Отримані порошкові систем Fe – Ti – c (b4c) суміші є лігатурою для приготування шихт призначених для процесу гарячого штампування. Вихідні склади шихт для процесу гарячої штампування мелють склад:

• Fe – 10% TiC,

• Fe – 20% TiC,

• Fe – 30% TiC.

Розрахунок необхідної кількості проводився виходячи з складу лігатури (20% Fe - 80% TiC), за формулою:

0,8m / (m + x) = y,

де m – маса наважки, г; x – кратність мас лігатури та порошку Fe,що необхідно додати, г; y – заданий вміст TiC, %.

В приведеній нижче таблиці (таб. 2.4) показана маса порошку заліза та маси лігатури, яку необхідно додати.

Таблиця 2.4  Співвідношення мас лігатури та порошку заліза при приготуванні вихідної шихти під гарячу штамповку

Вміст TiC в шихті, %	Маса лігатури, г	Маса порошку Fe, г	Кратність приведених мас
10	22,5	157,5	7
20	45	135	3
30	66,(6) ~ 66,7	113,4	1,(6) ~ 1,7

Враховуючи великий вміст карбідної фази в об’ємі зразків випливає неможливість їх піддання гарячому штампуванню через їх високу крихкість, тому в якості підтримуючої конструкції використовується обойма, виготовлена з сталевої водогазопровідної (газової) труби, згідно ГОСТ 3262 – 62. Використовується не оцинкованих (чорний), з зварними швами різновид цих труб, без різьби та фланців.

За умові розмірів штампового інструменту, з робочим діаметром d = 43 мм та робочою висотою h = 7 мм, підберемо розмір (диаметр) обойм під гаряче штампування. Відповідно до приведеної нижче таблиці (таб. 2.7)та враховуючи розміри штампового інструменту вибираємо трубу під обойму.

Оптимальним при заданих умовах виявляється труба з умовним проходом в 25 мм (1 дюйм), 25ГОСТ 3262 - 62.

Таблиця 2.7 - Сталеві водогазопровідні труби, згідно ГОСТ 3262-62

Умовний прохід		Труби
мм	дюйми	Зовнішній діаметр, мм	Маса на 1 кг (без муфти)	Товщина стінки, мм
15	½	21,3	1,28	2,8
20	¾	26,8	1,66	2,8
25	1	33,5	2,39	3,25
32	1 ¼	42,3	3,09	3,25
40	1 ½	48	3,84	3,5

Проводимо розрахунок висоти труби (рис. 2.8) відповідно до кількості порошкової суміші необхідної для досягнення заданої щільності після гарячого штампування отриманих зразків (таб. 2.8).

Рисунок 2.8 - Обойма для заготовок під гарячу штамповку

Розрахунок вихідної висоти обойми виходячи з наведених умов: розмірів штампового інструменту, щільність зразків після гарячого штампування.

V = V_тр + V_пор = const;

V_тр^н = π (D₀² + d₀²) h₀ / 4;

де V_тр^н – вихідний діаметр труби; D₀, d₀, h₀ – вихідні зовнішній, внутрішній діаметр та висота обойми відповідно,

V_тр^к = π (D_к² + d_к²) h_к / 4;

де V_тр^к – кінцевий діаметр труби; D_к, d_к, h_к – кінцеві зовнішній, внутрішній діаметр та висота обойми відповідно,

D_к = D,

де D = 43 мм – діаметр штампового інструменту,

V_тр^н = V_тр^к,

V_п^н = π d₀² h₀ / 4,

де V_п^н – вихідний об’єм порожнини в обоймі,

V_п^к = π d_к² h_к / 4,

де V_п^к – кінцевий об’єм порожнини, після деформації обойми,

V_п^н = V_п^к,

Складаємо систему рівнянь:

		Vтр^н = Vтр^к,	(2.9)
		Vп^н = Vп^к.	(2.10)

Враховуючи щільність вільно насипаного порошку (γ_нас – насипна щільність), а також щільність компактного порошку (γ_к), перейдемо в рівнянні (2.9) та (2.10) до щільностей і отримаємо систему рівнянь.

		π (D0^2 – d0^2) h0 γтр^н/ 4 = π (Dк^2 – dк^2) hк γтр^к/ 4,	(2.11)
		π d0^2 h0 γн/ 4 = π dк^2 hк γк/ 4,	(2.12)

де γ_тр^н , γ_тр^к – щільності труби-обойми до та після деформування при гарячому штампуванні відповідно, γ_н , γ_к – щільність порошку до гарячого штампування (насипна щільність порошку) та компактного порошку відповідно.

Припускаючи, що γ_тр^н = γ_тр^к

		(D0^2 – d0^2) h0 = (Dк^2 – dк^2) hк,	(2.13)
		d0^2 h0 γн= dк^2 hк γк,	(2.14)

З рівняння (6) виразимо:

d_к² = d₀² h₀ γ_н / h_к γ_к,

та підставимо у рівняння (5), отримуємо:

(D₀² – d₀²) h₀ = (D_к² –( d₀² h₀ γ_н / h_к γ_к)) h_к,

Виражаємо з отриманого рівняння h₀:

h0 = Dк^2 hк/(( D0^2 – d0^2) + (d0^2 γн/ γк)).

(2.15)

Для розрахунку вихідної висоти обойми визначимо насипної щільності вихідної порошкової суміші. Визначення насипної щільності проводилося згідно ГОСТ 19440 – 74.

Результати вимірювань насипної щільності порошкових сумішей приведені в таб.2.8 .

Таблиця 2.8  Насипна щільність порошкових сумішей

Для системи з лігатурою складу	Вміст TiC, %	Насипна щільність порошкових сумішей, г/см^3
Fe – Ti – C	10	3,9083
	20	3,6874
	30	3,4886
Fe – Ti – B4C	10	3,9220
	20	3,9810
	30	3,9970

Результати розрахунку висоти обойми, згідно формули (2.15), приведено в таблиці 2.9.

Таблиця 2.9 - Результати розрахунку висоти обойми для зразків під гаряче штампування

Суміш №	Для системи з лігатурою	Вміст TiC в суміші, %	Вихідна висота обойми, мм
1	Fe – Ti – C	10	25,6460
2		20	25,7120
3		30	25,7460
4	Fe – Ti – B4C	10	25,6370
5		20	25,2080
6		30	25,9080

Враховуючи отримані результати вихідної висоти обойми приймаємо висоту обойми за 26 мм. Розрахунки проводили з урахуванням 5 - 10% облою зразків при гарячій штамповці.

Пресування зразків під гаряче штампування проводиться на пресі приведеної вище моделі, при навантаженні в 50 т (620МПа), в матриці з діаметром робочого каналу 40 мм, при вільній засипці порошкової суміші. Схема пресування заготовок показана на рис 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема пресування заготовок під гарячу штамповку

Отримані заготовки піддають розігріву до температури 1200 °С в середовищі Ar, на протязі 15 хв, в печі шахтного типу, моделі ШП-1(рис. 2.11 ). Розігріті заготовки підлягають гарячій штамповці вільною осадкою у відкритому штампі (рис. 2.12), на не нахиляємому одно кривошипному пресі простої дії, моделі КВ 2132 (рис. 2.13), з номінальним зусиллям 1600 кН, з швидкістю деформування 1000 м/с.

Рисунок 2.10 - Вигляд заготовок під пресування під гарячу штамповку

Рисунок 2.13 - Прес, моделі КВ 2132

Рисунок 2.12 - Зовнішній вигляд відкритого штампу

Рисунок 2.11 – Зовнішній вигляд шахтної печі ШП-1

На рис. 2.14 заготовки після гарячого штампування, а на рис. 2.11 показаний прес КВ 2132.

Рисунок 2.14 - Зовнішній вигляд заготовок після гарячої штамповки

Після гарячого штампування зразки піддавали відпалу при 850 ^0с, після чого проводили їх гарт з температури 870 ⁰С у воду з подальшим відпустком при 180 ⁰С протягом 3600 с.

Щільності матеріалудо до (після пресування з металічною обоймою) та після ущільнення методом гарячого штампування здійснюється за методом гідростатичного зважування, згідно ГОСТ 20018 – 74. Щільність визначалася з урахуванням щільності води, що змінюється в залежності від температури навколишнього середовища, таб. 2.10.

Таблиця 2.10  Щільність отриманого зразків.

Для сплавів з лігатурою	Вміст твердої фази, %	Середня щільність зразків, г/см^3
		Після пресування	Після ГШ
Fe – Ti – C	10	7,4225	7,7998
	20	7,0232	7,6781
	30	6,9647	7,4953
Fe – Ti – B4C	10	7,2113	7,6956
	20	6,7821	7,3987
	30	6,6647	7,2764

1, 2 – зразки на вигин;

3, 4 – зразки на в’язке руйнування

Рисунок 2.15 – Схема розкрою на штапики для визначення механічних властивостей

Отримані зразки спочатку зачищалися на абразивному крузі, а потім розрізалися на електроіскровому верстаті, моделі 4531, на прямокутні штапики за схемою, рис 2.15. В результаті такого розкрою циліндричної заготовки були підготовані зразки для механічних випробувань.

Випробування на вигин проводилися по трьохточковій схемі навантаження. Відстань між опорами становила 20 мм. Більшість зразків мали розмір 6,25 мм. Випробування проводилися на випробувальній машині 123У  10, при швидкості навантаження 1 мм/хв. Розрахунок межі міцності при вигині проводився за формулою:

,

(2.15)

де P – зусилля руйнування, Н;

l – відстань між опорами, мм;

b – ширина зразків, мм;

h – висота зразка, мм.

В’язке руйнування К_Iс визначали за схемою трьохточкового вигину при відстані між опорами 16 мм на машині «Plastics Bending Tester» (Венгрія). Розміри зразків становили мм. По середині зразка робили надріз глибиною 1,5 мм електроіскровим способом латунним дротом діаметром 0,2 мм, а потім поглиблювали на 0,2 – 0,5 мм вольфрамовим дротом діаметром 0,06мм, що при русі з абразивними частинками зношувала матеріал. Поглиблення проводили на верстаті «Wire Saw type WS-22». Значення в’язкості руйнування проводили за формулою:

,

(2.16)

де а – глибина набрізу,

(2.17)

Твердість зразків визначалася за допомогою піраміди Віккерса на приладі ТП-2 при навантаженні 30 кг.

Результати механічних випробувань приведені в таб. 2.11.

Таблиця 2.11  Результати механічних випробувань

Склад матеріалу	Вміст твердої фази, %	σзг, МПа	KIc	HRC(після ГШ)	HRC(після відпалу	HRC(після гартуванн та відпуску )
Fe – Ti – C	10	2130  2160	23,2  26,8	30 – 35	25 - 30	31 – 37
	20	1900  1940	24,3  25,0	39 – 43	29 – 33	41 – 45
	30	1710  1760	51,6 – 52,2	66 – 69	32  36	59 – 64
Fe – Ti  B4C	10	2030  2080	18,3  20,5	33 – 38	30 – 34	43 – 48
	20	1810  1850	20,8  23,0	43 – 47	34 – 39	50 – 55
	30	1590  1630	48,7 – 43,2	72 – 75	40 – 45	68 – 70

Випробування зносостійкості матеріалів з різним вмістом зміцнюючої фази_. Умови досліджень. Швидкість ковзання – V 1,5 м/с. Контактний тиск  2,0 МПа. Тертя без змазки. Матеріал контр тіла : алмазний круг. Шлях тертя, L – 1 км на кожному навантаженні; S зразка – 5,4 – 5,6 см².

Випробування зносостійкості матеріалів проводилися в парі з алмазним кругом на машині тертя М-22М. Триботехнічні властивості визначалися по методиці ГОСТ 26614-85. Сутність методики полягає у визначенні залежності величини зносу і сили тертя від швидкості ковзання і сили навантаження і в обчисленні їх інтенсивності зношування і коефіцієнтів тертя.

Вибір швидкості ковзання і навантаження, при терті без змазки, залежать від складу і міцності досліджуваних матеріалів (зразок – контртіло) і допустимої температури в вузлі тертя при фрикційному розігріві.

Композиційні матеріали, які містять карбіди металів, володіють високою твердістю і тому доцільно їх зносостійкість визначати в парі з абразивним матеріалом (контртілом). В даному випадку в якості абразиву використовували алмазний круг АСВ180/125 по ГОСТ16167-80 і швидкістю ковзання 1м/с з похибкою частоти оберту вала не більше 5%.

Інтенсивність зношування зразка і контртіла визначалися методом ваги – взвішування зразка і контртіла до і після випробування через кожний км шляху тертя при ступінчатому навантаженні. Товщина зразка визначалася з похибкою електронного мікрометра, не більше 0,01.

Результати триботехнічних випробувань приведені в таб.2.12.

Випробування повторювалися не менше трьох разів з заміною зразків і за оцінку інтенсивності зношування зразка приймали середнє арифметичне значення.

Таблиця 2.12 – Результати триботехнічних випробувань

Сплав системи	Вміст твердої фази, %	Коефіцієнт тертя, f	Знос, мкм/км
Fe – Ti – C	10	0,23	2,50
	20	0,27	1,93
	30	0,25	1,04
Fe – Ti  B4C	10	0,24	1,97
	20	0,25	1,45
	30	0,26	0,98