способ изготовления заготовок из композиционных материалов

Формула изобретения

1. Способ изготовления заготовок из композиционных материалов, при котором приготавливают шихту путем измельчения и смешивания порошков стали и тугоплавкого соединения, компактируют ее в заготовку методом прессования, спекают в вакууме при остаточном давлении со ступенчатым режимом нагрева и контролируемой скоростью между отдельными ступенями и отжигают, отличающийся тем, что измельчение ведут поэтапно: сначала порошок стали до фракции не более 93 мкм, затем порошок тугоплавкого соединения до фракции не более 40 мкм, после чего порошки смешивают в соотношении 9:1-7:3 по весу и осуществляют окончательное измельчение до фракции не более 40 мкм, перед компактированием шихту формуют в газопроницаемые оболочковые формы и герметизируют, а прессование проводят гидростатическим методом при давлении 300-1000 МПа, при этом отжиг заготовки совмещают со спеканием и осуществляют по ступенчатому режиму с температуры спекания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при спекании нагрев ведут до 0,6-0,7 Т_пл со скоростью 230-300°С в час и выдерживают один час, далее поднимают до 0,72-0,78 Т _пл со скоростью 100-130°С в час и выдерживают один час, далее поднимают до 0,8-0,86 Т_пл со скоростью 60-80°С в час и выдерживают два часа, затем поднимают до температуры 0,9-0,95 Т_пл со скоростью 70-80°С в час и выдерживают 0,5-1,5 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину скорости назначают в зависимости от размеров заготовки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение при отжиге осуществляют от температуры спекания до 860°С, выдерживают один час, охлаждают до 740°С со скоростью 50-60°С в час, выдерживают два часа, затем охлаждают до 300°С со скоростью 150-160°С, после чего с печью до 200°С и на воздухе до комнатной температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, главным образом к способам изготовления заготовок износостойких деталей из порошковых композиций на основе стали с добавкой карбидов или нитридов тугоплавких металлов, и может быть использовано при изготовлении привалковой арматуры для сортовых и проволочных прокатных станов.

Во вводных роликовых коробках сортовых и проволочных станов ролики являются одними из основных деталей, от которых зависит надежность работы станов. В связи с этим к ним предъявляются высокие требования по износостойкости, особенно к роликам чистовых клетей, в которых скорость прокатки достигает - 100 м/сек. В настоящее время для изготовления роликов используют износостойкие композиционные материалы, упрочненные карбидами, нитридами, оксидами.

Однако порошковая технология, используемая для получения деталей из такого рода материалов, сопряжена с целым рядом проблем, таких как отсутствие постоянства плотности, геометрических размеров и других характеристик. Кроме того, механическая обработка таких роликов затруднена за счет высокой твердости материала, из которого они изготовлены.

Известен способ изготовления заготовок из композиционных инструментальных материалов на основе стали, описанный в а.с. СССР №1052555, МПК: С 22 С 1/04, опубл. 16.07.82 г., который включает измельчение, смешивание порошков стали из тугоплавкого соединения, содержащего титан и углерод, прессование и спекание, которое проводят под давлением при температуре 1060-1140°С.

Данный способ требует сложного оборудования и отличается сложностью.

Также известен способ изготовления заготовок из инструментальных материалов на основе стали, описанный в а.с. СССР №1586248, МПК: С 22 С 33/02, заявленный 26.12.88 г., включающий смешивание исходных компонентов шихты, восстановительный отжиг в вакууме при температуре 1100-1150°С, загрузку смеси в капсулу, герметизацию и горячее прессование. При этом в шихту вводят дополнительно титановый порошок фракции до 10 мкм, а перед отжигом шихту обогащают углеродом в атмосфере природного газа при остаточном давлении (0,1-1,0)·10 ³ Па и температуре 720-770°С.

Этот способ отличается многостадийностью и сложностью и не предназначен для получения полых заготовок, так как изготовление капсулы и ее герметизация трудоемки, а после горячего прессования капсулу необходимо удалить. Следует также отметить, что при горячем прессовании заготовки с низкой плотностью возможна потеря устойчивости стенки капсулы и связанное с этим возникновение складок, что приводит к браку заготовки.

Наиболее близким к заявляемому по технической сути и достигаемому результату является способ изготовления заготовок из композиционных материалов на основе стали, описанный в статье И.Д.Быкова, Г.Л.Дуброва, Ю.Ф.Бокия и др. «Опыт изготовления инструмента из карбидостали», опубликованный в журнале Порошковая металлургия, №5 за 1984 г. Способ включает приготовление шихты путем совместного измельчения и смешивания порошков стали и карбида титана, компактирование ее в заготовку, спекание в вакууме при остаточном давлении со ступенчатым режимом нагрева и контролируемой скоростью между отдельными ступенями. При этом после совместного измельчения порошков вводят 10%-ный раствор каучука в бензине, сушат смесь при 50-70°С на воздухе или в вакууме и прессуют ее при давлении 50-100 МПа до относительной плотности 45-50%. Проводят предварительное спекание, которое осуществляют в среде аргона или азота при 600-700°С для удаления каучука и остатков уайт-спирита, и окончательно спекают в вакуумной печи при остаточном давлении 1·10 ^-2-1·10^-3 мм рт.ст. при температуре 1320-1380°С в течение 30-60 мин. Режим нагрева при этом ступенчатый с контролируемой скоростью между отдельными ступенями. Спеченные заготовки охлаждают с печью до 200°С. Твердость заготовок после спекания 50 HRC. Для улучшения обрабатываемости при механической обработке заготовки дополнительно отжигают по следующему режиму: нагревают до (840±10)°С, выдерживают 2 ч, охлаждают до 760°С, выдерживают 8 ч, охлаждают с печью до 600°С, далее на воздухе. При отжиге заготовки упаковываются в чугунную стружку. Твердость после отжига 40-45 HRC.

К недостаткам описанного способа относится трудоемкость всего процесса, связанная с большой продолжительностью технологического цикла. Так, многие операции, такие как смешивание с пластификатором, вакуумная сушка, предварительное спекание и т.д., увеличивают трудоемкость и энергоемкость процесса. Кроме того, прессование в пресс-форме обеспечивает низкую плотность 45-50%, что создает большую вероятность повреждения заготовок при осуществлении дальнейших операций. К тому же обычное прессование не обеспечивает однородной плотности заготовок, а это вызывает неравномерность усадки при спекании и соответственно к искажению ее формы и размеров, а при значительной величине неоднородности к разрушению. Низкая плотность заготовок не может обеспечить высокие механические свойства. Следует также отметить ограниченные возможности данного способа в части получения полых заготовок.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа изготовления заготовок из композиционных материалов на основе стали путем изменения технологического цикла, что позволит расширить ассортимент изготавливаемых заготовок и улучшить их эксплуатационные характеристики.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления заготовок из композиционных материалов на основе стали, заключающемся в приготовлении шихты путем измельчения и смешивания порошков стали и тугоплавкого соединения, компактировании ее в заготовку методом прессования, спекании в вакууме при остаточном давлении со ступенчатым режимом нагрева и контролируемой скоростью между отдельными ступенями и отжиге, согласно изобретению измельчение ведут поэтапно, сначала порошок стали до фракции не более 93 мкм, затем порошок тугоплавкого соединения до фракции не более 40 мкм, после чего порошки смешивают в соотношении 9:1-7:3 по весу и осуществляют окончательное измельчение до фракции не более 40 мкм. Перед компактированием шихту формуют в оболочковые газопроницаемые формы, герметизируют и проводят прессование гидростатическим методом при давлении 300-1000 МПа, а отжиг заготовки осуществляют по ступенчатому режиму непосредственно с температуры спекания и обеспечивают контролируемую скорость охлаждения. Кроме того, при спекании сначала температуру увеличивают до 0,6-0,7 Т_пл. со скоростью 30-300°С в час и выдерживают 60 минут, затем температуру повышают до 0,72-0,78 Т_пл. со скоростью 100-130°С в час и выдерживают 60 минут, далее поднимают температуру до 0,8-0,86 Т_пл. со скоростью 60-80°С в час и выдерживают 120 минут, после чего температуру доводят до 0,9-0,95 Т_пл. со скоростью 70-80°С в час и выдерживают 30-90 минут. Величина скорости поднятия температуры назначается в зависимости от размеров заготовки. При этом отжиг проводят непосредственно после процесса спекания, а именно при охлаждении от температуры спекания до 860°С, выдерживают 120 минут, охлаждают до 740°С со скоростью 50-60°С в час, выдерживают в течение 120 минут, затем охлаждают до 300°С со скоростью 150-160°С, после чего с печью до 200°С и на воздухе до комнатной температуры.

Предлагаемый способ отличается от известного последовательностью и количеством выполняемых операций технологического цикла и его режимами. В заявляемом способе измельчение порошков ведут раздельно, каждого до определенной фракции, затем смешивают в заданных соотношениях и уж потом измельчают до фракции не более 40 мкм, а по прототипу порошки сразу смешивают и измельчают. С помощью предложенного способа изготовления шихты мы получаем оптимальный гранулометрический состав, что обеспечивает повышенную прессуемость шихты, наиболее равномерное распределение тугоплавкой добавки и высокую плотность при спекании. Важным является то, что шихту формуют в газопроницаемые оболочковые формы, после чего герметизируют. Это обеспечивает однородное напряженно-деформированное состояние при компактировании полых заготовок, так как при этом прессование осуществляется по схеме всестороннего сжатия.

Кроме того, гидростатическое прессование в газопроницаемой оболочке позволяет получать заготовки высокой и однородной плотности 75-80% без пластификатора с высокой прочностью, которые можно подвергать перед спеканием предварительной механической обработке. Верхний предел величины давления соответствует меньшему значению содержания тугоплавкого соединения и наоборот. Совмещение процесса отжига с процессом спекания позволяет снизить расход энергии, уменьшить время проведения отжига и трудоемкость, а также повысить качество, так как он осуществляется в вакууме. Режимы ступенчатого нагрева с контролируемой скоростью между ступенями и режимы отжига определены опытным путем с целью обеспечения плавного и равномерного прогрева заготовок по всему сечению, а также для обеспечения протекания диффузионных процессов и уменьшения остаточных напряжений при спекании. Снижение температуры спекания ниже 0,9-0,95 Т_пл. приводит к снижению относительной плотности, а повышение выше к оплавлению заготовок, при этом большее значение температуры соответствует большему содержанию тугоплавкого соединения, меньшее время выдержки соответствует большему значению температуры и наоборот.

Пример.

Методом порошковой металлургии, применяя предложенный способ, получали заготовки направляющих роликов вводных коробок проволочного прокатного стана с размерами - наружный диаметр 56 мм, диаметр отверстия 30 мм, высота 30 мм весом 370 г из порошка карбидостали. В качестве основы использовали газораспыленный порошок быстрорежущей стали марки Р6М5Ф3 с добавлением 20% по весу карбида титана. Шихту готовили следующим образом: порошок основы размалывали и рассеивали до фракции не более 93 мкм, а порошок карбида титана размалывали до фракции не более 40 мкм, после чего производили совместный размол и рассев шихты до фракции не более 40 мкм. Приготовленная шихта засыпалась в бумажную оболочку подобной формы, которая запаковывалась, герметизировалась полиэтиленовой пленкой и подвергалась гидростатическому прессованию при давлении 600 МПа. После гидропрессования заготовка распаковывалась и производилось спекание в вакуумной печи при остаточном давлении 1·10 ^-2 мм рт.ст. по следующему ступенчатому режиму: нагрев до 900°С со скоростью 250°С в час, выдержка в течение 1 часа, затем подъем со скоростью 110°С в час до 1150°С, подъем до 1250°С со скоростью 60-80°С в час, выдерживают 2 часа, подъем до 1380°С со скоростью 70-80°С в час, выдержка 40 мин, после чего охлаждение до 860°С со скоростью 100°С в час, выдержка в течение 3,5 часов, затем снижение до 740°С в час с выдержкой при этой температуре 2 часа и охлаждение до 300°С со скоростью 150°С в час, затем охлаждение с печью до 100°С, а далее на воздухе. Относительная плотность заготовок после спекания составляет 95-98%, твердость - 35-37 HRC.

Предложенный способ изготовления заготовок из композиционных материалов на основе стали позволяет получать заготовки высокой и однородной плотности и прочности без пластификатора. Снижает трудоемкость и энергоемкость процесса, улучшает эксплуатационные характеристики заготовки и расширяет ассортимент изготавливаемых заготовок, позволяя получать полые заготовки.

Ролики вводных коробок, изготовленные с помощью предложенного способа, прошли производственные испытания на проволочном прокатном стане Криворожского государственного горно-металлургического комбината «Криворожсталь». Стойкость роликов до перешлифовки калибра составила (2000-2500) т. Для сравнения - стойкость стальных роликов, изготовленных из сталей ШХ15 или Х12Ф1, составляет 200-300 т.