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

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт проблем сверхпластичности металлов АН СССР и Научно-производственный кооператив Гермес Научно-учебного комплекса Сверхплатичность (72) О. Ю. Ефимов, А, А. Литвиненко и Д. Д. Афоничев(56) Грудев А. Г 1. и др. Трение и смазки при обработке металлов давлением, Справочник. - М.: Металлургия, 1982, с. 213.(54) ЗАЩИТНО-СМАЗОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ЗАГОТОВОК ПРЕИМУЩЕСТВЕННО 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 защитно- смазочным 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 сверх- пластичности, 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 мелкоЯО 1676732 А 1(5)5 В 213 00, В 21 С 23 32, В 21 В 37/18 2ния - повышение стойкости деформирующего инструмента из никелевых, кобальтовых и железных сплавов. Защитно-смазочное покрытие состоит из 60 - 95 мас.о," мелкодисперсной сажи, например, марки ДГ(К) или ПМ(П) 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 - 0,1. 3 табл. дисперснои сажи, такой как ДГ(К) или ПМ(П), 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 Я сажа или при температуре кипения менее 40 С может отдельными участками осыпаться с заготовки, при увеличении количества легкокипящей жидкости более 40 О суспензия может стечь с заготовки, 1676732образовывая тем самым неравномерное покрытие, что нежелательно.Сажу с легкокипящей жидкостью на контактирующие поверхности можно наносить любым известным методом: напылением, окунанием заготовки в суспензию, обмазыванием, электрофорезом, напылением на заготовку, покрытую слоем упомянутого связую:цего.1 ыли 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 - О, С - 1, С - 2, С - 3, спектрально-чистый и электродный графит раз,ичной дисперсности, а также крупнодисперснан сажа, например марок Пи ТГ, не влияют на процессы образования эвтектик титан-никель, она образуется в любом случае, а при использовании мелко- дисперсных саж, таких как ДГ(К) или ПМ(П), процессы образования эгтектик качественно изменяются, их образование подавляется, а в продуктах ракции 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 проведены 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. Г 1 олучены аналогичные результаты.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 ВТвысотой 5,3 мм, внешним диаметром 16 мм и внутренним диаметром 8 мм. Кроме ко 5 10 30 35 40 45 имеющую метаннообразную консистенцию.Количество легкокипящей жидкости - во ды - составляло 20 Я 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 ук ладки заготовки и выемки готового иэделия. 15 20 25 лец из сплава ВТ, были также испытаны кольца из сплавов ВТ 18 и ВТЗ. Температура испытаний для титановых сплавов составляла 950 С. Степень деформации во всех случаях составляла 40 Я, скорость деформирования 1 и 0,5 мм/мин. Бойки изготавливали из штампового материала сплава ЖС 6 У на никелевой основе. В каче стве 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 сложно- легированного сплава ЖС 6 У, 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 сплава 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(ДГ) окунанием в суспензию сажи,Затем кольцо поднимали в верхнее положение, опускали пуансон до соприкосновения с заготовкой и производили нагре"лФормула изобретения и заготовки встроенным в штамп индукционным нагревателем до температуры 95010 С, 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 - экспериментальный интерметаллидный сплав. Температура его деформации соответствует 105020 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 связующегона 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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. 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 ЖС 6 У на твердые сплавы со связкой из металлов группы железа, что ранее было невозможно нз-за отсутствия смазки, так как серийно используемая смазка ЭВТактивно реагирует с материалом штампа. Это дало возможность повысить стойкость штампа более чем в 4 раза по сравнению со штампом, выполненным из сплава ЖС 6 У. 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 Остальное1676732 Примечание Пример Без смазки 0,09 ЭВТ0,19 ЭВТ+10 Хграфита С-О 0,35 0,28 0,32 0,47 Спектральночистый графит 0,32 Графит С-О 0,30 10 Сажа ПСажа ТГ0,28 0,30 Сажа К(ДГ) 12 0,08 Сажа П 01 М) 13 0,10 14 ЭВТ0,11 15 С-О16 ТГ0,37 0,27 0,07 18 ЭВТ0,1,5 0,40 0,32 0,18 Материал смазки Коэффициент трения ЭВТ-УПИ ЗЗЖ ЭВТ+673ЭВТ-УПИ33% ЭВТ+ + 67 Ж ЭВТ-УПИ+10 Х графита С-О Графито-масляная смесь 17 П(ПМ) 19 С-О 20 ТГ21 П 01 М) Т а б л и ц а 1 Определить не удалосьиз-за приварки кольцак бойкам с обильнымвыжиманием капель жидкой эвтектики из-подповерхностей контакта Полифрикционный порошок дисперсностью63 мкм Горела с сильнымвыделением колоти Материал кольцаздесь и нижеВТ-1 Материал кольцаздесь и ниже -цирконий1676732 10 Продолжение табл.1 0,47 Материал кольца здесьи ниже - ВТ 9, толщина слоя сажи -0,1 мм и 0,07 Толщина слоясажи - 0,5 мм П(ПМ) 0,09 24 Толщина слоясажи - 1,2 мм Та блица 2 Пример Материалштампа Количество легкокипяМатериал заготовКоличест- Характер износа,во от- примененияштампован ки щего компонента и го покрытия ных изделий его состав мас.Х6 7 ЖС 6 У ЭВТ530 Каверны, канавка вкольце глубиной до4 мм, задиры, неравномерное расширение 1 ВТ 9 нет зазора 2 ВТ 9+ 102 графитаСв избытке 671 То же нет 3 ВТ 9 Т 1 С+Иъ нет ЭВТ24 1 НС 6 У 4 ВТ 9 347 5 ВТ 9 ЖС 6 У 152 вода 522 То же 6 ВТ 9 ЖС 6 У 157 вода сажа П511 То же 7 ВТ 9 ЖС 6 У 15 Х вода 893 22 П(ПМ) Марки углеродаили состав ино 15 Ж вода графит Ссажа ТГкрупнодисперс- ная крупнодисперсная сажа К(ДГ)мелкодисперс- ная Катострофическое изъявление взаимодействие ТС+И 1.++ ЭВТКаверны, канавка в кольце, неравномерное расширение зазора Износ равномерный, раковины отсутствуют, на поверхности штампа обнаружен нестехиометрический карбид титана16632 6 7( 969 То же 15% вода ЖСбу ВТ 9 315 сажа ПМ3% вода ЖСбу 9 ВТ 9 562 сажа ПМ мелкодисперсная 5% вода ЖСбу 10 ВТ 9 40% вода сажа ПМ521 ЖСбу.1 1 ВТ 9 мелкодисперсная 303 ЖСбу 45% вода 12 ВТ 9 15% этило- сажа ПМвый спирт . мелкодисперс- ная ЖСбу 1137 13 ВТ 9 14 ВТ 9 ЖС 6 У 10% метило- сажа ДГ вый спирт мелкодисперс 1094 То же ная 15 ВТ 9 Х(Сбу 20%,гексан 944 То же 20% вода 1120 17 ВТЗЖСбунет ЭВТ563 18 ВТИ ТдС-Бь 10% вода графит С-О 190 19 ВТИ ТС-Ях 10% вода сажа ПМ мелкодисперсная 323 20 ВТИ ТхС-Со 10% вода 21 ВТИ ТхС-Со 10% вода 16 ВТЗЖС 6 У сажа П(ПМ)мелкодисперсная мелкодисперсная сажа ПМ мелкодисперсная сажа ДГмелкодисперс- ная сажа ДГ мелкодисперсная сажа ПМ мелкодисперсная сажа ТГкрупнодисперс- ная Продолжение табл,2 Каверны, глубокаяканавка в кольце,зазор крайне неравномерный Равномерный износ,обнаружены следыТз.С Равномерный износ,обнаружен ТьС Неравномерный износ, отдельные, но большие каверны, канавка состоит иэ отдельных каверн (ТьС) Износ равномерный, раковиныотсутствуют Наповерхности штампаобнаружен нестехиометрическийкарбид титана Равномерный износ каверны отсутствуют обнаружен ТдС Неравномерный износ, канавка,каверны Неравномерный износ, канавка, каверны Равномерный износ 472 Равномерный из- нос 205 Неравномерный износ, канавка, раковины:(графито-масляная смесь) П р и м е ч а н и е, Примеры 1, 2,3 и 17 соответствуют способу-прототипу. Таблица 3 Результатэксперимента Пример Температура киИспытуемаяжидкость пения,100 Вода 64,5 МетанолЭтанол 78 Изопропиловыйспирт 82 Покрытие пос 36 Пентан ле испаренияпентана час 86 98 125 Адгезионный износ Составитель О. КорабельниковРедактор М. Васильева Техред А. Кравчук Корректор Л. ПатайЗаказ 3067 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР13035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д, 4/5Производственно-издательский комбинат Патент, г, Ужгород, ул. Гагарина, 01 22 ВТ 9 Т 1 С-г 1. 15% вода Гексан Гептан Октан Адгезионный износ отсутствует, качество поверхности штампа хо- рошее тично отслоилось, обнаружен адгезионный износ отсутствует, поверхность штампа сильно загрязнена продуктами коксования,