автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Факторы, определяющие качество горячедеформированных порошковых материалов, критерии его оценки и способы повышения

На правах рукописи

сз

¿о

ГОНЧАРОВА Татьяна Владиславовна

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, КРИТЕРИИ ЕГО ОЦЕНКИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

Специальность 05.16.06 - "Порошковая металлургия и

композиционные материалы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1996

Работа выполнена на кафедрах "Материаловедение и технология материалов" и "Технология машиностроения" Новочеркасского государственного технического университета.

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор ДОРОФЕЕВ В.Ю.; доктор технических наук, профессор ЛОГИНОВ В.Т.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЖЕРДИЦКИЙ Н.Т.; кандидат технических наук, начальник технического отдела АО "Магнит" СТОПЧЕНКО А.Ю.

Ведущее предприятие - Сулинский металлургический завод, г. Красный Сулин

Защита состоится "5" декабря 1996 г. в 10 часов на заседании совета К 063.30.10 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "£$" октября 1996 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одними из наиболее перспективных способов порошковой металлургии (ПМ), позволяющих расширить номенклатуру изделий, являются методы, основанные на горячей обработке давлением пористых заготовок (ГОДПЗ): свободная ковка, объемная штамповка (ГШ) или, иначе, динамическое горячее прессование (ДГП), поперечная горячая штамповка (ПГШ), экструзия (ГЭ) и др. Общность этих методов основывается на одинаковом, по существу, характере основополагающих явлений, ответственных за структурообразование материала: уплотнение, деформация и сращивание на межчастичных контактных поверхностях (МЧПС). Важной предпосылкой их дальнейшего развитая является наличие объективных сведений о влиянии технологических факторов на такое структурообразование.

Влияние далеко не всех технологических факторов на качество горяче-деформированных порошковых материалов (ГДПМ) изучено одинаково, сведений по такой зависимости для отдельных из них крайне недостаточно или же их механизм раскрыт не в полной мере. Среди таких факторов, прежде всего, выделить гранулометрический состав порошка, который хотя и относится к физическим свойствам, по своему месту в формировании именно технологических характеристик порошков может быть отнесен к последним. При получении ГДПМ остались невыясненными вопросы о количественных характеристиках площади и границ поверхности сращивания, о влиянии размеров пор и физико-химических свойств компонентов порошковой шихты на деформационные процессы в околопоровых объемах материала и др. Для горячедеформированных порошковых сталей (ГДПС) следует выделить влияние характера утлеродсодержащих компонентов (УСК) при различной крупности частиц железного порошка и комплексное воздействие этого и других технологических факторов. К числу таких факторов также относятся: состояние поверхностей частиц порошка, схема горячей деформации, различие в деформируемости частиц неоднородной порошковой шихты.

Особое место занимает проблема количественной оценки критериев сращивания ГДПМ и возможности их взаимной корреляции. Хотя попытка решения этой проблемы уже предпринималось в работах НГТУ, многие ее аспекты остались нерассмотренными, а именно: структурные критерии качества межчасшчных контактов, формируемых при ГОДПЗ, обобщенная оценка теплофизнческих свойств ГДПМ, корреляция механических и, особенно, тшлофизических свойств со структурными характеристиками качества сращивания ГДПМ и др. Высказанные соображения определили необходимость проведения специальных исследований.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось повышение ка-

чества ГДПМ путем установления объективных критериев его оценки и оптимизации влияющих на них параметров технологии.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- выделить и исследовать наиболее значимые и наименее изученные технологические факторы, влияющие на качество сращивания, формирование структуры и свойств ГДПМ;

- разработать критерии объективной оценки качества сращивания ГДПМ;

- установить корреляционные связи между характеристиками различных групп критериев качества сращивания;

- предложить направления промышленной реализации результатов исследований.

Научная новизна. Установлены зависимости качества сращивания на МЧПС при ГОДПЗ и свойств получаемых ГДПМ от наименее изученных в этом отношении технологических факторов: крупности порошка, определяющей протяженность границ МЧПС и путей диффузии при гомогенизации; природы, активности крупности и засоренности УСК; различия деформируемости частиц шихты, приводящего к уменьшению объема материала, деформируемого при ГОДПЗ, повышению энергетических затрат, ухудшению условий формообразования и сращивания; состояния поверхности частиц и схемы деформации; комплексного влияния нескольких факторов -крупности порошка, температуры спекания и горячей деформации на ств; вида УСК, содержания углерода и схемы деформации на Юс ГДПС.

Впервые введено понятие о предельных температурах горячей деформации, при которых достигаются наиболее высокие свойства получаемых материалов, установлены их зависимости от технологических факторов; предложены уравнения для определения относительных величин тепло- и электропроводности в зависимости от пористости и входящие в них константы. ,„ . .

Предложены структурные, оцениваемые по фражтограммам разрушения, и свойствастные критерии сращивания, установлены корреляционные зависимости между ними, причем показано, что теплофизические свойства (тепло- и электропроводность) связаны с суммарной долей площадей пор и неметаллических включений на фрактограммах, предел прочности при растяжении - с суммарной долей площадей вязкого и хрупкого разрушения, предел текучести, относительные удлинение и поперечное сужение - с долей площади вязкого разрушения.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют минимизировать затраты на выбор оптимальных параметров ГОДПЗ за счет, например, прекращения их поиска после достижения предельных температур горячей деформации и изыскания других путей повышения свойств. Они могут быть использованы при производстве разнообразных ГДПМ и изделий.

Реализация результатов работы. Комплекс проведенных исследований позволил установить принципиальную возможность применения более дешевого крупного порошка ПЖВ5.450. 26 взамен используемого в настоящее время порошка ПЖВ2.160.26 при изготовлении деталей 3-х наименований, в том числе и высоконагруженных на АО "Ростсельмаш". Экономический эффект (ожидаемый) получаемый за счет разницы в стоимости порошков, составляет 78 млн. руб в год - в ценах середины 1996 года.

Апробапия работы. Основные положения диссертационной работы доложены и сбсуждены на:

- Российской республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий", (г. Волгоград, 1992 г);

- УП научно-технической конференции "Научно-технические и социально-экономические проблемы охраны окружающей среды", (г. Нижний Новгород, 1993 г.);

- Научно- практических конференцияхх НГТУ, (г. Новочеркасск, 1995 и 1996 гг).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе положительное решение на выдачу патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения и содержит 190 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 17 таблиц и список из 174 наименований используемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, приводятся основные направления исследований, выносимые на защшу.

В первой главе приведен обзор опубликованных работ по теме диссертации, наиболее подробный - выполненных в НГТУ. Основные выводы по обзору сводятся к следующему:

Специфика технологии ПМ, ее принципиальные отличия от производства материалов, основанного на методах литья, определяют существование

зависимости характеристик порошковых материалов от параметров практически всех ее этапов, В полной мере это положение относится к получению ГДПМ, а включение в эту технологию целого цикла дополнительных операций еще более увеличивает число факторов, определяющих конечные результаты процесса.

Высказанные соображения послужили действенным стимулом для проведения многочисленных исследований по установлению фундаментальной для ДМ зависимости "химический состав и характеристики исходных порошков - параметры технологии - структура - свойства". Однако многофакторность зтой зависимости, существенные отличия конечных результатов при использовании отдельных вариантов технологии и исходных материалов, чрезвычайная трудоемкость экспериментальных исследований, и специфика теоретических изысканий, а также многие другие обстоятельства обусловили сложившееся положении, при котором окончательное решение всей обсуждаемой проблемы еще весьма далеко от завершения. Чаще всего изучаются отдельные ее звенья применительно к конкретным условиям, причем в процессе выполнения такой работы возникают новые, цели и вопросы, актуальные в научном и прикладном плане.

Приведенный обзор свидетельствует о наличии решающего влияния технологических факторов на формирование структуры и свойств ГДПМ. Многое сделано по раскрытию сущности сращивания, его закономерностей и влияния на него отдельных параметров технологий. Одновременно можно отметить существенные различия в уровне завершенности изысканий по отдельным направлениям зтой работы.

Б настоящее время практически отсутствуют работы теоретического порядка, в которых бы устанавливалась зависимость качества межчастичного сращивания от технологических условий получения ГДПМ. Несмотря на то, что низкотемпературная трещиностойкость является довольно объективным показателем качества сращивания, ее определение в каждом конкретном случае связано с необходимостью постановки специальных исследований, а прогностическая сила невелика. Другие критерии, в частности, "критическая степень пластической деформации" и " плоскостная пористость" также являются эмпирическими или полуэмпирическими и определяют лишь необходимые, но не достаточные условия получения качественнго сращивания.

Кроме того, в изучении процесса сращивания сложилась определеная диспропорция. Она обусловлена разницей методологических подходов, которые используют отдельные авторы. В частности, если межчастичное сращивание железного порошка довольно подробно исследовалось с примене-

нием локального Оже-электронного и фрактогрзфического анализа, а его качество оценивалось по низкотемпературной трещиностойкосга, то контактные явления в легированных ГДПМ изучались лишь с помощью металлографии.

Определяющей является роль гранулометрического состава порошка при определении затрат на его производство, проведение формования и спекания. Однако совершенно отсутствуют сведения о влиянии крупности порошка на количественные характеристики площади поверхности сращивания, да и само это понятие, на размер пор и особенности деформации око-лопоровых объемов материала частиц и др. Насущной является потребность установления комплексного влияния технологических факторов, включая характеристики основы порошковой шихты и УСК на структурообразова-ние и свойства таких материалов. Перспективными представляются исследования в направлении определения количественных показателей критериев сращивания ГДПМ, включая их теплофизические характеристики, и установление возможности корреляции между отдельными их группами.

Во второй главе приведены основные характеристики исходных материалов, оборудования, приспособлений и приборов, использованных при получении образцов, методик изучения структуры и свойств получаемых материалов. Решение поставленных задач достигалось как путем теоретического анализа экспериментальных результатов проведенных ранее работ других авторов, так и дополнительной экспериментальной проверкой выдвигаемых положений и гипотез, причем диапазон исследований был расширен за счет применения ГЭ, варьирования составами материалов, крупностью использованных порошков, технологическими режимами спекания и горячей допрессовки т.д.

Использовались: порошок быстрорежущей стали Р6М5К5, как пример наиболее труднодеформируемого материала; восстановленный и распыленный железный порошок (ГОСТ 9849-87) марки 2 по химическому составу и класса крупности 450, 200 и 160 мкм; порошок меда и его смесь с АЮ»; порошковая высокомарганцовистая сталь Г13п, характеризующаяся особенностями деформационной структуры, позволяющими легко фиксировать на микрошлифах деформированные объемы частиц, в которых четко проявляются линии скольжения. Порошковая шихта для получения стали ПЗп готовилась на основе железного порошка ПЖВ2.450.26, из которого отсеивались крупная, средняя и мелкая фракции. В качестве УСК использовалась ламповая сажа. Марганец вводился в составе среднеуглеродистого ферромарганца. Для получения ГДПС использовались порошки УСК: ГК-1, графит карандашный; ГИСМ, графит искусственный специальный малозоль-

ный; ПУ, пироуглерод.

Технология получения образцов, за исключением специально оговоренных случаев, включала операции: статического холодного прессования (СХП), спекания в вакууме или среде диссоциированного аммиака, последующего нагрева и горячей допрессовки, которая выполнялась по схемам осадки в матрице, ПГШ и экструзии. В некоторых случаях проводилась по-следеформационная термообработка.

Металло- и фрактографический анализы проводились соответственно на микроскопах "ХЕОРНОТ-21" и РЭМ-200. Особое внимание в работе было уделено изучению количественных характеристик поверхностей сращивания. Идентификация их границ сопряжена с определенными трудностями. В ряде случаев они совпадают с границами зерен, в других их можно установить только по косвенным признакам, особенно при внутрикристаллит-ном сращивании и миграции его поверхности. Все это затрудняет шш делает невозможным применение автоматического и полуавтоматического анализа и обусловило использование гораздо более трудоемких и дорогих методов ручного анализа.

О трепщностойкости материала судили по величине вязкости разрушения Кю, которую определяли исследованием на изгиб при -19б°С. Теплопроводность и электросопротивление измеряли на лабораторной установке по методу Кольнаума.

При определении комплексного влияния технологических факторов на свойства стали 50п использовалось математическое планирование: был реализован полнофакторный эксперимент типа 23.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния технологических факторов на качество сращивания и формирование структуры ГДПМ. Были выделены технологические факторы, в наибольшей мере определяющие качество сращивания на межчастичных поверхностях и формирования структуры ГДПМ и, в то же время, влияние которых наименее изучено: гранулометрический состав порошка, физико-химические свойства компонентов порошковой шихты и схемы горячей деформации пористых заготовок, использованные при получении таких материалов.

Предложены количественные характеристики площади поверхности сращивания и аналитические выражения для их определения: удельная поверхность сращивания , равная отношению величины суммарной поверхности сращивания к объему обрабатываемых частиц, и удельная длина границ сращивания £5, измеряемая в сечении образца на шлифах или фрак-тограммах и равная отношению суммарного периметра границ сечений по-

верхностей сращивания плоскостью шлифа или их проекций на поверхность фрактограммы. Рекомендованы методики определения по величине удельной поверхности порошка и по результатам изучения мнкрошли-фов или фрактограмм, причем для £$ расчетные данные нашли удовлетворительное экспериментальное подтверждение на образцах у порошкового пермаллоя, быстрорежущей стали Р6М5К5п и стали 110Г13п.

В результате анализа влияния размеров частиц на размеры пор и особенностей деформации околопоровых объемов их материала экспериментально с использованием спеченных порошковых заготовок из стали 110Г1 Зп показана кинетика деформационных процессов в связи с изменением размеров частиц и пор, причем их укрупнение приводит к охвату деформацией большего объема материала.

Установлены закономерности влияния крупности частиц железного порошка на прочность ГДПС при использовании различных УСК. В отличие от материалов, полученных на основе порошков с однородными частицами, в случае использования шихты из смеси порошков-компонентов увеличение крупности частиц порошка-основы привело к ухудшению свойств в связи с увеличением путей диффузии углерода, причем в наименьшей степени это сказалось при небольших размерах частиц, когда гомогенизация произойти успевала. Использование УСК с большей активностью атомов углерода и меньшим содержанием нерастворимого осадка обеспечило получаше стали с более высокими свойствами во всем диапазоне величин крупности частиц железного порошка, по этим показателям произведено ранжирование

________________________ГТТЛ» ' 1 иг т-т- ,

ишилыиолйны.ч 1 - 11-1Л-1.

Введено понятие о предельных температурах горячей деформации Тгш,

при которых достигаются наиболее высокие (предельные) свойства полу-+

чаемых материалов ств, данные по которым приедены в таблице, что не только обеспечивает получение информации о возможностях использованных вариантов технологии, позволяя наметить пути оптимизации параметров отдельных их этапов, но также делает более объективным и наглядным обсуждение механизма явлений, приведших к получению представленных результатов.

Тгш повышаются, а ств снижаются с увеличением круппости железного порошка, повышением активности и увеличением засоренности порошка УСК в связи с изменением условий гомогенизации и качества сращивания. В условиях экспериментов были получены эти характеристики при использо-

вании в составе шихты порошков ГИСМ и ПУ, это свидетельствует об исчерпании возможностей дальнейшего повышения свойств таких материалов; при использовании порошка ГК-1 они не были достигнуты, что дает основания добиться снижения Тгши повышения аЕ за счет увеличения времени нагрева заготовок перед ГШ или изменения режима спекания.

* *

Значения Тг ш и ов для стали 80п

Крупность : Тип УСК

железного ГК-1 ПУ ГИСМ

порошка 1, мкм • СТ* МПа Г ,°С А ГШ | а*,МП а г ,°с А ГШ' ст*,МПа

100 >1200 >780 1100 1 850 1100 1120

300 >1200 >520 1150 1 680 1100 960

450 >1200 >330 1200 | 580 1150 900

Произведен анализ комплексного влияния технологических факторов на свойства ГДПС, получены уравнения регрессии в кодовых и натуральных значениях факторов для определения ств стали 80п в зависимости от средней крупности частиц железного порошка, температур спекания и горячей штамповки при использовании в составе шихт порошков ГИСМ, ПУ и ГК-1, определены численные значения коэффициентов, сопоставление которых дает результаты, соответствующие приведенным выше положениям.

Определены особенности уплотнения, деформации и сращивания для шихты с различной деформируемостью частиц:

- несмотря на уменьшение объема деформируемого материала заготовки (матрицы) при введении в шихту недеформируемых частиц ее уплотнение протекает при больших давлениях и удельных энергетических затратах, чем в случае заготовки на основе только материала матрицы, что нашло аналитическое обоснование и экспериментальное подтверждение при сравнении величин \\т£Н для систем Си; Си + А1203; 110Г13 и 110ПЗ + СгЗС2;

- с целью компенсации ухудшения условий формообразования изделий оно должно производиться преимущественно за счет осадки заготовок, конфигурация которых должна быть предельно упрощена;

- наибольшие затруднения возникают при обеспечении сращивания на поверхностях контакта пластичных и твердых частиц, которое интенсифицируется за счет сдвиговых деформаций, возникающих в прилежащих зонах,

и дополнительно может протекать при последующей термической обработке.

В результате анализа влияния на качество сращивания факторов, определяющих состояние поверхностей частиц порошка, выделены наиболее значимые при наличии на них лепсовосстановимых оксидов: среда и температура нагрева перед ГШ, а также пористость заготовок. Экспериментально установлено, что с повышением Тгш до 1100-1 НОС сгв и б возрастали как при использовании диссоциированного аммиака, так и вакуума; в первом случае качество сращивания возрастало за счет восстановления поверхностных оксидов и залечивания субмикропор, во-втором - влиял только второй фактор. С увеличением пористости заготовок ств и 5 возрастали при нагреве в диссоциированном аммиаке, в вакууме - они оставались на одном уровне, поскольку восстановления оксидов не происходило, а условия залечивания субмикропор от пористости заготовок не зависят. Существование предельных значений Тгши П0 (для диссоциированного аммиака) связзно с достижением при них полного восстановления оксидов и залечивания субмикропор.

Установлено влияние схемы деформации на свойства порошковых углеродистых и высокомарганцовистых сталей:

СТв,

МПа

1000 800

600 400 200

0

0,2

0,4

0,6 С,%

- с увеличением содержания углерода ав и 8 углеродистых сталей изменялись аналогично стан-

8,% дартным качественным сталям, располагаясь в зависимости от схемы де-формациии в следующей последовательности (в порядке убыванйия): ГЭ -стандартная сталь - ПГШ -ГШ (рис.1).

- с увеличением тем-

30 20 10

Рис. 1. Зависимость СТв (1, 2, 3) и 8 (4, 5,6) от содержания углерода для образцов, полученных пературы деформации ств по схемам ГШ (1,4), ПГШ (2,5) и экструзии (3, стали 110Г13п возрастало б); 7,8 - ав и 8 для углеродистой качественной до 1000-1050°С, а 8 - до стали 1300°С, поскольку относи-

лее высокими свойства оказались у стали, полученной ГЭ, при использовании ПГШ и ГШ, а также у литой стали они оказались примерно на одном уровне;

- обнаруженный характер изменения свойств в зависимости от исследованных факторов и соотношения их величины при использованных схемах деформации объясняются соответствующими изменениями качества сращивания, количеством структурных дефектов и степенью текстурованности структуры получаемых материалов.

Добавка небольшого количества углерода в шихту для получения ГДПМ на основе железа способствует повышению качества межчастичного сращивания, оцениваемого по критерию низкотемпературной трещиностой-кости Кю, в неотожженных образцах. Это связано с тем, что при спекании на поверхностях частиц порошка железа, контактирующих с частицами УСК, происходит восстановление оксидов, сопровождающееся обезуглероживанием припоровых слоев. Поэтому после горячей допрессовки МЧПС окружены ферритом. Величина добавки углерода, способствующей повышению качества сращивания, составляет: при экструзии - 0,2 мас.%; при ГШ - 0,36 мас.%. Такое различие обусловлено тем, что при экструзии помимо восстановления поверхностных оксидов углеродом происходит дробление примесных слоев на поверхностях частиц и обнажение ювенильных контактов. Увеличение Ссш сверх указанных значений вызывает снижение показателей Кю и рост доли интеркри-сталлигной составляющей в изломе (рис.2).

Проведение отжига ГДПС привело к диффузии углерода в направлении богатых дефектами МЧПС и образованию на них мелких цементитных включений. Это обусловило:

- снижение Кю как экс-

МПа-м

Ссш,мас.%

Рис. 2. Зависимости К1с=ДСсш) для ГДПМ, трудированных, так и торя-

полученных по различным технологическим схемам; 1,3- после экструзии; 2,4 - после ГШ; 3-2 - неотожженное состояние; 3-4 -после отжига.

чештампованных материалов по сравнению с нео-тожженным состоянием; - изменение вида зави-

симостей К,с = ^(Ссш), которые приобрел! монотонный характер для обеих схем деформации;

- выравнивание абсолютных значений К! с зкстрударованных и горя-чештампованных образцов;

- снижение показателей пластичности образцов обеих групп при Ссш<0,2+0,4 мас.% и наличие точек пересечения кривых зависимостей

= 1ХСсш) отожженных и неотожженных материалов.

Увеличение Ссш вызывает монотонный рост а02 и снижение м/ и 6. В неотожженном состоянии экструдированные материалы обладают меньшей прочностью и большей плашгшостью по сравнешпо с горячештампован-ными. Отжиг способствует уменьшению разницы значений этих показателей.

Применение ГИСМ обеспечило получение максимальных значений К<с экструдированной стзли с Ссш=0,7 мас.%. Проведение отжига в этом случае не привело к изменению Кю, что связано с малым градиентом содержания углерода вблизи МЧПС по сравнению с матрицей материала. Это обусловлено одновременным воздействием на структуру двух факторов: вида УСК -искусственного графита, характеризующегося большой диффузионной активностью углерода, и схемы деформации - экструзии, обеспечивающей лучшую "проработку" материала.

Отжиг горячешгампованных образцов с ГИСМ привал к большему падению К|с по сравнению с материалом, приготовленным из шихты с карандашным графитом. Это объясняется тем, что в отсутствии эффективной "проработки" материала, как при экструзии, повышенная диффузионная активность углерода привела к обогащению им дефектной МЧПС. При последующем охлаждении здесь образовались довольпо крупные включения цементита.

В четвертой главе представлены результаты исследования возможности количественной оценки критериев сращивания ГДПМ и их взаимной корреляции. Были введены понятия о структурных и свойствастных критериях сращивания ГДПМ, предложены методики их оценки, обоснована целесообразность получения корреляционных зависимостей между ними. Показано, что

- структурными характеристиками ГДПМ и одновременно критериями сращивания являются безразмерные доли площадей участков вязкого и хрупкого разрушения, а также пор и неметаллических включений в площади фрактограммы разрушения;

- свойствастными критериями сращивания являются отношения экспериментально определенных свойств материала к предельным их значениям,

максимально достижимым при фиксированном химическом составе и структурном состоянии материала, а также предельном его уплотнении. В отдельных случаях в качестве таких " предельных" свойств могут быть использованы свойства соответствующего компактного материала.

Обработка экспериментальных результатов определения теплопроводности ГДПС и железа позволила получить аналитическое выражение для определения ее относительной величины в зависимости от пористости материала, в которое в виде констант входят величины предельной, т.е. максимально достижимой при фиксированном структурном состоянии, относительной теплопроводности порошкового беспористого материала, а также коэффициент пропорциональности, определяющий темп уменьшения ?„отнс увеличением пористости. Выделены две характерные температурные области, различающиеся наличием или отсутствием рекристаллизации при проведении испытаний, определены константы уравнения для определения л.отк в этих областях, показаны отличия и преимущества предложенного уравнения по сравнению с классическим уравнением В.И.Оделевского для обобщенной проводимости пористых материалов.

В отличие от теплопроводности температурные зависимости относительной электропроводности не имеют перегиба при температурах рекристаллизации, и влияние пористости на ее величину сказывается, начиная с некоторого порогового ее значения. Гипотетически это объяснено меньшей структурной чувствительностью у отг и наличием "эффекта шунтирования", нивелирующего влияния на нее пор и неметаллических включений при небольшой их доле. Получено уравнение для определения у ОТ£ в зависимости от пористости, определены его константы дан граничных температур испытаний (100-700°С):

- предельное, т.е. максимально достижимое при фиксированном структурном состоянии, значение у 0Т1 беспористого ГДПМ;

- коэффициент пропорциональности, определяющий темп уменьшения У0Т{с увеличением пористости;

- предельная пористость, начиная с которой проявляется влияние пористости на -у ОТ1.

Поскольку зависимости уотн= Г(Т) проходят эквидистантно, значения констант уравнения У 01а — ЩТ) при промежуточных температурах могут быть найдены на основе их граничных величин.

Проведенный анализ влияния структурных характеристик ГДПМ на их

теплофизические свойства позволил обоснованно подойти к поиску соответствующих корреляционных зависимостей в направлении установления связи относительных величин тепло- и электропроводности с суммарной долей пор и неметаллических включений на фрактограммах разрушения. Наличие такой связи подтверждено экспериментально и паходится в соответствии с имеющимися литературными сведениями о природе этих явлений и высказанными гипотезами об их преломлении применительно к ГДПМ.

Экспериментально определены зависимости изменения структурных критериев сращивания от степени деформации порошковых заготовок при горячей экструзии, причем обнаружены три "предельных" •значения степени деформации:

*

- при ед < £ д величина К3=0, Кяр+ Ка+Кн= 1 и уменьшение Кп сопровождается ростом КхР, т.е. возрастает доля межчастичных контактов, а внут-

рикрисгаллишое сращивание не происходит; * **

- при ед < бд < бд значения Кп и К,Р уменьшаются, К„ возрастает по

**

прямолинейному закону, Кп=0 при ед ;

»* *** ***

- прибд < 5д < Бд величина Клр—уО и Кв+Кн=1, если 5Д =вд .

Показано наличие корреляционных связей К^ = Г(КВ + Кхр),

(КО0.1,Кз,КЧ1) = Г(Кв); подтверждено положение о том, что технологические факторы производства ГДПМ влияют па их свойства не непосредственно, а определяя величину структурных критериев сращивания; выделены характерные участки графиков изменения свойствасгаых критериев, в пределах которых сказывается преимущественное влияние отдельных структурных факторов.

В пятой главе обсуждены результаты экспериментов и предложены рекомендации по их промышленной реализации. Разработан технологический процесс изготовления деталей 3-х наименований зерноуборочных комбайнов, выпускаемых АО "Ростсельмаш". Изготовленные по предложенной технологии детали были подвергнуты эксплуатационным испытаниям, которые проводились в производственных условиях параллельно с деталями, изготавливаемыми серийно. В результате было установлено, что испытываемые детали по надежности не уступают серийным.

Экономический эффект достигнут за счет снижения затрат на приобретение железного порошка ПЖВ5.450.26, цена которого в 1996г на Сулин-ском металлургическом заводе составляла 2,59 млн руб. за тонну, в то время

как для порошка ПЖВ2.160.26, использовавшегося для серийных деталей, она равна 7,8 млн. руб. Потребность в порошке на программу 10 тыс. комбайнов в год, количестве деталей на 1 комбайн и их массе: ступица -1 шт, 1,02 кг; ролик -1 шт, 0,2 кг, головка кулисы - 2 шг, 0,134 кг определена ориентировочно в 15 тонн в год. Годовой экономический эффекг при этом составляет (7,8-2,59) х 15= 78,15 млн. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выделены технологические факторы, влияющие на качество ГДПМ, установлены количественные закономерности такого влияния, предложены структурные и свойствастные критерии качества межчастичного сращивания, корреляционные зависимости между ними, пути улучшения структуры и повышения свойств.

2. Установлены количественные характеристики для поверхностей межчастичного сращивания, аналитические выражения и экспериментальные методики для ах определения: удельная поверхность и удельная длина границ сращивания. Показано, что увеличение крупности частиц порошка неоднозначно влияет на качество ГДПМ: оно повышается благодаря уменьшению удельных показателей протяженности границ сращивания, снижается при получении порошковых сплавов из смеси порошков-компонентов из-за увеличения путей диффузии при гомогенизации, изменяется за счет изменения условий заполнения пор различных размеров затекающим в них материалом частиц.

3. Впервые введенное понятие о предельных температурах горячей деформации, при которых достигаются наиболее высокие (предельные) свойства, позволяет получить объективную информацию о возможностях использованных вариантов технологии в часта повышения свойств получаемых материалов, оптимизировать параметры отдельных их этапов, осмыслить механизмы явлений, приведших к получению представленных результатов. Так, в связи с изменением условий гомогенизации и качества сращивания предельные температуры деформации повышаются, а достигаемые прочностные характеристики материала снижаются при увеличении крупности железного порошка, понижением активности и увеличением засоренности порошка УСК, используемых при получении углеродистых порошковых сталей. Получены уравнения регресс™ для оценки комплексного влияния на а в стали 80п технологических факторов: крупности железного порошка, температур спекания и горячей штамповки при использовании в составе шихты порошков различных УСК (ГИСМ, ПУ и ГК-1).

4. Определено влияние технологических факторов на формирование структуры и свойств ГДПМ:

- использование неоднородной шихты, состоящей из частиц с различной деформируемостью, приводит к уменьшению объема деформируемого в процессе горячей обработки материала заготовки, повышению величины максимально приведенной работы, ухудшению условий формообразования изделии, затруднению сращивания на контактных поверхностях деформируемых и недеформируемых частиц, что должно учитываться при проектировании заготовок и изделий, а также при выборе параметров технологических процессов их обработки;

- состояние поверхности частиц и наличие на них легковоссгановимых оксидов вызывает необходимость учета комплексного воздействия среды ( вакуум и диссоциированный аммиак) и темшфатуры нагрева заготовок перед ГД, а также их пористости на восстановление оксидов и залечивание субмикропор на МЧПС;

- качество сращивания, количество структурных дефектов и степень текстурованности структуры получаемого материала зависят от схем деформации, использовавшихся при обработке заготовок, причем произведено их ранжирование (в порядке ухудшения фиксировавшихся характеристик): ГЭ - ПГШ - ГШ.

5. Предложено оценивать качество сращивания на МЧПС и ГДПМ в целом величинами структурных и свойствастных критериев:

- структурными характеристиками ГДПМ и одновременно критериями сращивания являются безразмерные доли площадей участков хрупкого и вязкого рззрушения К« и К», а также пор и неметаллических включений Кп и Кн в площади фрактограммы разрушения; анализ экспериментальных зависимостей этих критериев от степени деформации порошковых заготовок при горячей экструзии показал наличие трех характерных их участков: на первом К„=0; на втором К» возрастает с уменьшением Кп и Кхр, причем 1С, уменьшается до 0; на третьем - пористость отсутствует, а возрастание Кв может происходить только за счет уменьшения Кхс;

- свойствастными критериями сращивания являются отношения экспериментально определяемых свойств материала к предельным их значениям, максимально достижимым при максимальном его уплотнении, фиксированном химическом составе и структурном состоянии.

6. В результате обработки экспериментальных данных по теплофизиче-ским свойствам ГДПС и железа:

- получены уравнения для определения относительных величин тепло- и электропроводности в зависимости от пористости материала, причем для

функций /.отн= 1(П) в виде констант использованы величины предельной относительной теплопроводности порошкового беспористого материала и коэффициент, определяющий темп уменьшения А,йТнс увеличением П, для уотн- ЦП) - кроме аналогичных величин в уравнение входит предельная пористость, начиная с которой проявляется влияние пористости на у ОТ|? что гипотетически объяснено наличием своеобразного "эффекта шунтирования";

- показано, что протекание рекристаллизации при испытаниях сказывается на величине 1В, установлены константы уравнения для соответствующих температурных областей, при определении величины у 0Т1 это влияние не обнаружено.

- установлены корреляционные зависимости относительных величин тепло- и электропроводности ГДПМ от конкретных структурных критериев - суммарной относительной доли пор и неметаллических включений на фрактограммах разрушения.

7. Обнаружена корреляционная связь относительной разрывной прочности с относительной суммарной долей площадей участков вязкого и хрупкого разрушения на фрактограммах (Кв+К*Р), а характеристик пластичности (относительных пределов текучести, удлинения и поперечного сужения) -только с Кв; подтверждено положение о том, что технологические факторы производства ГДПМ влияют на их свойства не непосредственно, а определяя величину структурных критериев; выделены характерные участки графиков изменения свойствастных критериев, в пределах которых сказывается преимущественное влияние отдельных структурных факторов.

8. Установлено совместное влияние вида УСК, использовавшихся для легирования железного порошка, их количества в составе шихты, степени и характера деформации при ГОДПЗ на качество получаемых сталей, определяемое низкотемпературной трещиностойкостью Кю и механическими характеристиками при разрывных испытаниях:

- введение УСК в пшхту до 0,2 мас.% для образцов, подвергаемых ГЭ, и 0,36 мас.% - ГШ, приводит к улучшению качества МЧПС вследствие их рафинирования от оксидов и обогащения ферритом, при большем - свойства ухудшаются в связи с охрупчиванием МЧПС образующимся цементитом;

- проведение отжига привело к снижению К)с и пластичности всех видов сталей, а также выравниванию свойств экструднрованных и горячеде-формированных образцов всяедствии диффузии углерода к дефектным МЧПС и их охрупчивания образующимся углеродом;

- применение ГИСМ ослабляет влияние отжига на свойства сталей, поскольку углерод в его составе диффузионно подвижен и это уменьшает степень гетерогенности структуры после ГОДПЗ.

9. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований. Обоснование возможности применения крупного железного порошка для изготовления горячедеформированных деталей подвергающихся сварке и нагрузкам различной интенсивности в процессе эксплуатации, и оптимизация параметров такого изготовления позволили освоить в условиях АО "Ростсельмаш" производство деталей трех наименований, успешно прошедших в 1995 году эксплуатационные испытания, и обеспечить получение годового экономического эффекта за счет разницы в ценах предлагаемого и используемого порошка в сумме 78,15 млн. руб (в ценах 1996 года).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дорофеев В.Ю., ЕремееваЖ.В., Гончарова Т.В., Лозовой В.И. Влияние характеристик углеродсодержаших добавок на структуру и свойства порошковых сталей I Тез. Российск. республ. науч.-техн. конф. "Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий, композициопных материалов и покрытий". - Волгоград, 1992. -С. 20-21.

2. Возможности порошковой металлургии как экологически прогрессивной области машиностроения / В.Ю. Дорофеев, A.B. Скориков, Ж.В.Еремеева, В.В.Шевченко, Т.В.Гончарова // Научно-технические и социально-экономические проблемы охраны окружающей среды: Труды 7 науч.-техн. конф. - Нижний Новгород, 1993. - С. 107-108.

3. Влияние характеристик УСК шихты на структурообразование и свойства ГДПС. 1. Нетрадицноннные УСК и их влияние на процессы приготовления шихты, ее прессования и спекания / Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова // Порошковая металлургия. - 1994. - № 9-10. - С.94-99.

4. Влияпие характеристик УСК шихты на структурообразование и свойства ГДПС. 2. Влияние технологических факторов на структурообразование и свойства ГДПС / Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова//Порошковая металлургия. - 1994. - № 11-12. - С. 88-93.

5. Влияние характеристик УСК шихты на структурообразование и свойства ГДПС. 3. Формирование структуры и свойств при термообработке порошковых сталей с различными УСК / Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова// Порошковая металлургия. - 1995. - 1-2. -

Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова // Порошковая металлургия. - 1995. - Л<з 1-2. -С. 119-125.

6, Влияние технологических факторов на качество сращивания ГДПМ I В.Ю. Дорофеев, В.Т. Логинов, Т.В. Гончарова, В.И. Чумаков // Исследование проблем совершенствования автомобильного транспорта. - Новочеркасск, НГТУ. - 1996,- С. 35-37.

7. Дорофеев В.Ю., Скориков A.B., Жердацкая H.H., Шишка В.Г., Еремеева Ж.В., Веропаха Д.Н., Гончарова Т.В. Способ получения конструкционной порошковой стали // Заяв. 95103830. Положительное решение патентной экспертизы ВНИИГПЭ от 02. 02. 96.

м

Подписано в печать 28. 10.96 г.

Объем 1,25 усл.п.л. Тираж 100 экз, № зак. 1011