Матеріали, устаткування і методика досліджень

 

Для проведення досліджень були використані наступні порошки: порошок заліза ПЖ1М1, порошок титану ПТХ7, технічний порошок карбіду бору (ГОСТ 5744 – 74, 50 мкм), лампова сажа П514 (ГОСТ 7885).

Першим етапом роботи є приготування порошкових сумішей, з елементарних порошків Fe, Ti та C (B₄C), для систем: Fe – Ti – C та Fe – Ti – B₄C, вміст компонентів 20% Fe, 64% Ti та 16% C (B₄C), виходячи із співвідношення 20% Fe - 80% TiC, вміст карбіду бору аналогічний до вмісту вуглецю навмисно, хоча вміст вуглецю в системі Fe – Ti – B₄C звичайно менший за Fe – Ti – C, (рис. 2.6).

 

	С, ваг%
Температура, °С
	С, ат%

 

Рисунок 2.6 – Діаграма стану системи В – С (приведена з електронної бібліотеки HRW)

Всі математичні розрахунки тут і в подальшому проводилися з використанням пакету програм Microsoft Office Excel 2007.

Розрахунок наважки шихти для пресування проводиться за формулою:

Gn=Vnγср(1-f)k1k2,

(2.8)

 

де: V_n-об´ем пресовки, що визначають по заданому відношенню H/d = 0,5…0,8, d – діаметр пресовки, H – висота пре совки, H – (0,5…0,8)d; а V_n = π d² H/4; k₁ k₂ – коефіцієнти, що враховують втрати матеріалу (k₁ = 1,005…1,01; k₂ – визначають по вмісту кисню у вихідному матеріалі, зв´язуючих речовин, мастил). γ_k – середня густина багатокомпонентної шихти, що визначаеться за законом адитивності:

γср=(γ1 γ2 γ3… γn)/(γ2γ3… γn а1+γ1γ3… γn а2+…γ1γ2 γ3… γn а(n-1)),

(2.8)

де: γ₁ γ₂ γ₃ – густини окремих компонентів шихти; а₁,а₂,а₃ – масова частка окремих компонентів шихти.

Розрахунок проводили виходячи з таких вихідних даних, що: d = 30 мм, H = 20 мм, з заданою вихідною пористістю f = 0,2 (20%); приймаючи: k₁ = 1,001, k₂ = 1.

Отже для суміші системи Fe-Ti-C: γ_ср^Fe-Ti-C = 3,7527 г/см³, G^Fe-Ti-C = 47,6153 г, відповідно:

G^Fe = 9,5230 г;

G^Ti = 30,4737 г

G^C = 7,6184 г.

А для Fe-Ti-B₄C: γ_ср^Fe-Ti-B₄^C = 4,3296 г/см³, G_n ^Fe-Ti-B₄^C = 49,1865 г, відповідно:

G^Fe = 9,8373 г;

G^Ti = 31,4793 г;

G^B₄^C = 7,8698 г.

Було приготовано шихти, обох складів, що відповідали масі необхідної на три зразка для кожного з вказаних складів.

Змішування проводили в змішувачі типу лабораторному баночному змішувачі з додаванням уайт – аспериту та тіл, що інтенсифікують процес змішування, запобігаючи розшаровуванню порошкових компонентів шихти. Тривалість процесу змішування складає 1,5 год, швидкість обертання 60 об/хв. Після змішування порошкова суміш просушувалась до повного випаровування залишків уайт – аспериту, з неї видалялися єрши. Далі складалися наважки згідно вказаного вище розрахунку.

Пресування заготовок проводилося на гідравлічному пресі ГП – 65, в прес-формах з діаметром робочого каналу 30 мм, при навантаженні 500 МПа. Внутрішні стінки прес-форми підлягали змащування машинним мастилом, для зменшення сил внутрішнього тертя. При пресуванні заготовок використовувалася двостороння схема пресування.

Спікання заготовок в печі з резистивним нагрівом Г-30А, потужністю 30 кВт, без контрольованої атмосфери в активній зоні печі, при температурі 1200 °С, на протязі 1 год. Контроль газового середовища при спіканні заготовок здійснюється за допомогою використання схеми плавкого затвору (рис. 2.7 (а,б)).

Суть схеми полягає у створення контрольованої відновлювальної атмосфери в об’ємі контейнеру, в якому здійснюється спікання зразків.

Зразки поміщаються в циліндричний контейнер, виготовлений з нержавіючої сталі, та запаковуються відповідно до вказаних вище схем:

Невелика кількість парафіну, що поміщується на дно контейнеру необхідна для витіснення кисню повітря з об’єму контейнера, шляхом його розкладання при нагріванні разом з контейнером, за реакцією:

С₁₈Н₃₈ + 27,5 О₂ ® 18 СО₂↑ +19 Н₂О↑

TiH₂ при нагріванні до температури 300 – 400 °С розкладається згідно реакції:

TiH₂ → Ti + H_атом. ↑

Витісняючи продукти реації розкладу (газифікації парафіну) та утворююче відновлювальне середовище всередині контейнеру, для чого потрібно невелика кількість водню, до того ж атомарній водень має більш високу відновлювальну здатність, що є сприятливим фактом. Гідрид титану повинен бути розміщеним в об’ємі контейнера з великою обережністю, через те що титан, що утворюється при розкладанні TiH₂ утворює з залізом легкоплавку евтектику, тому це може призвести до прогорання контейнера.

Роль засипки виконує відпалений пісок, що прокалюється при температурі 1200 °С на протязі 2 год, це дозволяє позбавитись від вологи та по можливості газифікувати небажані домішки, тим самим видаливши їх з об’єму піску.

Шар порошку заліза, це бажаний, але не необхідний компонент паковки. Він необхідний для поглинання можливого залишкового кисню в об’ємі

 

а)

б)

а) контейнер з плавким затвором зверху;

б) контейнер з плавким затвором знизу.

Рисунок 2.7 – Схема спікання зразків в контейнері з плавким затвором

 

контейнеру, через свою досить високу спорідненість до кисню; його додавання підвищує вірогідність не окислення зразків.

 

Прокладка з листового азбесту закладаеться для герметизації робочого об’єму контейнера, затримуючи вихід водню та також перешкоджає затіканню розплаву скла всередину.

Невеликий кількість піску, розміщена шаром над азбестовою прокладкою відіграє роль загущувача розплаву скла, при його плавленні та стіканні в об’єм робочої зони контейнера під своєю вагою, що додаткова забезпечує чистоту робочого об’єму.

Верхній шар паковки складається з суміші порошку скла з додаванням 15 % бури (Na₂B₄O₇*10H₂O), або борного ангідриду (B₂O₃), що дозволяє понизити температуру плавлення скла на 50 °С та сформувати сам так званий плавкий затвор; ступінь якості затвору можна визначити візуально по його зовнішньому вигляду, гарним результатом є наявність рівномірної гладкої (дзеркальної) поверхні затвору, відсутність свищів, каверн на поверхні дзеркала. При необхідності порошок скла може додаватися в процесі спікання прямо в активну зону печі.

Різниці між вказаних різновидів схеми пакування з плавким затвором є, хоча і не суттєва; другий різновид трохи більш трудомісткий, але й більш надійний в плані створення контрольованого газового середовища в об’ємі контейнера, через те що контейнер перевернутий, що додатково перешкоджає виходу водню з робочої зони контейнеру.

Металографічне дослідження:

Вирізка зразків: Вирізка зразків металографічного дослідження проводилася з зразків, що піддавалися спіканню в контейнері з плавким затвором при температурі 1200 °С на протязі 1 год. Зразки попередньо мали розміри 30×(20±2) мм.

Заготовки відбирали холодним способом на метало оброблювальних верстатах. При відборі заготовок, а також при приготуванні зразків були забезпечені всі заходи по запобіганню зразків від нагріву та наклепу (зміцнення металу під дією пластичної деформації), що можуть привести до викривлення структури та зміні властивостей.

При вирізці заготовок холодним способом передбачався припуск від лінії зрізу до краю зразку розміром приблизно 4 мм.

Розмір і форма зразків визначаються задачами дослідження. Зазвичай вирізані зразки циліндричної або прямокутної форми (як в нашому випадку), висота яких рівна 10 мм, а площа досліджуваної поверхні (шліфа) 2-3 см. Для запобігання пошкодження рук, із зразку були зняті задирки та гострі краї обпилені терпугом.

Підготовка зразків до шліфування.Для зручності приготування шліфів отримані зразки розміщувалися в металевих оправках – кільцях круглої форми і заливалися заливалися епоксидним клеєм марки ЭДП (ЭПОК01), представляє собою розчин епоксидної модифікованої смоли з отверджувачем ПЭПА (поліетиленполіамін). Розчин готується з урахуванням кількості отверджувача по відношенню до 100 частин епоксидної смоли 10 – 12 частин отверджувача ПЭПА. Процес приготування клею супроводжується екзотермічною реакцією його тверднення, що обумовлено зшивкою полімерних ланцюгів епоксидної смоли молекулами отверджувача. Час твердіння залежить від величини приготованої проби та температури вихідної композиції (температури зовнішнього середовища). При температурі вище 20 °С, час тверднення скорочується та відповідно навпаки. Клеєва суміш готується безпосередньо перед його використанням. Для точного дозування епоксидної смоли та отверджувача рекомендується. Клейова суміш придатна до використання на протязі 1,5 – 2 годин після приготування. Максимальна міцність, при температурі 20 °С, досягається через 24 години після заливки зразків. При приготуванні можлива зміна кольору клейової суміші, але це не впливає на показники суміші. При змішуванні епоксидної смоли з отверджувачем суміш зазвичай стає жовтуватого кольору. Для інтенсифікації процесу приготування клейової суміші рекомендується підігрівати суміш, використовуючи джерела закритого вогню, до температури не вище 75 – 80 °С, через миттєве спінювання, що робить її непридатною до використання. Підігрівання призводить до зменшення в’язкості клейової суміші, полегшуючи оперування нею. Додавання 15 – 20 % ацетону сприяє зменшенню в’язкості клеєної суміші. Залиті зразки, для прискорення процесу полімеризації, поміщують у сушильну шафу на 1 годину, при температурі не вище 80 °С.

Недолік цього методу в тому що епоксидна клейова суміш та інші подібні речовини, що використовуються для фіксації зразку в оправці, забруднюють поверхню шліфа та обробляючого матеріалу при подальшій обробці.

Шліфування. На торцевій поверхні зразку готується плоска поверхня, з чітко вираженою кромкою без закруглень. Зразок оброблюють на станку з обертаючимся абразивним кругом, моделі 3Г71, при великій швидкості обертання з охолодженням поверхні зразку водою та малим натискуванням. В інакшому випадку, перегрів і сильна механічна дія можуть викликати зміну мікроструктури, що призведе до хибного результату дослідження. Отримана поверхня повинна бути пласкою і не мати завалів. Шліфування металографічних зразків здійснювалося ручним способом.

При ручному способі шліфування на жорстку пласку підкладку (товсте скло або лист металу), що розміщена горизонтально, кладуть наждачний папір. Потім зразок ставлять на наждачний папір заторцьованою площиною і шліфують з легким натискуванням. Шліфування ведуть до повного зникнення рисок, що залишилися після операції торцювання. Коли на шліфі залишаються риски тільки від паперу, шліфування зупиняють. Шліфувальний папір видаляють з підкладки, отряхуючи з неї зерна абразиву, що викришилися і частинки металу. Залишки абразиву видаляють також з підкладки та шліфа, протираючи їх шматком чистої м’якої тканини або ватним тампоном. Після цього операцію шліфування повторюють на папері з більш дрібним зерном. При повторному шліфуванні напрямок руху зразку повинен бути перпендикулярним напрямку рисок, що залишилися від попереднього шліфування (тобто перпендикулярно попередньому напрямку руху зразку). Операцію шліфування повторюють, використовуючи послідовно папір з меншим номером зернистості і кожен раз змінюють напрямок руху шліфа на 90°. Змінення напрямку руху шліфа дозволяє повністю усунути риски, що залишилися після попереднього шліфування. Закінчивши шліфування на папері з найменшою зернистістю, зразок промивають проточною водою і піддають поліровці. При шліфуванні використовувався наждачний папір, що характеризується номером зернистості (пов'язаний з розміром зерен основної фракції абразиву) приведеному в таб. 2.2.

Таблиця 2.2 - Крупність основної фракції використовуваного наждачного паперу при шліфуванні шліфів (ГОСТ 3647 – 80)

Номер зернистості	Крупність основної фракції, мкм	Номер зернистості	Крупність основної фракції, мкм	Номер зернистості	Крупність основної фракції, мкм
	2500 – 2000 2000 – 1600 1600 – 1250 1250 – 1000 1000 – 800 800 – 630 630 – 500 500 – 400 400 – 315 315 – 250		250 – 200 200 – 160 160 – 125 125 – 100 100 – 80 80 – 63 63 – 50 50 – 40 40 – 28	М63 М50 М40 М28 М20 М14 М10 М7 М5	63 – 50 50 – 40 40 – 28 28 – 20 20 – 14 14 – 10 10 – 7 7 – 5 5 – 3

 

Полірування. Після завершення шліфування на поверхні шліфа залишаються тонкі риски. Щоб остаточно вирівняти поверхню, шліф полірують до дзеркального блиску. Полірування здійснювалося механічним способом на полірувальному станку, моделі П – 2А. Поліровку здійснювали на дерев’яному диску, змоченому масляною суспензією з алмазним порошком 1 – 2 мкм, при швидкості обертання диску ~80 рад/с. При поліруванні шліф періодично повертали для більш рівномірної обробки всієї поверхні.

Хімічне травлення. Для виявлення мікроструктури отриманого матеріалу застосовувався метод хімічного травлення. При хімічному травленні поверхня шліфа піддається дії хімічних реактивів на протязі певного часу при певній температурі. Травлення зразків носило загальний характер. Травлення проводили при кімнатній температурі поетапно з використанням двох травників. Зважування хімічних речовин для приготування реактивів проводилося на аналітичних терезах. Попереднє травлення здійснювалося травником складу А:

пікринова кислота (C6H2(NO2)3OH - тринітрофенол)	1 г,
HCl	4 мг,
C2H5OH (розчинник)	100 мг.

Даний склад застосовується для виявлення первинної структури при зварюванні або при наплавці вуглецевих та мало вуглецевих сталей.

Микрошліфи спочатку декілька разів травлять складом А по 60 с з проміжними переполіровками до усунення слідів вторинних структур. Після чого промивають проточною водою та сушать етиловим спиртом.

Основне травлення проводять травником складу В:

HCl	4 мг,
CuCl2	5 г,
C2H5OH (розчинник)	25 мг,
Дистильована вода (розчинник)	30 мг.

Виявлення мікроструктури матеріалу при хімічному травленні проводилося шляхом змочування поверхні шліфа травниками вказаного складу. При використанні обох травників декілька крапель травника наносилося на поверхню шліфа піпеткою, витримувалося і змивалося етиловим спиртом. Після промивки шліфи ретельно висушували на фільтрувальному папері. Якість травлення перевіряли під мікроскопом, моделі МИМ-7, при тому ж збільшенні, що й дослідження шліфа.

Очищення шліфів проводилося на ультразвуковому диспергаторі, моделі УЗДН – А, в розчині складу 50 % етилового спирту та 50 % бензину, на протязі 5 хв (час промивки визначався експериментально). Після промивки можна візуально спостерігати металічний блиск поверхні мікро шліфа, що зумовлюється очищенням пор зразка від оксидної плівки, забруднень обумовлених процесами шліфовки та поліровки, а також часткове позбавлення від клейову суміш, що відбувається за рахунок високої енергії кавітаційні пухирців.

Мікроскопічне дослідження проводили візуальним спостереженням на металографічному мікроскопі ,МИМ-8 при використанні оптичного збільшення 150 та 600.

Вимірювання мікротвердості. Вимірювання мікротвердості, що дозволяє визначити твердість окремих фаз та структурних складових тонкого поверхневого шару, проводили на приладі моделі ПМТ-3. Випробування проводять згідно ГОСТ 9450 – 76. Мікротвердість визначали на пласкій полірованій чистій поверхні. При приготуванні зразка особлива увага приділялася до запобіганню наклепуванню та нагріванню поверхні, що може призвести до відхилення величини мікротвердості. Дослідження здійснювалось при навантаженні в 50 г, при виборі навантаження керувалися розміром площі ділянки, твердість якої змінюється, і товщиною зразка. В якості індентора використовувалась алмазна піраміда з кутом при вершині 136°. Перед початком випробувань проводилася перевірка приладу на зразках еталонах для встановлення автентичності його результатів.

Щоб не проводити розрахунки мікротвердості за формулою згідно методики, використовували таблицями (додатки до ГОСТ 9450 – 76), в яких приведені значення мікротвердості в залежності від прикладеного навантаження та довжини діагоналі відбитку.

Точність вимірювань при використанні окуляру 10 становить ±0,5 найменшого ділення шкали (при збільшенні об’єктиву 30 – 40^×).

Спечені зразки дробилися під прессом з мінімально можливим навантаженням, запобігаючи наклепуванню матеріалу. Отриманий порошок просіювався відділяючи фракцію в 100 мкм; та піддають рентгено – фазовому аналізу разом з шматочками спеченного матеріалу. Рентгенівський фазовий аналіз проводився на дифрактометрі ДРОН-3.0 в кобальтовому К_α-випромінюванні при напрузі U = 30 кВ, струмі І = 17 мА, без фільтру, з використанням фокусування трубки по схемі Брегга-Берттано. Сканування з кроком 0,05° при витримці в точці 4 с. Розрахунок результатів рентгенівського аналізу проводився з використанням програми FindPike, та електронної рентгенівської бібліотеки PCPDFWIN 2000.

Готуютувалися аналогічні за складом до складу лігатури суміші, але їх спікання проводиться в контейнері з плавким затвором, де зразки поміщені в графітову трубу. Наявність графітової труби пояснюється окисленням зразків при попередніх спіканнях; її нагрівання призводить до взаємодії вуглецю труби з повітрям в об’ємі контейнеру, утворюючи відновлювальну атмосферу.

Розмел спеченої композиції проводили у планетарному млині, моделі ВПК2111У2, в середовищі етилового спирту, за режимом:

· 2,5 хв розмел,

· 30 хв зупинка та охолодження млина,

· 2,5 хв розмел.

Отримана емульсія вивантажувалася з барабанів разом з розмеленими тілами в піддони та просушувають на повітрі при кімнатній температурі до повного висихання, випаровування етилового спирту (приблизно на протязі доби). Після чого проводилося зважування отриманого порошку (див. таб. 2.3).

Таблиця 2.3 - Втрати маси на операції розмелу порошкових сумішей

Склад порошкової суміші	Маса до розмелу, г	Маса після розмелу, г
Fe – Ti – C		136,20
Fe – Ti – B4C		145,85

 

Отримані порошкові систем Fe – Ti – C (B₄C ) суміші є лігатурою для приготування шихт призначених для процесу гарячого штампування. Вихідні склади шихт для процесу гарячої штампування мелють склад:

· Fe – 10% TiC,

· Fe – 20% TiC,

· Fe – 30% TiC.

Розрахунок необхідної кількості проводився виходячи з складу лігатури (20% Fe - 80% TiC), за формулою:

0,8m / (m + x) = y,

де m – маса наважки, г; x – кратність мас лігатури та порошку Fe,що необхідно додати, г; y – заданий вміст TiC, %.

В приведеній нижче таблиці (таб. 2.4) показана маса порошку заліза та маси лігатури, яку необхідно додати.

Таблиця 2.4 - Співвідношення мас лігатури та порошку заліза при приготуванні вихідної шихти під гарячу штамповку

Вміст TiC в шихті, %	Маса лігатури, г	Маса порошку Fe, г	Кратність приведених мас
	22,5	157,5
	66,(6) ~ 66,7	113,4	1,(6) ~ 1,7

 

Враховуючи великий вміст карбідної фази в об’ємі зразків випливає неможливість їх піддання гарячому штампуванню через їх високу крихкість, тому в якості підтримуючої конструкції використовується обойма, виготовлена з сталевої водогазопровідної (газової) труби, згідно ГОСТ 3262 – 62. Використовується не оцинкованих (чорний), з зварними швами різновид цих труб, без різьби та фланців.

За умові розмірів штампового інструменту, з робочим діаметром d = 43 мм та робочою висотою h = 7 мм, підберемо розмір (диаметр) обойм під гаряче штампування. Відповідно до приведеної нижче таблиці (таб. 2.7)та враховуючи розміри штампового інструменту вибираємо трубу під обойму.

Оптимальним при заданих умовах виявляється труба з умовним проходом в 25 мм (1 дюйм), 25ГОСТ 3262 - 62.

Таблиця 2.7 - Сталеві водогазопровідні труби, згідно ГОСТ 3262-62

Умовний прохід	Труби
мм	дюйми	Зовнішній діаметр, мм	Маса на 1 кг (без муфти)	Товщина стінки, мм
	½	21,3	1,28	2,8
	¾	26,8	1,66	2,8
		33,5	2,39	3,25
	1 ¼	42,3	3,09	3,25
	1 ½		3,84	3,5

 

Проводимо розрахунок висоти труби (рис. 2.8) відповідно до кількості порошкової суміші необхідної для досягнення заданої щільності після гарячого штампування отриманих зразків (таб. 2.8).

 

Рисунок 2.8 - Обойма для заготовок під гарячу штамповку

 

Розрахунок вихідної висоти обойми виходячи з наведених умов: розмірів штампового інструменту, щільність зразків після гарячого штампування.

V = V_тр + V_пор = const;

V_тр^н = π (D₀² + d₀²) h₀ / 4;

де V_тр^н – вихідний діаметр труби; D₀, d₀, h₀ – вихідні зовнішній, внутрішній діаметр та висота обойми відповідно,

V_тр^к = π (D_к² + d_к²) h_к / 4;

де V_тр^к – кінцевий діаметр труби; D_к, d_к, h_к – кінцеві зовнішній, внутрішній діаметр та висота обойми відповідно,

D_к = D,

де D = 43 мм – діаметр штампового інструменту,

V_тр^н = V_тр^к,

V_п^н = π d₀² h₀ / 4,

де V_п^н – вихідний об’єм порожнини в обоймі,

V_п^к = π d_к² h_к / 4,

де V_п^к – кінцевий об’єм порожнини, після деформації обойми,

V_п^н = V_п^к,

Складаємо систему рівнянь:

		Vтрн = Vтрк,	(2.9)
Vпн = Vпк.	(2.10)

Враховуючи щільність вільно насипаного порошку (γ_нас – насипна щільність), а також щільність компактного порошку (γ_к), перейдемо в рівнянні (2.9) та (2.10) до щільностей і отримаємо систему рівнянь.

		π (D02 – d02) h0 γтрн/ 4 = π (Dк2 – dк2) hк γтрк/ 4,	(2.11)
π d02 h0 γн/ 4 = π dк2 hк γк/ 4,	(2.12)

де γ_тр^н , γ_тр^к – щільності труби-обойми до та після деформування при гарячому штампуванні відповідно, γ_н , γ_к – щільність порошку до гарячого штампування (насипна щільність порошку) та компактного порошку відповідно.

Припускаючи, що γ_тр^н = γ_тр^к

 

		(D02 – d02) h0 = (Dк2 – dк2) hк,	(2.13)
d02 h0 γн= dк2 hк γк,	(2.14)

 

З рівняння (6) виразимо:

d_к² = d₀² h₀ γ_н / h_к γ_к,

та підставимо у рівняння (5), отримуємо:

(D₀² – d₀²) h₀ = (D_к² –( d₀² h₀ γ_н / h_к γ_к)) h_к,

Виражаємо з отриманого рівняння h₀:

h0 = Dк2 hк/(( D02 – d02) + (d02 γн/ γк)).

(2.15)

Для розрахунку вихідної висоти обойми визначимо насипної щільності вихідної порошкової суміші. Визначення насипної щільності проводилося згідно ГОСТ 19440 – 74.

Результати вимірювань насипної щільності порошкових сумішей приведені в таб.2.8 .

Таблиця 2.8 - Насипна щільність порошкових сумішей

Для системи з лігатурою складу	Вміст TiC, %	Насипна щільність порошкових сумішей, г/см3
Fe – Ti – C		3,9083
	3,6874
	3,4886
Fe – Ti – B4C		3,9220
	3,9810
	3,9970

 

Результати розрахунку висоти обойми, згідно формули (2.15), приведено в таблиці 2.9.

 

Таблиця 2.9 - Результати розрахунку висоти обойми для зразків під гаряче штампування

Суміш №	Для системи з лігатурою	Вміст TiC в суміші, %	Вихідна висота обойми, мм
	Fe – Ti – C		25,6460
		25,7120
		25,7460
	Fe – Ti – B4C		25,6370
		25,2080
		25,9080

 

Враховуючи отримані результати вихідної висоти обойми приймаємо висоту обойми за 26 мм. Розрахунки проводили з урахуванням 5 - 10% облою зразків при гарячій штамповці.

Пресування зразків під гаряче штампування проводиться на пресі приведеної вище моделі, при навантаженні в 50 т (620МПа), в матриці з діаметром робочого каналу 40 мм, при вільній засипці порошкової суміші. Схема пресування заготовок показана на рис 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема пресування заготовок під гарячу штамповку

Отримані заготовки піддають розігріву до температури 1200 °С в середовищі Ar, на протязі 15 хв, в печі шахтного типу, моделі ШП-1(рис. 2.11 ). Розігріті заготовки підлягають гарячій штамповці вільною осадкою у відкритому штампі (рис. 2.12), на не нахиляємому одно кривошипному пресі простої дії, моделі КВ 2132 (рис. 2.13), з номінальним зусиллям 1600 кН, з швидкістю деформування 1000 м/с.

 

Рисунок 2.10 - Вигляд заготовок під пресування під гарячу штамповку

 

Рисунок 2.13 - Прес, моделі КВ 2132

Рисунок 2.12 - Зовнішній вигляд відкритого штампу

Рисунок 2.11 – Зовнішній вигляд шахтної печі ШП-1

На рис. 2.14 заготовки після гарячого штампування, а на рис. 2.11 показаний прес КВ 2132.

Рисунок 2.14 - Зовнішній вигляд заготовок після гарячої штамповки

 

Після гарячого штампування зразки піддавали відпалу при 850 ^0с, після чого проводили їх гарт з температури 870 ⁰С у воду з подальшим відпустком при 180 ⁰С протягом 3600 с.

Щільності матеріалудо до (після пресування з металічною обоймою) та після ущільнення методом гарячого штампування здійснюється за методом гідростатичного зважування, згідно ГОСТ 20018 – 74. Щільність визначалася з урахуванням щільності води, що змінюється в залежності від температури навколишнього середовища, таб. 2.10.

Таблиця 2.10 - Щільність отриманого зразків.

Для сплавів з лігатурою	Вміст твердої фази, %	Середня щільність зразків, г/см3
Після пресування	Після ГШ
Fe – Ti – C		7,4225	7,7998
	7,0232	7,6781
	6,9647	7,4953
Fe – Ti – B4C		7,2113	7,6956
	6,7821	7,3987
	6,6647	7,2764

 

 

1, 2 – зразки на вигин;

3, 4 – зразки на в’язке руйнування

Рисунок 2.15 – Схема розкрою на штапики для визначення механічних властивостей

Отримані зразки спочатку зачищалися на абразивному крузі, а потім розрізалися на електроіскровому верстаті, моделі 4531, на прямокутні штапики за схемою, рис 2.15. В результаті такого розкрою циліндричної заготовки були підготовані зразки для механічних випробувань.

Випробування на вигин проводилися по трьохточковій схемі навантаження. Відстань між опорами становила 20 мм. Більшість зразків мали розмір 6,25 мм. Випробування проводилися на випробувальній машині 123У - 10, при швидкості навантаження 1 мм/хв. Розрахунок межі міцності при вигині проводився за формулою:

,

(2.15)

 

де P – зусилля руйнування, Н;

l – відстань між опорами, мм;

b – ширина зразків, мм;

h – висота зразка, мм.

В’язке руйнування К_Iс визначали за схемою трьохточкового вигину при відстані між опорами 16 мм на машині «Plastics Bending Tester» (Венгрія). Розміри зразків становили мм. По середині зразка робили надріз глибиною 1,5 мм електроіскровим способом латунним дротом діаметром 0,2 мм, а потім поглиблювали на 0,2 – 0,5 мм вольфрамовим дротом діаметром 0,06мм, що при русі з абразивними частинками зношувала матеріал. Поглиблення проводили на верстаті «Wire Saw type WS-22». Значення в’язкості руйнування проводили за формулою:

,

(2.16)

де а – глибина набрізу,

(2.17)

Твердість зразків визначалася за допомогою піраміди Віккерса на приладі ТП-2 при навантаженні 30 кг.

Результати механічних випробувань приведені в таб. 2.11.

 

Таблиця 2.11 - Результати механічних випробувань

Склад матеріалу	Вміст твердої фази, %	σзг, МПа	KIc	HRC(після ГШ)	HRC(після відпалу	HRC(після гартуванн та відпуску )
Fe – Ti – C		2130 - 2160	23,2 - 26,8	30 – 35	25 - 30	31 – 37
	1900 - 1940	24,3 - 25,0	39 – 43	29 – 33	41 – 45
	1710 - 1760	51,6 – 52,2	66 – 69	32 - 36	59 – 64
Fe – Ti - B4C		2030 - 2080	18,3 - 20,5	33 – 38	30 – 34	43 – 48
	1810 - 1850	20,8 - 23,0	43 – 47	34 – 39	50 – 55
	1590 - 1630	48,7 – 43,2	72 – 75	40 – 45	68 – 70

 

Випробування зносостійкості матеріалів з різним вмістом зміцнюючої фази_. Умови досліджень. Швидкість ковзання – V 1,5 м/с. Контактний тиск - 2,0 МПа. Тертя без змазки. Матеріал контр тіла : алмазний круг. Шлях тертя, L – 1 км на кожному навантаженні; S зразка – 5,4 – 5,6 см².

Випробування зносостійкості матеріалів проводилися в парі з алмазним кругом на машині тертя М-22М. Триботехнічні властивості визначалися по методиці ГОСТ 26614-85. Сутність методики полягає у визначенні залежності величини зносу і сили тертя від швидкості ковзання і сили навантаження і в обчисленні їх інтенсивності зношування і коефіцієнтів тертя.

Вибір швидкості ковзання і навантаження, при терті без змазки, залежать від складу і міцності досліджуваних матеріалів (зразок – контртіло) і допустимої температури в вузлі тертя при фрикційному розігріві.

Композиційні матеріали, які містять карбіди металів, володіють високою твердістю і тому доцільно їх зносостійкість визначати в парі з абразивним матеріалом (контртілом). В даному випадку в якості абразиву використовували алмазний круг АСВ180/125 по ГОСТ16167-80 і швидкістю ковзання 1м/с з похибкою частоти оберту вала не більше 5%.

Інтенсивність зношування зразка і контртіла визначалися методом ваги – взвішування зразка і контртіла до і після випробування через кожний км шляху тертя при ступінчатому навантаженні. Товщина зразка визначалася з похибкою електронного мікрометра, не більше 0,01.

Результати триботехнічних випробувань приведені в таб.2.12.

Випробування повторювалися не менше трьох разів з заміною зразків і за оцінку інтенсивності зношування зразка приймали середнє арифметичне значення.

Таблиця 2.12 – Результати триботехнічних випробувань

Сплав системи	Вміст твердої фази, %	Коефіцієнт тертя, f	Знос, мкм/км
Fe – Ti – C		0,23	2,50
	0,27	1,93
	0,25	1,04
Fe – Ti - B4C		0,24	1,97
	0,25	1,45
	0,26	0,98