Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов

The possibility of increasing the durability of high pressure apparatus with steel matrixes by manufacturing of matrix blanks by casting methods and exception of thermal operation of homogenization traditionally carried out for this steel is shown.

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Балабанов, П.А., Боримский, А.И., Делеви, В.Г., Ткач, В.Н., Чипенко, Т.Ю., Крикун, В.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2008
Series:	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Subjects:	Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138888
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, В.Г. Делеви, В.Н. Ткач, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 277-282. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138888
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1388882025-02-23T17:29:20Z Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Делеви, В.Г. Ткач, В.Н. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов The possibility of increasing the durability of high pressure apparatus with steel matrixes by manufacturing of matrix blanks by casting methods and exception of thermal operation of homogenization traditionally carried out for this steel is shown. 2008 Article Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, В.Г. Делеви, В.Н. Ткач, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 277-282. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138888 62-987 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
spellingShingle	Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Делеви, В.Г. Ткач, В.Н. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description	The possibility of increasing the durability of high pressure apparatus with steel matrixes by manufacturing of matrix blanks by casting methods and exception of thermal operation of homogenization traditionally carried out for this steel is shown.
format	Article
author	Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Делеви, В.Г. Ткач, В.Н. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н.
author_facet	Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Делеви, В.Г. Ткач, В.Н. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н.
author_sort	Балабанов, П.А.
title	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
title_short	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
title_full	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
title_fullStr	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
title_full_unstemmed	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
title_sort	повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138888
citation_txt	Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, В.Г. Делеви, В.Н. Ткач, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 277-282. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv	AT balabanovpa povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov AT borimskijai povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov AT delevivg povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov AT tkačvn povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov AT čipenkotû povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov AT krikunvn povyšeniepročnostistalʹnyhmatricapparatovvysokogodavleniâdlâsintezasverhtverdyhmaterialov
first_indexed	2025-11-24T02:35:04Z
last_indexed	2025-11-24T02:35:04Z
_version_	1849637422738964480
fulltext	РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 277 УДК 62-987 П.А. Балабанов, А.И. Боримский, В.Г. Делеви, В.Н. Ткач, кандидаты технических. наук; Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СТАЛЬНЫХ МАТРИЦ АППАРАТОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ The possibility of increasing the durability of high pressure apparatus with steel matrixes by manufacturing of matrix blanks by casting methods and exception of thermal operation of homoge- nization traditionally carried out for this steel is shown. Синтез сверхтвердых материалов (СТМ) – алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) – осуществляют при высоких давлениях и температурах в области их термодинамической ста- бильности [1], с использованием специальных аппаратов высокого давления различных кон- струкций [2]. В Украине и странах СНГ синтез СТМ в условиях промышленного производства осуществляют в аппаратах высокого давления (АВД) типа наковальни с углублениями, мат- рицы которых изготовляют как из твердых сплавов, так и из инструментальных сталей. Для синтеза монокристаллических СТМ – порошков алмаза марок АС15 – АС160 и КНБ марок КО, КР, КВ, КТ, ЛКВ и др., синтез которых осуществляют при давлении 4,5–5,5 ГПа и температуре 1200–1600 оС, эффективно применять АВД со стальными матрицами, которые изготовляют из быстрорежущей стали Р6М5 с реакционным объемом 22 – 30 см3 [2]. Необходимо отметить, что при синтезе СТМ затраты на изготовление стальных АВД составляют 15 – 25 % общих затрат на синтез и имеют тенденцию к постоянному увеличе- нию, что связано с повышением цен на материалы. В то же время постоянно снижаются ры- ночные цены на СТМ разных марок и зернистостей. Учитывая, что основной причиной выхода АВД из строя является разрушение матриц в результате действия высоких циклических термических и механических нагрузок, очевид- но, что повышение эффективности использования АВД при синтезе СТМ требует прежде всего увеличения прочности стальных матриц. Для исследования структуры и механических свойств матриц АВД использовали сле- дующие заготовки из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 100 мм: прокат, традиционно используемый в качестве материала для изготовления матриц, и слитки, полученные мето- дами электрошлакового (ЭШП) и вакуумно-дугового (ВДП) переплавов. При выполнении работы исследовали структуру и изломы образцов методами метал- лографии и растровой электронной микроскопии. Механические свойства стальных образцов при сжатии определяли с помощью стандартных методик. Из указанных заготовок изготовляли матрицы АВД и образцы для исследований. Все матрицы и образцы исследовали после окончательной термической обработки, – закалки от температуры 1200 оС и трехкратного отпуска при температуре 550 оС. Результаты сравнительного анализа структуры заготовок показали, что средний раз- мер вторичных карбидов в литых заготовках значительно меньше (0,3 мкм), чем в прокате (1,4 мкм), а количество – больше (в 1 мм2 литых заготовок – 460000 шт, в 1мм2 проката – 40000 шт) и распределены они по объему зерен равномернее (рис. 1). Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 278 а б Рис. 1. Распределение вторичных карбидов в прокате (а) и слитке ЭШП (б) стали Р6М5 после закалки от температуры 1200 оС и отпуска Это объясняется тем, что вследствие длительного затвердевания крупного слитка, ис- пользуемого для изготовления проката, и его длительного охлаждения с высоких температур в его структуре выделяется большое количество крупных первичных карбидов и образуется грубая карбидная сетка. При этом значительно снижается легированность твердого раствора вследствие длительного оттока легирующих элементов из твердого раствора в состав карби- дов. В дальнейшем при изготовлении проката слиток подвергается высокотемпературному нагреву для отжига и пластической деформации, при котором продолжаются указанные про- цессы выделения первичных карбидов, их рост и снижение легированности твердого раство- ра. В процессе пластической деформации карбидная сетка разрушается, а образующие ее карбиды распределяются по объему заготовки и коагулируют. Повышенная легированность этих карбидов затрудняет их растворение в твердом рас- творе при нагреве под закалку. В процессе нагрева при отпуске нерастворившиеся при закалке карбиды как в прока- те, так и в слитках «стягивают» на себя часть легирующих элементов, находящихся в приле- гающих к ним областях твердого раствора. Так как в прокате по сравнению со слитками карбидные частицы, оставшиеся нерас- творенными при нагреве под закалку, распределены более равномерно по объему заготовки, твердый раствор в прокате в процессе отпуска в большей мере обедняется легирующими элементами, чем в литых заготовках, где карбиды сосредоточены преимущественно в кар- бидной сетке и имеют меньшую площадь контакта с окружающим их твердым раствором. В связи с изложенным, в литых заготовках вторичные карбиды, выделяющиеся при отпуске, распределяются в виде мелкодисперсных включений, равномерно распределенных по объему твердого раствора, за исключением узкой зоны, граничащей с карбидной сеткой. Наследственность деформированной структуры проката определяет высокие значения его пластичности  и предела текучести Rс0,2 (табл. 1). Однако наличие в прокате более крупных и неравномерно распределенных по сравнению с литыми заготовками вторичных карбидов значительно снижает его коэффициент упрочнения Е и соответственно предел прочности Rcm. Так как долговечность матриц АВД при малоцикловой усталости (количество циклов нагружения матрицы АВД до появления в ней микротрещин) определяется в основном пре- делом прочности материала матриц [3], по сочетанию исследованных механических свойств при сжатии слитки ЭШП и ВДП практически идентичны и превосходят заготовки из прока- та. РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 279 Поскольку вклад дисперсной фазы в балансе энергии разрушения структуры находит- ся в обратно пропорциональной зависимости от среднего расстояния между частицами [4], матрицы, изготовленные из слитков, также должны обладать большей способностью сопро- тивляться развитию трещин при малоцикловой усталости. Таблица 1. Механические свойства при сжатии образцов из стали Р6М5, полученной различными методами Вид заготовки Rс0,2, МПа Rcm, МПа , % Е, МПа Прокат 3250 3480 19,9 1250 Слиток ЭШП без гомогенизации 3000 3610 17,3 3885 Слиток ЭШП после гомогенизации 3200 3430 18,4 1361 Слиток ВДП 3110 3770 16,4 4429 Результаты исследования показали, что на изломах стальных матриц, изготовленных из проката, участков усталостного разрушения больше, чем на изломах матрицах, изготов- ленных из слитка ЭШП (рис. 2). Это свидетельствует о том, что при нагрузках, возникающих в процессе синтеза СТМ, рост усталостной трещины в матрицах, изготовленных из проката, происходит быстрее, чем в матрицах, изготовленных из слитка ЭШП. а б Рис. 2. Изломы матриц, изготовленных из проката (а) и слитка ЭШП (б) стали Р6М5 Как следует из приведенных результатов, по сочетанию исследованных механических свойств при сжатии слитки ЭШП и ВДП практически идентичны и превосходят заготовки из проката. Прокат, хотя и превосходит слитки ЭШП и ВДП по значениям предела текучести и пластичности, однако заметно уступает им по значению предела прочности и коэффициента упрочнения. Для устранения карбидной сетки, присутствующей в структуре литых заготовок бы- строрежущей стали, исследовали влияние высокотемпературного диффузионного отжига (гомогенизации) на структуру и механические свойства слитков ЭШП. Гомогенизация является одним из важнейших этапов термической обработки слитков ЭШП, существенно влияющих на их структуру и механические свойства [5]. Однако иногда применение гомогенизирующего отжига, повышая пластические свойства стали, не обеспе- чивает ее прочностных свойств [5]. На основании данных, приведенных в [6], и наших исследований для слитков из стали Р6М5, полученных методом ЭШП, установлена эмпирическая зависимость между темпера- турой и временем, необходимыми для полного устранения карбидной сетки: Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 280 21 10 621218    et , где t  температура нагрева, оС;   время нагрева, с. Проведение высокотемпературного отжига при температуре 1220 С в течение 3 ч привело к полному устранению карбидной сетки (рис. 3). В результате сфероидизации и коа- лесценции эвтектических карбидов произошло обособление составляющих эвтектики – ау- стенита и карбидов. За счет растворения менее устойчивых при нагреве мелких карбидов путем диффузионного переноса через твердый раствор их массы и осаждения ее на более устойчивых к растворению карбидах образовались отдельные крупные выросшие за их счет карбиды типа М6С. Также значительно увеличилось количество карбидов типа МС, которые не растворяются при дальнейшем нагреве изделий под закалку. а б в г Рис. 3. Структура образцов, изготовленных из стали Р6М5, полученной ме- тодом ЭШП, после отжига и окончательной термической обработки: а, б – от- жиг при температуре 860 оС в течение 3 ч на воздухе; в, г – отжиг при темпера- туре 1220 оС в течение 3 ч в вакууме (1 – область, в которой присутствуют вто- ричные карбиды; 2 – область, в которой вторичные карбиды отсутствуют) В процессе рекристаллизации карбидной сетки с образованием крупных карбидных частиц в местах, где ранее присутствовала карбидная эвтектика, образовались области с по- ниженной легированностью твердого раствора (табл. 2). После окончательной термической обработки в этих областях не выделялись вторичные карбиды (см. рис. 3). РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 281 Таблица 2. Химический состав областей твердого раствора стали Р6М5, полученной ме- тодом ЭШП, после отжига при температуре 1220 оС в течение 3 ч, закалки от 1200 оС и трехкратного отпуска Область твердого раствора Содержание элементов, % (по массе) W Mo V Cr Fe 1* 4,6 4,9 1,5 4,3 84,6 2* 2,0 3,2 1,3 4,7 88,8 *Точка 1 соответствует области, где присутствуют вторичные карбиды, точка 2 – об- ласти, где они отсутствуют (см. рис. 3). Таким образом, диффузионный отжиг приводит не только к устранению карбидной сетки в структуре слитка ЭШП, но и к образованию областей, не упрочненных вторичными карбидами. По нашему мнению, наличие областей, не упрочненных выделением дисперсной фа- зы, площадь которых составляет ~ 15 % общей площади поля шлифа, приводит к снижению коэффициента упрочнения и соответственно предела прочности при сжатии образцов, под- вергнутых гомогенизации (см. табл. 1). Таким образом, установлена возможность повышения механических свойств матриц АВД, которые изготовляются из стали Р6М5, путем замены проката, традиционно приме- няемого для их изготовления, на слитки, полученные методами ЭШП и ВДП, и исключения традиционно выполняемой для этой стали термической операции гомогенизации. С применением АВД при синтезе СТМ в производственных условиях на ПКФ «АЛ- КОН-СЕРВИСКОМПЛЕКТ» долговечность матриц, которые были изготовлены из слитков, полученных методом ЭШП (сталь Р6М5), по сравнению с матрицами, изготовляемыми по традиционной технологии из проката, увеличились при синтезе алмаза в 1,4 раза и при син- тезе КНБ – в 1,3 раза. Выводы 1. Установлено существенное различие в количестве и среднем размере вторичных карбидов в образцах из стали Р6М5, изготовленных из проката и слитков, после окончатель- ной термической обработки. Так, средний размер вторичных карбидов в литых заготовках составляет ~ 0,3 мкм, а их количество – ~ 460000 шт. на 1мм2, в то время как в прокате – ~ 1,4 мкм и ~ 40000 шт. на 1 мм2 соответственно. 2. Установлено, что значения коэффициентов упрочнения при пластической деформа- ции и пределов прочности при сжатии для образцов из стали Р6М5, полученных методами литья, превышают значения аналогичных характеристик для образцов из проката, что обу- словлено наличием в литой стали значительно большего количества вторичных карбидов и большей их дисперсностью. 3. Показано, что проведение традиционно выполняемой гомогенизации слитков стали Р6М5 в целях устранения карбидной сетки приводит к образованию в стали после после- дующей окончательной термической обработки крупных карбидов, областей с пониженной легированностью твердого раствора, не упрочненных вторичными карбидами, а также уве- личению количества карбидов типа МС. Площадь областей, не упрочненных вторичными карбидами, составила ~ 15 % общей площади поля шлифов, использовавшихся при исследо- ваниях. Образование областей, не упрочненных вторичными карбидами, приводит к сниже- нию коэффициента упрочнения и соответственно предела прочности при сжатии слитков после окончательной термической обработки. Литература 1. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3 т. / Под ред. Н.В. Новикова. – К.: Наук. думка, 1986. – Т. 1: Синтез сверхтвердых материалов. – 280 с. Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 282 2. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т. / Под общ. ред. Н.В. Нови- кова, отв. ред. А. А. Шульженко. – 320 с. – К.: Изд-во ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» НАН Украины, 2003. – Т. 1: Синтез алмаза и подобных материалов. 3. Долговечность и характерные виды разрушения стальных матриц АВД при синтезе СТМ / П. А. Балабанов, А.И. Боримский, С.Б. Полотняк, Л.И. Александрова // Сверх- твердые. материалы. – 2003. – № 5. – С. 40–48. 4. Композиционные материалы / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. – М.: Мир, 1978. – 484 с. 5. Бусалаева Е.Н., Станишевская М.П., Снецкая Л.А. Влияние режима отжига на струк- туру и свойства литых быстрорежущих сталей ЭШП // Прогрессивная технология термической обработки стали и титановых сплавов. – 1983. – С. 56–59. 6. Заблоцкий В.К., Боровко А.И. Особенности свойств быстрорежущих сталей электро- шлакового переплава // МиТОМ. – 1979. – № 7. – С. 13–18. Поступила 01.07.08

Повышение прочности стальных матриц аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов

Institution

Similar Items