Спосіб виготовлення комбінованих виробів

Реферат: Спосіб виготовлення комбінованих виробів включає змішування та спікання в безокисних умовах у герметичному контейнері з низьковуглецевої сталі суміші на основі порошкових відходів твердого сплаву та пластичної матриці. Твердосплавні та/або конструкційні сталеві елементи довільної форми просочуються розплавом чавуну, який утворюється при спіканні брикетів на основі порошків заліза і вуглецю. UA 98425 U (12) UA 98425 U UA 98425 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі порошкової металургії, зокрема виготовлення зносостійких комбінованих виробів сталь - чавун і їх поєднань з твердими сплавами. Чавуни та сталі мають різні фізико-механічні та трибологічні властивості, і суттєво відрізняються за механічною обробкою. Поєднання сталей і чавунів у єдиному виробі дозволить досягати оптимальної комбінації їх корисних властивостей, тобто поєднувати тверді, але крихкі, чавуни з більш м'якими, але більш в'язкими і пластичними сталями. Відомий спосіб виготовлення щільних матеріалів на основі порошку заліза, що включає спільне пресування двошарової заготовки: низ - залізний порошок, верх - суміш порошків заліза і феробору, вакуумного нагріву отриманої заготовки для розплавлення ущільненої суміші залізо - феробор, з витримкою протягом 15 хв. для просочування залізного каркасу утвореним розплавом залізо-бор (А.К. Машков, В.И. Гурдин, Е.Л. Поляков. Борсодержащий материал для пропитки железных прессовок // Порошкова металургія. - 1979. - № 5. - С. 80-82). Незважаючи на здешевлення одержуваного матеріалу за рахунок заміни порошку аморфного бору феробором, цей спосіб має наступні недоліки: 1) складність і довга тривалість технологічного процесу, обумовлені проведенням вакуумного спікання; 2) низька твердість, і відповідно, зносостійкість одержуваного матеріалу. Ці недоліки не дозволили реалізувати промислове використання способу. Відомий спосіб виготовлення виробів з вибіленого чавуну заливанням його розплаву в сталевий кокіль з подальшим отриманням чавунної виливки (Литье в кокиль /Бураков С.Л., Вейник А.И., Дубинин Н.П. и др. - Μ.: Машиностроение, 1980. - 415 с.). Цей спосіб не дозволяє виготовляти вироби, що складаються з комбінацій чавуну і сталі, тобто корисно поєднують властивості різнорідних матеріалів. Відомий спосіб виготовлення зливків сплаву з високим опором зносу, який включає плавлення чавуну заданого складу до якого додають карбід вольфраму у вигляді кускових відходів або порошку, отриманого розмелом відходів твердих сплавів, а також хром для регулювання розчинності карбіду вольфраму (Євразійська патентна організація. Патент № 004363, МПК С22С 1/02, 32/00, 33/04, 37/06, 29.4.2004, Бюл. № 2. Сплав на основе железа, содержащий карбид хрома-вольфрама, и способ его получения). Спосіб має наступні недоліки: 1) неможливість отримувати комбіновані вироби чавун - сталь; 2) крихкість одержуваних литтям виробів, притаманна всім виробам виготовлених цілком з вибілених чавунів; 3) підвищена витрата дорогого і дефіцитного вольфраму. Відомий спосіб зварювання швидкорізальної і марганцевої низьковуглецевої сталей, реалізований в результаті горіння ущільненої термітної порошкової суміші, що розміщується над зазором, між зварюваними пластиною із швидкорізальної сталі та державкою з марганцевистої сталі (Патент України №85624, МПК В23Р 15/00, 10.02.2009, Бюл. № 3. Спосіб металотермічного приварювання інструментальної пластини із швидкорізальної сталі до основи інструменту.). Цей спосіб має основні недоліки, властиві й іншим металотермічним процесам: технологічна складність або технічна неможливість утворення композиційних шарів з матеріалу, одержуваного плавленням, пожежна небезпечність, можливість реалізації тільки на спеціалізованих ділянках. Відомий спосіб біметалічного лиття, що включає операції очищення та підготовки контактної поверхні твердої заготовки, розміщення її в ливарній формі, безокисного спікання, виливу розплаву на тверду заготовку та утворення міцного зв'язку між охолодженим розплавом і контактною поверхнею твердої заготовки (Технологические особенности производства биметаллических (многослойных) отливок. Ширяев В.В., Пеликан О.Α., Шинский И.О., Глушков Д.В. и др.// Металл и литье Украины. - 2009. - № 7/8. - С. 52-56). Цей високоефективний і широкого використовуваний спосіб виробництва біметалевих виробів з високою зносостійкістю має такі наступні недоліки: 1) складність і, відповідно, можливість його реалізації тільки на спеціалізованих ділянках і підприємствах; 2) спосіб практично непридатний для виготовлення деталей, малого об'єму; 3) недостатня гнучкість способу, що перешкоджає отриманню функціонально необхідної комбінованої макроструктури частини виробів, що кристалізується з розплаву. Найбільш близьким аналогом є спосіб виготовлення зносостійкого матеріалу, який містить частинки відходів твердих сплавів та пластичну матрицю на основі міді, хрому і титану (Патент РФ 2472866, МПК С22С 1/05, B22F 3/14, С22С 29/00, 26.04.2011. Порошковый износостойкий материал и способ его изготовления). Суміш порошків герметизують у контейнері з низько вуглецевої сталі, який нагрівають до температури 1150-1200 °C, витримують 15-30 хв., охолоджують до 950-1000 °C та пресують під тиском 150-200 МПа. 1 UA 98425 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб має наступні недоліки: використання у якості матриці дорогих порошків міді, хрому, титану, що схильні до окислювання, складність технології через необхідність герметизації контейнера та використання наступного пресування. В основу корисної моделі поставлено задачу отримання комбінованих виробів з підвищеними трибологічними властивостями, таких як сталь - вибілений чавун - твердий сплав; сталь - вибілений чавун - сталь; сталь - сірий чавун - сталь. Поставлена задача вирішується шляхом отримання комбінованих виробів на основі порошкових відходів твердого сплаву та пластичної матриці, що включає змішування та спікання в безокисних умовах у герметичному контейнері з низьковуглецевої сталі, додатково твердосплавні та/або конструкційні сталеві елементи довільної форми просочуються розплавом чавуну, який утворюється при спіканні брикетів чавуну на основі порошків заліза і вуглецю. Суть корисної моделі полягає в тому, що твердосплавні та/або конструкційні сталеві елементи довільної форми просочуються розплавом чавуну, який утворюється при спіканні брикетів на основі порошків заліза і вуглецю (графіт, сажа, коксовий пил). Для утворення, необхідних комбінацій твердих і м'яких складових в порожнину холодної форми попередньо розміщають конструкційні елементи, що мають щільність вищу ніж щільність розплаву чавуну, яким заповнюється порожнина. Заявлений спосіб реалізують наступним чином. Виготовляють тверду заготовку зі сталі, яка має відкриту порожнину необхідного розміру і заданої форми. Виготовляють брикети з порошкових сумішей, що містять такі компоненти: - залізо і вуглець (графіт, сажа, коксовий пил): - феросплави: ферохром, феромарганець і інші феросплави, необхідні для підвищення твердості вибіленого чавуну, що утворюється при плавленні брикету. Переважно використання залізовмісних порошків, які є відходами: висіву виробництва залізного порошку, порошкові відходи виробництва шарикопідшипників зі сталі ШХ15, порошки і дрібна стружка, отримані при точінні сталей і чавунів. Зазначені залізовмісні порошки змішують з порошком вуглецевого матеріалу і з порошком феросплавів. Із зазначених порошків отримують суміші необхідного складу, які піддають ущільненню будь-яким відомим способом переважно їх пресуванням у сталевих прес-формах при тиску 400-800 МПа для отримання брикетів, які займають мінімальний об'єм. Підвищення щільності брикетів деяких сумішей прискорює їх плавлення. Отримані брикети використовують переважно "в сирому" вигляді. Можливе проведення плавлення брикетів і заповнення їх розплавом порожнини твердої заготовки у вакуумі, але для цього необхідно попередньо їх відпалити для виділення домішок і газів. Крім зазначених порошкових брикетів, використовують також компактні конструкційні елементи різних необхідних форм: сфер, циліндрів, трубок, гранул та ін., які виготовлені зі сталі і мають 3 щільність на 0,5-0,6 г/см більш високу, ніж щільність розплаву чавуну. Ці елементи попередньо розміщують в порожнині сталевої заготовки, що заповнюється розплавом чавуну. У цьому випадку в закристалізованому чавуні отримують композиційний матеріал чавун - сталь. Використовують також конструкційні елементи з інших матеріалів. Для істотного підвищення твердості чавуну, використовують подрібнені відходи твердих сплавів на основі карбіду вольфраму. Ці відходи мають щільність у ~ 2 рази більшу, ніж щільність розплавів чавунів і не спливають в них. У цьому випадку отримують конструкційні елементи з твердого сплаву, розміщені в чавуні, що заповнює порожнину, виконану в заготовці зі сталі, тобто потрійну комбінацію різних матеріалів в одному виробі. Замість відходів твердих сплавів WC-Co, переважно використання спеціально виготовлених порівняно дешевих важких твердих карбідних і боридних сплавів і керметів: Cr 3C2-WC, Cr3C2WC-Ni, TiC-WC-Ni, TiB2-WB-Fe та ін. Відмінною особливістю цього нового типу сплавів є 3 щільність на 0,2-0,5 г/см більш висока, ніж щільність розплаву чавуну. У цих сплавах вольфрам використовується в основному в якості компонента, що дозволяє підвищувати щільність твердих сплавів до щільності достатньої для їх занурення в розплав. Тому витрати дорогого і дефіцитного вольфраму при їх виготовленні є мінімальними. Перевищення щільності конструкційних елементів (в тому числі гранул), що розподіляються в розплаві, над щільністю самого розплаву забезпечує їх природне занурення, тобто перешкоджає їх спливанню, незалежно від їх змочування розплавом і, відповідно, спрощує і здешевлює процес виготовлення виробів різноманітної морфології. Використання описаного принципу підвищення ваги твердих сплавів на основі хрому і титану дозволяє реалізувати заявлений спосіб найбільш простим і надійним чином. Мінімальну витрату вольфраму реалізують при використанні твердих сплавів на основі карбідів хрому. Для виготовлення комбінованого виробу брикети, у кількості необхідній для утворення розплаву і заповнення порожнини, укладають в порожнину сталевої заготовки, а також 2 UA 98425 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розташовують над порожниною. Отриману зборку нагрівають в безокисних умовах при температурі, що забезпечує плавлення порошкового брикету при температурі вище евтектичної в системі залізо - вуглець, переважно при 1150-1200 °C протягом 0,5-1,5 год. При нагріванні протікає взаємодія компонентів порошкового брикету на основі порошків заліза і вуглецю з утворенням розплаву чавуну, який заповнює порожнину в твердій сталевій заготовці. Після охолодження отримують форму, заповнену сірим або вибіленим чавуном, що має високу твердість. При проведенні процесу заповнення порожнини розплавом чавуну сталева форма не розчиняється в чавуні, а насичується вуглецем. Це не створює жодних труднощів при фінішній токарній обробці зовнішньої сталевої частини виробу в остаточний розмір. Верхню площину комбінованого виробу сталь - чавун - твердий сплав піддають шліфуванню й поліруванню, що також реалізують без будь-яких ускладнень. Після механічної обробки отримують виріб, що складається зі сталевої порівняно м'якої оболонки, в якій розміщена тверда серцевина або макрокомбінація на основі чавуну. Такий виріб дозволяє вдало поєднати різні за властивостями його складові в рамках однієї конструкції та має високу зносостійкість і знижену крихкість. Крім бінарного поєднання "сталева форма - чавун" заявлений спосіб дозволяє заповнювати об'єм порожнини форми вертикально розташованими не одним, а декількома розплавами чавунів, шляхом розміщення брикетів, що утворюють чавуни різного складу в різних частинах форми. Тобто, спосіб дозволяє гнучко управляти хімічним складом розплавів, що заповнюють порожнину, за рахунок використання тонких сталевих перегородок. Заявлений спосіб може бути використаний переважно для виготовлення зносостійких виробів, що включають в горизонтальній площині кільце або коло з чавуну. Переважно виготовлення виробів з наступних основних комбінацій матеріалів: сталь - вибілений чавун твердий сплав; сталь - вибілений чавун - сталь; сталь - сірий чавун - сталь. За рахунок використання твердих включень у комбінованому виробі, трибологічні властивості матеріалу поліпшуються у 20-25 разів у порівнянні з вибіленим чавуном. Ці комбіновані матеріали можуть бути використані для виготовлення зносостійких пар тертя, переважно ущільнювальних кілець. Наведені переваги заявленого способу ілюструються наступними прикладами його реалізації. Приклад 1. Для виготовлення комбінованого матеріалу сталь - чавун в якості твердих заготовок використовували циліндричні стаканчики з сталі 3 висотою 20 мм і діаметром 21 мм, що мали стінку і дно товщиною 2,5 мм. Стаканчики виготовляли токарною обробкою трубної заготовки і виточуванням з прутка сталевого дна, яке забивали в трубну заготовку. Поверхня виготовлених стаканчиків не мала слідів іржавіння і термічного окислення. Для отримання розплаву чавуну використовували порошки наступних матеріалів: заліза марки ПЖР 3.200.28, графіту, феромарганцю вуглецевого марки ФМн-75, ферохрому вуглецевого марки ФХ-800. Порошки заліза і графіту використовували в стані поставки, феросплави піддавали помелу після чого просівали через сито з розміром вічка 40 мкм. Зазначені матеріали змішували вручну в порцеляновій ступці з отриманням наступних складів (мас. %): 1) Fe - 91,0, графіт - 4,0, ферохром - 5,0; 2) Fe - 90,3, графіт - 4,7, ферохром - 5,0. Суміші пресували при тиску 700 МПа в роз'ємній сталевий прес-формі з робочим діаметром 10 мм. Отримані циліндричні брикети мали пористість ~ 12 %. Їх укладали на дно стаканчиків так, щоб вони виступали вище горловини. Нагрівання отриманих зборок проводили при подвійній упаковці в неповністю герметизовані контейнери наступним чином. На дно циліндричного графітового тигля укладали крупку фтористого кальцію (CaF 2) з розміром частинок 1-3 мм. На шар крупки встановлювали стаканчики, після чого досипали крупку в зазори між стаканчиками і стінкою графітового тигля. В результаті цього стаканчики безконтактно фіксували шаром крупки в графітовому тиглі та закривали графітовою кришкою. Для утворення відновної атмосфери при нагріванні на дно тигля і стаканчиків укладали стружку парафіну. Упакований закритий тигель поміщали на дно циліндричного контейнера з жаростійкої сталі. Об'єм, що залишився в контейнері заповнювали до самої горловини засипкою складу (мас. %) прожарений пісок - 98, порошок графіту - 2. Горловину контейнера накривали плоскою сталевою кришкою з буртом. Упакований описаним чином контейнер нагрівали в термічній печі з повітряною атмосферою при температурі 1200 °C протягом 1 год. У результаті нагрівання порошкових брикетів відбувалася взаємодія заліза з графітом з утворенням розплавів синтетичних хромистих заевтектичних чавунів, які заповнювали порожнини стаканчиків. Після охолодження контейнери розпаковували, стаканчики розрізали уздовж вертикальної осі і виготовляли шліфи. Отримані шліфи свідчать про повне змочування і 3 UA 98425 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зчеплення зі сталевими стінками і дном стаканчиків чавунів, що утворилися при плавленні брикетів. Твердість чавунних сердечників становила ~ 45-47 HRC, інтенсивність зношування 0,025 г, коефіцієнт тертя - 0,2. Травлення шліфів дозволило встановити, що змочування сталевих стаканчиків розплавами чавунів не призводить до розчинення в них сталевої стінки і дна стаканчиків. При змочуванні чавуном переважно протікає навуглецювання сталевих стаканчиків вуглецем, що надходить з чавуну. Проведені експерименти показали, що можлива проста і недорога реалізація заявленого способу без проведення нагріву у вакуумі і в проточній захисній газовій атмосфері. Приклад 2. Для виготовлення комбінованого матеріалу сталь - чавун - сталь з ускладненою морфологією використовували ті ж матеріали, що й наведені в Прикладі 1 за винятком того, що брикети отримували пресуванням порошкової суміші складу (мас. %): Fe - 91, феромарганець 4,7, графіт - 4,3. Також використовували конструкційні вставки - сталеві елементи висотою 13-15 мм у формі трубок і циліндрів, виготовлених із сталі 3. Вставки поміщали в сталеві стаканчики вертикально. Їх розташування фіксували шматочками брикетів, додатково укладених поверх вставок. Упаковку тигля і контейнера, нагрів контейнера проводили так, як це описано в Прикладі 1. В результаті спікання були виготовлені комбіновані матеріали, що складаються із зовнішнього сталевого шару та сталевих елементів, розміщених у чавуні, що має твердість 47 HRC. Вид поперечних шліфів, підданих травленню (креслення), свідчить про те, що можливе використання компактних сталевих вставок, які мають щільність більшу, ніж щільність розплаву чавуну і, відповідно, не спливають в ньому. Це дозволяє реалізувати складні топологічні комбінації при виготовленні комбінованих виробів сталь - чавун - сталь. Приклад 3. При виготовленні комбінованого матеріалу для отримання чавуну використовували порошкову суміш складу (мас. %): порошкові відходи сталі ШХ15 дисперсністю менше 100 мкм 96,0, відходи міді у вигляді фрезерної стружки - 3,0, графіт - 4,0. Отриману суміш пресували при тиску 500 МПа з отриманням брикетів діаметром 10 мм. Для виготовлення конструкційних елементів використовували уламки свердла діаметром 8 мм, виготовленого із сталі Р6М5, що 3 має щільність 8,3 г/см . Їх розрізали на циліндри висотою 17 мм і вертикально вставляли два таких циліндра в сталевий стаканчик. Брикети встановлювали поверх циліндрів. Упаковку тигля і контейнера проводили так, як це описано в Прикладі 1. Після охолодження і розпаковки контейнера було встановлено, що стаканчик повністю заповнений сталевими елементами і чавуном. Приклад 4. Для виготовлення потрійного композиту сталь - чавун - твердий сплав використовували матеріали, зазначені в Прикладі 1. Крім них також використовували уламки - фрагменти 3 різальних пластин із сплаву ВК-6, що мають щільність ~ 14,9 г/см , що у ~ 2 рази перевищує щільність розплавлених чавунів, і уламки пластин зі сплаву КХН-15 (Сr3С2 - 85, Ni - 15), що 3 мають щільність 6,85 г/см , тобто меншу, ніж розплав чавуну. Фрагменти пластин укладали на дно стаканчика, на фрагменти пластин укладали порошкові брикети складу (мас. %): Fe - 90,0, феромарганець - 5,0, графіт - 5,0. Після цього проводили подвійну упаковку контейнера та його нагрів так, як це описано в Прикладі 1. Отримані зразки складалися з порівняно м'якого зовнішнього шару - сталевого стаканчика, заповненого вибіленим марганцевистим чавуном. Фрагменти зі сплаву ВК-6 були повністю занурені в утворений чавун. Аналіз поздовжнього шліфа свідчив про те, що фрагменти з ВК-6 стикалися з дном стаканчика. Мікрорентгеноспектральний аналіз показав наявність перехідної зони між чавуном і сплавом ВК-6. Фрагменти сплаву КХН-15 були частково занурені в утворений чавун, що свідчило про недостатню їх щільність. Це показало, що для використання твердих сплавів на основі карбідів і боридів хрому як конструкційних елементів, необхідно підвищити їх щільність вище щільності розплаву. Приклад 5. Для виготовлення потрійного композиту сталь - чавун - твердий сплав використовували матеріали, зазначені в Прикладі 1. Крім них також застосовували вставки із спеціально виготовленого обважненого твердого сплаву складу (мас. %): WC - 9, Сr3С2 - 85, Ni - 15. Цей твердий сплав виготовляли сухим змішуванням суміші вихідних компонентів з пластифікатором (водним розчином полівініацетатного клею) і пресуванням підсушеної, але вологої суміші при тиску 600 МПа в роз'ємній прес-формі з отриманням циліндричних брикетів діаметром 10 мм. Їх сушили на повітрі при температурі 25-30 °C протягом 72 годин. Для видалення зв'язки брикети 4 UA 98425 U 5 10 15 20 25 30 спікали 1 год. в аргоні при поступовому підвищенні температури від 25 до 450 °C. Відпалені брикети піддавали вакуумному спіканню при 1350 °C протягом 1 год. Отримані спечені 3 конструкційні елементи на основі вищого карбіду хрому мали щільність 7,35 г/см . В сталевій формі розміщали твердосплавні вставки та брикети складу (мас. %): Fe - 90, силікомарганець 2, ферохром - 4, графіт - 4, отриманого пресуванням суміші при 500 МПа. Шматки брикету розміщували і над твердосплавною пресовкою. Упаковку тигля і контейнера проводили так, як це описано в Прикладі 1, нагрів контейнера проводили на повітрі при 1180 °C протягом 50 хвилин. В результаті були отримані зразки, що складаються зі сталевого стаканчика, заповненого хромомарганцевистим доевтектичним чавуном, в який був повністю занурений твердосплавний конструкційний елемент. Це підтвердило можливість використання вольфраму для підвищення щільності твердого сплаву. Переваги заявленого способу: можливість одночасного заповнення порожнини твердої заготівки розплавами різного складу, тобто варіювання функціональними властивостями зносостійкої частини виробу. Можливість прямої утилізації порошкових і стружкових залізних, сталевих, чавунних, твердосплавних відходів, що перетворюються в процесі нагрівання в зносостійкі чавуни або композити на їх основі. Можливість прямої утилізації кускових відходів малолегованих і вольфрамвмісних сталей. Можливість реалізації процесу в неспеціалізованих умовах, тобто на будь-якій термічній ділянці. Таким чином, запропонований спосіб виготовлення виробів дозволяє отримати комбіновані вироби сталь - чавун, сталь - чавун - сталь, і їх комбінації з твердосплавними конструкційними елементами, тобто дозволяє виготовляти будьякі необхідні поєднання зон виробу, що мають різну твердість та може бути рекомендований для виготовлення виробів переважно зносостійких пар тертя, наприклад, ущільнювальних кілець. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб виготовлення комбінованих виробів, що включає змішування та спікання в безокисних умовах у герметичному контейнері з низьковуглецевої сталі суміші на основі порошкових відходів твердого сплаву та пластичної матриці, який відрізняється тим, що твердосплавні та/або конструкційні сталеві елементи довільної форми просочують розплавом чавуну, який утворюється при спіканні брикетів на основі порошків заліза і вуглецю. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5