автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Установление закономерностей формо- и структурообразования и повышение качества воздухораспыленного железного порошка

На правах рукописи

« СОКОЛОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

I 1

УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМО-И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОЗДУХОРАСПЫЛЕННОГО ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА

Специальность 05.02.01. - Материаловедение (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном вечернем металлургическом институте.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Арсентьева И.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Чернышева Т. А.

кандидат технических наук, доцент Прокошкина В. Г.

Ведущее предприятие: ФГУП «ГНПП», «Темп»

Защита состоится 17 ноября 2005 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.127.01 в Московском государственном вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, Москва, Лефортовский вал, 26. Телефон (095) 361-14-80, факс (095) 361-16-19, E-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан 12 октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

¿1Ш13

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется тем, что порошковая металлургия является одним из динамично развивающихся направлений черной металлургии. Темпы роста ее производства составляют около 7% в год. Ожидается, что высокие темпы роста сохранятся и в ближайшие десятилетия. Около 85% всего мирового производства металлических порошковых изделий приходится на изделия, изготовленные на базе железных порошков. Современное мировое производство железных и легированных порошков составляет около 1 млн. т в год, в том числе восстановленных, получаемых из оксидов посредством восстановления твердым углеродом - 350-400 тыс. т в год, водораспыленных, получаемых распылением стали водой высокого давления - около 600 тыс. т в год. В настоящее время в России распыленные железные порошки выпускаются только на ООО «Северстальмаш -Тяжмаш» путем распыления высокоуглеродистого расплава железа воздухом.

Предполагается, что в 2005 г. в нашей стране потребление железных нелегированных порошков достигнет 13800 т. Этому должно способствовать увеличение выпуска воздухораспыленных железных порошков более чем в два раза по сравнению с 2001 г.

В силу того, что 80% общего количества всех железных порошков используется в автомобильной промышленности, где детали производятся на автоматизированных линиях в массовых масштабах, технологические свойства железных порошков должны быть стабильны от партии к партии. Качество полученного порошка определяет качество детали. Поэтому для повышения качества готовых изделий необходимо улучшение физико-химических и технологических свойств порошков, таких, как насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прочность прессовки. В настоящее время в порошковой металлургии основными требованиями, предъявляемыми к высококачественным порошкам железа, являются, во-первых, химический состав порошка (низкое содержание кислорода и других примесей) и, во-вторых, форма частиц и состояние поверхности, то есть ее рельеф.

Технологии производства металлических порошков постоянно развиваются. Однако практика порошковой металлургии намного опережает порошковое металловедение. Поэтому для российской порошковой металлургии насущной потребностью является совершенствование технологии получения воздухораспыленных железных порошков, направленное на по-

вышение их качества.

Цель работы

Установление закономерностей формо- и структурообразования частиц воздухораспыленного железного порошка на каждой технологической стадии его получения, а также рассмотрение возможностей интенсификации процессов восстановительно-обезуглероживающего отжига в целях улучшения технологических свойств порошка.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Установление закономерностей изменения химического и фазового состава, формообразования частиц, рельефа их поверхности и микроструктуры металлического ядра на каждой стадии получения воздухораспыленного железного порошка.

2. Исследование влияния технологических факторов, а именно температуры и продолжительности обработки, состава рабочей атмосферы на структуру и свойства воздухораспыленного железного порошка при раздельном и совмещенном восстановительно-обезуглероживающем отжиге.

3. Исследование влияния способов и интенсивности дробления и измельчения на комплекс физико-технологических свойств воздухораспыленного железного порошка.

Научная новизна работы заключается в раскрытии закономерностей изменения формы, состава и структуры исходного материала на каждой стадии получения воздухораспыленного железного порошка. Установлены физико-химические, фазовые и структурные превращения на стадиях:

- распыления высокоуглеродистого расплава и образования порошка-

сырца железа;

- восстановительно-обезуглероживающего отжига порошка железа;

- измельчения спека в зависимости от интенсивности измельчения и

содержания кислорода.

Установлено влияние условий протекания соответствующих технологических процессов на структурные, физико-химические и технологические свойства порошка.

Практическая значимость

На основании проведенных исследований формо- и структурообра-зования частиц воздухораспыленного порошка железа на каждой стадии получения и установленных закономерностей предложены пути интенсификации восстановительно-обезуглероживающего отжига порошка-сырца железа. Рекомендовано увеличение температуры восстановительно-обезуглероживающего отжига. Предложено проведение обезуглероживающего отжига порошка-сырца железа в атмосфере аргона и восстановительного в водороде: раздельно и совмещенных в одной печи.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены и обсуждены на двух Бернштей-новских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов (г. Москва, октябрь 1999г., октябрь 2001г., МИСиС); на научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2000 г.); на XII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (г. Черноголовка, июнь 2001 г.); на научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением» (МГВМИ, февраль 2003 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, в том числе две статьи в центральных рецензируемых журналах. Получено два патента Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, включающего 63 наименования, изложена на 149 страницах, содержит 33 таблицы и 63 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научно-техническая актуальность работы, сформулирована основная цель исследования.

В первой главе излагаются основные способы и технологии получения железных порошков, описанные в литературе по данной теме. Ме-

тод получения железного порошка выбирается в зависимости от состава исходного сырья. Порошки отличаются чистотой конечного продукта, морфологией поверхности, микроструктурой частиц и физико-технологическими характеристиками. Описывается получение железных порошков восстановлением оксидов твердым углеродом на Сулинском металлургическом заводе. Дано описание производства водораспыленных порошков на Броварском заводе порошковой металлургии. Подробно рассматривается получение воздухораспыленных порошков на ООО «Север-стальмаш - Тяжмаш». Дается сравнительная характеристика железных порошков, полученных различными фирмами-производителями, их химического состава и технологических свойств. Рассмотрено влияние химических и технологических факторов на свойства распыленных железных порошков на различных стадиях процесса их получения. Благодаря форме частиц железного порошка и морфологии их поверхности восстановленные порошки обладают самой высокой прочностью прессовки, а водорас-пыленные порошки - уплотняемостью. Основным преимуществом воздухораспыленных железных порошков ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» является универсальность свойств. Обладая достаточно высоким уровнем как уплотняемости, так и прочности прессовки, эти порошки успешно выдерживают конкуренцию не только с водораспыленными, но и с восстановленными порошками.

На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований по решению намеченных вопросов.

Во второй главе дана характеристика исследуемых материалов, исследовательского оборудования, описаны методики проведения экспериментов.

В качестве объекта исследования взяты воздухораспыленные железные порошки, полученные распылением высокоуглеродистого расплава чугуна воздухом в условиях и на различных стадиях производства: ООО «Северстальмаш - Тяжмаш», восстановительно-обезуглероживающего отжига и измельчения в условиях Института порошковой металлургии ЦНИИчермет им. И.П.Бардина (ИПМ ЦНИИчермет), указанных в табл. 1, 2.

Таблица 1

Химический состав воздухораспыленного железного порошка, исследованного на различных стадиях его получения, % (масс.)

№ п/п Стадии получения порошка железа С Si Мп Р S о, общий

1* После распыления расплава (порошок-сырец) 2,59 0,008 0,039 0,007 0,009 5,43

2* После обезуглероживающего отжига в азоте (870°С, 2 ч) 0,023 — — — — 1,52

3* После восстановительного отжига в водороде (875°С, 2 ч) 0,014 0,007 0,036 0,007 0,008 0,25

4* После обезуглероживающего отжига в азоте (950°С, 2 ч) и восстановительного отжига в водороде (875°С, 2 ч) 0,004 0,022 0,075 0,013 0,011 0,19

5* После распыления расплава (порошок-сырец) 2,38 0,025 0,081 0,016 0,011 5,56

6* * После обезуглероживающего отжига в аргоне (900°С, 1,5 ч) 0,009 — — — — 2,07

1* * После восстановительного отжига в водороде (900°С, 2 ч) 0,015 0,025 0,081 0,016 0,011 0,22

* ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» ** ИПМ ЦНИИчермет

При исследованиях проводилась систематическая аттестация возду-хораспыленных железных порошков на каждой стадии их получения, согласно комплексу методик, представленных в табл. 3.

Содержание кислорода, углерода и примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) определяли, соответственно, на приборах АК-7516П, АН-7529 и APJ1-72000S.

Таблица2

Химический состав спеков воздухораспыленных железных порошков, измельченных после восстановительно-обезуглероживаюшего отжига в условиях ИПМ ЦНИИчермет, % (масс.)

№ п/п С Si Mn S P О, общий

1 0,009 0,019 0,019 0,008 0,009 0,105

2 0,008 0,021 0,021 0,0011 0,011 0,11

3 0,012 0,018 0,028 0,0015 0,008 0,23

4 0,015 0,020 0,036 0,001 0,009 0,27

5 0,017 0,021 0,025 0,009 0,016 0,38

Качественные и количественные металлографические исследования проводились с использованием оптического микроскопа «Neophot 21» при увеличениях х50, хШО, х200, ><400, *800. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639-82. Были определены средние размеры зерна и распределение зерен по размерам с использованием ЭВМ с массивом 400 зерен.

Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре «Rigaku» (Япония). Использовали монохроматизированное СиК«- и СоКа-излучение. Для фазового анализа определяли положение дифракционных линий в интервале углов 20 от 30 до 89°; от 32 до 79°; от 40 до 49°.

Измерение истинного физического уширения осуществляли методом аппроксимации и Фурье-анализа.

Для электронно-микроскопических исследований (РЭМ) использовались сканирующие электронные микроскопы «Stereoscan-S4», «Philips SEM 515». С помощью РЭМ проводилась оценка формы и морфологии поверхности.

Для установления природы оксидной фазы на поверхности частиц готового воздухораспыленного порошка железа выполнялось рентгеновское фотоэлектронное спектроскопическое (РФЭС) исследование на спектрометре «ESCALAB МК-2» (Vacuum Generator, UK).

Таблица 3

Основные методы исследования воздухораспыленных железных порошков на различных стадиях получения

Метод Назначение метода Исходный порошок-сырец Порошок-сырец после обезуглероживающего отжига Порошок после восстановительного отжига Порошок сырец после совмещенного восстал овительно-обезуглероживакице-го отжига Годный порошок после измельчения спека

1 Вакуум-плавление Определение О + + + + +

2. Кулонометрическое титрование Определение С + + + + +

3. Рентгеноспектральный метод Определение 51, Мп, Р, в + _ + _ +

4. Качественная и количественная металлография Исследование микроструктуры и зеренной структуры + + + + +

5. Качественный фазовый реит-геноструктурный анализ Определение фазового состава + + + + +

6. Рентгеноструктурный анализ. Метод аппроксимации и Фурье-анализ Определение физического уширения - - + - +

7. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) Оценка размера, формы и морфологических особенностей поверхности частиц + + + + +

8. Рентгеновский фотоэлектронный спектроскопический анализ (РФЭС) Определение химического состава поверхности частиц - - + - -

9. Термогравиметрический анализ (ТГА) Оценка степени и температурных интервалов протекания физико-химических превращений при отжиге - + + + -

10. Методы механических испытаний Определение микротвердости частиц порошка + - + - _

11. Оценка технологических свойств Определение гранулометрического состава, насыпной плотности, текучести, уплотняемое™, прочности прессовки - - + - +

Исследование методом РФЭС проводилось с использованием моно-хроматизированного источника А1: К«- излучения (Ъу=1486,6 эВ; и=15 кВ; 1=40 мкА); размер пятна=8х2 мм; вакуум 10~8 Па. Подготовка образцов: ионное травление ионами Аг+, время 30 мин, и=8 кВ, 1=20 мкА.

Исследование процесса восстановительно-обезуглероживающего отжига порошка-сырца проводили на термогравиметрической установке (ТГА) конструкции ЦНИИчермет. Установка предназначена для исследования реакций, сопровождающихся изменением массы образца. Опыты проводились при температурах 870-960°С в атмосфере азота и водорода.

Измерение микротвердости осуществлялось на приборе ЬЕСО М-400 (ГДР) при нагрузке 100 г.

Насыпная плотность, гранулометрический состав, текучесть, уплот-няемость и прочность прессовки определяли соответственно по ГОСТ 19440-74, ГОСТ 18318-73, ГОСТ 90899-75, ГОСТ 25280-82, ГОСТ 2828293.

В третьей главе рассматриваются физико-химические и структурные превращения, протекающие в частицах порошка-сырца при его получении. Исходным сырьем на ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» являлся передельный чугун (С = 4,0-4,4%), который после расплавления рафинировался путем двукратного наведения и скачивания шлака. В табл. 4 показано изменение химического состава железного порошка марки ПЖРВ2 в процессе его получения из конкретной плавки.

В процессе рафинирования происходило удаление примесей (Бь Мп, Р, 8) до марочного состава, а также значительной части углерода. При этом состав чугуна по углероду переходил от заэвтектического (4,40 %) до до-звтектического (3,55 %) (табл.4). Далее в процессе распыления расплава воздухом происходит обезуглероживание капель расплава, их кристаллизация и мгновенное окисление частиц порошка-сырца, поэтому в порошке-сырце железа содержание углерода составляет 2,59%, а содержание кислорода 5,43%.

Таблица 4

Химический состав воздухораспыленного железного порошка на всех стадиях его получения в условиях ООО «СЕВЕРСТАЛЬМАШ-ТЯЖМАШ»

Стадия в технологии производства Содержание элементов, % (масс.)

С Si Мп р S о, общий

Передельный чугун П2, группа I, кл. А, категория 1 (твердый, жидкий) по ГОСТ 805-95 4,04,4* н.б. 0,5 н.б. 0,5 н.б. 0,1 н.б. 0,01 —

Чугун по расплавлению при 1307°С 4,40 0,30 0,26 0,067 0,012 —

Чугун после наведения и скачивания известково-железистого шлака Xsl при 1348°С 4,18 0,026 0,046 0,029 0,011 —

Чугун после наведения и скачивания шлака №2 при 1335°С 3,55 0,008 0,039 0,007 0,009 —

Расплав конечный перед распылением по ЦИ-45-2003 ООО «ССМ-Тяжмаш» 3,53,8 Н.б. 0,03 н.б. 0,06 н.б. 0,015 н.б. 0,015 —

Порошок-сырец 2,59 — — — — 5,43

Порошок после обезуглероживающего отжига в азоте (2 ч, 870°С) 0,023 — - — — 1,52

Порошок после восстановительного отжига в водороде (2 ч, 875°С) 0,014 0,007 0,036 0,007 0,008 0,25

*Для чугуна производства ООО «ССМ-Тяжмаш»

Металлографический анализ показал, что структура порошка-сырца имеет сложное строение. Основная масса частиц обладает структурой до-эвтектического белого чугуна (рис. 1 а). Однако имеются частицы со структурой эвтектического чугуна (рис. 1 б) и крайне редко встречаются частицы со структурой заэвтектического белого чугуна (рис. 1 в), перлитной и перлитно-ферритной структурой (рис. 1 б) Наличие перлитной и ферритно-перлитной структуры объясняется обезуглероживанием капель расплава в процессе его распыления. А наличие заэвтектической и эвтектической структуры, по-видимому, связано с повышенным содержанием

углерода в микрообъемах (50-200 мкм) расплава (остается повышенное содержание углерода в тех областях, где последним расплавился цементит). Все структурные составляющие в силу малых объемов кристаллизации размеров капель и высоких скоростей процесса кристаллизации находятся в мелкодисперсном состоянии.

Рентгенофазовый анализ порошка-сырца железа показывает наличие в ядре частиц а-железа и цементита, кроме того выявлены слабые линии аустенита. А на поверхности частиц присутствуют оксидные фазы: БеО, Рез04, РегОз (рис. 2 а). Данные фазового рентгеноструктурного анализа не показали присутствие в структуре частиц порошка-сырца железа мартенсита, поскольку линии мартенсита в рентгенограмме (110)-(001) совпадают с линиями цементита высокой интенсивности. Мы полагаем, однако, что фаза мартенсита присутствует в исследуемом порошке-сырце. Сравнение дифрактограмм образца (50 мкм), полученных на излучениях Со и Си, показывает, что оксиды находятся на поверхности, а цементит внутри частиц.

Далее проведение структурного анализа порошка-сырца показало, что процесс распыления высокоуглеродистого расплава железа воздухом задает размер, строение и форму частиц. Форма частиц, в основном, сферическая (рис. 3 а). Частицы плотные, полые и скорлупообразные, покрытые оксидной пленкой значительной толщины (рис. 4 а,б).

в) чугун (*200)

Рис 1 Микроструктура частиц воздухо-распыленного порошка-сырца железа а - дозвтектический (*400), б - эвтектический (*200), в - заэвтектический белый

Рис 2. Рентгенофазовый анализ воздухораспыленного железного порошка: а - порошка-сырца железа; б - после проведения самообезуглероживающего отжига в азоте (870°С, 2 ч), в - после восстановительного отжига в водороде (Я75°С, 2 ч)

Морфология частиц порошка-сырца и процессы формообразования изучались с помощью растровой электронной микроскопии. Из РЭМ исследования видно (рис. 3 а-в), что морфология частиц обусловлена следующими процессами:

1. Столкновением жидких, полузатвердевших и твердых капель. Например, когда твердые частицы попадают внутрь капли и являются центрами кристаллизации или, наоборот, когда жидкая расплавленная капля попадает на затвердевшую частицу, кристаллизуется, окисляется, и таким образом получается частица с двойной оксидной пленкой.

Рис. 3. РЭМ частиц воздухораспылен-ного порошка-сырца железа

2. Процессами активного газовыделения, которые приводят к образованию скорлупообразных частиц. При этом выделяющиеся газы СО и С02 прорывают оксидную пленку и разбрызгивают до капель оставшийся внутри расплав (рис. 3 б), либо выбрасывают металлическое ядро из частицы, как показано на металлографическом снимке (рис. 4 а).

3. Под действием термических напряжений, возникающих на межфазной границе Ме-МеО, иногда отслаивается оксидный слой (рис. 3 в) и оголяется поверхность частиц.

Рис. 4. Микроструктура (а - *400);

(б - *200) частиц порошка-сырца железа (без травления)

Таким образом, на стадии распыления были установлены физико-химические и структурные превращения и закономерности формообразования частиц порошка-сырца железа.

В четвертой главе рассматривается восстановительно-обезуглероживающий отжиг воздухораспыленного порошка-сырца железа, который осуществляется в две стадии. На первой стадии производится обезуглероживающий отжиг воздухораспыленного порошка-сырца железа в нейтральной атмосфере азота, который происходит в режиме «самоотжига».

> В условиях ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» порошок-сырец под-

вергался самообезуглероживающему отжигу в азоте при температуре 870°С в течение двух часов. Технология изготовления порошка-сырца разработана так, что в нем соотношение кислорода и углерода должно быть в пределах 1,8-2,2. Это необходимо, чтобы кислород из оксидных слоев в процессе отжига удалил углерод из металлического ядра и частично восстановились оксидные пленки на поверхности частиц. Химический состав порошка-сырца железа после обезуглероживающего отжига представлен в табл. 1 и 4.

Во всех приведенных структурах порошка-сырца в процессе выдержки при 870°С сформировалась структура аустенита с минимальным содержанием углерода, а после охлаждения - структура феррита (рис. 5 а), что подтверждает рентгенофазовый анализ (см. рис. 2 б). Однако в порошке остается много кислорода (1,52%), который присутствует в оксидной пленке в виде оксидных фаз РеО, Ре304 . При этом толщина оксидной пленки уменьшилась, а микрорельеф на поверхности частиц только начал зарождаться (рис. 5 б).

Рис 5. Микроструктура (а*400) и РЭМ (б) частиц воздухораспыленного порошка-сырца железа после обезуглероживающего отжига в азоте

Далее после дробления и измельчения спек порошка железа подвергают восстановительному отжигу в водороде при температуре 875°С в те-

чение двух часов. При этом происходит окончательное удаление кислорода и углерода и химический состав отвечает марочному (см. табл.1 и 4). Частицы приобретают ферритную поликристаллическую структуру, что подтверждается металлографическим (рис. 6 а) и рентгеноструктурным (см. рис. 2 в) анализом, а на поверхности частицы методом РФЭС зафиксировано присутствие фаз РегОз.

При этом формируется окончательно развитый рельеф поверхности частиц: кораллоподобный, либо бородавчатый, либо поверхность гладкая, преобладающим является кораллоподобный рельеф (рис. 6 б).

Рис 6 Микроструктура (а*400) и РЭМ (б) частиц воздухораспыленного порошка-сырца железа после обезуглероживающего отжига в азоте и восстановительного отжига в водороде

Столь подробные исследования формо- и структурообразования частиц воздухораспыленного порошка железа на каждой стадии их получения ранее не проводились. В результате установленные нами закономерности позволили предложить способы интенсификации восстановительно-обезуглероживающего отжига.

Качество железного порошка определяется оптимально подобранным сырьем, либо усовершенствованием технологии. Так, в случае воздухораспыленного порошка железа повышать его качество целесообразно усовершенствованием его технологии, т.к. исходное сырье стабильно.

В работе было установлено, что одним из путей усовершенствования технологии является увеличение температуры восстановительно-обезуглероживающего отжига.

Из графика потери массы (рис.7) видно, что с повышением температуры самообезуглероживающего отжига в азоте время его проведения сокращается с 70 мин. при 875°С до 35 мин. при 960°С, т.е. практически в два раза. При этом наблюдается уменьшение углерода в частице с 0,09 до 0,03%. Мы полагаем, что при этом активизируется собственный кислород из оксидных слоев и удаление углерода более эффективное.

Время, мин

" Рис. 7. Кривые потери массы образца при разных температурах обезугле-

роживающего отжига в азоте порошка-сырца железа

I После обезуглероживающего отжига в частицах железного порошка

формируется ферритная структура металлического ядра. Охлаждение и размол спека после обезуглероживающего отжига нарушают процесс формирования структуры порошка. Чтобы обеспечить непрерывность формирования структуры, целесообразно было провести совмещение обезуглероживающего процесса (в азоте) с восстановительным процессом (в водороде) в одной печи. Опыты проводились при температурах 875, 900, 930 и 960°С.

Результаты совмещённого восстановительно-обезуглероживающего отжига показали, что при повышении температуры на 90°С (с 870°С до 960°С): возрастает степень использования водорода и более чем в два раза снижается время пребывания в горячей зоне, исключаются дополнительные энергоёмкие операции охлаждения спека после обезуглероживающего отжига, его дробление и нагрев при водородном отжиге.

Повышение температуры обезуглероживающего отжига в азоте и . восстановительного отжига в водороде, а также совмещение этих отжигов

* в одной печи промышленно внедрено на ООО «Северстальмаш-Тяжмаш».

'< Таким образом, повышение качества воздухораспыленного порошка

железа достигается:

1. Повышением температуры восстановительно-обезуглероживающего отжига;

2. Совмещением этих отжигов в одной печи.

Кроме того, было решено провести обезуглероживающий отжиг порошка-сырца железа в атмосфере аргона. На эту мысль подтолкнул патент по отжигу отливок белого нелегированного чугуна в аргоне, в результате которого были понижена температура и сокращено время его проведения.

Для подтверждения эффективности использования аргона при обезуглероживающем отжиге в лабораторных условиях ИПМ ЦНИИчермет были проведены две серии восстановительно-обезуглероживающего отжига железного порошка-сырца с использованием аргона в качестве защитной среды при обезуглероживающем отжиге и водорода при восстановительном отжиге.

В первой серии опытов порошок-сырец отжигался раздельно сначала в аргоне при 900°С, время выдержки 1,5 ч, далее производилось охлаждение спека и затем отжиг в водороде при температуре 900°С в течение 2 ч.

Во второй серии проводился совмещённый отжиг, в котором после проведения обезуглероживающего отжига в среде аргона при температуре 900°С в течение 1 ч порошок не охлаждался и в печь подавался водород в течение 1,5 ч при температуре 900°С.

В табл. 5 и 6 приводятся данные по химическому составу и технологическим свойствам сравниваемых трех воздухораспыленных железных порошков, водораспыленного железного порошка и восстановленного железного порошка.

Таблица 5

Химический состав сравниваемых порошков, % (масс.)

№ п/п Марка порошка С Мп в Р О, общий

I ПЖРВ2.200.26 0,008 0,021 0,091 0,014 0,014 0,25

2 ПЖРВ2 200 26 0,015 0,023 0,058 0,007 0,015 0,22

3 ПЖРВ 1.200.26 0,009 0,018 0,011 0,008 0,010 0,10

4 ПЖР2.200.28 0,015 0,050 0,120 0,015 0,015 0,19

5 ПЖВ2.160.26 0,020 0,080 0,340 0,016 0,017 0,22

Примечания 1 - воздухораспыленный порошок железа (ПЖРВ2 200.26), полученный в промышленных условиях ООО «Северстальмаш-Тяжмаш»; 2 - воздухораспыленный порошок железа (ПЖРВ2 200 26) после проведения раздельного обезуглероживающего отжига порошка-сырца в аргоне и восстановительного отжига в водороде в лабораторных условиях ИПМ ЦНИИчермет, 3 - воздухораспыленный порошок железа (ПЖРВ1 200 26) после проведения совмещенного восстановительно-обезуглероживающего отжига в аргоне и водороде в лабораторных условиях ИПМ ЦНИИчермет; 4 - во-дораспыленный порошок железа (ПЖР2 200 28), полученный в промышленных условиях Броварского металлургического завода, 5 - восстановленный порошок железа (ПЖВ2 160.26), полученный в промышленных условиях Сулинского металлургического завода.

Табтца 6

Технологические свойства сравниваемых порошков

№ п/п Марка порошка Крупность порошка, мкм Насыпная плотность, г/см1 Текучесть, с/50 г Уплотняе-мость, г/см3 при 700 МПа, Прочность прессовки, МПа при плотности 7,0 г/см1

1 ПЖРВ2 200 26 ^ 200 2,52 32 7,05 18,0

2 ПЖРВ2 200 26 <200 2,51 32 6,93 20,4

3 ПЖРВ 1.200.26 <200 2,52 31 7,21 16,5

4 ПЖР2.200.28 <200 2,71 28 7,19 16,0

5 ПЖВ2.160.26 < 160 2,57 35 7,0 21,1

В случае самообезуглероживающего отжига в азоте РЭМ анализ показал, что рельеф только зарождается (см. рис. 5 б), а окончательно он формируется на стадии восстановительного отжига (см. рис. 6 б). При проведении экспериментов в лабораторных условиях в случае самообезуглероживающего отжига в аргоне на частицах порошка-сырца уже сформировался сильно развитый рельеф (рис. 8 а), который достраивается на стадии восстановительного отжига в водороде (рис. 8 б), пронизывающий иногда частицу практически насквозь (8 в). Т.е. в аргоне активизируется процесс восстановления оксидных пленок частиц, и это подтверждается рентгено-фазовым анализом. Так, если после самообезуглероживающего отжига в азоте по данным рентгенофазового анализа на поверхности остается Рез04 и БеО, то после самообезуглероживающего отжига в аргоне есть только РеО.

Таким образом, по сравнению с отжигом в азоте порошка-сырца железа были снижена температура и сокращено время его проведения как было показано выше. При этом на стадии обезуглероживающего отжига в аргоне по данным РЭМ анализа на частицах порошка железа сформировался сильноразвитый рельеф в отличие от только зарождающегося при отжиге в азоте.

Рис. 8. РЭМ (а, б) и микроструктура (в х400) воздухо-распыленного порошка железа: а - после обезуглероживающего отжига в аргоне, б, в - после восстановительного отжига в водороде

в)

Не проводя специальных экспериментов и основываясь на литературных данных мы полагаем, что в процессе обезуглероживающего отжига в атмосфере азота (в отличие от аргона) имеющиеся в газовой фазе примеси, такие как кислород, двуокись углерода, а также азот, частично адсорбируются на активных центрах наружной поверхности частиц порошка и тем самым затрудняют проведение обезуглероживающего и восстановительного отжигов. При использовании же аргона последние процессы активизируются.

Помимо понижения температуры обезуглероживающего отжига в аргоне и уменьшения времени выдержки были получены более высокие технологические свойства воздухораспыленного порошка железа. Так в случае проведения раздельного обезуглероживающего отжига в аргоне и последующего восстановительного отжига в водороде порошка-сырца железа была получена высокая прочность прессовки, сопоставимая с прочностью прессовки восстановленного порошка железа ПЖВ2.160.26 (табл.6). А при проведении совместных отжигов в одной печи, сначала в аргоне, а затем в водороде, было получено низкое содержание кислорода по массе -0,10% (табл 5) и достигнута высокая уплотняемость воздухораспыленного порошка железа, сопоставимая с уплотняемостью водораспыленного порошка ПЖР2.200.28 (табл.6).

Следует отметить, что восстановленные железные порошки производятся на Сулинском металлургическом заводе в России, а водораспы-ленные железные порошки в настоящее время закупаются по импорту. Та-

ким образом, эксперименты показали, что более высокие затраты на использование атмосферы аргона вместо азота при проведении обезуглероживающего отжига компенсируются меньшими энергозатратами и получением более высоких технологических свойств воздухораспыленных порошков железа - либо уплотняемости, либо прочности прессовки. В ходе рассматриваемого процесса удается достигнуть уплотняемости, сопоставимой с уплотняемостью водорасгшлепных порошков, а 1акже прочности прессовки, сопоставимой с прочностью восстановленных порошков. Это делает рациональным производство данных порошков в российских условиях.

В результате проведенного в лабораторных условиях исследования установлено, что разработанная технология восстановительно-обезуглероживающего отжига железного порошка-сырца с использованием аргона в качестве среды при проведении обезуглероживающего отжига позволяет:

1. Снизить температуру обезуглероживающего отжига на 50°С по сравнению с температурой обезуглероживающего отжига, принятой на ООО «Северстальмаш-Тяжмаш», и время пребывания в горячей зоне печи на 20-50%;

2. Получить порошки, технологические свойства которых аналогичны свойствам восстановленного порошка ПЖВ2.160.26, а также свойствам водораспыленного порошка ПЖР2.200.28.

Проведение термической обработки воздухораспыленного железного порошка обезуглероживающего отжига в аргоне и восстановительного отжига в водороде запатентовано.

В пятой главе исследовались физико-технологические характеристики частиц спека воздухораспыленного железного порошка в процессе дробления и измельчения в различных аппаратах и с различным содержанием кислорода.

Окончательной технологической операцией получения воздухораспыленного порошка железа является дробление и измельчение прочного спека частиц, образовавшегося после проведения восстановительно-обезуглероживающего отжига. Порошок должен обладать технологическими свойствами, соответствующими марке порошка согласно требованиям ТУ 14-1-5365-98 и ГОСТ 9849-86.

С металловедческой точки зрения, работ, объясняющих, что происходит с частицами в процессе дробления и измельчения, крайне мало. В этой связи в работе исследовалось влияние интенсивности измельчения спеков с помощью различных аппаратов на комплекс технологических

свойств воздухораспыленных порошков железа. В лабораторных условиях были выбраны следующие аппараты по мере увеличения их интенсивности измельчения: щековая дробилка, дезинтегратор, стержневая мельница и вибротом, в которых для разрушения спеков используется раздавливание, удар, либо истирание. Первичное измельчение в условиях ООО «Север-стальмаш-Тяжмаш» осуществляется на выходе из печи отжига спеколома-телем, аналогом в лабораторных условиях является щековая дробилка. Измельчение ударом спека на молотковой мельнице в условиях ООО «Север-стальмаш-Тяжмаш», которое осуществляется в три-пять циклов, имитировалось на дезинтеграторе выбором скоростей вращения ротора в <в = 4000 и со = 6000 об/мин. При этом скорости соударения лопастей дезинтегратора и молотка в молотковой мельнице с частицами порошка были одинаковы.

Измельчению подвергались спеки с различным содержанием кислорода 0,11, 0,23, 0,27, 0,38 % (масс.) Для всех этих порошков изменение технологических свойств с ростом интенсивности измельчения было аналогично. В качестве примера оно продемонстрировано на порошке с содержанием кислорода 0,11% (рис. 9).

С ростом интенсивности измельчения происходит увеличение значений выхода годного, насыпной плотности и текучести. Однако при этом наблюдается резкое падение прочности прессовки и неизменной остается уплотняемость. Для объяснений вышеуказанных зависимостей было проведено РЭМ-исследование изменения морфологии поверхности частиц (рис.10). Исследование показало, что с ростом интенсивности измельчения происходит сглаживание рельефа поверхности частиц, что сказывается на росте текучести и насыпной плотности, т.к. эти характеристики определяются формой поверхности частиц. По этой же причине происходит резкое падение прочности прессовки, т.к. между частицами не формируются прочные межчастичные контакты. Однако, невыясненными в научной литературе остаются причины неизменной уплотняемости, которая определяется склонностью частиц к пластической деформации, а также плотностью их укладки. Было высказано предположение, что увеличивающийся наклеп частиц компенсируется их лучшей укладкой из-за сглаженности поверхности.

а) насыпная плотность, г/см3 (±0,05)

в) уплотняемость, г/см3 (±0,1)

8

6 -|-|7,15 4

— 7,14

7,14

7,1

7,07

б) текучесть, с/50 (±0,05) 30 20 10 04

I I I I I I I I I I I I

1 2 3 4 5

г) прочность прессовки, МПа (±1,0)

Рис. 9. Диаграммы технологических свойств воздухораспыленного железного порошка с содержанием кислорода 0,11% (масс.) после различных режимов измельчения: 1 - на щековой дробилке; 2 - на дезинтеграторе, О) = 4000 об/мин; 3 - на дезинтеграторе, а) = 6000 об/мин; 4-на стержневой мельнице; 5 -на вибротоме

Рис. 10. РЭМ частиц воздухораспыленного порошка железа после измельчения: а - на дезинтеграторе, со = 4000 об/мин; б - на дезинтеграторе, а = 6000 об/мин; в - на стержневой мельнице; г-на вибротоме

В настоящей работе была проведена оценка физического уширения линии на рентгенограммах порошков с различным содержанием кислорода -0,11, 0,27, 0,38 % (масс.) после различных вариантов измельчения (табл. 7). Частицы в спеке после восстановительного отжига обладают поликристаллической ферритной структурой и по данным д.ф.-м.н. проф. Л. М. Капуткиной для наклепанного феррита при плотности дислокаций рд = 10® см'2 величина физического уширения в 20 составляет - р = 1,0°, а при рд = 10'2 см'2 - Р=2,0°. И, как видно из данных табл.7, для порошков с различным содержанием кислорода все виды измельчений оказалось мягкими, но с ростом интенсивности измельчения плотность дислокаций растет. Однако значения физического уширения не выходили за пределы 1,0° за величину физического уширения для деформированного металла. Таким образом, с ростом интенсивности измельчения частицы не наклёпывались, поэтому уплотняемость оставалась неизменной.

Таблица 7

Величина физического уширения (220) воздухораспыленного порошка железа на различных технологических операциях

Технологические операции Физическое уширение р (20), град при содержании кислорода, % (масс.)

0,11% 0,27% 0,38%

Восстановительный отжиг 0,0889 0,1925 0,2641

Дробление на щековой дробилке 0,0984 0,1957 0,2667

Измельчение на дезинтеграторе ш = 4000 об/мин 0,1117 0,2428 0,3055

ш = 6000 об/мин 0,1689 0,4304

Стержневая мельница 0,1734 0,5315 0,7148

Вибротом 0,4660 — —

По данным, д.ф.-м.н. проф При Р(20) = 1,0°, рд = 109 см"2 Л.М.Капуткиной (кафедра ПДСС МИСиС): При Р(20) = 2,0°, рд = 1012 см"2

РЭМ-анализ, оценка физического уширения и технологических свойств порошков железа различных марок, проведенные после измельчения спеков в дезинтеграторе с различной скоростью вращения роторов, подтвердили, что постадийное измельчение спеков воздухораспыленного железного порошка в условиях ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» является оптимальным для получения качественного и конкурентоспособного воздухораспыленного порошка железа. Таким образом, было дано научное обоснование целесообразности проведения последней операции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В работе проведено системное материаловедческое исследование частиц воздухораспыленного порошка железа на каждой технологической стадии его получения. Установлено:

1. Распыление высокоуглеродистого расплава сжатым воздухом задает размер и форму частиц, являющихся, в основном, сферическими, плотными, полыми и скорлупообразными, которые образуют конгломераты.

2. После распыления расплава металлическое ядро частиц порошка-сырца железа обладает структурой белого чугуна с толстой оксидной пленкой на поверхности. Рентгенофазовый состав представлен следующими фазами: а-железа, Ре3С, у-жеяеза, а также оксидами РеО, Ре304, Ре203.

3. Соблюдающиеся по технологии соотношения кислорода к углероду в пределах 1,8:2,2 в порошке-сырце железа позволяют во время проведения последующего обезуглероживающего отжига в нейтральной среде азота удалить кислородом оксидных пленок углерод из железоуглеродистого ядра. Рентгенофазовый анализ частиц представлен фазами: а-железа, РеО, Ре304. При этом в металлическом ядре формируется поликристаллическая ферритная структура. Микрорельеф на поверхности частиц только зарождается.

4. Окончательное удаление углерода, кислорода и формирование феррит-ной поликристаллической м икроструктуры и микрорельефа поверхности частиц осуществляется в процессе восстановительного отжига в водороде. В результате химический состав воздухораспыленного порошка железа соответствует требованиям ТУ 14-1-5365-98 определенной марки.

5. Повышение температур отжигов, обезуглероживающего в азоте и восстановительного в водороде, порошка-сырца железа от 875 до 900, 930, 960°С, а также их совмещение в одной печи позволяет интенсифицировать эти процессы и сократить технологические операции.

6. Применение аргона в качестве среды при раздельном обезуглероживающем отжиге вместо азота позволило получить порошки с более развитым микрорельефом и понизить температуру обезуглероживающего отжига с 950 до 900°С и сократить время отжига с 2 до 1,5 ч. Это способствовало получению воздухораспыленного порошка железа с более высокими технологическими свойствами - прочностью прессовки, сравнимой с прочностью прессовки восстановленного порошка.

7. Совмещение отжигов в одной печи с использованием атмосфер сначала аргона, а затем водорода способствовало значительному снижению содержания кислорода и повышению уплсггняемости получаемого железного порошка, сопоставимой с водораспыленным порошком железа. Более высокие затраты на

использование аргона вместо азота при проведении обезуглероживающего отжига компенсируются меньшими энергозатратами и получением более высоких технологических свойств.

8. Проанализированы структурные изменения, происходящие на поверхности и в объеме частиц в спеке воздухораспыленного порошка железа после восстановительного отжига при дроблении и измельчении в лабораторных условиях ИПМ ЦНИИчермег с нарастающей интенсивностью измельчения (щековая дробилка, дезинтегратор с со = 4000 об/мин и с (0 = 6000 об/мин, стержневая мельница, вибротом).

9. Показания роста текучести и насыпной плотности, а также резкое падение прочности прессовки связано с изменением морфологии поверхности частиц, а именно, со сглаживанием рельефа поверхности, растрескиванием оксидных пленок. Практически постоянные значения уплотняемости порошка железа с нарастающей интенсивностью измельчения спеков объяснены показаниями измерений физического уширения ß. Судя по значениям ß, в частицах происходит рост плотности дислокаций Рд, но эти данные не достигают рд деформированного феррита, т.е. частицы порошка железа не наклёпываются. В этой связи постадий-ная схема измельчения спека на ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» является оптимальной для получения технологических свойств высококачественного воздухораспыленного порошка железа.

10. Результаты работы используются на ООО «Северсгальмаш-Тяжмаш» при проведении восстановительно-обезуглероживающего отжига.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Структурные и фазовые превращения в распыленных воздухом порошках железа / И.П.Арсентьева, Е.А.Соколова, И.А.Гуляев // Металловедение и термическая обработка металлов 2001. №11. - С. 20,21.

2. Особенности структурообразования в распыленных воздухом железных порошках / Е.А.Соколова, Т.С.Яцунова, И.П.Арсентьева // Сталь. i 2005, №2 - С. 80-83.

3. Взаимосвязь между физико-химическим состоянием поверхности

частиц металлических порошков и кинетикой их консолидации/ '

И.П.Арсентьева, Е.А.Соколова, В.Т.Губенко, Я.М.Турецкий, И.А.Гуляев// Фундаментальные проблемы металлургии. Тезисы докладов. Екатеринбург, 2000. - С. 116-118.

4. РЭМ исследование формирования частиц воздухораспыленного порошка железа в процессе его получения / И.П.Арсентьева, Е.А.Соколова, И.А.Гуляев, М.А.Секачев // XII Российский симпозиум по растровой элек-

тронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Тезисы докладов. Черноголовка, 4-6 июня 2001 г. - С. 25.

5. Исследования влияния интенсивности измельчения спеков возду-хораспыленных порошков железа на их физико-технологические свойства/ И.П.Арсентьева, Е.А.Соколова, Я.М.Турецкий // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. Тезисы докладов. Москва, МИСиС, 24-25 октября 2001 г. - С. 64.

6. Бунаков О.Д., Соколова Е.А. Патент РФ №2152443. Способ термической обработки отливок из белого нелегированного чугуна, опубл. 16.11.1999.

7. Бунаков О.Д., Соколова Е.А. Способ термической обработки железного порошка / Патент №2179498, опубл. 20.02.2002.

8. Изменение физико-технологических свойств воздухораспыленных железных порошков при различных способах измельчения спеков / Арсентьева И.П., Соколова Е.А., Губенко Б.В., Гуляев И.А., Секачёв М.А. // Состояние и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник Трудов Московского государственного вечернего металлургического института и Союза кузнецов. М., 2003, вып. №3. - С. 130— 136.

9. Физико-химические, структурные и фазовые превращения, протекающие при получении распыленных воздухом порошков железа // Соколова Е.А. / Московский государственный вечерний металлургический институт. Сборник Трудов Московского государственного вечернего металлургического института и Союза кузнецов. М., 2004, вып. №4. - С. 185187.

*

Формат 60 х 90 6 Тираж 100 экз.

Объем 1,75 пл._Заказ 893_

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 ЛР №01151 от 11.07.01

(

I

t »

I

I.

I

I »

I

I'

!

^

! t

i

i i

! t

I

i \

>

t

I t

i

¡

№ 1 В 7 4 9

РНБ Русский фонд

2006-4 16038

ВВЕДЕНИЕ.

1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Способы и технологии получения железных порошков.

1.1.1 Порошки, полученные методом восстановления оксидов твердым углеродом.

1.1.2. Порошки, полученные методами распыления расплавов. ^

1.1.2.1. Метод получения водораспыленных порошков.

1.1.2.2. Метод получения воздухораспыленных порошков. ^

1.3. Влияние способов и технологий получения железных порошков на их физико-химические и технологические свойства. ^

1.4. Влияние химических и технологических факторов на свойства распыленных железных порошков на различных стадиях процесса их получения. ^q

1.5. Влияние формы, морфологии поверхности и микроструктуры частиц на технологические свойства железных порошков. ^

1.6. Влияние интенсивности измельчения на физико-технологические характеристики железных порошков. ^д

Цели и задачи исследования. ^

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ЧАСТИЦАХ ПОРОШКА

СЫРЦА ЖЕЛЕЗА ПРИ ЕГО ПОЛУЧЕНИИ.

3.1. Процессы формообразования частиц воздухораспыленного железного порошка-сырца. ^

3.2. Процессы структурообразования частиц воздухораспыленного железного порошка-сырца. ^

4. ВОССТАНОВИТЕЛЬНО-ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАЮЩИЙ ОТЖИГ ЖЕЛЕЗНОГО ВОЗДУХОРАСПЫЛЕННОГО ПОРОШКА

СЫРЦА. ?

4.1. Исследование физико-химических и структурных превращений, протекающих в порошке-сырце в процессе обезуглероживающего отжига в азоте. Q

4.2. Исследование физико-химических и структурных превращений, протекающих в процессе рафинирующего водородного отжига. ^

4.3. Исследование физико-химических и структурных превращений, протекающих в процессе совмещенного восстановительно-обезуглероживающего отжига. ^

4.4. Исследование физико-химических и структурных превращений, протекающих в порошке-сырце в процессе обезуглероживающего отжига в аргоне и последующего восстановительного отжига в водороде.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЦ ВОЗДУХОРАСПЫЛЕННОГО ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА В ПРОЦЕССЕ ДРОБЛЕНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СПЕКОВ В РАЗЛИЧНЫХ АППАРАТАХ.

Порошковая металлургия (ПМ) является одной из динамично развивающихся направлений черной металлургии. Темпы роста ее производства составляют около 7% в год, что превышает темпы роста производства большинства видов металлопродукции [1]. Около 85% всего мирового производства металлических порошковых изделий приходится на изделия, изготовленные на базе железных порошков. Технологии производства металлических порошков постоянно развиваются. К распространенным методам получения железных порошков относятся восстановление железа твердым углеродом из его оксидов, диспергирование расплава исходного материала энергоносителем - сжатым воздухом (либо иным газом, например, азотом) или водой высокого давления с последующим восстановительным отжигом порошка-сырца [2]. Известны также карбонильный, электролитический, гидрометаллургический, механический, газофазный и другие специальные методы получения порошков железа.

В 90-е годы XX века годовое производство железных порошков в мире составляло 1 млн. т, в том числе распыленных — около 600 тыс. т [3]. Максимальное количество распыленных железных, и легированных порошков производится в Северной Америке. Так, в 1995 г. выпуск железных и легированных порошков составил там около 350-400 тыс. т. Из них около 67% было использовано в автомобилестроении [4]. На сегодня известно, что от 65 до 80% всего объема производимых в мире порошков используется в автомобилестроении. В среднем доля порошковых деталей в автомобиле американского производства составляет до 17 кг, в европейском и японском автомобилях — 6-7 кг [5,6]. В последние годы сфера их использования расширяется за счет сварочной техники, производства инструментов, бытовых приборов, спортивного и туристического оборудования и т.д. [5].

Лидирующие позиции в мировом производстве восстановленного железного порошка занимает фирма "Hoganas АВ" (Швеция). В России восстановленные железные порошки получают на ОАО «Сулинский металлургический завод» («СМЗ») в количестве 3,5 тыс. т в год [7].

К ведущим производителям водораспыленного железного порошка в мире относятся фирмы "Hoganas АВ" (Швеция), "Hoganas Corp." (США), "Mannesmann Demag — Hutentechnik" (Германия), "Kavasaki Steel Corp.", "Kobe Steel 1л<Г'(Япония), Броварский завод порошковой металлургии (Украина). В России на ОАО «СМЗ» водораспыленные железные порошки производились до начала 90-х гг. В настоящее время оборудование законсервировано, поэтому водораспыленные железные порошки закупаются у Швеции и Украины. За рубежом производство воздухораспыленного железного порошка было прекращено рядом фирм из-за отсутствия требуемого сырья и недостаточной стабильности характеристик. В России распыленные железные порошки в настоящее время выпускаются только на ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» путем распыления высокоуглеродистого расплава железа воздухом [8] . Однако на ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» (г.Череповец), где первородный чугун хорошо пригоден для этой цели, оно развивается по усовершенствованной технологии. В начале 2000-х гг. выпуск железных и легированных порошков ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» составлял более 3 тыс. т в год. Предполагается, что в России в 2005 г. Потребление железных нелегированнных порошков достигнет 13800 т, в том числе за счет увеличения выпуска воздухораспыленных железных порошков более чем в два раза [5].

ООО «Северстальмаш - Тяжмаш» поставляет железные порошки, в частности, на ГАЗ, ВАЗ, Димитровградский автоагрегатный завод (ДААЗ). ОАО «АвтоВАЗ» рассматривает, в частности, возможность замещения железных порошков фирмы "Hoganas АВ" порошками ООО «Северстальмаш -Тяжмаш» [9].

Производство воздухораспыленных железных порошков включает в себя множество технологических операций, соблюдение режимов которых обеспечивает качество порошка. Однако практика порошковой металлургии железа намного опережает его металловедение.

В этой связи целью настоящего исследования является установление закономерностей формо- и структурообразования частиц, происходящих на всех стадиях получения железного порошка, произведенного путем распыления высокоуглеродистого расплава железа воздухом^ для улучшения технологических свойств порошка, а также рассмотрение возможности интенсификации процесса его получения. Ранее столь детальные систематические исследования по данной теме не проводились.

10. Результаты работы используются на ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» при проведении востановительно-обезуглероживающего отжига.

1. Кулик О.П., Левша Д.А., Чернышев Л.И.// Порошковая металлургия (Киев). 2001. - №5-6. - С. 123-128.

2. Акименко В.Б., Буланов В.Я., Гуляев И.А. и др. Состав, структура и свойства железных и легированных порошков. — Екатеринбург: УИФ «Наука», 1996. 352 с.

3. Iron Powder Production for P.M. Steel Times. 1996. 224. - №10. - P.348-349.

4. Min P.// International Journal of Powder Met. 1996. 32. - №3. - P.221-222, 224-228.

5. Турецкий Я.М., Акименко В.Б., Гуляев И.А. Распыленные железные порошки — вчера, сегодня и завтра// Технологии металлов. 1999. №10. - С.9-16.

6. Pulvermetallurgielag Europa auch 1995 auf Wachstumkurs// Maschinenmarkt. -1996. 102.-№27.-HI.

7. Арсентьева И., Губенко Б., Гуляев И., Калашникова О., Секачёв М. Железные порошки: практика и металловедение// Национальная металлургия. Октябрь ноябрь 2002 г. - №6. - С.93-97.

8. Патент РФ № 1510223, МКИ В22 F9/06. Способ получения железного порошка/ Лопухин Ю.В., Данилов Л.И., Пиорро Э.Ч.; ООО «Северсталь»: Заявлен. 03.11.87.

9. Энергетика и промышленность России №1 (17), январь 2002 г. -http://www.eprussia.ni/epr/info/sklad/017/proizv2.htm.

10. Порошок железный. Технические условия. ГОСТ 9849-86.

11. Порошок железный Распыленный воздухом Технические условия ТУ 14-1-5365-98.

12. Н.Фомина, С.Н.Суворова, Я.М.Турецкий. Порошковая металлургия. Энциклопедия международных стандартов. М.: ИПК издательство стандартов. 1999. - С.221-222,224-228.

13. В.Б.Акименко, И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова, М.А.Секачев, Я.М.Турецкий. Новое в отечественной порошковой металлургии железа и легированных сталей// Металлург. 1999. -№11.- С.43-44.

14. Кулик О.П., Денисенко Э.Т. Методы получения и свойства порошков железа и сплавов на его основе. Технология. Межотраслевой научно-технический сборник. - 1987. - №3. - С.7.

15. А.Ф.Силаев. Получение металлических порошков методом распыления расплавов. в кн.: Порошковая металлургия (Труды научно-технической сессии). - М.: Металлургиздат, 1954. - С.92-111.

16. Чугун передельный. Технические условия. ГОСТ 805-95.

17. Иващенко Ю.Н., Малышенко А.А., Фирстов С.А. Морфология и химическая неоднородность поверхностных слоев железных порошков. -Препринт. АН УССР. Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича, 90-№13. Киев, 1990,42 с.

18. Э.Н.Поспехова, С.В.Бяков, И.А.Гуляев, Е.И.Довгань, Я.М.Турецкий. Сравнительная оценка качества восстановленных и распыленных железных порошков. Металлические порошки, их свойства и применение. — Москва: «Металлургия», 1983. - С.И-14.

19. Справочник по чугунному литью. Под ред. Н.Г.Гиршовича. 3-е изд., перераб. и доп. JL: Машиностроение. Ленинградское отд., 1978. - С.20-22.

20. Э.Н.Поспехова, С.В.Бяков, Е.И.Довгань, И.В.Мелентьев. Влияние углерода на структуру железных порошков, распыленных воздухом. -Порошковая металлургия. М.: «Металлургия», 1981. -С. 19-24.

21. Ничипоренко О.С., Найда Ю.И. Формообразование порошка при распылении// Порошковая металлургия. — 1968. №10. - С. 1-4.

22. Ничипоренко О.С. Роль вязкости расплава в формировании частиц порошка при распылении// Порошковая металлургия. — 1968 №12. - С. 1-4.

23. Справочник машиностроителя, т.2. М.: Машгиз, 1954. - С. 143.

24. Ничипоренко О.С. Формообразование частиц порошка при распылении расплава водой// Порошковая металлургия. 1976. - №9. - С.5-10.

25. Медведовский А.Б., Шрайбер А.А., Ничипоренко О.С., Найда Ю.И. О коагуляции капель расплава при распылении// Порошковая металлургия. -1975 №10. - С.1-6.

26. Гришин С.Д., Тишин А.П., Хайрутдинов Р.И. Известия АН СССР, МЖГ, 1969. №2. - С.11-15.

27. Тишин А.П., Хайрутдинов Р.И. Известия АН СССР, , МЖГ, 1971. №5 -С. 18-21.

28. Бабуха Г.Л., Старнин J1.E., Шрейбер А.А. Известия АН УССР, МЖГ, 1971. -№1. С.22-28.

29. Бабуха Г.Л., Шрейбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: «Наукова думка», 1972. - 151 с.

30. Ничипоренко О.С., Найда Ю.И., Медведовский А.Б. Распыленные металлические порошки. — Киев: «Наукова думка», 1980. 240 с.

31. Бондаренко Б.И., Курганский Н.П., Пекач В.Ф. Восстановительно-обезуглероживающий отжиг металлических порошков. Киев: Наукова думка, 1991.- С.23-48.

32. Грацианов Ю.А., Путимцев Б.Н., Силаев А.Ф. Металлические порошки из расплавов. -М.: Металлургия, 1970. 248 с.

33. Жорняк А.Ф., Оликер В.Е. Выбор отношения содержания кислорода и углерода в распыленном чугунном порошке при производстве железного порошка// Порошковая металлургия. 1983. - №8.

34. Силаев А.Ф. Получение порошков железа и стали из высокоуглеродистого расплава распылением воздухом// Порошковая металлургия. 1968. - №9. - С.10-13.

35. Пумпянская Т.А., Буланов В Л., Зырянов В.Г. Атлас структур порошковых материалов на основе железа. М.: Наука, 1986. - 261 с.

36. Федорченко И.М., Пугина Л.И., Филатова Н.А., Юрченко А.Г. Структура металлокерамических материалов на основе железа. М.: Металлургия, 1968. - 140 с.

37. Анциферов В.Н., Черепанова Т.Г. Структура спеченных сталей. М.: Металлургия, 1981. - 110 с.

38. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наукова думка, 1980. - 403 с.

39. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991.-205 с.

40. Жорняк А.Ф. Металлические порошки. М.: Металлургия, 1981. —С. 1117.

41. Арсентьева И.П., Башнин Ю.А., Филатова Н.Л., Левин A.M., Семеник В.Н. Исследование влияния метода получения на исходную структуру и свойства восстановленных и распыленных железных порошков// Сталь. — 1990. №11. - С.87-92.

42. Кононов М.И., Турецкий Я.М. Получение восстановленного железного порошка с заданными характеристиками// Порошковая металлургия. — 1979. -№7. С.90-95.

43. Кононов М.И., Турецкий Я.М. Влияние формы и пористой структуры частиц железного порошка на его характеристики// Порошковая металлургия. 1981. - №8. - С.1-4.

44. Кононов М.И., Турецкий Я.М. Условия размола спеков (губки), полученных из железного порошка при восстановительном отжиге// Порошковая металлургия. 1979. - №6. - С. 17-21.

45. Кононов М.И., Турецкий Я.М. Получение распыленного воздухом железного порошка с заданными характеристиками// Порошковая металлургия. 1979. - №8. - С.8-12.

46. Порошки металлические. Методы определения кислорода. ГОСТ 27417-87. Изм. от 26.01.95 г.

47. Методы выявления и определения величины зерна. ГОСТ 5639-82.

48. Порошки металлические. Определение насыпной плотности. ГОСТ 19440-74.

49. Порошки металлические. Метод ситового анализа. ГОСТ 18318-73.

50. Порошки металлические. Методы определения текучести. ГОСТ 2089975.

51. Металлургия порошковая. Методы определения уплотняемости и формуемости. ГОСТ 25280-82 (СТ СЭВ 2286-80).

52. Порошки металлические. Метод определения прочности прессовок. ГОСТ 25282-93 (ИСО 3995-85).

53. Боднарчук В.И., Рыжонков Д.И., Пронин Л.А., Огуенко В.Н. Об изгибающих моментах в окислах на поверхности частиц диспергированного железа// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1982. - №5.- С.77-81.

54. Боднарчук В.И., Рыжонков Д.И., Пронин JI.A. Разрушение оксидных пленок на поверхности дисперсного железа// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1981. - №9. - С. 13-17.

55. Петров А.К, Мирошниченко И.С., Парабин В.В. и др. Исследование кристаллизации металлических порошков, получаемых путем распыления жидкой фазы// Порошковая металлургия. 1973. - №1. - С. 16-20.

56. Петров А.К., Смирнова Е.Н., Кондратьев И .Я. и др. Влияние размера частиц на свойства распыленных порошков из быстрорежущей стали и заготовок из них// Порошковая металлургия. 1976. - №5. — С. 18-23.

57. Патент РФ № 2152443 С1 7 С 21 D 5/14. Способ термической обработки отливок из белого нелегированного чугуна/ Бунаков О.Д., Соколова Е.А.; Заявл. 16.11.1999; опубл. 10.07.2000.

58. Азот газообразный и жидкий. Технические условия ГОСТ 9293-74.

59. Шварцман JI.A., Жуховицкий А.А. Начала физической химии для металлургов. М.: Металлургия, 1974. - 352 с.

60. Аргон газообразный и жидкий. Технические условия ГОСТ 10157 — 79.

61. Патент РФ № 2179498 С1 7 В 22 F 1/00. Способ термической обработки железного порошка/ Бунаков О.Д., Соколова Е.А.; Заявл. 09.01.2001; опубл. 20.02.2002.

62. Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. М.: МИСиС, 1997. - 336 с.