Защитно-смазочное покрытие заготовок преимущественно из титановых сплавов для горячей обработки давлением

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при горячем деформировании заготовок из титановых сплавов. Цель изобретения - повышение стойкости деформирующего инструмента из никелевых, кобальтовых и железных сплавов. Защитно-смазочное покрытие состоит из 60-95 мас.% мелкодисперсной сажи, например, марки ДГ-100 (К-354) илиПМ-100 (П-234) и легкокипящей жидкости (остальное) с температурой кипения 40-100°С (вода, спирты и т. п.). Сажу с жидкостью наносят на поверхность заготовки , затем жидкость испаряется. Нагретую заготовку, равномерно покрытую слоем сажи, подвергают горячему деформированию . Мелкодисперсная сажа подавляет образование эвтектик типа титан-никель, способствующих схватыванию материалов заготовки и штампа, т. е. предотвращает адгезионный износ штампа. Кроме того, при использовании мелкодисперсной сажи по сравнению с крупнодиспергной или графитом коэффициент контактного трения уменьшается скачком с 0,3-0,4 до 0,08-0,1. 3 табл. и

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР (21) 4719501/27 (22) 10.04.89 (46) 15.09.91. Бюл. № 34 (71) Институт проблем сверхпластичности металлов AH СССР и Научно-производственный кооператив «Гермес» Научно-учебного комплекса «Сверхплатичность» (72) О. Ю. Ефимов, А. А. Литвиненко и Д. Д. Афоничев (53) 621.73 (088.8) (56) Грудев А. П. и др. Трение и смазки при обработке металлов давлением. Справочник. — М.: Металлургия, 1982, с. 213. (54) ЗАЩИТНО-СМАЗОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ЗАГОТОВОК ПРЕИМУШЕСТВЕННО

ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ (57) Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при горячем деформировании заготовок из титановых сплавов. Цель изобретеИзобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к защитносмазочным покрытиям, используемым в процессах горячей обработки давлением преимущественно титановых сплавов, в частности изотермической штамповки.

Цель изобретения — повышение стойкости деформирующего инструмента, выполненного из сплавов группы железа и никеля, кобальта и железа при проведении процессов горячей штамповки и прессования титановых сплавов, в том числе в изотермических условиях и в состоянии сверхпластичности, а также процесса сверхпластической деформации с диффузионной сваркой, массовое использование которого в промышленности сдерживается отсутствием надежного защитно-смазочного покрытия.

Защитно-смазочное покрытие содержит по массе 60 — 95% углерода в виде мелко„„Я0„„1676732 А 1 (5!)5 В 21 J 3 00, В 21 С 23 32, В 21 D 37/18

2 ния — повышение стойкости деформирующего инструмента из никелевых, кобальтовых и железных сплавов. Защитно-смазочное покрытие состоит из 60 — 95 мас.% мелкодисперсной сажи, например, марки ДГ-100 (К-354) или ПМ-100 (П-234) и легкокипящей жидкости (остальное) с температурой кипения 40 — 100 С (вода, спирты и т. п.). Сажу с жидкостью наносят на поверхность заготовки, затем жидкость испаряется. Нагретую заготовку, равномерно покрытую слоем сажи, подвергают горячему деформированию. Мелкодисперсная сажа подавляет образование эвтектик типа титан-никель, способствующих схватыванию материалов заготовки и штампа, т. е. предотвращает ад; гезионный износ штампа. Кроме того, при использовании мелкодисперсной сажи по сравнению с крупнодиспергной или графитом коэффициент контактного трения уменьшается скачком с 0,3 — 0,4 до 0,08 — О,l 3 — àáë. дисперснои сажи, такой как ДГ-100 (К-354) или ПМ-100 (П-234), и остальное жидкость, имеющая температуру кипения 40 — 100 С, например вода, спирты, метиловый или этиловый, изоприловый, насыщенные углероды, такие как пентан, гексан, гептан.

Легкокипящая жидкость необходима для нанесения сажи на контактирующие поверхности штампа и заготовки. В дальнейшем при повышении температуры или при вакуумировании штампа легкокипящая жидкость испаряется.

Количество легкокипяшей жидкости в покрытии было определено экспериментальным путем. При содержании легкокипящей жидкости менее 5% сажа или при температуре кипения менее 40 С может отдельными участками осыпаться с заготовки, при увеличении количества легкокипящей жидкости более 40% суспензия может стечь с заготовки, 1676732 образовывая тем самым неравномерное покрытие, что нежелательно.

Сажу с легкокипящей жидкостью на контактирующие поверхности можно наносить любым известным методом: напылением, окунанием заготовки в суспензию, обмаз ыва н и ем, электрофорезом, напылением на заготовку, покрытую слоем упомянутого связ ую:цего.

1зыли проведен„ эксперименты по определению влияния сорта углерода, используемого в качестве технологического покрытия, на кинетику процессов твердофазного взаимодействия сплавов никеля и титана.

В результате экспериментов было установлено, что графит различных марок, а именно марок С вЂ” О, С вЂ” 1, С вЂ” 2, С вЂ” 3, спектрально-чистый и электродный графит раз.. ичной дисперсности, а также крупнодисперснан сажа, например марок П-803 и

ТГ-900, не влияют на процессы образования эвтектик титан-никель, она образуется в любом случае, а при использовании мелкодисперсных саж, таких как ДГ-100 (К-354) или ПМ-100 (П-234), процессы образования эгтектик качественно изменяются, их образование подавляется, а в продуктах р акции оснаруживается нестехиометрический карбид титана.

Из этого можно сделать вывод, что за счет повышенной химической активности мелкодисперсной сажи при появлении первых капель жидкости эвтектического состава, мелкодисперсная сажа, растворяясь в жидкости, взаимодействует с титаном, а никель осаживается на поверхности штампа.

При этом температура эвтектики карбид титана — никель смещаепся к более высоким температурам (1288 С), жидкость исчезает и процесс приостанавливается.

Кроме того, были проведены эксперименты по определению коэффициентов трения сплавов титана и никеля в присутствии различных сортов углерода. Было также установлено, что при переходе от графита различных сортов и крупнодисперсной сажи и мелкодисперсной коэффициент трения уменьшается скачком с 0,3 — 0,4 до 0,08 — 0,1.

Подобные же эксперименты были прове1 дены на модельных штампах из сплавов на основе кобальта и железа, а также из твердых сплавов на основе карбида титана со связкой из никелевых, кобальтовых и железных сплавов. Г1олучены аналогичные рез ул ьт ат ы.

Свойства предлагаемого защитно-смазочного покрытия определяли в трех сериях экспериментов.

В первой серии определяли коэффициент трения. Его определяли по методике МалеКокрофта путем осадки кольцевых образцов с отношением размеров 6/3/2. Кольца изготавливали из титанового сплава ВТ-9 высотой 5,3 мм, внешним диаметром 16 мм и внутренним диаметром 8 мм. Кроме ко5

10 имеющую метаннообразную консистенцию.

Количество легкокипящей жидкости — во0 ды — составляло 20Я от массы сажи. Полученный на поверхности заготовки слой сажи составлял примерно 0,5 мм.

Затем заготовку, покрытую сажей, укладывали на матрицу. При этом кольцо было убрано вниз для облегчения процессов ук55 ладки заготовки и выемки готового иэделия.

45 лец из сплава ВТ-9, были также испытаны кольца из сплавов ВТ 18 и ВТЗ-1. Температура испытаний для титановых сплавов составляла 950 С. Степень деформации во всех случаях составляла 40Я, скорость деформирования 1 и 0,5 мм/мин. Бойки изготавливали из штампового материала сплава ЖС6У на никелевой основе. В качестве смазки использовали сажу различных марок, графит и стеклоэмали. Результаты испытаний сведены в табл. 1.

Во всех случаях толщина слоя сажи составляла 0,3 — 0,6 мм. Серия специальных экспериментов показала, что при осадке колец в данном диапазоне толщин слоя сажи заметных изменений коэффициента трения не наблюдается, изменения наблюдаются только при выходе за нижний предел толщины слоя сажи. При выходе за верхний предел толщины слоя сажи коэффициент трения также изменяется несущественно, но в отдельных случаях наблюдалось осыпание сажи с образцов, особенно при хранении.

Поскольку слой сажи наносили на плоские поверхности колец, то количество связующего влияло несущественно. Коэффициент трения оставался неизменным даже при нанесении сухой сажи без связующего.

Кроме определения коэффициента трения, предлагаемое защитно-смазочное покрытие использовали при штамповке лопаток в опытно-промышленных условиях.

Процесс деформации заготовок из титанового сплава ВТ 9 осуществляли в рабочей камере штампа, выполненного из сложнолегированного сплава ЖС6У. Изготавливали малогабаритные лопатки 8-й ступени компрессора газотурбинного двигателя.

Рабочая камера штампа образована неподвижной матрицей, подвижным пуансоном и подвижным относительно матрицы и пуансона кольцом.

Заготовку выполняли диаметром 11 мм и длиной 24 мм. Она была изготовлена из титанового сплав" ВТ 9., Штамповали малогабаритную лопатку с замком толщиной 4 мм со средней толщиной пера лопатки 2 мм, высотой замка . 4 мм, высотой пера 49 и шириной 20 мм.

В данном примере заготовку покрывали слоем мелкодисперсной сажи марки К-354 (ДГ-100) окунанием в суспензию сажи, Затем кольцо поднимали в верхнее положение, опускали пуансон до соприкосновения с заготовкой и производили нагре- ---..л

1676732 формула изобретения и заготовки встроенным в штамп индукционным нагревателем до температуры

950 10 Ñ, производили изотермическую выдержку в течение 5 минут для выравнивания температуры и осевым перемещением пуансона производили деформацию заготовки со скоростью 20 мм/мин до получения готовой детали. После этого поднимали пуансон в верхнее положение, опускали кольцо в нижнее положение и извлекали готовую отштампованную деталь. На этом проведение процесса заканчивали.

Зазор между кольцом, пуансоном и матрицей перед началом штамповки составлял не более 0,1 мм. Поверхности кольца, матрицы и пуансона были отполированы. В процессе штамповки периодически производили осмотр поверхностей штампа, а через каждые 100 изготовленных деталей производили обмер геометрии штампа и определяли зазор между кольцом, матрицей и пуансоном.

При этом определяли характер износа.

Кроме того, отбирали соскобы с поверхностей штампа и изучали их в растровом электронном микроскопе и методами рентгеновского фазового анализа.

Критерием износа штампа являлось увеличение зазора между движущимися частями более 0,8 мм и изъязвление поверхности.

Штамп снимали с эксплуатации и отправляли на переплав в случае, когда готовые лопатки коробились при извлечении из штампа, и в случае, когда утолщения на лопатках превышали пределы припусков на штамповку, что происходило при образовании раковин на рабочих поверхностях штампа.

Аналогично производили процесс штамповки лопаток на других штампах, изменяя при этом сорт сажи или графита, а также используя иные защитно-смазочные покрытия. Ряд штамповок производили в экспериментальных штампах, выполненных из твердых сплавов на основе тугоплавких соединений со связкой из никеля, кобальта и железа.

Данные по проведению процесса штамповки сведены в табл. 2.

Сплав ВТИ вЂ” экспериментальный интерметаллидный сплав. Температура его деформации соответствует 1050- 20 С. Остальные условия и конструкция штампа неизменны, Из табл. 2 также следует, что только выполнение процесса штамповки в присутствии мелкодисперсной сажи при толщине слоя от 0,15 до 0,7 мм приводит к повышению стойкости штамповой оснастки.

В третьей серии экспериментов исследовали влияние состава связующего на стойкость штамповой оснастки. Для этого на

«свежем» штампе изготавливали партию в

100 лопаток, после чего очищали поверхность штампа от загрязнений и исследовали ее. В дальнейшем штамповку деталей продолжали по серийной технологии. Во всех экспериментах использовали суспензию сажи

55 в исследуемой жидкости, которая находилась в количестве !5 мас.Я от массы суспензии. Суспензию готовили при помощи ультразвукового эмульгатора, наносили ее окунанием. Использовали мелкодисперсную сажу ПМ-100. Данные по экспериментам сведены в табл. 3.

Из табл. 3 следует, что при оптимальном соотношении сажи и связующего и при условии, что используют мелкодисперсную сажу, состав связующего не влияет на качество поверхности штампа при условии, что температура кипения жидкости выше 40 С и не превышает 100 С. При температуре кипения жидкости более 100 С, например при использовании октана, поверхность штампа сильно загрязняется продуктами коксования, что нежелательно, так как приходится периодически очищать штамп от загрязнений.

Защитно-смазочное покрытие обеспечивает повышение стойкости штамповой оснастки по сравнению со способом-прототипом в 1,9 раза за счет уменьшения темпа износа и изменения характера износа.

П ри этом уме ныл аетс я также о кисл и тел ьный износ рабочих поверхностей штампа.

Защитно-смазочное покрытие также обеспечивает возможность замены материала

ЖС6У на твердые сплавы со связкой из металлов группы железа, что ранее было невозможно нз-за отсутствия смазки, так как серийно используемая смазка 3ВТ-24 активно реагирует с материалом штампа. Это дало возможность повысить стойкость штампа более чем в 4 раза по сравнению со штампом, выполненным из сплава ЖС6У.

Кроме того, защитно-смазочное покрытие обеспечивает возможность штамповки деталей из интерметаллидного сплава ВТИ в приемлемых количествах, что делает процесс штамповки деталей из данного сплава экономически выгодным, а также обеспечивает проведение процессов сверхпластической деформации с диффузионной сваркой в вакууме или в защитных средах.

Защитно-смазочное покрытие заготовок преимущественно из титановых сплавов для горячей обработки давлением, содержащее углерод и жидкость с температурой кипения не выше 100 С, отличающееся тем, что, с целью повышения стойкости деформирующего инструмента из никелевых, кобальтовых и железных сйлавов, оно содержит углерод в виде мелкодисперсной сажи и жидкость с температурой кипения 40 — 100 С при следующем соотношении ингредиентов, мас. ..

Мелкодисперсная сажа 60 — 95

Жидкость Остальное

1676732

Примечание

Пример (Без смазки

0,09

ЭВТ-24

0,19

ЭВТ-24+10Х графита С-О

0 35

0,28

0,32

0,47

Спектрально чистый графит

0,32

Графит С-О

0,30

Сажа П-803

Сажа ТГ-900

0,28

0,30

Сажа К-354 (ДГ-1 00) 12

0,08

Сажа П-234 (ПМ-100) 13

0,10

ЭВТ-24

0,11

15 С-О

16 ТГ-900

0,37

0,27

0907

18 ЭВТ-24

0,1,5

19 С-О

20 ТГ-900

0,40

0,32

0,18

Материал смазки Коэффициент трения

ЭВТ-УПИ-2

ЗЗЖ ЭВТ-24+67X

ЭВТ-УПИ-2

33% ЭВТ-24 +

+ 67K ЭВТ-УПИ-2

+10_#_ графита С-О

Графито-масляная смесь

17 П-234 (IIM-1 00) 21 П-234 (ПМ-100) Та блица 1

Определить не удалось из-за приварки кольца к бойкам с обильным выжиманием капель жидкой эвтектики из-под поверхностей контакта

Полифрикционный порошок дисперсностью

63 мкм

Горела с сильным выделением колоти

Материал кольца здесь и ниже

ВТ-3-1

Материал кольца здесь и ниже— цирконий

1676732

Продолжение табл. 1

1 1

0,47

Материал кольца здесь и ниже — ВТ9, толщина слоя сажи—

0,1 мм и

0,07

Толщина слоя сажи — 0,5 мм

П-234 (ПМ-1 00) 0,09

Толщина слоя сажи — 1,2 мм

Таблица2

Пример

Материал штампа

Количество легкокипяМатериал заготовКоличест- Характер износа, во от- применения штампован ки щего компонента и го покрытия ных изделий

его состав мас.Х

6 7

ЖС6У

ЭВТ-24

530 Каверны, канавка в кольце глубиной до

4 мм, задиры, неравномерное расширение

1 ВТ9 нет зазора

2 ВТ9.ЖС6У

ЭВТ-24

+ 10Х графита

С-0 в избытке

671 То же нет

3 ВТ9

TiC+Ni нет

ЭВТ-24

ЖС6У

4 ВТ9

15Х вода графит С-0

347

5 ВТ9

ЖС6У

15Х вода

522

То же

6 ВТ9

ЖС6У

15Х вода сажа П-803

511

То же

7 ВТ9

ЖС6У

15Х вода

893

22 П-234 (IIM-1 00) 23 П-234 (ПМ-100) Марки углерода или состав иносажа ТГ-900 крупнодисперсная крупнодисперсная сажа К-354 (ДГ-100) мелкодисперсная

Катострофическое изъявление взаимодействие TiC+Ni+

+ ЭВТ-24

Каверны, канавка в кольце, неравномерное расширение зазора

Износ равномерный, раковины отсутствуют, на поверхности штампа обнаружен нестехиометрический карбид титана

1676?32

1 1 ) !

6 7

969 То же

15Х вода

ЖС6У

ВТ9

315 сажа ПИ-100

ЗХ вода

ЖСбу

9 ВТ9 мелкодисперсная

562 сажа ПИ-100 мелкодисперсная

5Х вода

ЖСбу

Равномерный износ> обнаружены следы

Т3.С

10 ВТ9

40Х вода сажа ПИ-100

521

ЖСбу

Равномерный износ, обнаружен TiC.1 1 ВТ9 мелкодисперсная

303

ЖСбу сажа ПИ-100 мелкодисперсная

45Х вода

12 ВТ9

15Х этило- сажа ПИ-100 вый спирт . мелкодисперсная

ЖСбу

1137

13 ВТ9

14 ВТ9

ЖС6У

10Х метило- сажа ДГ-100 вый спирт мелкодисперс1094 То же ная

15 ВТ9

ЖСбу

20Х .гексан

944 То же сажа ДГ-100 мелкодисперсная

20Х вода сажа ДГ-100 мелкодисперсная

1120

17 ВТЗ-I

ЖСбу нет

ЭВТ-24

563

Неравномерный износ, канавка, каверны

18 ВТИ

TiC-Ni

Неравномерный износ, канавка, каверны

10Z вода графит С-О

190

l 9 ВТИ

TiC-Ni

1ОХ вода сажа ПИ-100 мелкодисперсная

323

Равномерный износ

20 ВТИ

TiC-Co

10% вода сажа ПИ-100 мелкодисперсная

21 ВТИ

TiC-Co

10Х вода сажа ТГ-900 крупнодисперсная

")6 ВТЗ-1 ЖС6У сажа П-234 (ПИ-100) мелкодисперсная

Продолжение табл,2

Каверны, глубокая канавка в кольце, зазор крайне неравномерный

Неравномерный износ, отдельные, но большие каверны, канавка состоит иэ отдельных каверн (TiC) Износ равномерный, раковины отсутствуют. На поверхности штампа обнаружен нестехиометрический карбид титана

Равномерный износ каверны отсутствуют„ обнаружен TiC

472 Равномерный износ

205 Неравномерный износ, канавка, раковины;

1676732

Продолжение табл 2

) б

1 2 3 4

2835 Равномерный износ сажа IIYi-1ОО мелкодисперсная

410 Каверны, канавки в кольце, неравномерный зазор

302 масло

Жсбу

23 ВТ9 графит С-О (графито-масляная смесь) П р и м е ч а н и е. Примеры 1 2 3 и 17 соответствуют способу-прототипу.

Та блица 3

Результат эксперимента

Пример

Температура киИспытуемая жидкость пения, С

100

Вода

64,5

Метанол

Этанол

Изопропиловый спирт

Покрытие пос36

Пентан ле испарения пентана час

98

125

Адгезионный износ

Составитель О. Корабельников

Редактор М. Васильева Техред А. Кравчук Корректор Л. Патай

Заказ 3067 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, !О1

22 ÂT9 TiC-Ni 15X вода

Гексан

Гептан

Октан

Ацгезионныи износ отсутствует, качество поверхности штампа хорошее тично отслои лось, обнаружен адгезионный износ отсутствует, поверхность штампа сильно загрязнена продуктами коксования.