5. Свс- прессование и свс--компактирование

Одним из наиболее перспективным направлением в развития СВС-технологии является совмещения СВС-процесса с прессованием горячего продукта. В результате такого совмещения становится возможным получение полуфабрикатов и изделий с пористостью менее 1 об.% из неплавящихся СВС-продуктов. Процессы горения, совмещенные с прессованием (силовым компактированием), при котором за очень короткий промежуток времени происходит и синтез основных составляющих материала или изделия и образование структур, называют СВС-прессованием.

Основными параметрами, с помощью которых можно управлять однородностью и обеспечивать низкую пористость материала, являются: давление прессования, время подачи импульса, период прессования, экспозиция образца под давлением и примесное газовыделение. Все эти параметры находятся в непосредственной зависимости от физико-химических свойств системы, а также скорости и температуры горения.

В настоящее время подробно изучены совмещенные с прессованием процессы СВС для целого ряда систем, относящихся к классу безвольфрамовых твердых сплавов и коррозионностойких материалов: MeC, MeB₂, MeSi₂, MeC-MeB и др.

Большой интерес при синтезе материалов в режиме СВС-прессования представляет изучение механизма формирования структуры материала. Эти исследования проводятся с применением металлографического метода, локального рентгеноспектрального анализа, электронной микроскопии конечных материалов и продуктов, закаленных в процессе горения. Удалось выявить отдельные стадии процесса СВС-прессования, понять роль легирующих добавок в формировании зеренной структуры материала и в дальнейшем практически их использовать.

Совмещение СВС-процесса с прессованием позволяет при определенных условиях получать компактные твердые и тугоплавкие материалы без связующего. Например, разработана технология получения таким методом низкопористых образцов нестехиометрического карбида титана (38-54 мас.%. углерода от стехиометрии). Разработана также СВС-технология порошков дисульфида и диселенида вольфрама.

Наряду с совмещением СВС с обычным прессованием весьма перспективной является обработка пластичных СВС-продуктов давлением, осуществляемая и другими методами. Так, разработаны основы технологии экструдирования горячих СВС-продуктов. Методом экструзии получены изделия из твердых СВС-материалов (сплавов) круглого, шестигранного и квадратного сечения. Определено влияние на пористость, качество поверхности и сохранение формы изделий различных технологических параметров: времени задержки воздействия, давления, геометрии матрицы и др.

Ближайшими задачами работ по созданию СВС-технологий с прессованием и экструзией является расширение круга перерабатываемых таким образом СВС-материалов, усложнение конфигурации получаемых изделий, сведение к минимуму их последующей обработки.

Принципиально новым направлением в СВС-технологии компактных материалов может стать разрабатываемое совмещение СВС с динамическим импульсным сжатием, создаваемым за счет энергии взрыва. Исследования на образцах нитридов бора и алюминия, а также на системах "алюминий - бор" и "алюминий - двуокись титана - сажа" показали, что с помощью специальных взрывных капсул плоской и цилиндрической формы этим способом могут быть получены высокоплотные образцы в виде цилиндров, трубок, пластин и дисков

Технологические особенности получения материалов СВС-компактированием

Одним из наиболее перспективным направлением в развития СВС-технологии является совмещения СВС-процесса с прессованием горячего продукта. В результате такого совмещения становится возможным получение полуфабрикатов и изделий с пористостью менее 1 об.% из неплавящихся СВС-продуктов.

Принципиально важным достижением в этом направлении следует считать разработанную оригинальную СВС-технологию неперетачиваемых режущих пластин из безвольфрамовых синтетических твердых инструментальных материалов (СТИМ), так называемую СТИМ-технологию.

Ключевой прием СТИМ-технологии заключается в проведении СВС-процесса в пресс-форме специально оборудованного пресса и в программированном воздействии давлением на горячий образец. С использованием этой технологии получена серия безвольфрамовых инструментальных материалов, которые различаются составом твердой основы, связующих и соответственно эксплуатационными характеристиками, назначением и оптимальными режимами использования. В качестве твердой основы в СВС-материалах серии СТИМ используются в различных сочетаниях карбид и диборид титана, карбид хрома и другие соединения, в качестве связующего - многокомпонентные сплавы. Пористость материалов СТИМ составляет менее 0,5 об.%.

Исследования показали, что механические характеристики пластин СТИМ существенно зависит от условия приготовления исходной шихты и ее однородности. В связи с этим применительно к СТИМ-технологии разработаны новые способы и отлажены режимы смещения и обработки исходных компонентов. В частности, показано, что правильный подбор среды для смешения шихты позволяет повысить предел прочности на изгиб материалов СТИМ на 10-20 % по сравнению с обычными. По данным металлографических, рентгеноструктурных и микрорентгеноспектральных исследований, а также на основании результатов исследований микропластичности, распространения трещин и вязкости разрушения определены зависимости эксплуатационных характеристик материалов группы СТИМ от условий их получения. Определены оптимальные технологические параметры, обеспечивающие наилучшие свойства изделий.

Разработана технология получения материала СТИМ-4, отличающегося высокой термостойкостью при циклических тепловых нагрузках, а также высокопрочного материала СТИМ-2А конструкционного назначения.

Следует отметить, что возможности СТИМ-технологии не ограничиваются только созданием новых инструментальных материалов. С помощью совмещения СВС-процессов с прессованием получен ряд других ценных материалов и изделий из них, обладающих заданными свойствами. В некоторых случаях основой для этих материалов послужили материалы серии СТИМ.

В частности, разработана и освоена технология СВС с прессованием для производства композиционных материалов на основе интерметаллидов, в том числе материалов с памятью формы.

Создана СВС-технология высокопрочных твердых сплавов на основе карбида титана и установлено, что оптимум свойств этих материалов обеспечивается содержанием связующего 20-30 мас.%.

Определены энергосиловые параметры технологического процесса СВС-прессования, оценено влияние вибрации при наложении её на указанный процесс. Приведены результаты испытаний полученных по технологии СВС-деформационное компактирование деталей задвижек ДУ-250, работающих в агрессивных средах, волок для протягивания электродной проволоки и фасонного таврового профиля, полуматриц для изотермического прессования турбинных лопаток.

Машиностроительные отрасли народного хозяйства широко применяют детали и узлы, работающие при высоких температурах, в коррозионных средах и условиях интенсивного износа. Для изготовления деталей, обладающих повышенной твёрдостью, прочностью, жаростойкостью, применим процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Работы, проводимые авторами на ряде предприятий по изготовлению деталей процессом СВС, включают в себя деформационное компактирование (ДК), применяемое в целях обеспечения заданной плотности и придания изделию необходимой формы.

Анализ результатов прямого прессования и прокатки материала в объединённом процессе СВС-ДК показал достаточно высокую технологичность процесса и целесообразность его промышленного освоения.

Для разработки технологического процесса СВС-ДК одним из важнейших элементов является правильное определение его энергосиловых параметров. Поэтому прежде всего требовалось установить зависимость влияния усилия прессования на основные характеристики качества изготовляемых изделий.

Эксперименты и отработка технологии проводились на гидравлических прессах усилием 65 и 120 тс при скорости перемещения штока V=12 мм/с.

Процесс СВС и последующее прессование проводилось в оснастке, установленной на стол пресса. Для измерения усилий ДК мессдоза крепится к штоку пресса, а ходограф - на станине пресса.

Сигнал от мессдозы и ходографа усиливается усилителем "Топаз-3" и записывается на фотобумагу двенадцатиканального осциллографа марки Н.44-01.

Исследованы заготовки из материалов на основе TiC в стехиометрическом соотношении, в связке Ni, Mo и Fe, Al.

Шихта готовилась по известной схеме: дозировка; перемешивание; сушка в вакуумном сушильном шкафу.

Подготовленный состав засыпался в прессовую оснастку и подтрамбовывался.

Обжатие при прессовании определялось расчётным путём:

 = h / h₀

где: h = h₀ - h₁, мм; h₀ - исходная высота подтрамбованной шихты, мм; h₁ - высота после приложения усилий, мм.

Удельная плотность изделий  = 5.88 г/см³ достигается при удельном усилии прессования 308 кгс/см². Следует отметить, что прессование изделий традиционными методами порошковой металлургии происходит при усилии 8-10 тс/см². Важно было оценить влияние вибрации при наложении её на процесс СВС-прессование.

Вибростенд ВДС-2 устанавливается на стол пресса. Работа велась при средних характеристиках вибростенда - частоте 80 Гц и амплитуде колебаний 0,8 мм, включая подтрамбовку шихты, СВ-синтез и собственно ДК.

Удельная плотность  =5.88 г/см³ достигается при наложении вибраций на процесс ДК при усилии прессования 2.5 кгс/см², то есть при усилии в 140 раз меньше.

СВС-ДК процессом были изготовлены детали задвижек ДУ-250, работающих в агрессивных средах, футеровочные кольца и шибера из композиционного материала TiC, Ni, Mo.

Футеровочные кольца изготовлены указанным прессом в специальной прессовой оснастке. Инициирование реакции горения проводилось с помощью нихромовой спирали, нагретой до 570-620С. Плотность материала изделий  = 5,7-5,9 г/см³ обеспечивалась при удельных усилиях прессования до 320 кгс/см².

Шиберы вырезались из пластин, полученных прессованием после окончания процесса СВС и дальнейшей прокаткой сразу после прессования. Прокатку проводили в двухвалковом стане 350 при скорости до 0,6 м/с и относительном обжатии до 48 %. Температура заготовки под прокатку составляла 2200-2500С. Структура прокатанных пластин плотная, мелкозернистая и имеет расположение в направлении прокатки карбида в связке. Твёрдость поверхностного слоя HRA 86-90.

Из этих же пластин изготавливались образцы для коррозионных испытаний, которые устанавливались непосредственно в пульпопроводе. Стойкость композиционного материала оказалась выше стали 1Х18Н9Т в 10-18 раз. При стойкости задвижек японской фирмы "Атака" 250-280 часов непрерывной работы, задвижки с деталями из композиционного материала выдержали 4500-4900 часов.

По СВС-технологии изготовлены волоки для протягивания электродной проволоки и фасонного таврового профиля из композиционного материала (TiC+Ni+Mo) и (TiC + сталь-13ГЛ + Mn). Прессование производилось после окончания процесса синтеза, в специальной прессовой оснастке совмещённым процессом прессования (прямого и обратного). Волоки были изготовлены из указанных безвольфрамовых материалов взамен волок из твёрдого сплава ВК8.

Стоимость опытных волок 4000-4500 руб/т, стойкость -  0.98 % от стойкости волок из твёрдого сплава. Стоимость волок из твёрдого сплава ВК8 примерно в 8-10 раз выше, чем из предложенного композиционного материала.

Изготовлены полуматрицы для изотермического прессования турбинных лопаток из материала с характеристиками _в = 400 кгс/мм², _и = 150 - 190 кгс/мм², а = 0.15 кгс·м/см². Как показали исследования, материал выдерживает 3-5 часов при температуре 1200С без заметных следов окисления и снижения исходной твёрдости (HRA 80-82).

С использованием СВС-процесса были проведены эксперименты по наварке слоя композиционного материала на режущую поверхность буровых коронок и торцевую поверхность поршней двигателя внутреннего сгорания и улит песковых насосов. При это решалась задача создания материала и качественной приварки его к подложке. Наваренная головка коронки составлялась из трёх слоёв порошковых смесей. Средний слой являлся своеобразной "печью" для двух других слоёв. Слой, который идёт непосредственно на наварку к основанию буровой коронки, представляет смесь карбидов "TiC+(Fe+Al)+Mn+Cr". Растекание расплава карбида по поверхности детали улучшается при использовании в смеси "Fe+Al+Cr".

Наружный слой должен обладать "демпфирующими" свойствами. В этом слое фиксировались зёрна алмаза марки СВС-П. С этой целью снижали температуру горения слоя и максимально увеличивали скорость горения для избежаний повреждений алмаза.

Алмазная крошка при таких условиях не претерпела полиморфного превращения, приварка слоя к стальной подложке была вполне удовлетворительной.

Коронки изготовлялись в графитовой прессовой оснастке. Нагрев и инициирование процесса производилось индуктором. Загорание смеси происходило при нагреве оснастки до 600 - 650С, процесс синтеза проходил активно и в короткое время ( 3-5 секунд). После окончания синтеза проводилось прессование. Изделия проходят промышленные испытания.

Известно, что поршни дизельных двигателей, работающие при высокооктановом горючем и при высоких температурах, прогорают в районе "донышка". Для повышения срока службы поршней необходимо было освоить технологию наварки на "донышко" слоя композиционного материала, обладающего высокой жаропрочностью. Таким условиям удовлетворяет смесь типа "TiC+Fe+Al+Mn+Cr+Ni".

Наварка слоя толщиной 3 мм производилась на предварительно подогретую до 300С деталь. Поверхность, на которую наваривается слой, специально подготавливается. Служебные характеристики наваренного слоя: HRA 80-82, _в = 400 кгс/мм², рабочая температура 1900С, _и =150-190 кгс/мм². Стойкость увеличивается ориентировочно в 10-12 раз.

Возможность проведения ремонтных работ была проверена при наварке слоя и заварке раковин, отверстий на улитах песковых и кислотных насосов, вышедших из строя.

Учитывая сложность геометрии улиты и сложность изготовления матриц для напрессовки слоя износостойкого материала на поверхность улиты, была предложена и осуществлена следующая технологическая схема:

- изготовление полуматрицы из жаропрочного материала процессом СВС-прессование, применяя для её прессования новую улиту с покрытием поверхности её противопригарной смесью;

- изготовленная этим способом полуматрица подгоняется шлифованием под наружные размеры оснастки, к ней крепится пакет из фольги, заполненный порошком экзотермической смеси в количестве, необходимом для образования слоя и заполнения (заварки) пор, отверстий;

- нагрев в расплаве солей или безокислительной атмосфере ремонтируемой улиты до Т = 800-1000С и закрепление её в прессовой оснастке;

- инициирование процесса и прессование;

- окончание деформации и извлечение улиты из оснастки.

Вырывы, поры, отверстия на улите завариваются, на рабочей поверхности наваривается износостойкий слой на улиты любого типоразмера (опыты проведены на улите диаметром 820 мм).

Проведена серия промышленных опытов по наварке слоя экзотермической смеси на цилиндрическую поверхность оси и изготовлению трубной заготовки в специальной оснастке объёмного прессования.

Прессовая оснастка представляет собой устройство из четырёх сегментов, самораскрывающихся без давления пресса в своей совокупности образующих поверхность диаметра большего, чем диаметр трубы или бандажа. При изготовлении трубы по оси оснастки устанавливается керамический стержень заданной формы. Инициирование реакции производится одним из известных способов. После завершения реакции производится непосредственное прессование. Под давлением пресса сегменты сходятся, образуя при этом правильную цилиндрическую поверхность нужного диаметра. После окончания процесса прессования сегменты разводятся, снимаются торцевые крышки и готовая труба вместе с сердечником выводится из оснастки и подаётся на замедленное охлаждение (в термостат, печь и т. д.). Наварка бандажа на ось производится в той же оснастке, но несколько в иной технологической последовательности. Схема объёмного прессования позволяет подготовить трубную заготовку и прокатные валки больших типоразмеров, материал беспорист, чистота поверхности 2,5.

Применение составов СТИМ-4 позволит изготавливать термостойкий инструмент прокатных станов