Прогрессивные технологии и способы упрочнения рабочего инструмента для прессования труднодеформируемых композиционных порошковых материалов

Развитие техники и, в частности, машиностроения придает проблеме уменьшения изнашивания инструментальной оснастки огромную значимость с точки зрения экономии материальных ресурсов. В порошковой металлургии около 7–10 % себестоимости изделия приходится на инструмент.

Вопросы износа пресс-форм рассматриваются в ряде работ. Сам термин «износ пресс-форм» следует понимать в широком смысле. Сюда относится весь комплекс явлений, протекающих на контактной поверхности и приводящих в конечном итоге к выходу пресс-формы из строя. Обобщение опубликованных работ и исследований позволяют выделить основные причины выбраковки пресс-форм при эксплуатации. В зависимости от конкретных особенностей процесса (материал, заготовки и инструмент, конфигурация и размеры, скоростной режим деформации и т. д.) характер и вид износа контактной поверхности могут существенно изменяться [1].

Рассмотрим виды износа контактной поверхности пресс-форм.

Пресс-формы для холодного прессования порошков, работающие в тяжелых условиях, часто подвергаются повышенному абразивному износу и механической усталости, что требует внедрения инновационных материалов и технологий, которые позволят повысить износостойкость, прочность и срок службы инструментальной оснастки.

Равномерный абразивный износ протекает одновременно по всему периметру пресс-формы или на её отдельных участках, где имеют место значительное перемещение заготовки относительно поверхности и большие удельные давления, и усиливается с повышением скорости деформации. Абразивный износ вызывается механическим зацеплением микронеровностей на поверхности инструментальной оснастки при полусухом трении, контактным схватыванием (адгезией) в микрообъемах, многократной деформацией и усталостным разрушением выступающих элементов микрорельефа, хрупким отрывом, а также твердыми мелкодисперсными абразивными частицами, попадающими в пограничный слой (износ эрозионного типа) [1].

При холодной обработке материалов давлением абразивный износ зачастую является ведущим фактором, определяющим износ инструмента [1]. Абразивный износ приводит к потере геометрических размеров пуансонов, матриц и стержней пресс-формы.

При достаточно большом количестве циклов нагружения происхождение трещин, как правило, связано с разрушением усталостного типа от повторного нагружения. При значительных напряжениях трещины могут появиться и при первых циклах в результате механического удара [1].

Единичные трещины выявляются на пресс-форме в виде микро- и макроскопических разрывов. Причины их появления весьма разнообразны. При большом количестве циклов нагружения это связано обычно с металлургическими (чрезмерная загрязненность, наследственная крупнозернис-тость), технологическими (высокий уровень остаточных напряжений), конструктивными (неправильный расчет пресс-формы на прочность, наличие концентраторов напряжений) и другими дефектами [1].

Трещины могут возникать от чрезмерных напряжений, возникающих при попадании металла с более высоким пределом прочности [1].

Появление трещин существенно интенсифицирует местный износ. С другой стороны, наличие отдельных дефектов, возникающих в процессе схватывания или местного абразивного износа, способствует появлению трещин. Следовательно, оба вида износа дополняют и ускоряют друг друга [2].

Кроме того, внедрение инновационных технологий и материалов для создания эффективных защитных покрытий на инструментальной оснастке является необходимым требованием для обеспечения конкурентоспособности ведущих отечественных предприятий. Такими технологиями являются активно развивающееся детонационное и холодное газодинамическое напыление.

Детонационное газотермическое напыление является одним из термических методов напыления, который используется для получения износостойких функциональных покрытий на поверхностях деталей машин и механизмов. Детонационное напыление является практически единственной технологией, позволяющей создавать толстые (более 100 мкм) многофункциональные покрытия (в том числе многослойные и градиентные) из всех видов керамических, металлокерамических и металлических наноструктурированных и наноком-позиционных материалов. Покрытия характеризуются повышенной адгезией и плотностью, а их напыление производится при ограниченном термическом воздействии на напыляемое изделие. Вышеуказанные результаты получают путём качественного улучшения традиционной технологии детонационного напыления посредством компьютерной автоматизации всего процесса в целом и каждой его составляющей в отдельности.

Лидером в разработке детонационных установок нового поколения бесспорно является Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, где разработана уникальная автоматизированная установка детонационного напыления нового поколения с компьютерным управлением газораспределительной системы и дозаторов порошка, обеспечивающим высокоточное и стабильное управление технологическим процессом (рис. 2).

Немаловажным преимуществом автоматизированных детонационных установок является возможность нанесения равномерного покрытия на сложные многогранные поверхности.

Трехкоординатная система сканирования CCDS2000 позволяет в автоматическом режиме обрабатывать сложную трехмерную поверхность. Программируется сканирование для формирования однородного по толщине слоя покрытия высокого качества. Возможно формирование покрытия с заданным профилем по толщине [4].

Рис. 1. Износ детали пресс-формы после 7000 циклов нагружения [3]

Рис. 2. Автоматизированная установка детонационного напыления

Рис. 3. Пятно напыления [4]

Детонационный комплекс CCDS2000 имеет модульную конструкцию с компьютерным блоком управления, автономной системой охлаждения и компактной пушкой (весом менее 20 кг), что позволяет монтировать ее как на специализированном роботе-манипуляторе, так и на промышленном роботе. CCDS2000 отличается высокоточной многоканальной системой газопитания, дозированной локальной подачей порошка и компьютерным управлением пушкой и манипулятором. Возможна работа на любом газовом топливе, включая реализацию режима SuperD-Gun на бинарном топливе [4].

Рабочий цикл автоматизированной установки детонационного напыления складывается из следующих операций:

– открытый с одного конца ствол заполняется взрывчатой газовой смесью;

– в ствол вводится порция порошка;

– взрывчатой смесь поджигается у закрытого конца ствола – в результате возбуждается само-поддерживающаяся детонационная волна;

– продукты взрыва разгоняют и разогревают порошок, как правило, до плавления;

– при столкновении с деталью частицы порошка прочно соединяются с ее поверхностью и образуют покрытие толщиной до 10 мкм;

– наращивается покрытие серией выстрелов, в течение которой деталь перемещается с помощью манипулятора [4].

На рис. 3 показано формирование микронных (5–10 мкм) слоев наложением [4].

Большую значимость технологии детонационного напыления придает возможность напыления различных износостойких покрытий на рабочую поверхность инструментальной оснастки. В первую очередь интерес представлет популярный износостойкий материал WC-Co. В работах [5–10] порошок WC-Co наносился для исследования технологических параметров напыления, износостойкости, фазового состава и его изменения после напыления, влияния термической обработки. Результаты работ показывают непревзойденную износостойкость детонационных покрытий, высокую прочность адгезии покрытия к подложке. В работе [9] показано, что термообработка покрытия WC-Co приводит к увеличению микротвердости и износостойкости. Отметим, что при неоптимизи-рованных параметрах напыления, авторы отмечали разложение карбида вольфрама и увеличение фазы W2C. В работах [11–13] изучались детонационные покрытия из WC-Co-Cr: оптимизация технологических параметров, микроструктуры и дефекты покрытий, износостойкость покрытий. Результаты показывают очень хорошую износостойкость покрытий, особенно после алмазного шлифования. Эксплуатационные характеристики напыленного материала близки к спеченному материалу, однако в неоптимизированных режимах авторы наблюдали большое количество дефектов: микротрещины, пустоты, окислы следы износа (от напыления).

Испытания различных образцов с покрытием и без покрытия на износостойкость корундовым абразивом показывают высокие результаты по твердости и износостойкости образцов с покрытием WC/Co [14] (см. таблицу, рис. 4).

Результаты испытаний на износ [14]

	Твёрдость	Износ, мм3/1000 об.
Сталь 45	30 HRC	107
Х12МФ	63 HRC	90
Покрытие WC/Co	89 HRA	2,1

Рис. 4. Испытания на износ [14]

а)

б)

в)

Рис. 5. Детонационные покрытия: а – покрытие из углеродистой стали с добавкой вюстита и магнетита, HV 0.3 = 400;

б – покрытие типа сталь-молибден для увеличения стойкости к истиранию, HV 0.3 = 400; в – металлокерамическое покрытие HV = 500. Улучшения: стойкость к абразивному износу и истиранию

Фотографии детонационных покрытий пре дставлены на рис. 5.

Изучение микроструктуры покрытий позвол я ет говорить высокой степени однородности п о крытия и дает возможность изучить размеры и форму ст руктурных элементов покрытия.

Другим не менее интересным в изучении явл я ется метод холодного газодинамического напыл ения покрытий. Холодное газодинамическое нап ы ление (ХГН) является методом термического нап ы ления металлических и металлокерамических п окрыти й в основном за счет кинетической энергии газа проходящего через сопло Лаваля, а также п о догрева порошка до температур, существенно ниже температуры плавления. В данном случае покрытие (толщина покрытия более 100 мкм) формируется в процессе взаимодействия высокоскоростных частиц

(скорость частиц от 600 до 1000 м/с) находящихся в твердом состоянии, с поверхностью изделия. Одним из основных достоинств ХГН является прямой «перенос» состава и микроструктуры напыляемого порошка в покрытие, так как окисление, плавление, термическое разложение отсутствуют. ХГН является идеальной технологией для создания нанострук-турированных и нанокомпозиционных покрытий. ХГН позволяет получить слои до нескольких миллиметров за один проход (производительность до 50 кг порошка в час) на металлические и керамические изделия.

Сравнение основных параметров двухфазного потока, при котором реализуется метод ХГН, с параметрами, присущими традиционным методам напыления, показывает, что они существенно различаются (рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма используемых значений температуры и скорости частиц для сравнения различных методов напыления: 1 – низкоскоростной газопламенный; 2 – высокоскоростной газопламенный; 3 – элек-тродуговой; 4 – плазменный; 5, 6 – детонационный и высокоскоростной жидкотопливный; 7 – ХГН [15]

Данная диаграмма показывает, что наличие высоких температур в струе не является обязательным условием и покрытия можно получать из частиц, имеющих температуру значительно меньше их температуры плавления, а это открывает широкие возможности для создания новых технологий и техники напыления [15].

Большое число работ посвящено свойствам нанесенных методом ХГН покрытий. В результате экспериментов были успешно нанесены покрытия практически из всех типов металлов (Al, Cu, Zn, Mo, Ta, Ti, Cr, Nb, Zr, Ag, Fe и многих других) и сплавов, широко применяющихся в промышленности [16–23]. В качестве обобщающих характеристик ХГН покрытий можно выделить:

• 1)    низкое в сравнении с другими способами порошкового напыления содержание оксидов;

• 2)    высокая электропроводность, практически равная электропроводности материала до напыления;

• 3)    высокая теплопроводность, практически равная теплопроводности материала до напыления;

• 4)    слабые, в сравнении с другими методами порошкового напыления, остаточные напряжения;

• 5)    низкая пористость покрытия.

Нанесение многокомпонентных покрытий является новым направлением для исследователей ХГН. Напыление такого рода покрытий осуществляется двумя способами.

Первый способ заключается в напылении частиц, имеющих сложную многокомпонентную внутреннюю структуру (в том числе наноразмер-ную структуру). Напыление такого рода порошков позволяет получать покрытия с уникальными свойствами, которые невозможно получить с помощью напыления однокомпонентных частиц.

Данный способ является сравнительно новым и его появление связано в первую очередь с возникновением технологической возможности изготавливать сложные порошки с внутренней структурой в промышленных масштабах. В этой связи можно выделить сравнительно небольшое количество работ, посвященных данной теме [24–26].

Второй способ, значительно более простой и дешевый, заключается в напылении покрытий, состоящих из смесей микродисперсных однокомпонентных порошков [27–29]. Такие покрытия также могут обеспечить уникальные свойства с возможностью их варьирования в широком диапазоне путем изменения состава напыляемой смеси по толщине покрытия.

Учитывая вышеприведенные данные можно отметить, как положительные, так и отрицательные стороны технологии детонационного напыления и холодного газодинамического напыления. Вопрос об улучшении эксплуатационных характеристик полученных покрытий дополнительными методами обработки, изучение и исследование этой проблемы, остается открытым. Авторы, в основном, заключают, что качественные характеристики покрытий зависят в равной доле от самого напыляемого материала, так и от параметров напыления (т. е. сравнение порошкового материала и материала покрытия, микроструктурного и фазового состояния покрытия и литого материала, а также преимущества полученного микроструктурного состояния покрытия). Поэтому всё важнее становится отработка технологических параметров процессов и изучения их влияния на эксплуатационные характеристики инструментальной оснастки.