автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Активированное спекание конструкционных сплавов на основе железа

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Федосов Олег Анатольевич

АКТИВИРОВАННОЕ СПЕКАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Е.М. Гринберг

Тула 1999

СО ДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................4

1. Анализ состояния вопроса..........................................9

1.1. Интенсифицированное спекание............................14

1.2. Методы активированного спекания.........................19

1.3. Постановка задач исследования..............................34

2. Материалы и методики исследования...........................35

2.1. Материалы для исследования.................................35

2.2. Методики исследования.......................................44

2.2.1. Металлографический анализ.У.............................44

2.2.2. Методика определения плотности.........................44

2.2.3. Определение твердости......................................45

2.2.4. Химический анализ...........................................46

2.2.5. Рентгеноструктурный анализ...............................46

2.2.6. Определение технологических свойств порошковых смесей...........................................................46

2.2.7. Механические испытания...................................47

3. Анализ методов активации спекания сплавов железа.........................................................................48

3.1. Механическое активирование................................48

3.2. Термоциклическая обработка................................50

3.4. Газотранспортные реакции.................................56

3.5. Влияние атмосферы спекания..............................59

3.6. Комбинирование методов активации спекания.........59

3.7. Комплексная оценка методов активации спекания.....62

4. Разработка алгоритма выбора газообразующей добавки... 7 5

5. Использование алгоритма выбора газообразующей добавки для активированного спекания...................................86

5.1. Спекание борсодержащих углеродистых сталей с добавкой хлорида меди...........................................86

5.2. Разработка режима спекания холоднопрессованных изделий из стали XI8Н15.......................................90

Заключение и общие выводы........................................98

Список литературы....................................................101

Приложения.............................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Складывающаяся в настоящее время острая нехватка энергетических и сырьевых ресурсов заставляет по-иному, более дифференцированно подходить к оценке экономичности, целесообразности и перспективности того или иного технологического процесса. В отношении создания экономичных и высококачественных полуфабрикатов и изделий огромными потенциальными возможностями обладает порошковая металлургия (ПМ). Применение методов порошковой металлургии при изготовлении деталей общего назначения приводит к существенному снижению энерго- и трудозатрат, повышению коэффициента использования материала, уменьшению негативного воздействия на окружающую среду по сравнению с получением изделий традиционными способами. Энерго- и ресурсосберегающий характер порошковой металлургии является мощным стимулом ее развития.

Одной из наиболее высокопроизводительных и экономичных технологических схем, позволяющих получать изделия конструкционного назначения непосредственно из порошков, является технология, включающая получение холоднопрессованных заготовок, максимально приближенных по размерам и форме к готовому изделию, и их последующее спекание. Спекание обеспечивает получение из порошковой формовки изделия с механическими свойствами, близкими к таковым для компактного материала. В то же время спекание явля-

ется весьма энергоемкой технологической операцией, что существенно сказывается на стоимости готовых изделий. Поэтому разработка технологических приемов, позволяющих снизить температуру спекания или уменьшить его продолжительность, - весьма актуальная проблема, один из путей решения которой - использование активированного спекания.

Активация спекания - это интенсификация при воздействии химических или физических факторов изменения свойств нагреваемой порошковой формовки. Активированному спеканию посвящено много исследований. В этой связи следует упомянуть работы Джермана P.M., Мадана Д.С., Гегузина Я.Е., Хусида Б.М. Исследования, связанные с активированным спеканием молибденовых конструкционных сплавов и быстрорежущих сталей, проводились и в Тульском государственном университете под руководством проф. Гринберга Е.М. Характерно, что все отмеченные выше работы выполнены на различных сплавах и до сих пор остается неясным, какой вклад вносят различные механизмы активации в процесс спекания конкретного материала. В связи с этим представляло интерес изучить различные методы активированного спекания применительно к одному типу материалов, и прежде всего, к конструкционным сплавам на основе железа.

Изделия из конструкционных материалов являются наиболее массовым видом продукции ПМ (в настоящее время на их долю при-

ходится более 60 % изготавливаемых изделий). В зависимости от состава исходных компонентов и технологии изготовления эти материалы характеризуются высокой износостойкостью, твердостью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью и другими специальными свойствами.

Цель работы: получение закономерностей активированного спекания сплавов железа и разработка на этой основе рекомендаций, направленных на повышение эксплуатационных характеристик изделий из порошковых конструкционных сталей.

На защиту выносятся:

систематизация способов активации спекания и результаты экспериментального определения эффективности влияния на структурообразование и свойства сплавов на основе железа, как отдельных способов активации, так и их сочетаний; методика комплексной оценки влияния различных способов интенсификации спекания на структуру и свойства спеченных изделий;

разработанный алгоритм выбора газообразующей активирующей добавки;

установленные закономерности влияния активированного спекания на структуру и механические свойства микролегированных бором среднеуглеродистых сталей;

рекомендации по выбору метода активации и технологических параметров спекания коррозионностойкой стали Х18Н15.

Научная новизна:

выявлены условия наиболее эффективного воздействия различных способов активированного спекания и их комбинаций на формирование структуры и свойств при спекании хо-лоднопрессованных заготовок для сплавов на основе железа; показано, что для холоднопрессованных заготовок из сплавов железа для интенсификации спекания наиболее эффективно сочетание микролегирования с газотранспортными реакциями и термоциклической обработкой; разработан и обоснован алгоритм выбора газообразующих добавок, обеспечивающих наряду с активацией спекания повышение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов;

на основе термодинамического анализа и проведенных экспериментов установлено, что для микролегированных бором сплавов железа газообразующая добавка хлороксида гафния (НЮС12) способствует повышению равномерности распределения бора и дисперсных выделений избыточных фаз по объему спеченной заготовки; для спеченной среднеуглеро-

дистой стали с 0,4 %С и 0,04 %В (в исходной порошковой смеси) в термически упрочненном состоянии это приводит к росту ав на 10 %, а0>2 на 13 % и КСГ30 на 22 %; установлены закономерности влияния температуры и атмосферы спекания на структурообразование прессовок из распыленных порошков коррозионностойкой стали Х18Н15; показано, что добавка гидрида титана (ТШ?.) в количестве 0,2 % способствует повышению плотности и твердости спеченной стали.

Практическая ценность. Работа выполнялась в рамках Региональной научно-технической программы «Порошковые технологии инструментального производства» и гранта по фундаментальным исследованиям в области металлургии Минобразования РФ «Активированное спекание изделий из металлических порошков на основе железа».

Результаты работы апробированы на промышленном оборудовании ГНПП «Сплав». Показано, что для среднеуглеродистой порошковой стали (0,4 %С в смеси), использование разработанных рекомендаций позволяет повысить характеристики прочности и пластичности в термически упрочненном состоянии (Технический акт использования научно-исследовательской работы от 31 марта 1999 г.).

Совместно с АО «Полема-Тулачермет» разработана технология спекания конструкционных изделий из коррозионностойкой стали Х18Н15 (Технический акт использования научно-исследовательской работы от 11 января 1999 г.).

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Вот уже много лет методы порошковой металлургии (ПМ) используются в машиностроении для изготовления деталей машин высокого качества. Основным преимуществом ПМ можно считать ее универсальность при изготовлении разнообразных по размерам деталей высокой точности, которые не требуют вообще или нуждаются в незначительной последующей механической обработке. С помощью ПМ можно изготовить полуфабрикаты или изделия из любого металла или сплава, включая комбинации, которые невозможно получить традиционным переделом с деформацией или литьем. В дополнение ко всем положительным техническим аспектам ПМ обеспечивает во многих случаях значительное снижение затрат /1-4/.

За последние годы в области производства и использования порошковых изделий происходили большие качественные и количественные изменения. Разработка фундаментальных теоретических основ /5- 15/ и экспериментальное исследование классических и новых технологий /15-34/ создали предпосылки расширения номенклатуры и областей применения порошковых изделий.

Около 90 % мирового производства металлических порошков составляют порошки на основе железа /34,35/. В основном они используются для изготовления изделий методом порошковой металлургии, который позволяет значительно снизить трудоемкость, энергозатраты, потери металла при обработке. Изделия из железного порошка работают в узлах автомобилей, сельскохозяйственных машин, оргтехники и других машинах, выпускаемых большими сериями. Они также с успехом заменяют дорогостоящие изделия из дефицитных цветных металлов /36/.

В последние годы большое внимание уделяется разработке технологических процессов, позволяющих получать изделия непосредственно из порошков, минуя традиционный передел в металлургические полуфабрикаты. Одной из наиболее экономичных технологических схем подобного рода является схема, включающая холодное прессование пористых заготовок, максимально приближенных по размерам и форме к готовому изделию, и их последующее спекание. Подобная технологическая схема является наиболее производительной формой изготовления порошковых изделий конструкционного назначения.

Одним из важнейших этапов получения компактных изделий является спекание. Для повышения механических свойств и придания порошковым изделиям необходимых физико-химических свойств за-

готовки после холодного прессования, не обеспечивающего высокой механической прочности, подвергаются спеканию, в процессе которого происходит удаление газов, адсорбированных на поверхности частиц, возгонка легированных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидных пленок, растворение или коагуляция, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест на другие, рекристаллизация и т. п.

Важными аспектами спекания являются качественные и количественные изменения межчастичных контактов. Контакт между частицами из оксидного, в основной своей массе, превращается в металлический, а за счет сращивания частиц происходит рост протяженности контактных участков, изменение соотношения между порами и объемом металла в сторону уменьшения объема пор.

С позиций физической химии твердого тела спекание представляет собой сложный многоступенчатый самопроизвольный кинетический процесс приближения конгломерата частиц к термодинамически равновесному состоянию. Любая прессованная заготовка обладает большой избыточной свободной энергией, уменьшение которой является основной движущей силой спекания. Другими словами, спекание - это кинетический процесс освобождения порошковой системы от неравновесных дефектов. Установлению теоретических зав и-

симостей процесса спекания и использованию их в практических целях посвящено большое число работ как отечественных, так и зарубежных ученых /37-44/.

Различают шесть стадий спекания /45/:

« развитие и возникновение связей между частицами, начинающееся сразу с началом нагрева, т.е. на самом раннем этапе спекания, приводит к возникновению шеек;

« рост шеек контактов - естественное продолжение процесса межчастичного связывания. Порошковое тело становиться более прочным;

« закрытие сквозной пористости - результат роста шеек, приводящий к появлению изолированных групп пор. На этой стадии происходит усадка заготовки;

® сфероидизация пор - продолжение роста шеек, поры округляются приобретая сферичность;

® усадка изолированных пор - одна из наиболее важных стадий, требующая высоких температур и достаточно длительного нагрева;

• укрупнение пор - рост крупных пор за счет мелких, при этом общая доля пористости сохраняется.

В основе спекания лежат процессы массопереноса. В нагреваемом порошковом теле возможны следующие механизмы транспорта вещества, схематически представленные на рис .1.1 /46/: •перенос через газовую фазу (рис. 1.1,а), •поверхностная диффузия (рис. 1.1,6), •объемное течение (рис. 1.1 ,в),

•течение, вызываемое внешними нагрузками (горячее прессование, спекание под нагрузкой и т.д.) (рис.1.1,г).

\

/

/

\

а) ПЕРЕНОСВЕЩЕСТВА ЧЕРЕЗ ГАЗОВУЮ ФАЗУ

б) ПОВЕРХНОСТНАЯ ДИФФУЗИЯ

I

\

/

/

в) ОБЪЕМНОЕ ТЕЧЕНИЕ

г) ТЕЧЕНИЕ ВЫЗЫВАЕМОЕ ВНЕШНИМИ НАГРУЗКАМИ

Спекание изделий из порошков, содержащих железо как основной компонент, осуществляется при температурах 1050... 1300 °С в контролируемой атмосфере для избежания окисления. Потери углерода обусловлены при этом, как отмечено в /47/, главным образом процессом восстановления содержащегося в порошке кислорода, причем эти окислы либо присутствуют изначально по периферии частиц, либо образуются во время термообработки вследствие наличия примесей 02 и Н20 в атмосфере спекания. Анализ литературы показал, что среди исследователей имеются расхождения по выбору оптимальной температуры спекания изделий из материалов на основе железа. Так, например, авторы /48,49/ отмечают положительное влияние повышенной температуры спекания (1300 °С) на плотность, окисленность и механические свойства порошковых сталей. И все же большинство /40,43,50/ приходит к выводу, что температура 1150... 1200 °С и время выдержки 1 час являются оптимальными для спекания прессовок из порошков на железной основе.

1.1. Интенсифицированное спекание

Для конструкционных материалов (которым посвящена данная работа) пористость отрицательно влияет на их прочностные характеристики /51-53/. С повышением плотности спеченных изделий их прочность, вязкость и относительное удлинение значительно увели-

чиваются. Важную роль играет и форма остаточных пор в спеченном материале.

В работах /58-61/ отмечено, что существуют два основных вида интенсивных процессов спекания, не связанных с непосредственным воздействием на прессовку: жидкофазное и активированное.

Спекание в жидкой фазе используется в течение многих лет в области производства твердых сплавов и тяжелых металлов. В тоже время разработка и использование методов спекания в жидкой фазе в порошковой металлургии железа до сих пор ограничивалось системами с ограниченной растворимостью между компонентами, например, при спекании сплавов типа Fe-Cu, Fe-Cu-C. В последние годы отмечается применение жидкофазного спекания для других систем (Fe-B, Fe-Mn, Fe-Cr-C и др.) /61,62/. Положительный эффект спекания с жидкой фазой используется и в промышленных процессах, обеспечивающих высокую плотность /63,64/. В /60/ представлен обзор результатов исследования процесса получения порошковых быстрорежущих сталей с использованием жидкофазного спекания. Подчеркнута необходимость применения высококачественных исходных порошков и тщательного контроля технологических параметров для получения качественного инструмента с высокими свойствами. Однако жидкофазное спекание часто приводит к образованию каркасной структуры (и, как следствие, хрупкому разрушению деталей) и повышенной хими-

ческой неоднородности материала, а также к неконтролируемому изменению размеров прессовок в процессе спекания. В этом плане отмечена перспективность применения тройных систем, в том числе содержащих бор, при этом искажения формы становятся минимальными, а плотность и прочность - максимальными /65/.

Известны различные способы увеличения плотности спеченных материалов. При тв�