Способ изготовления заготовок из порошка быстрорежущей стали

 

Сущность изобретения: спеканием получают пористые заготовки необходимой формы и массы, на которые напыляют газонепроницаемый слой железа, затем горячей обработкой давлением придают окончательную форму, плотность, текстуру заготовке.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению штучных заготовок из порошка быстрорежущей стали любой заданной формы и массой, определяемой технологическими возможностями оборудования.

Аналогом предлагаемого способа является описанный в патенте США N 3664008 "Способ производства удлиненных высокоплотных изделий из металлических порошков" (John Haller. Nortwill Mich. Filed June 12, 1969, Ser N 83257).

Сущность способа аналога заключается в том, что изготавливают удлиненную сварную оболочку, в переводе контейнер, вакуумируют после заполнения порошком, герметизируют, нагревают до 1150^оС, уплотняют в матрице пуансоном размером меньше матрицы; в зазор при уплотнении выдавливается удаляемая в отход часть коробки и порошка.

Недостатки способа: необходимость изготовления газонепроницаемого контейнера и вакуумирования его, получаемая заготовка очень далеко по размерам и форме от заготовок конкретных деталей; после уплотнения необходимо ободрать (сточить) контейнер с частью уплотненного металла и из обработанной заготовки различными способами горячей деформации получать штучные заготовки деталей.

По рассмотренному способу невозможно получить заготовки сложной конфигурации и экономически не оправдано изготовление заготовок малой массы из-за относительно высокой стоимости вакуумируемых контейнеров для мелких заготовок.

Прототипом заявляемого способа может быть способ под названием "Новая технология" (Novel rоsite to P/M т.15 high-speed steels/tool steels. "MPR Metall Powder Rept", 1988, v.43, N 3, р.199-200), включающий изготовление порошков методом газового распыления расплава быстрорежущих сталей; затем порошок рассевают, смешивают и уплотняют до 85% от теоретической плотности, используя высокоэнергетические способы загрузки в оболочку, в переводе контейнер. Заполненный порошковой шихтой контейнер герметизируют сваркой по швам, причем вакуумирования контейнера не производят.

Контейнер нагревают до 1038^оС и порошок уплотняют экструзией при степени обжатия 3:1, что позволяет достигать 100% теоретической плотности; на конечной стадии технологической схемы осуществляют нагрев экструдированной заготовки до температуры 1138^оС с последующей прямой прокаткой на различные профили. Завершают последнюю стадию процесса операции отжига, финишной механической обработки. Доказывается допустимость растворения кислорода из объема воздуха, заключенного в уплотненном до 85% от теоретической плотности порошке.

Недостатки прототипа: необходимость изготовления газонепроницаемого контейнера, получаемая заготовка являет собой непрерывный профиль, пригодный для изготовления инструмента типа стержневого и непригодный для изготовления инструмента типа дисковых фрез, плашек; необходима обдирка (обточка) заготовки после экструзии, что приводит к потере быстрорежущей стали, т.к. при изготовлении штучных заготовок из прутка практически невозможно так построить технологию ковки, чтобы бывший контейнер зашел бы в объемы напуска и припуска.

В рассматриваемом прототипе не используется главное преимущество порошковой металлургии возможность получения заготовки сложной формы с минимальными потерями на запуски, т.к. современные технологии не позволяют по экономически оправданной стоимости изготавливать контейнеры для получения тонких заготовок, а также заготовок малой массы.

Поставленная задача получение на универсальном кузнечно-прессовом стандартном оборудовании заготовок из порошка быстрорежущей стали по массе и конфигурации в максимальной степени приближающихся к окончательному изделию, защита рабочей поверхности давящего инструмента от абразивного износа карбидами быстрорежущей стали. Для этого из порошка быстрорежущей стали спеканием получают пористую заготовку необходимой формы, учитывающей возможность применения различных способов горячего уплотнения с необходимой степенью деформации в процессе уплотнения. Процесс получения пористой спеченной заготовки (авт.св. N 1382588), заключается в том, что порошок засыпают в форму, пропитывают расплавленной связкой, полученный брикет на затвердевшей связке извлекают из формы и спекают в защитных атмосферах в засыпке из дисперсного огнеупорного порошка, причем для связки выбирают материал, полностью возгоняемый до начала процесса спекания, например, парафин, форма для брикета дублирует конфигурацию пористой заготовки с учетом усадки, дисперсная огнеупорная засыпка является фиксирующей средой для сохранения конфигурации заготовки в температурном интервале от возгонки связки до возникновения механичных связей. По окончании спекания пористые заготовки охлаждают до температур, исключающих возможность окисления на воздухе; при этих температурах прекращают подачу защитной атмосферы, пористые заготовки очищают от остатков огнеупорной засыпки и на всю поверхность наносят газотермическим напылением газонепроницаемую оболочку из железа, стали или совместным напылением газонепроницаемую железоалюминиевую оболочку.

Экспериментально установлено, что объемное окисление пористых заготовок может происходить при хранении, нагреве в защитных средах и, в наибольшей степени, за время извлечения заготовки из печи и до первой операции уплотнения. Напыленная оболочка исключает возможность окисления в перечисленных случаях.

Повышение содержания кислорода в стали за счет воздуха, заключенного в объеме спеченной герметизированной заготовки, приближенно определяется расчетом: термическая плотность Р6М5К5 8,2 г/см³; минимальная плотность спеченной при 1200^оС заготовки 6,0 г/см³; плотность воздуха при +20^оС 1,2 г/л; относительное весовое количество кислорода в воздухе 23,2% Увеличение процентного содержания кислорода в стали составит O₂= 1 · 100= 0,00124 Практически при любом исходном содержании кислорода повышение его количества на подсчитанную величину не повлияет на последующие свойства стали.

П р и м е р. Получение пористой заготовки.

Для последующих операций обработки давлением определены размеры пористой заготовки, например: ⊘ нар. 75 мм/ ⊘ внутр. 55 мм, высота 30 мм Пористую заготовку получают спеканием брикета из порошка на возгоняемой связке (напр,на парафине), при котором происходит усадка, определенная экспериментально в 2,3% Для получения брикета используют форму размером ⊘ нар.75× 1,023 76,8 мм
⊘ внутр. 55 × 1,023= 56,4 мм;
высотой: 30 х 1,023 30,7 мм.

В форму засыпают порошок быстрорежущей стали, нагревают до температуры жидкотекучести парафина, причем количество парафина не должно превышать или быть меньше объема пор в уплотненном встряхиванием порошке, что подсчитывают:
ρ_копм. 8,15 г/см³, ρ_порошк. 5,88 г/см³.

На 1 см³ порошка нужно 1-5,88/8,15 0,28 см³ парафина или, при ρ_параф. 0,8 г/см³, на 1 кг порошка нужно 48 г парафина.

После пропитки и охлаждения полученные брикеты извлекают из формы (обычно выдавливают подвижным пуансоном), устанавливают в лотке герметизированного контейнера в холодной печи, полностью засыпают дисперсной окисью алюминия. Муфель герметизируют, подают диссоциированный аммиак и повышают температуру до 1100^оС. График нагрева определяется размерами и конфигурацией брикетов. Первая температурная остановка при нагреве выполняется от начала до конца испарения парафина, вторая выдержка при температуре 1100^оС в контейнере; для заготовок массой сотни граммов 1 ч. Охлаждение для муфеля с заготовками простой конфигурации с возможной наибольшей скоростью, для заготовок типа колец или из элементов разного диаметра до 800^оС с печью, а дальше охлаждение муфеля на воздухе до 60-90^оС с непрерывной подачей защитной атмосферы.

Напыление железной оболочки на пористую заготовку.

Напыленную оболочку удаляют резанием с готовой заготовки и при оптимальном варианте она должна быть равна припуску после завершения операций горячей обработки давлением. В нашем случае припуск по ГОСТ 7505-83 равен 0,4 мм.

Условную толщину напыления определяем при плотности 7,8 г/см³.

Поверхность торца спеченной заготовки 20,4 см². После осадки в пресс-форме до размеров диаметра наружного 75 мм, диаметра внутреннего 15 мм, поверхность торца станет 42,5 см²; толщина напыленной оболочки на торцах до осадки
δ 0,4 х 42,5/20,4 0,85 мм.

Высота заготовки после осадки уменьшится от 30 мм при ρ 6 г/см³до 10,5 мм при ρ 8,15 г/см³.

Наружная цилиндрическая поверхность до осадки F_н π х 7,5 х 3 70,8 см², после осадки Р_н π х 1,05 х 7,5 24,7 см². толщина напыленной оболочки δ 0,4 х 24,7/70,8 0,14 мм.

Внутренняя цилиндрическая поверхность: до осадки F_в π х 5,5 х 3 51,0 см²; после осадки F_в π х 1,05 х 1,5 4,95 см²; толщина напыленной оболочки δ 0,4 х 4,95/51,0 0,04 мм.

При невозможности практически получить обычными способами напыления очень тонкую газонепроницаемую оболочку увеличивают ее толщину и соответственно увеличивают припуск.

Объем напыления (в единицах массы).

Торцы: 2 х 20,4 х 0,085 х 7,8 27 г;
наружная цилиндрическая поверхность
70,8 х 0,014 х 7,8 77,5;
внутренняя цилиндрическая поверхность
51,0 х 0,004 х 7,8 1,6 г
общая масса 36,35 г
Материал для напыления проволока из малоуглеродистой стали диаметром 1,5 мм.

Режим напыления: I 300 А, U 30 В.

Производительность установки 12 кг/ч или 3,3 г/с.

Потери материала напыления на мелких изделиях до 60%
Расход проволоки на одно изделие: 36,35 х 1,6 60 г;
Машинное время: 60/3,3 18 с.

Последовательность операций:
зажать в патрон с охватом зажимом снаружи, запылить на внутреннюю поверхность и торец;
зажать в патрон с фиксированием кулачками изнутри, напылить на второй торец и наружную поверхность;
покрыть консервантом (обмакиванием).

Время на 1 шт. всего 40 с или 0,67 мин (по фактической затрате времени при напылении опытных образцов).

Пример выполнения защиты напылением железо-алюминиевой оболочки по режиму и по времени не отличается от примера по напылению железной оболочки, поэтому его не повторяем. Защита железо-алюминиевой оболочкой имеет дополнительные преимущества: алюминий в составе оболочки поглощает при окислении часть кислорода из объема пористой заготовки, образующаяся окись алюминия имеет больший, чем алюминий, объем и уменьшает газопроницаемость напыленной оболочки.

В полученных по заявляемому способу образцах после уплотнения и в образцах, нагретых и уплотненных в вакууме на копре с горячей вакуумной камерой разницы в характеристиках пластичности при испытании на изгиб не обнаружили. Снижение характеристик пластичности является показателем повышения содержания кислорода.

Отличительные признаки предлагаемого способа.

Новая последовательность применения известных технологических операций, использование по новому назначению известных способов обработки: использование для получения компактной заготовки пористой заготовки, полученной спеканием брикета из порошка быстрорежущей стали на возгоняемой связке, температура полной возгонки которой значительно ниже температуры начала спекания; использованием пористой заготовки, имеющей конфигурацию и массу, полностью соответствующие необходимой для получения компактной заготовки, в максимальной степени приближающейся к изделию; использование для создания газонепроницаемой оболочки не листовой стали и сварки, а газотермического напыления с получением этой напыленной оболочки по необходимой конфигурации пористой заготовки и необходимой толщины в различных местах; использование в составе напыленной оболочки материалов, способных поглотить кислород из объема пористой заготовки, например алюминия;
использование напыленной оболочки для защиты рабочей поверхности давящего инструмента от абразивного износа карбидами быстрорежущей стали.

Преимущества предлагаемого способа:
форма и размеры пористой спеченной заготовки не ограничены возможностью изготовления контейнера нужной формы и размеров, как в других способах с вакуумируемыми и невакуумируемыми контейнерами;
толщина напыленной оболочки на каждом отдельном участке заготовки определяется в зависимости от степени последующей деформации и может быть равной величине припуска на механическую обработку или части величины припуска и в зависимости от выбранной технологии горячей обработки давлением может выполняться различной толщины на различных участках заготовки;
напыление на пористую заготовку с учетом стоимости последующих технологических операций и связанных с ними потерь дешевле изготовления контейнера из катаной стали с применением сварки;
напыленная железо-алюминиевая оболочка выполняет при нагреве пористой заготовки функцию геттера: алюминий в слое окисляется за счет кислорода в объеме пористой заготовки; образующая окись алюминия больше алюминия по объему и уменьшает пористость напыленного слоя;
напыленная оболочка железа или стали на заготовку из порошка быстрорежущей стали уменьшает износ штампов, пресс-форм, т.е. не содержит твердой фазы карбидов;
затраты материалов и рабочего времени при получении газонепроницаемой оболочки значительно меньше, чем из листовой стали с применением сварки.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ, включающий получение пористого брикета в газонепроницаемой оболочке, горячую обработку давлением, отличающийся тем, что пористый брикет спекают из порошка, а оболочку получают газотермическим напылением металла на поверхность брикета.