидкістю 40-60°С за годину і витримують дві години, після цього охолоджують до 300°С зі швидкістю 140-160°С і з піччю-до 100°С. Корисна модель належить до порошкової металургії, головним чином, до способів виготовлення заготівок зносостійких деталей з порошкових композицій, що складаються зі сталевої основи з добавкою карбідів чи нітридів тугоплавких металів. Відомий спосіб виготовлення інструментальних матеріалів на основі сталі, описаний в а.с. СРСР №1586248 МПК: С22СЗЗ/02, який заявлено 26.12.88р., що включає змішування вихідних компонентів шихти, попередній відпал у вакуумі при 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) 10 Па і температурі 720770°С. Цей спосіб є складним, крім того, при виготовленні порожніх заготівель виготовлення капсули і її герметизація самі по собі мають високу трудоміст о со 4306 кість, після гарячого пресування ще необхідне видалення капсули. Слід також зазначити, що при гарячому пресуванні заготівки з низькою щільністю можлива втрата стійкості стінки капсули і, зв'язане з цим виникнення складок, що може привести до браку заготівки. Також відомий спосіб виготовлення виробів з порошкових композиційних матеріалів (патент України №47662 МПК: B22F3/16 від 15.07.2002), що включає розмелювання і змішування шихти з порошків легованої сталі і титана і вуглецю в кількості 16-20% стосовно титана, спікання при температурі на 5-20°С вище температури солідус у системі легована сталь-титан, а після спікання гарячу деформацію при температурі нижче температури спікання. Даний спосіб не дозволяє одержувати порожні заготівки, тому що спікання при зазначеній температурі не забезпечує високу щільність, що призводить до низького рівня пластичності, а це у свою чергу створює велику імовірність руйнування спечених заготівель при гарячій деформації. Найбільш близьким до способу, що заявляється по технічній суті і результату, що досягається, є спосіб виготовлення заготівок з порошкових композиційних матеріалів описаний у статті И.Д. Бикова, Г.Л. Дуброва, Ю.Ф. Бокія та 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 на повітрі чи у вакуумі, пресують за тиском 50ЮОМПа до відносної щільності 45-50%, попередньо опікають, у середовищі аргону чи азоту при 600-700°С для видалення каучуку і залишків уайтспириту і остаточного опікають, у вакуумній печі при залишковому тиску (1 10~2-1 10"3)мм рт.ст., при температурі 1320-1380°С в спливанні 0,5-1,5 часу. Режим нагрівання при цьому ступінчастий з контрольованою швидкістю нагрівання між окремими ступінями. Спечені заготівки охолоджують з піччю до 200°С. Твердість заготівок після спікання 50 HRC. Для поліпшення оброблюваності при механічній обробці, заготівлі відпалюють по наступному режимі: нагрів до 840±10°С, витримка 2 часи, охолодження до 760°С, витримка 8 часів, охолодження з піччю до 600°С, далі на повітрі. При відпалюванні заготівки пакуються в чавунну стружку. Твердість після відпала дорівнює 40-45 HRC. До недоліків відомого способу варто віднести обмеженість його технологічних можливостей, яка не дозволяє виготовляти великогабаритні порожні заготівки високої якості. Процес виготовлення трудомісткий і тривалий (змішування з пластифікатором, вакуумне сушіння, попереднє спікання, відпал), а пресування в прес формі забезпечує низьку щільність 45-50%. До того ж звичайне пресування не забезпечує однорідної щільності, особливо зі збільшенням розмірів заготівок. Це викли кає 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 навіть при високій щільності. Слід також зазначити обмежені можливості даного способу в частині одержання заготівок складної форми і великих розмірів. Задачею дійсного винаходу є удосконалення способу виготовлення заготівок з композиційних матеріалів шляхом зміни технологічного циклу, що дозволяє одержувати великогабаритні заготівки складної форми і високої якості. Поставлена задача досягається тим, що в способі виготовлення заготівель з композиційних матеріалів, при якому готовлять шихту шляхом подрібнення і змішування порошків сталі і тугоплавкої сполуки, компактують її в заготівку методом пресування, здійснюють попереднє й остаточне спікання у вакуумі при залишковому тиску зі ступінчастим режимом нагрівання і контрольованою швидкістю між окремими ступінями, відпалюють, відповідно до винаходу подрібнення призводять 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 у газопроникні оболонкові форми і герметизують, а пресування здійснюють при тиску 300-600МПа методом гідростатичного пресування, потім заготівку розпаковують і проводять попереднє спікання у вакуумі при (0,7-0,8)Тпл, а перед остаточним спіканням заготівку герметизують, допресовують тиском 700-1 ОООМПа і проводять попередню механічну обробку, після чого здійснюють остаточне спікання при (0,94-0,95)Тпл із нагріванням по заданому режимі, а відпал заготівки призводять безпосередньо з температури спікання по ступінчастому режимі і забезпечують контрольовану швидкість охолодження. Крім того, попереднє спікання здійснюють по наступному режимі: спочатку заготівку нагрівають до 700°С зі швидкістю 200-250°С в годину і витримують протягом однієї години, потім підвищують температуру до (0,70,8)Тпл зі швидкістю 100-120°С в годину і витримують дві години, після охолоджують до 700°С зі швидкістю 100-120°С в годину, і далі охолоджують з піччю. При остаточному спіканні нагрів ведуть до (0,8-085)Тпл зі швидкістю 200-250°С в годину і витримують одну годину, далі підіймають температуру до 0,9Тпл зі швидкістю 60-80°С в годину і витримують одну годину, потім підіймають температуру до (0,94-0,95)Тпл зі швидкістю 70-80°С в годину і витримують 0,5-1,5 години в залежності від кількості тугоплавкої добавки. А при відпалі спочатку заготівки охолоджують від температури спікання до 860°С зі швидкістю 100-120°С в годину і витримують протягом чотирьох годин, потім охолоджують до 740°С зі швидкістю 40-60°С в годину і витримують дві годин, після чого охолоджують до 300°С зі швидкістю 140-160°С, з піччю до 100°С і на повітрі до кімнатної температури. Запропонований спосіб відрізняється від відомого послідовністю і кількістю виконуваних опера 4306 цій технологічного процесу і його режимів У способі, що заявляється, подрібнення порошків призводять роздільно, кожного до визначеної фракції, потім змішують у заданих співвідношеннях і вже потім подрібнюють до фракції не більш 40 мікрон, а по прототипі порошки відразу змішують і подрібнюють За допомогою запропонованого способу виготовлення шихти ми одержуємо оптимальний гранулометричний склад, що забезпечує підвищену пресуємість 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 однорідне напружено здеформований стан при компактуванні порожніх заготівок, тому що при цьому пресування здійснюється за схемою всебічного стиску Зниження температури спікання нижче (0,94-0,95)ТПЛ призводить до зниження відносної ЩІЛЬНОСТІ, а підвищення вище верхньої межі до оплавлення заготівок, при цьому більше значення температури відповідає більшому змісту тугоплавкої сполуки, менший час витримки відповідає більшому значенню температури і навпаки Гідростатичне пресування в газопроникній оболонці дозволяє одержувати заготівки 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 КІЛЬКОСТІ тугоплавкої сполуки і навпаки Сполучення процесу відпалення дозволяє знизити витрати енергії, зменшити час проведення відпалу і трудомісткість, а також підвищити якість, тому що він здійснюється у вакуумі Перевагами способу, що заявляється, є можливість одержання зносостійких порожніх заготівель на основі сталі, у тому числі інструментальної, з високою КІЛЬКІСТЮ карбідної фази, крім того, даний спосіб дозволяє одержувати великогабаритні заготівки високої якості Приклад ВІДПОВІДНО ДО запропонованого способу виготовляли заготівок напрямних роликів наступних розмірів ЗОВНІШНІЙ діаметр 65мм діаметр отвору 30мм, висота 44мм вагою 820г Як основу використовувався газорозпилений порошок швидкорізальної сталі Р6М5ДО5 із уведенням 20% (вага) карбіду титана Шихту готували таким способом порошок основи розмелювали і розсіювали до Комп ютерна верстка В Мацело 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 Приготовлена шихта засипалася в паперову оболонку подібної форми, яка запаковувалася Далі додавали гідростатичне пресування при тиску 500МПа, після чого заготівку розпаковували і робили попереднє спі2 кання у вакуумі при залишковому тиску 1 10 мм рт ст по наступному ступінчастому режимі нагрів до 700°С зі швидкістю 220°С в годину, витримка в спливанні однієї години, потім підйом зі швидкістю 110°С в годину до 1080°С, витримка дві години, охолодження зі швидкістю 110°С в годину до 700°С, далі - охолодження з піччю Отриману заготівку (практично без помітної усадки, але суттєво зміцнену) знову герметизували і допресовували тиском 800МПа При цьому одержали заготівку з відносною ЩІЛЬНІСТЮ 88-83% і досить міцну для того, щоб її можна було піддати механічній обробці Заготівку піддавали механічній обробці, по розмірах, що враховує усадку при спіканні, - ЗОВНІШНІЙ діаметр 69мм, діаметр отвору 32мм, висота 47мм, потім робили остаточне спікання по режиму нагрів до 1100°С зі швидкістю 220°С в годину, витримка одна година, подальший підйом до 1200сС зі швидкістю 70°С в годину, далі нагрів до 1370°С зі швидкістю 70°С в годину, витримка одна година Після ЦЬОГО охолодження до 860°С зі швидкістю 110°С в годину, витримка в спливанні чотирьох годин, зниження до 740°С зі швидкістю 50°С в годину і витримка при цій температурі дві години, далі охолодження до 300°С зі швидкістю 150°С в годину, далі з піччю до 100°С, а потім охолодження на повітрі У результаті спікання отримані заготівки наступних розмірів ЗОВНІШНІЙ діаметр 65,6мм, діаметр отвору 32,2мм, висота 46,8мм Відносна ЩІЛЬНІСТЬ спечених заготівель 95-98%, твердість 37-40 HRC Ролики ввідних коробок діаметром 60мм, довжиною 40мм, виготовлені зі спечених заготівок, пройшли виробничі іспити на сортовому прокатному стані 350 Оскольського електрометалургійного комбінату СТІЙКІСТЬ роликів до перешліфовки калібру склала 2000-2500т, для порівняння - СТІЙКІСТЬ сталевих роликів, виготовлених зі сталей ШХ15 чи Х12Ф1 складає 200-ЗООт Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності вул Урицького 45 м Київ МСП 03680 Україна ДП Український інститут промислової власності вул Глазунова 1 м К и ї в - 4 2 01601