RU2683169C1 - Оправка прошивного стана и способ ее изготовления - Google Patents
Оправка прошивного стана и способ ее изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683169C1 RU2683169C1 RU2018118044A RU2018118044A RU2683169C1 RU 2683169 C1 RU2683169 C1 RU 2683169C1 RU 2018118044 A RU2018118044 A RU 2018118044A RU 2018118044 A RU2018118044 A RU 2018118044A RU 2683169 C1 RU2683169 C1 RU 2683169C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nose
- layer
- mandrel
- cermet
- metal
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims abstract description 76
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 45
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 89
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 89
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 80
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 74
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 35
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 22
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 21
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 16
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 12
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 11
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 7
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 4
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 16
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 abstract description 14
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 2
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 abstract 4
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 8
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 7
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 7
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 239000004604 Blowing Agent Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001315 Tool steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 1
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B25/00—Mandrels for metal tube rolling mills, e.g. mandrels of the types used in the methods covered by group B21B17/00; Accessories or auxiliary means therefor ; Construction of, or alloys for, mandrels or plugs
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в оправках для прошивки заготовок с получением полых гильз и их раскатки при производстве бесшовных стальных труб. Увеличение ресурса работы оправки прошивного стана при изготовлении бесшовных стальных труб обеспечивается за счет того, что оправка содержит нос и корпус, нос выполнен из кермета в виде взаимопроникающих матриц на основе карбида титана и связки в виде сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 25-70 об.%, а корпус - из сплава на основе интерметаллида Ni3Al или легированной стали, при этом на одной торцевой поверхности носа выполнены пазы, заполненные сплавом на основе интерметаллида Ni3Al, образующие переходной слой, к поверхности переходного слоя примыкает буферный слой из сплава основе интерметаллида Ni3Al, а к поверхности буферного слоя примыкает корпус, металлургически соединенный с буферным слоем посредством сварочного шва из никелевого сплава, при этом нос, переходной слой и буферный слой металлургически соединены между собой. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
ОПРАВКА ПРОШИВНОГО СТАНА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в оправках для прошивки заготовок с получением полых гильз и их раскатки при производстве бесшовных стальных труб, а также иных высокотемпературных штамповых инструментах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что наиболее востребованными в различных отраслях промышленности являются бесшовные трубы из высоколегированных и хромистых нержавеющих сталей. Однако, оправки для прошивки заготовок с получением полых гильз из таких сталей имеют низкий ресурс.
Известна водоохлаждаемая оправка из легированной стали 40ХНМА, у которой рабочая часть наплавлена слоем тугоплавких карбидов толщиной 1,5…2,0 мм (АС №1491596, 1989). При прошивке заготовок из высоколегированных сталей Р6М5 и Р18 стойкость оправок составляет 10…15 проходов, что значительно выше стойкости оправок без наплавок. Однако, стойкость таких оправок при прошивке хромистых нержавеющих сталей не превышает 1-2-х проходов из-за недопустимости наружного водоохлаждения.
Известны оправки для прошивки заготовок бесшовных труб, изготовленные из легированной стали (RU 2446024, 2011, RU 2508173, 2014 г.). Для повышения стойкости оправки покрывают окислами железа, при этом, на поверхности оправок выполняют чередующиеся углубления и выступы, где формируется покрытие. Однако такие покрытия также быстро истираются и стойкость оправок увеличивается незначительно.
Имеется информация по оправкам из керамики для прошивки и раскатки стальных труб, (US 6202463 В1, опубл. 20.03.2001). В качестве вариантов, приведены конструкции оправок диаметрами 175 и 350 мм, как комбинированных с головной частью (носом) из окислов алюминия и циркония, карбида и нитрида кремния, так и полностью выполненных из них. При этом, в описании технология изготовления таких оправок не раскрыта. Попытки авторов настоящего изобретения изготовить такие оправки по известным технологиям не увенчались успехом, в связи с тем, что:
- большая и неравномерная усадка при спекании керамических прессовок больших габаритов приводит к пористости и возникновению трещин в спеченном изделии;
- горячее прессование керамических заготовок больших габаритов также не исключает поры, трещины, брак заготовок и недопустимо затратно;
- неразъемное соединение керамического носа к металлической основе с высокой механической прочностью известными методами, например, пайкой невозможно, т.к. не обеспечивается исключение трещин в стыке «керамика-металл». Причина известна широкому кругу специалистов - значительная разница в термическом изменении размеров, пластичности и механической прочности на растяжение керамики и металла.
Таким образом, приведенная в патенте US 6202463 информация не позволяет изготавливать работоспособные оправки с использованием керамики. В доступной литературе также отсутствует информация, описывающая изготовление оправок из керамики по патенту US 6202463.
Из уровня техники известна оправка для прошивки и раскатки стальных труб из кермета, содержащая карбид титана и металл, раскрытая в патенте JPH 09276910, опубл. 28.10.1997 (прототип). Оправка состоит из носа из кермета на основе карбида титана со связкой из никелевого сплава и корпуса из легированной стали. Нос получен спеканием смеси порошков карбида и металла и соединен с корпусом при помощи Т-образного металлического стержневого захвата, который гайкой прижимает нос к корпусу. Кермет отлично противостоит термическим и механическим ударам, давлению нагретой заготовки и его материал не прилипает к заготовке.
Недостатком такой оправки является то, что за счет теплопередачи от горячей заготовки оправка и металлический захват также нагреваются до высоких температур. При этом, удлинение захвата из металла больше, чем носа из керамики, что приводит к появлению зазора между носом и корпусом. Поэтому соединение нарушается, нос получает свободу перемещения и при прошивке заготовки начинает получать многократные механические удары от Т-образного стержневого захвата, что приводит к его разрушению. Кроме того, изготовление точных беспористых заготовок носа с минимальными затратами на механическую обработку возможно только горячим изостатическим прессованием в неокислительных средах, что является трудоемкой и дорогостоящей операцией.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленного изобретения является разработка недорогих оправок прошивного стана, обеспечивающих высокий ресурс при изготовлении бесшовных труб из высоколегированных и хромистых нержавеющих сталей.
Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса оправки прошивного стана при изготовлении бесшовных труб из высоколегированных и хромистых нержавеющих сталей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в оправке прошивного стана, содержащей нос и корпус, нос выполнен из кермета в виде взаимопроникающих матриц на основе карбида титана и связки в виде сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 25-70 об. %, а корпус - из сплава на основе интерметаллида Ni3Al или легированной стали, при этом на одной торцевой поверхности носа выполнены пазы, заполненные сплавом на основе интерметаллида Ni3Al, образующие переходной слой, к поверхности переходного слоя примыкает буферный слой из сплава основе интерметаллида Ni3Al, а к поверхности буферного слоя примыкает корпус, металлургически соединенный с буферным слоем посредством сварочного шва из никелевого сплава, при этом нос, переходной слой и буферный слой металлургически соединены между собой.
Матрица на основе карбида титана дополнительно содержит Ni или сплав на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 3-15 мас. %.
Каждый выступ, образованный между пазами торцевой поверхности носа, имеет площадь поперечного сечения, определяемую по формуле:
где SКepА - площадь поперечного сечения выступа в секущей плоскости А, мм2;
SКep - исходная площадь поперечного сечения кермета, мм2;
hA - расстояние от буферного слоя до секущей плоскости А, мм;
hKep-Me - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм.
Толщина переходного слоя hKep-Me определяется в соответствии с формулой:
где hKep-Me - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм;
К = 5-10 - безразмерный поправочный коэффициент;
КТРКер - коэффициент термического расширения кермета в свободном состоянии, 1/°С;
КТРМе - коэффициент термического расширения металла в свободном состоянии, 1/°С;
D - диаметр стыка между соединяемыми поверхностями, мм;
ТР = 1350°С;
Тк - комнатная температура, °С.
На другую торцевую поверхность носа нанесено по меньшей мере одно многослойное покрытие, состоящее из чередующихся промежуточного слоя и керметного слоя, при этом промежуточный слой выполнен из металлов и/или сплавов металлов, выбранных из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe, а керметный слой - из керметов, содержащих матрицы на основе тугоплавких соединений, выбранных из группы: TiC, TiN, TiC-TiN, TiC-VC, TiC-NbC, TiC-ZrC, TiC-CrC, TiC-CrN и связки из металов и/или сплавов металлов, выбранных из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe.
Способ изготовления оправки прошивного стана, содержащей нос из кермета и корпус из металла, включающий:
- подготовку однородной порошковой смеси на основе частиц карбида титана,
- размещение порошковой смеси в керамической литейной форме, ее формование с получением на поверхности равномерно расположенных выступов и пазов и спекание с получением пористой преформы носа из карбида титана,
- изготовление заготовки носа из кермета, включающее заливку расплавленного металла из сплава на основе интерметаллида Ni3Al в нагретую до температуры 1500-1700°С в вакууме керамическую литейную форму в вакуумно-индукционной печи, содержащую пористую преформу носа, с выдержкой керамической литейной формы в вакуумно-индукционной печи при температуре 1500-1700°С в течение 0,3-1,5 часа, с последующим охлаждением керамической литейной формы и получением заготовки носа из кермета с образованием переходной части, состоящей из переходного слоя и буферного слоя,
- извлечение заготовки носа из керамической литейной формы и механическую обработку носа, с обеспечением толщины буферного слоя, в 2-4 раза превышающей толщину переходного слоя,
- отливку корпуса, включающую нанесение на нос слоя легкоплавкого никелевого сплава и борсодержащего защитного флюса, размещение заготовки носа в керамической литейной форме для получения оправки, нагрев керамической литейной формы для получения оправки до температуры 900-1250°С в вакууме или в атмосфере воздуха в вакуумно-индукционной печи, заливку расплавленного металла корпуса оправки в упомянутую керамическую литейную форму в вакууме или в атмосфере воздуха при температуре 1500-1600°С в вакуумно-индукционной печи, охлаждение отливки оправки с образованием сварочного шва, извлечение ее из керамической литейной формы с последующей механической обработкой.
Однородная порошковая смесь на основе частиц карбида титана дополнительно содержит частицы никеля или сплава на основе интерметалида Ni3Al в количестве 3-15 мас. %.
Изготовление пористой преформы осуществляют путем виброуплотнения однородной порошковой смеси в керамической литейной форме и последующего спекания при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 часа в керамической литейной форме в вакуумно-индукционной печи.
При изготовлении пористой преформы носа спекание осуществляют при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 часа в керамической литейной форме в вакуумной печи.
Используют керамическую литейную форму, в которой над переходной частью выполнен ресивер в виде расширяющейся горизонтальной полости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - Продольный разрез оправки.
Фиг. 2 - Продольный разрез носа оправки в увеличенном виде с многослойным покрытием.
Фиг. 3 - поперечный разрез носа в плоскости А-А.
Фиг. 4 - продольный разрез керамической литейной формы при заливке металла корпуса без ресивера.
Фиг. 5 - продольный разрез керамической литейной формы при заливке металла корпуса с ресивером.
1 - нос оправки; 2 - корпус оправки; 3 - кермет; 4 - промежуточный слой; 5 - буферный слой носа; 6 - переходный слой «кермет-металл»; 7 - паз носа; 8 - выступ носа; 9 - сварочный шов между носом (буферным слоем носа) и корпусом оправки; 10 - поверхность носа (буферного слоя носа), соединяемая с корпусом оправки; 11 - керамическая литейная форма; 12 - струя расплава металла; 13 - ресивер; 14 - расширение падающей струи металла; 15 - поток флюса, увлекаемый расплавом металла; 16 - концентрация флюса в «кармане» ресивера; 17 - керметный слой.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Оправка прошивного стана, содержит нос (1) и корпус (2), в которой нос и корпус выполнены из кермета (3), образующие единую деталь, или нос (1) выполнен из кермета (3), а корпус (2) из метала, представляющего собой сплав на основе интерметаллида Ni3Al или легированной стали. Причем кермет (3) представляет собой взаимопроникающие матрицы из карбида титана и связки - металла, представляющего собой сплав на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 25-70 об. %, при этом при использовании в оправке корпуса (2) из металла на одной торцевой поверхности носа (1) выполнены пазы (7), образующие переходный слой (6) «кермет-металл» и заполненные наплывом металла, представляющего собой сплав на основе интерметаллида Ni3Al. На поверхности переходного слоя (6) «кермет-металл» расположен буферный слой (5) из наплыва металла, представляющего собой сплав на основе интерметаллида Ni3Al, а на поверхности буферного слоя (5) расположен корпус (2) из металла. Между корпусом (2) и буферным слоем (5) расположен сварочный шов (9), при этом нос (1), переходной слой (6) «кермет-металл» и буферный слой (5) металлургически соединены между собой, буферный слой (5) и корпус (2) металлургически соединены между собой через сварочный шов (9).
Матрица из карбида титана дополнительно содержит Ni или сплав на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 3-15 мас. %, что обеспечивает снижение краевого угла смачивания спеченной пористой преформы расплавом металла.
Каждый выступ (8), образованный между пазами (7) выполнен площадью поперечного сечения, определяемой по формуле:
где SКерА - площадь поперечного сечения выступа в секущей плоскости А, мм2;
SКер - исходная площадь поперечного сечения кермета, мм2;
hA - расстояние от буферного слоя до секущей плоскости А, мм;
hКер-Ме - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм.
Толщину (глубина пазов (8)) переходного слоя (6) «кермет-металл» hКер-Ме выполняют из условия по формуле:
hКер-Ме - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм;
К = 5-10 - безразмерный поправочный коэффициент;
КТРКер - коэффициент термического расширения кермета в свободном состоянии (11⋅10-6/°С);
КТРМе - коэффициент термического расширения металла в свободном состоянии (18⋅10-6/°С);
D - диаметр стыка между соединяемыми поверхностями, мм;
ТР = 1350°С (расчетная температура);
Тк - комнатная температура: принимаем Тк = 20°С.
На другой торцевой поверхности носа (1) дополнительно нанесено по крайней мере одно многослойное покрытие, состоящее из чередующихся промежуточного (4) и керметного (17) слоев, при этом в качестве материала промежуточного слоя (4) применены металлы и/или сплавы металлов, выбранные из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe, а в качестве материала керметного слоя (17) - керметы, содержащие матрицу на основе тугоплавких соединений, выбранных из группы: TiC, TiN, TiC-TiN, TiC-VC, TiC-NbC, TiC-ZrC, TiC-CrC, TiC-CrN и связки из металлов и/или сплавов металлов, выбранных из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe. Содержание связки в матрице керметного слоя составляет 25-70 об. %.
Толщина промежуточного слоя (4) составляет 0,1-1,0 мм, толщина керметного слоя (17) - 5-20 мм. Максимальное количество керметного слоя в многослойном покрытии составляет 5.
Способ изготовления оправки прошивного стана, содержащей нос (1) из кермета (3) и корпус (2) из металла включает следующие операции:
- подготовка однородной порошковой смеси на основе частиц карбида титана размером 1-75 мкм;
- размещение порошковой смеси в керамической литейной форме, ее формование с получением на поверхности равномерно расположенных выступов (8) и пазов (7) и спекание с получением пористой преформы носа (1);
- изготовление заготовки носа (1) из кермета (3), включающее заливку расплавленного металла из сплава на основе интерметаллида Ni3Al в нагретую до температуры 1500-1700°С в вакууме керамическую литейную форму (11) в вакуумно-индукционной печи,
содержащую пористую преформу носа (1), с выдержкой керамической литейной формы в вакуумно-индукционной печи при температуре 1500-1700°С в течение 0,3-1,5 часа, с последующим охлаждением керамической литейной формы и получением заготовки носа (1) из кермета с образованием переходной части из наплыва металла, состоящей из переходного слоя (6) «кермет-металл» и буферного слоя (5);
- извлечение заготовки носа (1) из керамической литейной формы (11) и механическая обработка носа (1), при этом толщина буферного слоя (5) в 2-4 раза превышает толщину переходного слоя (6) «кермет-металл»;
- отливку корпуса (2), включающую нанесение на поверхность носа (буферного слоя) (10), слоя легкоплавкого никелевого сплава толщиной 0,05-0,2 мм и борсодержащего защитного флюса, размещение заготовки носа (1) в керамической литейной форме (11) для получения оправки, нагрев керамической литейной формы для получения оправки до температуры 900-1250°С в вакууме или в атмосфере воздуха в вакуумно-индукционной печи, заливку расплавленного металла (12) корпуса оправки из сплава на основе интерметаллида Ni3Al или легированной стали в упомянутую керамическую литейную форму в вакууме или в атмосфере воздуха при температуре 1500-1600°С в вакуумно-индукционной печи, охлаждение отливки оправки с образованием сварочного шва (9), извлечение ее из керамической литейной формы с последующей механической обработкой.
Однородная порошковая смесь на основе частиц карбида титана дополнительно содержит частицы никеля или сплава на основе интерметалида Ni3Al в количестве 3-15 мас. %.
Изготовление пористой преформы носа (1) осуществляют путем виброуплотнения однородной порошковой смеси в керамической литейной форме (11) и последующего спекания при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 часа в керамической литейной форме в вакуумно-индукционной печи.
При изготовлении пористой преформы носа (1) спекание осуществляют при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 часа в керамической литейной форме (11) в вакуумной печи.
Пористость спеченной преформы регулируют известными методами в пределах 25-80% за счет введения порообразователей, например, распыленного парафина, изменением параметров (амплитуда и частота колебаний) виброуплотнения, давления на порошок и температурно-временных режимов спекания.
Используют керамическую литейную форму (11), в которой над переходной частью «кермет-металл» выполнен ресивер (13) в виде расширяющейся горизонтальной полости.
Точную керамическую литейную форму (11) изготавливают по легкоплавкой модели путем многократного нанесения слоев порошка электрокорунда, сушки и последующей прокалки при температурах 900-1250°С в течение 3-5 часов.
Заливка металла корпуса в керамическую литейную форму может осуществляться, как в вакууме, так и в атмосфере воздуха, однако при вакуумной заливке качество сварочного шва выше.
Предпочтительный состав сплава на основе интерметаллида Ni3Al, % по массе: Al - 8-10; Ti - 0,8-1,5; Со - 0,1-4,5; Cr - 4-6; W - 2-4; Мо - 3-8; С - 0,01-0,20; Ni - остальное;
Применяют слой легкоплавкого никелевого сплава толщиной 0,05-0,2 мм состава, % по массе: С - 0,30-0,36; Cr - 8,0-10,0; Al - 0,1-0,2; Si - 3,0-4,0; В - 1,5-2,1; Fe - 2,0-2,8; Ni - остальное. Температура плавления этого сплава 1050-1080°С.
Применяют слой борсодержащего защитного флюса состава, % по массе: В2О3 - 60-80%; Na2O - 21-24%; K2O - 1,0-2,8%; ZrO2 - 1,2-2,8%; F2 - 0,8-2,8%; SiO2 - 2,0-6,0%. При температуре выше 700°С флюс плавится, растекается по поверхности тонкой пленкой и вплоть до температур 1200°С обеспечивает надежную защиту металла от окисления без признаков испарения.
Ширину пазов в переходном слое (6) «кермет-металл» определяют из соотношения:
где b - ширина паза, мм; hКер-Ме - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм.
Предпочтительными являются легированные стали для изготовления оправок, например, 40ХСМФ, 4Х5МФС, 35ХН2Ф, 20ХН3 и т.д., показавшие наивысший ресурс в оправках прошивного стана в производственных условиях.
Варианты использования кермета в носе или полностью во всей оправке зависят от материала прошиваемой заготовки и режимов процесса.
Пример 1.
Изготавливали биметаллическую оправку диаметром 36 мм, содержащей нос из кермета TiO-Ni3Al и корпус из легированной стали 4Х5МФС. Для изготовления носа подготовили однородную смесь из порошка карбида титана фракции 1-20 мкм. Диаметр стыка соединения носа и корпуса носа выполнили равным 16 мм.
Предварительно изготовили керамическую форму из электрокорунда по легкоплавкой модели для получения заготовки носа путем 10-тикратного нанесения слоев порошка электрокорунда, сушки и последующей прокалки при температуре 1000°С в течение 3 часов. Подготовили наддавливающий пуансон из закаленной инструментальной стали с полированными равномерно расположенными вытупами на торцевой поверхности, которые по форме соответствуют равномерно расположенным пазам на поверхности получаемой пористой преформы. Затем порошок карбида титана поместили в керамическую форму, осуществили его виброуплотнение с использованием наддавливающего пуансона с получением «сырой» формовки пористостью 44% и равномерно расположенными выступами и пазами на торцевой поверхности. Пуансон извлекли и провели спекание формовки при температуре 1600°С в течение 1,5 часа в печи нагрева вакуумно-индукционной печи, в результате чего получили пористую преформу носа из карбида титана пористостью 40% с равномерно расположенными выступами и пазами на торцевой поверхности.
Глубину пазов (толщину переходного слоя «кермет-металл») и ширину пазов определяли по формулам (II) и (III), соответственно.
По формуле (II) вычислили толщину переходного слоя «кермет-металл»:
hTIC-Me = 7*(11*10-6-18*10-6)*16*(1350-20) = 1,058 мм.
Принимаем конструктивно:
- толщина переходного слоя hTIC-Me (глубина паза) = 1,1 мм;
- ширина паза; исходя из соотношения (III) b = 0,3⋅1,1 ≈ 0,3 мм;
- расстояние между пазами; принимаем а = 1,0 мм.
Для инфильтрации использовали сплав на основе интерметаллида Ni3Al состава, % по массе: Al - 8,6; Ti - 1,0; Со - 4,0; Cr - 5,5; W - 3,5; Мо - 4,0; С - 0,1; Ni - остальное.
Литейную форму поместили в печь нагрева вакуумно-индукционной печи и ее температуру довели до 1550°С. Далее в отдельном тигле при температуре 1550°С расплавили сплав на основе интерметаллида Ni3Al и залили в литейную форму.
При температуре 1550°С форму в печи нагрева выдержали в течение 0,8 часа, после чего провели направленное затвердевание металла в порах пористой преформы за счет создания градиента температурного поля путем интенсивного теплоотвода с нижнего торца формы водоохлаждаемым поддоном.
После охлаждения и разрушения формы получили заготовку носа биметаллической оправки из кермета TiC-Ni3Al с наплывом из инфильтрующего сплава на основе интерметаллида Ni3Al, при этом содержание Ni3Al в кермете составило 40 об. %. Нос механообработали, оставив буферный слой металла, толщиной L не менее чем 2⋅hTIC-Me (hTIC-Me = 1,1 мм), т.е. 2,2 мм.
Затем изготовили точную керамическую литейную форму из электрокорунда по легкоплавкой модели для изготовления отливки оправки по описанной технологии. При этом керамическая форма выполнена с сужением в области соединения носа и корпуса, где диаметр стыка «нос-корпус» равнялся 16 мм.
В литейной форме над переходной частью из наплыва металла выполнили расширение (ресивер) для очищения поверхности носа и сбора флюса с последующим непосредственным контактом носа с расплавом залитого металла. Диаметр внутренней стенки ресивера выполнили равным 35 мм, высоту 10 мм, ширину и высоту «кармана» в верхней части ресивера 5 мм. При этом «карман» образован за счет того, что верхняя внутренняя поверхность ресивера расположена выше стенки керамической литейной формы в области корпуса оправки.
После этого на поверхность буферного слоя носа из сплава на основе интерметаллида Ni3Al нанесли:
- слой легкоплавкого никелевого сплава толщиной 0,1 мм; для этого использовали фрагмент ленты сплава толщиной 0,2 мм, который расположили на поверхности носа и расплавили в вакууме при температуре 1250°С в течение 0,5 ч; легкоплавкий никелевый сплав, который хорошо смачивает все никелевые сплавы, в т.ч. и сплав на основе интерметаллида Ni3Al, растекся на поверхности носа, образовав слой толщиной 0,1±0,05 мм; при этом, толщина слоя легкоплавкого никелевого сплава может регулироваться в пределах 0,05-0,20 мм за счет изменения объема используемой ленты в уменьшенном или в увеличенном количестве и режимов процесса;
- на слой легкоплавкого никелевого сплава при помощи кисти нанесли порошок борсодержащего флюса, смешанного с органическим лаком до сметанообразной консистенции и зафиксировали в литейной форме из электрокорунда для изготовления отливки оправки; основное требование для покрытия - отсутствие разрывов, а его толщина не регламентируется. Далее литейную форму поместили в печь нагрева с температурой 900°С, металл корпуса из стали 4Х5МФС расплавили в тигле печи плавки и при температуре 1550°С залили в форму в атмосфере воздуха. При заливке в керамическую литейную форму металл корпуса попадает на нос со слоем флюса, который за счет теплопередачи плавится, увлекается расплавом металла на периферию формы, попадает в ресивер и всплывает вверх, концентрируясь в «кармане» ресивера. При этом, легкоплавкий никелевый сплав также расплавляется, частично увлекается расплавом залитого металла на периферию формы и диффундирует в материалы буферного слоя носа и корпуса оправки.
После охлаждения и механической обработки отливки получили биметаллическую оправку с носом из кермета TiC-Ni3Al и корпусом из легированной стали 4Х5МФС, при этом между носом и корпусом образован сварочный шов.
Разрезка биметаллических оправок показала отсутствие дефектов в стыке «нос-корпус» и надежное металлургическое соединение.
Провели испытания оправки без охлаждения при прошивке заготовок из хромистой нержавеющей стали 08Х18Н10Т диаметром 50 мм, длиной 500 мм на испытательном прошивном стане.
Число проходов (прошивок) до предельного износа оправки составило 11. Число проходов до предельного износа оправки из легированной стали 4Х5МФС в таких же условиях составляет 1-2.
Пример 2
Пример 2 соответствует примеру 1 за исключением того, что:
- подготовили однородную смесь из порошков карбида титана и порообразователя (парафина) и провели виброуплотнение до пористости «сырой» формовки 74%;
- спекание провели при температуре 1400°С в течение 0,5 часа с получением преформы пористостью 70%;
- температуру печи нагрева вакуумно-индукционной печи довели до 1500°С, сплав на основе интерметаллида Ni3Al расплавили и при температуре 1550°С залили в керамическую литейную форму с температурой 1500°С, при которой форму выдержали 1,5 часа;
- нанесли на нос слой легкоплавкого никелевого сплава толщиной 0,05 мм;
- отливку оправки провели при температуре керамической формы в печи нагрева 1000°С и температуре заливки металла корпуса 1500°С;
В результате проведенных операций получили биметаллическую оправку с носом из кермета TiC-Ni3Al, содержащего сплав на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 70 об. % и корпусом из стали 4Х5МФС.
Число проходов до предельного износа оправки составило 9.
Пример 3.
Пример 3 соответствует примеру 1 за исключением того, что:
- оправку изготовили полностью из кермета TiC-Ni3Al;
- в керамическую литейную форму оправки засыпали и виброуплотнили порошок карбида титана с получением «сырой» формовки пористостью 47%;
- керамическую литейную форму поместили в печь нагрева вакуумно-индукционной печи, провели спекание при температуре 1600°С в течение 1,5 часа с получением преформы пористостью 45%, состоящей из носа и корпуса;
- температуру в печи нагрева снизили до 1550°С, в отдельном тигле расплавили и при температуре 1550°С залили в керамическую литейную форму никелевый сплав на основе интерметаллида Ni3Al;
- при температуре 1550°С форму в печи нагрева выдержали в течение 1,0 часа, после чего провели направленное затвердевание металла в порах пористой преформы.
В результате проведенных операций получили оправку полностью из кермета TiC-Ni3Al, с содержанием сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 45 об. %.
Число проходов до предельного износа оправки составило 16.
Пример 4.
Пример 4 соответствует примеру 1, за исключением того, что:
- виброуплотнение провели с получением «сырой» формовки пористостью 36%;
- спекание провели при температуре 1700°С в течение 2,5 часов с получением преформы пористостью 25%;
- отливку оправки провели при температуре керамической формы в печи нагрева 1250°С и температуре заливки металла корпуса 1600°С;
В результате проведенных операций получили биметаллическую оправку с носом из кермета TiC-Ni3Al, содержанием сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 25 об. % и корпусом из стали 4Х5МФС.
Число проходов до предельного износа оправки составило 13.
Пример 5.
Пример 5 соответствует примеру 1, за исключением того, что однородную порошковую смесь получали путем смешивания порошка карбида титана с добавкой порошка никеля в количестве 3% по массе.
Число проходов до предельного износа оправки составило 17.
Пример 6
Пример 6 соответствует примеру 1 за исключением того, что:
- на нос из кермета нанесли многослойное покрытие, содержащее промежуточный слой из сплава на основе интерметаллида Ni3Al толщиной 0,5 мм и керметный слой толщиной 5,0 мм, содержащий матрицу из карбида титана и связки - металла, представляющего собой сплав на основе интерметаллида Ni3Al, при этом, соотношение керамики и связки в кермете по объему составило 70%: 30%;
- керметный слой подготовили путем прессования порошка карбида титана в отдельной форме с получением «сырой» формовки пористостью 38%;
- спекание «сырой» формовки провели при температуре 1700°С в течение 2,5 часов с получением преформы пористостью 30%;
- для изготовления носа с многослойным покрытием две соответствующие части карбидной преформы собрали в блок с зазором в 0,5 мм, для чего между ними в нескольких точках установили проставки толщиной 0,5 мм из материала карбидной преформы;
Число проходов до предельного износа оправки составило 16.
Пример 7.
Пример 7 соответствует примеру 1 за исключением того, что:
- оправку изготовили с корпусом из сплава на основе интерметаллида Ni3Al;
- нанесли на нос слой легкоплавкого никелевого сплава толщиной 0,2 мм; -для получения отливки оправки заготовку носа разместили в керамической литейной форме, ее температуру в печи нагрева вакуумно-индукционной печи довели до температуры 1000°С, расплавили и залили в литейную форму при температуре 1550°С металл корпуса - сплав на основе интерметаллида Ni3Al.
Число проходов до предельного износа оправки составило 22.
Пример 8
Пример 8 соответствует примеру 1 за исключением того, что отливку провели в вакуумно-индукционной печи, но в атмосфере воздуха.
Число проходов до предельного износа оправки составило 8.
Пример 9
Пример 9 соответствует примеру 1 за исключением того, что:
- спекание «сырой» формовки соответствующей пористости провели при температуре 1400°С в течение 2,5 часов с получением преформы пористостью 45%;
- изготовление заготовки носа из кермета провели расплавлением и заливкой сплава на основе интерметаллида Ni3Al при температуре 1500°С в керамическую литейную форму, нагретую в печи нагрева до температуры 1500°С, при которой форму выдержали 0,3 часа.
Число проходов до предельного износа оправки составило 11.
Пример 10
Пример 10 соответствует примеру 6 за исключением того, что:
- на нос из кермета нанесли многослойное покрытие, содержащее промежуточный слой из кобальта толщиной 1 мм и керметного слоя толщиной 20,0 мм, содержащего матрицу из керамики состава по массе 70% TiC, 25% TiN и 5% Ni и связки из кобальта, при этом, соотношение керамики и связки в кермете по объему составило 75%: 25%;
- спекание «сырой» формовки соответствующей пористости провели при температуре 1700°С в течение 0,5 часов с получением преформы пористостью 25%;
- части карбидной преформы собрали в блок с зазором в 1 мм, для чего между ними в нескольких точках установили проставки толщиной 1 мм из материала карбидной преформы;
- инфильтрацию пористой преформы провели при температуре 1700°С, продолжительность 1,5 час.
Число проходов до предельного износа оправки составило 18.
Пример 11
Пример 11 соответствует примеру 6 за исключением того, что:
- на нос из кермета нанесли два многослойных покрытия, первое из которых содержит промежуточный слой из сплава на основе Fe-стали 12Х18Н10Т 0,1 мм и керметного слоя толщиной 10,0 мм, содержащего матрицу из керамики состава по массе 70% TiC, 25% TiN и 5% Ni и связки из стали 12Х18Н10Т, при этом, соотношение по объему керамики и связки составило 50%: 50%, а второе - промежуточный слой из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,1 мм и керметного слоя толщиной 10,0 мм, содержащего матрицу из керамики состава по массе 50% TiC, 35% TiN и 15% Ni и связки из стали 12Х18Н10Т, при этом, соотношение керамики и связки по объему составило 30%: 70%;
- спекание «сырых» формовок соответствующих пористостей провели при температуре 1400°С в течение 2,5 часов с получением преформ для первого слоя пористостью 50%, а для второго слоя - пористостью 70%;
- части карбидной преформы собрали в блок с зазором в 0,1 мм, для чего между ними в нескольких точках установили проставки (прокатанный карбидный порошок на органической связке) толщиной 0,1 мм из материала карбидной преформы;
- инфильтрацию преформы провели при температуре 1700°С, продолжительность 0,3 часа.
Число проходов до предельного износа оправки составило 17.
Состав сплава на основе интерметаллида Ni3Al выбран исходя из высокой прочности при рабочих температурах, приемлемой пластичности как при низких, так и высоких температурах и достаточных краевых углов смачивания, обеспечивающих полноту инфильтрации преформы на основе карбида титана.
Присутствие алюминия в инфильтрующем сплаве создает до 80-85% интерметаллидной упрочняющей фазы Ni3Al, обеспечивающей высокие механические свойства при температурах до 1250°С. Увеличение содержание алюминия сверх указанного количества приводит к увеличению краевого угла смачивания и ухудшению инфильтрации пористого полуфабриката. Молибден, вольфрам и кобальт способствуют, как снижению краевого угла смачивания, так и твердорастворному упрочнению и замедлению диффузионных процессов в никелевой матрице. Хром и титан обеспечивают отличную коррозионную стойкость сплава;
Переходный слой «кермет-металл» обеспечивает:
- исключение пиковых напряжений между разнородными материалами (кермет и наплыв металла), которые имеют значительную разницу в физико-механических характеристиках, в частности, термическом расширении, пластичности и прочности при растяжении;
- упрощение соединения носа и корпуса оправки, т.к. между однородными металлическими материалами технически проще создать металлургическое соединение.
Толщина (hКер-Ме) переходного слоя, определяемая по формуле (II) исключает образование трещин в нем.
Таким образом, наличие переходного слоя «кермет-металл» обеспечивает увеличение ресурса работы оправки прошивного стана, за счет надежного соединения носа из кермета и буферного слоя (наплыва металла), исключения образования трещин и пиковых напряжений между разнородными материалами (кермет и наплыв металла).
Наличие буферного слоя при его заявленной толщине обеспечивает увеличение ресурса работы оправки прошивного стана за счет снижения напряжений изгиба и растяжения и исключения трещин в малопластичном керметном материале.
Нанесение дополнительного многослойного покрытия на нос оправки, позволяет затормозить движение трещины, зародившейся вследствие наличия локальных внутренних напряжений из-за термоударов в керметном слое. Зародившаяся трещина в ходе распространения попадает в металлический промежуточный слой, где напряжения релаксируются, а трещина прекращает дальнейшее движение. Следовательно, достигается заявленный технический результат.
Содержание связки в носе и керметном слое менее 25 об. % и более 70%, приводит к разрушению материала кермета, вследствие снижения прочности из-за недостаточного количества инфильтрующего материала (менее 25 об. % связки) или снижения твердости и износостойкости получаемого материала кермета (более 75 об.% связки).
Дополнительное наличие в матрице из карбида титана Ni или сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 3-15 мас. % улучшает смачиваемость и инфильтрацию связки металла в кермете. Содержание менее 3 мас. % не оказывает заметного влияния на смачиваемость и инфильтрацию связки металла в кермете, а более 15 мас. % приводит к неоднородности получаемого материала кермета, падению твердости, следовательно, к снижению прочности и износостойкости носа оправки.
При толщине керметного слоя менее 5 мм конструкционная прочность слоя недостаточна, а в толщине более 20 мм отсутствует практическая необходимость.
При толщине промежуточного слоя менее 0,1 мм недостаточно эффективно тормозится распространяющаяся трещина в керметном слое, а при толщине более 1,0 мм пластическая деформация слоя становится существенной с выдавливаем его на поверхность носа.
Диффузионные процессы массообмена между носом и корпусом в расплавленном состоянии (при заливке металла корпуса в форму) протекают очень быстро с образованием сварочного шва (металлургического соединения).
Слой легкоплавкого никелевого сплава на носе толщиной 0,05-0,2 мм используется для образования жидкой фазы на стыке «нос-корпус» с целью ускорения диффузионных процессов массообмена.
При толщине буферного слоя металла меньше 2-х толщин переходного слоя «кермет-металл» в процессе работы на прошивном стане при многократном нагреве и охлаждении возникает опасность появления трещин в переходном слое «кермет-металл».
При толщине буферного слоя металла более 4-х толщин переходного слоя «кермет-металл» возникновение трещин исключено и она конструктивно неоправдана, т.к. ведет к увеличению габаритов и материалоемкости оправки.
При размере частиц карбида титана менее 1 мкм:
- резко увеличивается степень усадки пористой преформы при спекании формовки; при этом, повышается вероятность возникновения трещин в зонах изделий, где имеются стержневые элементы керамической формы, образующие отверстия в изделии из хрупкого кермета;
- появляется существенная доля закрытых пор в преформе, которые в последующем не могут быть инфильтрованы расплавом металла с соответствующей остаточной пористостью в изделии из кермета.
При увеличении размера частиц карбида титана более 75 мкм огрубляется структура и падают механические свойства кермета.
Если высота пазов (толщина переходного слоя «кермет-металл») ниже установленного критерия, то возможно возникновение трещин в связи с резким увеличением пиковых напряжений в переходном слое «кермет-металл», которые с высокой вероятностью могут превысить предел текучести кермета на растяжение.
Высота пазов выше установленного критерия конструктивно неоправданно, т.к. ведет к увеличению габаритов и материалоемкости оправки.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить ресурс оправок при прошивке высоколегированных и хромистых нержавеющих сталей не менее чем в 3 раза.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.
Claims (25)
1. Оправка прошивного стана, содержащая нос и корпус, в которой нос выполнен из кермета в виде взаимопроникающих матриц на основе карбида титана и связки в виде сплава на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 25-70 об.%, а корпус - из сплава на основе интерметаллида Ni3Al или легированной стали, при этом на одной торцевой поверхности носа выполнены пазы, заполненные сплавом на основе интерметаллида Ni3Al, образующие переходной слой, к поверхности переходного слоя примыкает буферный слой из сплава основе интерметаллида Ni3Al, а к поверхности буферного слоя примыкает корпус, металлургически соединенный с буферным слоем посредством сварочного шва из никелевого сплава, при этом нос, переходной слой и буферный слой металлургически соединены между собой.
2. Оправка по п. 1, отличающаяся тем, что матрица на основе карбида титана дополнительно содержит Ni или сплав на основе интерметаллида Ni3Al в количестве 3-15 мас.%.
3. Оправка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый выступ, образованный между пазами торцевой поверхности носа, имеет площадь поперечного сечения, определяемую по формуле:
где SКерА - площадь поперечного сечения выступа в секущей плоскости А, мм2; SКер - исходная площадь поперечного сечения кермета, мм2; hA - расстояние от буферного слоя до секущей плоскости А, мм; hКер-Ме - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм.
4. Оправка по п. 1, отличающаяся тем, что толщина переходного слоя hКер-Ме определяется в соответствии с формулой:
где hКер-Ме - толщина переходного слоя «кермет-металл», мм;
К = 5-10 - безразмерный поправочный коэффициент;
КТРКер - коэффициент термического расширения кермета в свободном состоянии, 1/°С;
КТРМе - коэффициент термического расширения металла в свободном состоянии, 1/°С;
D - диаметр стыка между соединяемыми поверхностями, мм;
ТР = 1350°С;
Тк - комнатная температура, °С.
5. Оправка по п. 1, отличающаяся тем, что на другую торцевую поверхность носа нанесено по меньшей мере одно многослойное покрытие, состоящее из чередующихся промежуточного слоя и керметного слоя, при этом промежуточный слой выполнен из металлов и/или сплавов металлов, выбранных из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe, а керметный слой - из керметов, содержащих матрицы на основе тугоплавких соединений, выбранных из группы: TiC, TiN, TiC-TiN, TiC-VC, TiC-NbC, TiC-ZrC, TiC-CrC, TiC-CrN, и связки из металов и/или сплавов металлов, выбранных из группы: Ni, Ni3Al, Со, Fe.
6. Способ изготовления оправки прошивного стана по п. 1, включающий:
-подготовку однородной порошковой смеси на основе частиц карбида титана,
-размещение порошковой смеси в керамической литейной форме, ее формование с получением на поверхности равномерно расположенных выступов и пазов и спекание с получением пористой преформы носа из карбида титана,
- изготовление заготовки носа из кермета, включающее заливку расплавленного металла из сплава на основе интерметаллида Ni3Al в нагретую до температуры 1500-1700°С в вакууме керамическую литейную форму в вакуумно-индукционной печи, содержащую пористую преформу носа, с выдержкой керамической литейной формы в вакуумно-индукционной печи при температуре 1500-1700°С в течение 0,3-1,5 часа, с последующим охлаждением керамической литейной формы и получением заготовки носа из кермета с образованием переходной части, состоящей из переходного слоя и буферного слоя,
- извлечение заготовки носа из керамической литейной формы и механическую обработку носа с обеспечением толщины буферного слоя, в 2-4 раза превышающей толщину переходного слоя,
- отливку корпуса, включающую нанесение на нос слоя легкоплавкого никелевого сплава и борсодержащего защитного флюса, размещение заготовки носа в керамической литейной форме для получения оправки, нагрев керамической литейной формы для получения оправки до температуры 900-1250°С в вакууме или в атмосфере воздуха в вакуумно-индукционной печи, заливку расплавленного металла корпуса оправки в упомянутую керамическую литейную форму в вакууме или в атмосфере воздуха при температуре 1500-1600°С в вакуумно-индукционной печи, охлаждение отливки оправки с образованием сварочного шва, извлечение ее из керамической литейной формы с последующей механической обработкой.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что однородная порошковая смесь на основе частиц карбида титана дополнительно содержит частицы никеля или сплава на основе интерметалида Ni3Al в количестве 3-15 мас.%.
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что изготовление пористой преформы осуществляют путем виброуплотнения однородной порошковой смеси в керамической литейной форме и последующего спекания при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 ч в керамической литейной форме в вакуумно-индукционной печи.
9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при изготовлении пористой преформы носа спекание осуществляют при температуре 1400-1700°С в течение 0,5-2,5 ч в керамической литейной форме в вакуумной печи.
10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что используют керамическую литейную форму, в которой над переходной частью выполнен ресивер в виде расширяющейся горизонтальной полости.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018118044A RU2683169C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Оправка прошивного стана и способ ее изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018118044A RU2683169C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Оправка прошивного стана и способ ее изготовления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2683169C1 true RU2683169C1 (ru) | 2019-03-26 |
Family
ID=65858710
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018118044A RU2683169C1 (ru) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Оправка прошивного стана и способ ее изготовления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2683169C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1675004A1 (ru) * | 1988-11-14 | 1991-09-07 | Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт трубной промышленности | Оправка дл винтовой прокатки |
JPH09276910A (ja) * | 1996-04-12 | 1997-10-28 | Nippon Steel Corp | 継ぎ目無し鋼管穿孔用プラグ装置 |
RU2399448C2 (ru) * | 2008-06-24 | 2010-09-20 | Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" | Способ волочения труб |
-
2018
- 2018-05-16 RU RU2018118044A patent/RU2683169C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1675004A1 (ru) * | 1988-11-14 | 1991-09-07 | Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт трубной промышленности | Оправка дл винтовой прокатки |
JPH09276910A (ja) * | 1996-04-12 | 1997-10-28 | Nippon Steel Corp | 継ぎ目無し鋼管穿孔用プラグ装置 |
RU2399448C2 (ru) * | 2008-06-24 | 2010-09-20 | Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" | Способ волочения труб |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2366539C9 (ru) | Способ уплотнения твердых порошков с жестким покрытием | |
Gåård et al. | Microstructural characterization and wear behavior of (Fe, Ni)–TiC MMC prepared by DMLS | |
CN101356031B (zh) | 钻地旋转钻头和制造具有颗粒基体复合钻头体的钻地旋转钻头的方法 | |
KR102464867B1 (ko) | 고 탄소 함량 코발트계 합금 | |
US10562101B2 (en) | Methods of making metal matrix composite and alloy articles | |
CN101193827A (zh) | 玻璃成型模具和方法 | |
JPS60234958A (ja) | 耐摩耗性層を備えた連続鋳造用鋳型の製造方法およびこの方法によつて得られる鋳型 | |
RU2683169C1 (ru) | Оправка прошивного стана и способ ее изготовления | |
JP2004536232A (ja) | 不均質に溶融する構成要素の均質な分布を有する焼結金属部品及びその製造方法 | |
JPWO2004087351A1 (ja) | ダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ | |
US3862840A (en) | Process for manufacture of hard and non-deformable alloys without compacting by sintering in the solid-liquid phase | |
JP2003119554A (ja) | 繊維強化金属の製造方法 | |
RU2525965C2 (ru) | Шаровой затвор из кермета и способ его изготовления | |
JPH0114997B2 (ru) | ||
JP2005536355A5 (ru) | ||
Szymański et al. | Attempts to prepare precision composite castings by sintering Al2O3/AlSi11 using underpressure | |
JP4524591B2 (ja) | 複合材料およびその製造方法 | |
Capus | Advances in Powder Metallurgy Processing. | |
JP2642661B2 (ja) | 高熱伝導性複合金型の製造方法 | |
JP2959912B2 (ja) | 放電被覆複合体 | |
Shinagawa | Shape change and pore distribution in aluminum powder compacts by graded foaming | |
JPS5838219B2 (ja) | 表面層に耐摩耗性を具備した鋳鋼部材の製造方法 | |
JP2599729B2 (ja) | 合金物品の造塊法 | |
JPS61186190A (ja) | 溶接肉盛用複合溶加棒 | |
RU2534484C1 (ru) | Способ изготовления штифта инструмента для перемешивающей сварки трением |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200517 |