Выбор и исследование материалов с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки icon

Выбор и исследование материалов с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки


Смотрите также:
«Суперкомпьютерное моделирование процессов создания материалов с заданными оптоэлектронными...
«Суперкомпьютерное моделирование процессов создания материалов с заданными оптоэлектронными...
«Суперкомпьютерное моделирование процессов создания материалов с заданными оптоэлектронными...
Отчет о научной и научно-организационной деятельности лаборатории наукоемких технологий ноц амгу...
Исследование и создание композиций на основе порошков металлов...
Доклад Уровень технической оснащенности предприятия определяет эффективность изготовления...
Традиционные и нетрадиционные формы урока...
Реферат
Место технологической оснастки в технологиче­ской системе...
Место технологической оснастки в технологиче­ской системе...
Памятка студенту по изучению дисциплины «Основы производства (ткм)»...
Автор: доц. Педиков А. В. Бетоны Вопросы: Виды бетонов, классы и марки бетонов...



Загрузка...
скачать




На правах рукописи


Сагиров Марсель Мансурович


ВЫБОР И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРЕСС-ОСНАСТКИ


Специальность 05.02.01 – “Материаловедение” (машиностроение)




Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Набережные Челны – 2009


Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

^ Колесников Михаил Семенови

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гаврилов Геннадий Николаевич

кандидат технических наук

Панов Алексей Генадьевич


Ведущая организация: ОАО «КАМАЗ-Металлургия» (г. Набережные Челны).


Защита состоится «4» декабря 2009 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в Камской государственной инженерно-экономической академии.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Камской государственной инженерно-экономической академии по адресу: 423810, Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19, диссертационный совет Д 212.309.01.


Автореферат разослан «3» ноября 2009 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

Доктор технических наук, профессор _______________ Л.А. Симонова

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Современный уровень развития машиностроения охватывает внедрение в производство высокотехнологичных процессов получения заготовок, приближающихся по размерам и форме к готовым деталям. Актуальность проблемы постоянно возрастает в связи с ростом объемов пресс-оснастки и требованиями к точности изделий. Но высокая стоимость и низкая стойкость пресс-оснастки ограничивают масштаб их внедрения в производство.

Повышение эксплуатационных свойств пресс-оснастки связано не только с развитием автомобильной, приборостроительной, ракетной, авиационной, но и другими сферами промышленности. При решении рассматриваемого вопроса дополнительную сложность создаёт дороговизна материалов и дефицит вольфрама - одного из основных легирующих компонентов теплостойких инструментальных сталей. Поэтому разработка экономно легированных сплавов, рациональных технологий изготовления и упрочнения пресс-оснастки являются актуальными и требуют незамедлительного решения.

Несмотря на многочисленные исследования в этой области, удовлетворительного решения рассматриваемая проблема не имеет из-за разнообразных и часто взаимосвязанных факторов, оказывающих комплексное влияние на работоспособность пресс-оснастки.

Решение вышеуказанной проблемы осуществляется за счёт создания новых экономно-легированных сталей, совершенствования технологий их выплавки, ковки, термической обработки, а также применения различных способов упрочнения готовых изделий. Другое направление - разработка новых литейных материалов и способов производства литой пресс-оснастки, несмотря на его перспективность, реализуется слабо.

Весьма актуальной является задача решения этой проблемы применительно к материалам и технологическим процессам производства литых биметаллических штампов.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является выбор и исследование материалов с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать причины разрушения (износа) штампов «Автофордж» в натурных условиях и выбраны критерии оценки работоспособности материалов;

2. Выполнить экспериментальную оценку температурного нагружения и аналитический расчет напряжений в штампах «Автофордж»;

3. Выполнить сравнительные испытания ТМУ традиционно применяемых литых и кованых сталей мартенситного класса и новой аустенито-карбидной стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР в литом состоянии;

4. Изучить влияние режимов технологических воздействий при литье (скорость охлаждения при кристаллизации, модифицирование супердисперсными карбидами титана), а также режимов дисперсионного твердения на структуру и твердость стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР.

5. Разработать новый процесс получения литых биметаллических штампов системы сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР - алюминиевый сплав АЛ-2;

6. Изучить распределение элементов в диффузионном переходном слое в системе рабочий слой из стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР – опорный слой из сплава АЛ-2;

7. Предложить режим азотирования биметаллических штампов, обеспечивающих процесс дисперсионного твердения в стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР и создание на гравюре азотированного слоя высокой твердости и износостойкости.

8. Оцененить экономическую эффективность технологических процессов получения высокоработоспособных литых биметаллических штампов «Автофордж».

Объект исследования В качестве объекта исследования выбраны штампы для твёрдо-жидкой штамповки установки "Автофордж" как наиболее быстро изнашивающиеся из-за работы в условиях особо интенсивного циклического температурно-силового нагружения (ЦТСН) и взаимодействия с твёрдо-жидкими прессуемыми материалами.

Предмет исследования

Предметом исследования является работоспособность штампов, определяемая количеством циклов температурно-силового нагружения до образования трещины критической величины, влияния условий охлаждения на твердость рабочей поверхности, а также распределение легирующих элементов в переходном слое биметаллических штампов.

Методы исследования

В работе применен метод статистического анализа, термомеханической усталости металлов, а также металлографические методы, химико-спектрального анализа и линейно-угловых измерений.


Научная новизна работы

  1. Установлена закономерность в развитии трещин в штампах на основе экспериментально-аналитических методов и металлографического анализа с измерением микротвердости, позволяющая выбирать материалы с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки.

  2. Предложен новый способ получения биметалла сталь – алюминий по патенту РФ №2290277 для штампов, отличающийся тем, что он обеспечивает высокую термостойкость, а также позволяет сократить расход дорогостоящих легирующих компонентов.

  3. Установлена закономерность распределения легирующих элементов в переходном слое биметаллических штампов, полученных из теплостойкой дисперсионно твердеющей стали и литейного алюминиевого сплава, заключающейся в образовании диффузионной прослойки разной толщины, характерной для литейной сварки и обеспечивающей надежное сцепление рабочего и опорного слоя.

Практическая значимость.

1. По итогам сравнительных испытаний работоспособности кованых инструментальных сталей мартенситного класса и литой дисперсионно твердеющей стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР определены области их рационального использования при изготовлении ШТЖШ.

2. Разработан новый способ по патенту РФ №2290277 и технология изготовления литых биметаллических штампов из дисперсионно твердеющей стали и литейного сплава АЛ-2, позволяющий экономить дефицитные высоколегированные стали, повысить работоспособ­ность литых штампов.

3. Исследование и опробование высокотеплопроводного алюминиевого сплава для опорного слоя показали снижение градиента температурного воздействия на гравюру штампа, позволили исключить применение в конструкции штампа системы каналов для охлаждения, а также дали возможность раздельно утилизировать металлы.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность приводимых в работе выводов и заключений подтверждается актом опытно-промышленного испытания, а также проведенными автором многочисленными экспериментами с привлечением современных методов исследований и использованием высокоточного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, г. Судак, 2001), на межвузовской научно-практической конференции, посвященной 25-летию КамПИ «Вузовская наука – России» (Набережные Челны, 2005). В результате выполнения работы было предложено новое решение, подтвержденное патентом РФ №2290277, 2006.

Публикации. Материал диссертации опубликован в 9 научных трудах. Из них 1 патент, 1 монография, 7 статей, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Материал изложен на 120 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 9 таблиц и библиографию в количестве 85 наименований.

^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, обоснована её актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе сделан анализ литературных данных по проблеме получения высокостойкой пресс-оснастки для процесса твёрдо-жидкой штамповки бронз и латуней. Теоретическим и практическим аспектам реновации пресс-оснастки посвящены труды В.А. Виллса , Ж. Робертса , Б.Ф. Трахтенберга , А.И. Иванова, В.Г. Асташова, Ю.А. Геллера и других ученных.

Изучены особенности нагружения штампов во время работы, включающие тепловое, силовое и физико-химическое воздействие. В работе отмечается, что заготовка подаётся в штамп в твердожидком состоянии (для бронз ОЦС в интервале 940 – 980 ºС) при силе прессования 200 тс. Максимальная температура при этом на рабочей поверхности штампов достигает 680 ºС, а удельное давление заготовки на гравюру инструмента составляет порядка 400 МПа.

Изучены материалы, применяемые для изготовления штампов, сформулированы основные требования, предъявляемые к этим материалам. А именно: повышенные характеристики по пределам прочности, текучести, ударной вязкости при нормальных и высоких температурах; высокие теплостойкость, разгаростойкость и износостойкость; низкая активность взаимодействия с расплавами; малый коэффициент температурного расширения, высокая теплопроводность; удовлетворительная технологичность при механической обработке и некоторые другие.

Выполнен анализ существующих способов производства литой пресс-оснастки и определены теоретические предпосылки их совершенствования.

Во второй главе усовершенствована методика исследования оценки надежности материалов в условиях циклического температурно-силового нагружения. При контакте с расплавами использованы методы испытаний, учитывающие конкретные условия эксплуатации. В частности, таким методом является метод полунатурных испытаний, принципиальной особенностью которого является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса пресс-оснастки. Проведены экспериментальные исследования температурного поля и аналитические расчёты напряжённого состояния штампа в установившемся режиме работы в момент прессования.

Напряжения в штампах оценивались для схематизированной модели, представляющей собой толстостенный цилиндр, внутренняя полость которого подвергается циклическому температурному и силовому воздействию.

Используя принцип независимости действия сил, расчетные формулы для определения напряжений от действия температур и внутреннего давления для толстостенного цилиндра, записали в виде системы уравнений:

,

где R, r1 – наружный и внутренний радиусы цилиндра; r – текущий радиус; Р – внутреннее давление; r, , z – нормальные напряжения в цилиндрическом, радиальном и поперечном сечениях цилиндра; Е – модуль Юнга; - коэффициент Пуассона; - коэффициент линейного расширения материала; t – превышение температуры данной точки над температурой наружной поверхности цилиндра в том же поперечном сечении.

Получен численный расчет напряжений с использованием экспериментальных данных по температурному распределению в штампах. Анализ полученных данных показывает, что максимальный уровень напряжений (в варианте без внутреннего охлаждения) имеет место на контактных поверхностях в первые циклы штамповки после 3 секунд и составляет z=-1900 МПа; = -1450 МПа. Одновременно отмечается, что в рамках одного цикла значение напряжений в поверхностных объемах в неустановившемся режиме эксплуатации изменяется от сжимающих до растягивающих. В квазиустановившемся режиме штамповки максимальные напряжения в поверхностных объемах существенно снижаются до значений z=-972МПа и =-1100МПа.

На основе статистического анализа количества выбраковок штампов по основным причинам выхода из строя в качестве основного критерия оценки работоспособности материалов являлось определение количества циклов ЦТСН при испытании ТМУ сталей до развития трещины критической величины равной 0,6 мм.

Для определения работоспособности изучаемых известных и разрабатываемых материалов выбран метод полунатурных испытаний и разработана соответствующая методика, которая заключается в следующем. На специально созданной установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 1, образцы прямоугольного сечения размерами 102080 мм подвергаются циклическому воздействию прессуемого твёрдо-жидкого сплава. Через определённое количество циклов образцы исследуются на появление и развитие трещин ТМУ. Работоспособность материала определяется количеством циклов ТСН до образования трещины критической величины N0,6.






1 – образцы;

2 и 3 – захваты;

4 – ванна с охладителем;

5 – кристаллизатор;

6 – камера прессования;

7 – поршень;

8 – пуансон;

9 – упор;

10 – литниковые

каналы;



11

^ Рисунок 1 - Схема установки для испытания работоспособности материала в условиях ЦТСН

В третьей главе диссертации по разработанной методике проведены сравнительные испытания сопротивления термомеханической усталости традиционно применяемых кованых сталей мартенситного класса для изготовления ШТЖШ, а также дисперсионно твердеющей аустенитно-карбидной стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

При сравнительных испытаниях установлено, что во всех традиционно применяемых сталях мартенситного класса в литом состоянии при ускоренной кристаллизации, несмотря на более раннее начало образования трещин ТМУ, развитие трещин происходит более медленно по сравнению с теми же сталями в кованом состоянии. Однако эти стали при получении отливок методами литья с ускоренной кристаллизацией и охлаждением склонны к образованию литейных трещин.


Таблица 1 - Химический состав и результаты испытаний ТМУ литых и кованых сталей


Марка стали

Критерии ТМУ

C

NН,

циклов

1ТР, 10-3 м при циклов

N0,6 ,

Циклов

1500

2500

3500

5ХНМ¹

5ХНМ²

5ХНМ

0,51


0,51

700

750

750

0,03

0,03

0,05

0,05

0,09

0,13

0,19

0,26

0,24

5000

4350

4800

ДИ-32 ¹ (5Х2МНФ)

ДИ-32 ²

ДИ-32

0,46


0,53

850

1050

1100

0,02

0,02

0,02

0,07

0,09

0,10

0,10

0,14

0,12

9300

8000

8800

ДИ-22 ¹ (4X4CВМ2Ф)

ДИ-22 ²

ДИ-22 ³

ДИ-22

0,41

0,41

950

1050

950

1100

0,03

0,03

0,04

0,03

0,07

0,09

0,10

0,09

0,10

0,13

0,14

0,11

9100

8050

7900

9000

Марка стали

С

NН,

циклов

1ТР, 10-3 м при циклов

N0,6 ,

Циклов

4000

4500

5000

^ 20Х15Н18Т3ФМЮБР ¹

20Х15Н18Т3ФМЮБР ²

20Х15Н18Т3ФМЮБР ³

0,30


0,30

3800

4200

3800

0,03

0,03

0,04

0,07

0,09

0,10

0,10

0,13

0,14

22750

20125

19750

Примечание: 1- сталь в литом состоянии, залитая в медный кокиль, 2 - сталь в литом состоянии, залитая в форму из цирконового концентрата, 3 - сталь в литом состоянии, залитая в форму из цирконового концентрата с после кристаллизационным охлаждением в масле; без номера – в кованом состоянии.


Из числа исследованных сталей наибольшим сопротивлением возникновению трещин обладает новая сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР. При сопоставлении сталей ДИ-22 (4X4CВМ2Ф), 5ХНМ и ДИ-32 (5Х2МНФ) установлено существенное преимущество новой стали 4X4CВМ2Ф.

Проведены исследования по влиянию содержания марганца на ТМУ стали 4X4CВМ2Ф.

Установлено, что увеличение содержания марганца от 0,2 до 0,7 % приводит к снижению теплопроводности стали 4X4CВМ2Ф и аналогичных марок, и тем самым снижается её работоспособность в условиях ЦТСН. Рекомендовано установить верхний предел содержания марганца в стали 4X4CВМ2Ф 0,2%.

В этой же главе проведено обоснование выбора новой перспективной стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР для производства литых штампов.

В работе в качестве специальных вопросов изучалось влияние условий охлаждения на литую структуру стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР после охлаждения на воздухе и в воде, а также после дополнительной термической обработки: закалки в воде и старения при различных температурах. Кроме того, изучалось влияние модифицирования литой стали супердисперсными карбидами титана, (рис.2).

Анализ структуры показывает, что с увеличением температуры старения твердость сначала увеличивается, а потом понижается. Понижение твердости связано с коагуляцией и укрупнением выделившихся частиц. Например, при T = 1000 ºС частицы более крупные и особенно это заметно для медленно-охлажденной стали и твердости здесь ниже.

Медленно охлажденная сталь без модифицирования по сравнению с модифицированной сталью характеризуется более грубой структурой упрочняющей фазы. Модифицирование дополнительно измельчает структуру за счет интерметаллидов типа Ni3 (Ti, Al).

Наилучшая структура получена после быстрого охлаждения
металла в воде, модифицированного карбидом титана, и температуре старения 600 ºС.





а) б) в)

^ Рисунок 2 - Микроструктура после охлаждения а) на воздухе. Тотп = 730 ºС, τ = 4 ч, 200; б) с добавкой модификатора после кристаллизации на воздухе, Тотп = 730 ºС, τ = 4 ч, 200; в) после закалки с добавкой модификатора, Тотп = 730 ºС, τ = 4 ч, 200


Четвертая глава диссертации посвящена разработке нового способа и технологического процесса получения литых биметаллических штампов с рабочим слоем из стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР и опорным слоем из легкоплавких алюминиевых сплавов. В этой главе решались две основные задачи по разработке нового способа и исследованию свойств переходного слоя в штампах.

В рассматриваемом аспекте разработан новый способ и технология получения литой биметаллической пресс-оснастки, направленной на повышение эффективности работы штампов «Автофордж», широко применяемых на Камском автозаводе.

Сущность способа заключается в том, что вначале в форму заливают литейный алюминий сплав АЛ2 на 60—90% объема литейной формы. Затем в форму заливают расплав из высоколегированной износостойкой инструментальной стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР, обладающую более высоким удельным весом в сравнении со сплавом АЛ2. Заливку расплавов ведут под слоем флюса. В результате разной плотности металлов слой алюминиевого сплава всплывает на поверхность формы. Затем ведут направленное охлаждение с помощью жидкого азота (или другого хладагента). После завершения кристаллизации металла во всем объеме охлаждение формы жидким азотом прекращают.

Применение алюминиевого материала сплава обеспечивает формирование опорного слоя биметаллической отливки штампа, что улучшает условия теплоотвода от рабочей гравюры при эксплуатации пресс-оснастки. Опорный слой, работая как холодильник, позволяет существенно снизить градиент температуры на гравюре и уменьшить уровень термических напряжений в контактной зоне штампа и вследствие этого обусловливает повышение его работоспособности.

Кроме того, алюминиевый сплав, проходя через слой стали, дополнительно рафинирует ее, очищая от вредных примесей.

Заливка расплава алюминия на первом этапе и последующая заливка стали на втором обусловлена тем, что сплав алюминия менее подвержен взаимодействию с газами атмосферы. Что в свою очередь улучшает свойства литых соединений. При ограниченной взаимной растворимости металлов легче избежать образования стойких интерметаллических фаз, обладающих высокой твердостью и хрупкостью.

Применение интенсивного охлаждения, нижнего торца формы жидким азотом или другим охладителем обеспечивает направленную, снизу-вверх, кристаллизацию биметаллического штампа, что позволяет получить мелкодисперсную с благоприятной для износостойкости ориентировкой зерен структуру гравюры штампа. При этом для получения композитной структуры переходного слоя, состоящего из интерметаллидов сложного состава, а также с целью предотвращения образования на поверхности раздела неслитин и окисных пленок, перед заливкой дисперсионно-твердеющей стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР в форму вводят флюс.

При выборе стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР для рабочей поверхности биметаллических штампов ставились задачи обеспечения высокого комплекса механических свойств и отсутствия полиморфных превращений при эксплуатации штампов. Решались задачи исследования режимов кристаллизации при различных температурах охлаждения, режимах термической обработки и влияния модифицирования на структуру и свойства стали.

В основу при разработке поставленных задач выбрана высоколегированная сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР. На основе анализа результатов исследований сопротивления термической усталости и износа, а также сравнительных испытаний сталей аустенитного класса по характеристикам теплостойкости, ударной вязкости и относительной стойкости штампов для горячего деформирования, рассматриваемых в третьей главе диссертации, сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР является наиболее перспективной для изготовления рабочей гравюры штампа. Для изготовления основания штампа выбран сплав АЛ2.

В диссертации изучено распределение химических элементов в переходной зоне биметаллического штампа, проведены усталостные испытания литых соединений. Результаты исследований в графическом виде представлены на рисунках 3-6.

Изучено влияние температуры дисперсионного твердения сплава 20Х15Н18Т3ФМЮБР на твердость гравюры штампа. Показано, что все исследованные сплавы обладают относительно низкой твёрдостью, недостаточной для ШТЖШ. Применение дополнительного модифицирования супердисперсными карбидами титана после ускоренного охлаждения стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР и температуры старения при 600 ºС приводит к незначительному повышению твердости. Однако за счет увеличения дисперсности структуры модифицирование обеспечивает увеличение сопротивления ТМУ на 10-12%.





^ Рисунок 3 - Схема формирования структуры переходного слоя при взаимодействии расплавов 20Х15Н18Т3ФМЮБР и АЛ-2





Рисунок 4 - Изменение концентрации химических элементов в переходной зоне (D): содержание AL, Fe, Ni, Cr, Mn соответственно 1,2,3,4,5




Алюминий



Переходной

слой


1



Сталь


2







3


^ Рисунок 5 - Микроструктура переходного слоя при взаимодействии расплавов 20Х15Н18Т3ФМЮБР и АЛ-2


Рисунок 6 - Результаты усталостных испытаний литейных соединений из стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР и сплава АЛ2:

1- при охлаждении кристаллизатора жидким азотом, 2- при водяном и 3-при воздушном



Анализ влияния скорости кристаллизации и охлаждения отливок из разработанного сплава показал, что наилучшая структура металла получена после модифицирования карбидом титана и быстрым охлаждением жидким азотом.

С целью оптимизации объема заливаемой стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР для формирования гравюры штампа выполнены статистические исследования с применением симплекс-метода.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Уменьшение объема заливки легированной стали до 10% приводит к уменьшению толщины легированного слоя, выхода переходного слоя на поверхность и снижение работоспособности штампов.

2. Увеличение объема заливки более чем на 50% уменьшает массу
высокотеплопроводного материала, что ухудшает теплоотвод
при эксплуатации штампов и тем самым снижает работоспособность.

Предложенный биметаллический штамп в литом состоянии имеет прочность при растяжении более 100 МПа. Как правило, на образцах стандартного сечения по ГОСТ1497-84 разрыв происходил не по переходному слою, а по сечению сплава АЛ2.

Дополнительное повышение твердости и износостойкости гравюры биметаллического штампа до значений 1000-1200 HV осуществлялось применением азотирования в атмосфере диссоциированного аммиака (ТH3) при 2 ступенчатом режиме нагрева при температуре 560-580 ºС в течение 8 часов, 540 ºС в течение 16 часов. При этом максимальная глубина диффузионного слоя достигает 0,3-0,4 мм, образованная высокодисперсными нитридами (Fe2N, AlN, CrN, TiN).

С учётом вышеизложенного, разработан технологический процесс изготовления отливок из биметалла сталь-алюминий и проведен экономический расчет эффективности штампов.

Испытания разработанного материала в качестве литейного материала для ШТЖШ показали увеличение стойкости литых биметаллических штампов по сравнению со штампами из стали 4X4CВМ2Ф в 2,5 раза, при этом их себестоимость уменьшилась в 3 раза.


^ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ


1. При анализе условий эксплуатационного нагружения установлены основные виды разрушения пресс-оснастки: трещины, смятия, износ.

В этой связи использование показателей механических свойств: твердости, прочности, ударной вязкости и др. не достаточно для объективной оценки при разработке материалов для пресс-оснастки, работающей в условиях ЦТСН. На основании выполненного анализа причин и видов разрушения пресс-оснастки в работе научно обосновывается применение полунатурных испытаний. Принципиальной особенностью этого метода является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса пресс-оснастки.

2. На основе расчетно-экспериментальных результатов исследования предложен типовой режим нагружения образцов при испытании ТМУ.

3. Из числа исследованных сталей наибольшим сопротивлением возникновению трещин обладает новая сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР в литом состоянии. При сопоставлении сталей ДИ-22 (4X4CВМ2Ф), 5ХНМ и ДИ-32 (5Х2МНФ) установлено существенное преимущество стали 4X4CВМ2Ф.

4. Анализ структуры стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР показывает, что с увеличением температуры старения твердость сначала увеличивается, а потом понижается. Понижение твердости связано с коагуляцией и укрупнением выделившихся частиц.

Медленно охлажденная сталь без модифицирования по сравнению с модифицированной сталью характеризуется более грубой структурой упрочняющей фазы. Модифицирование дополнительно измельчает структуру стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР супердисперсными карбидами.


5. Разработан новый способ получения биметаллических штампов системы сталь 20Х15Н18Т3ФМЮБР – алюминиевый сплав АЛ2, позволяющий:

  • повысить работоспособность литых штампов за счет формирования на рабочих поверхностях малодисперсного высоколегированного слоя высокой износостойкости, вязкого переходного слоя и основания из сплава более теплопроводного;

  • экономить дефицитную легированную сталь для гравюры, так как 80—60% объема штампа выполнено из теплопроводного и более дешевого сплава алюминия;

  • раздельно утилизировать поверхностно легированные стали и опорный слой.

6. Анализ переходного слоя выполнен при охлаждении в различных охлаждающих средах. Охлаждение кристаллизатора жидким азотом обеспечивает образование интерметаллидной прослойки толщиной 1,5-2,5 мкм; при водяном охлаждении прослойка характеризуется толщиной 3,0-4,0 мкм, при воздушном - 5-6 мкм. Как следует из приведенных зависимостей, полученных для сплавов, прослойка состоит из трех зон. Зоны, примыкающие к основным сплавам (зона I и III), имеют толщину 0,2-0,3 мкм и характеризуются плавными кривыми изменения химического состава. Внутренняя зона II, толщиной 2 мкм, характеризуется плавным переходом содержания компонентов между рабочим и опорным слоем.

7. Испытания разработанного биметаллического материала из стали 20Х15Н18Т3ФМЮБР и сплава АЛ-2 в качестве литейного материала для ШТЖШ показали увеличение стойкости штампов по сравнению со штампами из кованой стали 4X4CВМ2Ф в 2,5 раза, при этом себестоимость оснастки уменьшилась в 3 раза.


Основные результаты работы

отражены в следующих публикациях:


1. Патент РФ №2290277. Способ получения литых биметаллических штампов сталь-алюминий / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Бюл. – 2006. – №36. – c. 247.

2. Сагиров, М.М. Получения литых биметаллических штампов сталь-алюминий / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Литейное производство. – 2005. – №5. – с. 23. (Журнал входит в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ)

3. Сагиров, М.М. Способ изготовления биметаллических штампов / М.М. Сагиров, Ф.Г. Карих // Кузнечно-штамповое производство и обработка материалов давлением. – 2005. – №11. – с. 39-40. (Журнал входит в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ)

4. Сагиров, М.М. Разработка материалов и способа производства литой биметаллической прессовой оснастки / Р.А. Бикулов, М.С. Колесников, В.А. Астащенко, М.М. Сагиров // Литейное производство. – 2008. – №10. – с. 11-13.

(Журнал входит в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ)

5. Сагиров, М.М. Разработка состава дисперсионно-твердеющей стали для биметаллических штампов / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Межвузовский научный сборник «Проектирование и исследование технических систем». – Выпуск 3, Наб.Челны: Изд-во КамПИ, 2003. – С. 146-148.

6. Сагиров, М.М. Экспериментальные исследования температурных полей штампа в процессе эксплуатации / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Социально-экономические и технические системы. – Онлайновый электронный и научно-технический журнал. – 2005. – №1.-[Режим доступа: http://sets.ru/]

7. Сагиров, М.М. Аналитические расчёты напряжённого состояния штампа в процессе эксплуатации / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Социально-экономические и технические системы. – Онлайновый электронный и научно-технический журнал. – 2005. – №1.-[Режим доступа: http://sets.ru/]

8. Сагиров, М.М. Методика экспериментального определения скорости направленной кристаллизации металлов и сплавов / М.С. Колесников, М.М. Сагиров, И.А. Самойлов // Социально-экономические и технические системы. – Онлайновый электронный и научно-технический журнал. – 2005. – №2.-[Режим доступа: http://sets.ru/]

9. Сагиров, М.М. Прогрессивные способы, материалы и процессы производства биметаллической пресс-оснастки / М.М. Сагиров, М.С. Колесников // Наб. Челны: Изд-во Камской гос. инж.-экон. акад., 2006. – 153 с. (Научное издание)




Скачать 231.04 Kb.
оставить комментарий
Сагиров Марсель Мансурович
Дата29.09.2011
Размер231.04 Kb.
ТипИсследование, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх