автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Оптимизация параметров технологического процесса получения порошковых материалов инструментального назначения

£

^ "" " ----------7----------- ------------- -

<\, тем%'«й |ОДгдарсг80Ш< УШПЕРСЯШЕ

На правах рукописи

М ЕР, А Вера Геннадьевна

упк бб9,14.01а:бй1.7с2.сог

оптимизация параметров технологического

пгоцкссл получения порошкопих материалов мюгс'уьиггалышга назначения

Спецйаяыюстъ ОБ, 15.01 - Металловедение к термическел

обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата Технических наук

I

Тула"- 1997

Работа выполнена в Тульском государственном университете I,

Научккй руководитель - доктор технически;-! наук,

профессор Гринберг Е.М.

Официальные оппоненты - доктор технических каук,

профессор Арвачасов В.В.

- кандидат физико-математических наук Гаевский В.В.

Ведущее предприятие - АО "Полема-Тулачермет"

Защита состоится 2 декабря 1997 г. в 1Чса час, в 9 учебной корпу се ТулГУ, ауд. 101 на васедании специализированного совета К 033.47.0 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, проспект Лг нина, '92)

С диссертацией можно овнакомиться а библиотеке Тульского гос> •дарственного университета. . •

Автореферат разослан "3.1 " оитяЪря _ЮСТ' года.

Ученый секретарь специаяиэировашюго совета —"

кандидат технических наук, доцент ■'5. А. Гончаре®

1. ОБ'ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди известных технологических методов производства режущего инструмента порошковая металлургия занимает особое место, так как повволяет не только свести к минимуму, а во многих случаях и полностью исютчить механическую обработку, но и увеличить стойкость металлообрабатывающего инструмента. Порошковые инструментальные стали, в том числе быстрорежущие, имеют перед сталями обычной" металлургической технологии целый ряд преимуществ, гдашцдш ль которых педлктся гся«Г.<?КНаЧ склонность к посту аустени-гного верна, равномерное распределение и дисперсность карбидной фазы, хорошая шлифуемооть, повышенный уровень механических и эксплуатационных характеристик.. Работа выполнена в рамках Региональной научно-технической программ "Порошковые технологии инструментального производства", предусматривающей создание в г.Туле массового производства конкурентоспособного металлорежущего инструмента из порошковых сталей.

" Благодаря исследованиям, приведенным в нашей стране и ва рубежом, накоплен большой экспериментальный и теоретический материал о структуре и свойствах порошковых быстрорежущих сталей. Рысо-кий уровень свойств инструмента, изготовленного с использованием горячего кзостатического прессования (ГШ). последующих экструзии или горячей ковки,■ сконцентрировал внимание исследователей преимущественно на компактных материалах, полученных с помощью указанных процессов. Значительно менее изучено получение инструмента из водо- и газораспыленных порошков, подвергнутых холодному прессованию и последующему спеканию, хотя этот способ является наиболее экономически эффективным, так как дает возможность изготавливать • режущий инструмент простой и, сложной формы, обеспечивает высоки;'! КИМ- и может быть испольвован в массовом производстве. Не выработана единая точка ерения об оптимальной среде и режимах рафинируйте- смягчакзцсго отжига водораспнленного посюшка. Явно недостаточное внимание исследователи и производственники уделяю': проблеме изменения химического состава в приповерхностных слоях частиц перопкз в процессе высокотемпературного вакуумного отжига и его влиааий 5И сгрукгуг/ мз^этт-ч. гермк^/кжупся при последующем спекании.

Автор защищает;

- закономерности структурообразования порошковых быстрореку-щих сталей на различных этапах передела;

- - выявленные, зависимости влияния различных видов предварительной обработки порошка на формирование структура в процессе спекания прессовок;

- феноменологическую модель формирования феррито-карбидногс каркаса в спеченных заготовках из порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5, подвергнутых восстановительному отжигу в вакууме;

- способ предварительной термической обработке порошка к предложенный на его основе режим рафинирующе-смягчающэй обработки в атмосфере остро осушенного вс~орода, а также экономичный способ осушки водорода с использованием отходов хрома, обеспечивающий восстановительный характер атмосферы во всем интервале температур процесса;

- закономерности влияния температурно-временных параметров низкотемпературных стадий спекания на остаточное содержание кислорода, плотность и размер карбидной фазы в спеченных заготовках;

- рекомендации по выбору технологических параметров спекания ивделий из порошков быстрорежущей стали 10Р6М5 в промышленных условиях, а " также введению в смесь микродобавок бора с целью активирования процесса спекания и снижения остаточного содержания кислорода .

Цель работы; изучение закономерностей .структурообразования порошковых быстрорежущих сталей на различных этапах передела I! разработка на этой основе энергосберегающей технологии изготовления режущего инструмента.

Научная новизна.

- установлено, что каркас, образующийся в структуре заготовок из порошка, подвергнутого рафинирующе-смягчающем1, вакуумном> отжигу, представляет ' собой ферритную сетку с грубыми карбидкьш включениями цементитного типа. Предложена феноменологическая модель формирования феррито- карбидного каркаса, установлен ь'еханизк и причини его образования;

- с использованием термодинамических расчетов показана I экспериментально -подтверждена бозмойисст?.. восстановлен® остаточ-

ного кислорода в порошке на начальных стадиях спекания в вакууме еа счет избыточного углерода, содержащегося в порошке;

- предложен принципиально новый подход к выбору режимов ра-финирующе-смягчающей предварительной обработки водораспыленного порошка быстрорежущей стали, обеспечивающий низкое содержание ос-таточного кислорода и хорошую прессуемость порошка;

- определено влияние температурно-временных параметров низкотемпературных стадий спекания в вакууме на остаточное содержание кислорода и плотность спеченных заготовок.

Практическая чинность.Р.°бота итолнепа в рамках Региональной научно-технической программы "Порошковые технологии инструментального производства" в период 1993-1996 гг.

Разработана технология и определены оптимальные параметры рафинирующе-смягчающей термической обработки водораспыленного порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 в водороде, создана лабораторная установка для ее проведения, предложен экономичный способ осушки водорода с испольвованием отходов хрома.

Определены'оптимальные температурно-временные параметры процесса спекания заготовок металлорежущего инструмента иэ водорас-гшденных порошков, быстрорежущей стали, подвергнутых рафинирую-те-смягчающей обработке в атмосфере водорода, обеспечивающие получение плотности не ниже 98 % от теоретической, размер частиц избыточной фаза 3. ;.4 мкм и остаточное содержание' кислорода

0.03...0.04 X.

Предложено разделение процесса спекания на два этапа: низко-

1. высоковакуумный, проводите на различном оборудовании," что позволит снизить нагрузку не вксатаакуумнсе оборудование. Разрайо-, ткны рекомендации по активизации спекания кслоднопрессованнык заготовок на порошка с пониженной прессуемостью с "использованием микродобавок бора. • .

Результаты были использованы АО "Полема-Тулачермет" и ГНПП "СГшЕаа" при рарр&<отко ъ ачкодогичесю'х ¡¡г.-раметров производства аорошков бистрсрокурэй ст&Я'Л 10Р0Н5 и изделий из них, что позволило уменьшть знерго-'и трудозатраты рр-,; рифишруюзе-смягчеессдем водородном от'шге и спекании, повысить качество порошка н снечен-

гых заготовок. Продолжительность предварительной высокотемпературной обработки порошка снизилась с 44 до б...8 ч.

Апробация, работы. Результаты работы обсуждены на следующих конференциях: Вторые Демидовские чтения (г. Тула, 1996 г.), V Международная конференция "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии"(Новокузнецк, 1997 г.), Всероссийская молодежная научная конференция "XXIII Гагаринские чтения" (г.Москва, 1997 г.), Международна*, конференция "Взаимодействие дефектов и ' неупругие явления в твердых телах" (Тула, 199? г.), II региональная научно-практическая конференция "Повышение долговечности оборудования и восстановление деталей машин: опыт, проблемы, перспективы" (Новомосковск, 1997 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит иа введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и списка цитируемой литературы,. в!Ш)чаадщего 149 наименований. Работа изложена на' 124 страницах машинописного текста к. содержи 23 рисунка и 6 таблиц.

2. СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Анализ литературы показал, что несмотря на многочисленные исследования в области порошковых быстрорежущих сталей, недоста-' точно внимания уделяется классическому методу пороиковой металлургии, предусматриваюшему изготовление заготовок, приближенных по форме -и размерам к готовому инструменту. Большинство исследований относятся к-методам, предполагасщм получение газораспыленных порошков.с последующим их горячим компактироБаниам (газоста-ткческое прессование или экструзия). Рассматриваемые направления порошковой металлургии нельзя считать в полной мере эффективными из-за достаточно низкого коэффициента использования метанла ( КИМ «» 0,3. ..0,5) при изготовлении режущего инструмента ив компактного полуфабриката по традиционной технологии. Кроме того, большинство предлагаемых технологий требует наличия дорогостоящего высокопроизводительного оборудования. • ;

Практически отсутствуй?.' данные об исследованиях в направлении поиска менее длительных и энергоемких способов предваритель-

ной рафинирующеесмягчающей обработки исходных порошков быптроре-;^щих сталей. Явно недостаточное внимание исследователей и производственников уделено проблеме поверхностногообезуглероживания частиц-горсжк! в процессе высокотемпературного вакуумного отгжа.

В большинстве работ п качестве решения данной проблемы предложена дошихтовка пороика свободным углеродом в виде са*.и, несмотря на то, что подобный способ регулирования содержания углерода в спеченнсм материале приводит к'- трудностям обеспечения равномерного распределения добавки по объему смеси и снижает химическую однородность г.^ эшкового материала.

Недостаточно сведений о причинах и механизмах формирования ствуктур в влмгеяэтлг тсгр'/'!?:гтал¿>кш ' «ахсрыалах. От-су гсгвукл данные о возможности осуществления на начальных стадиях спекания более глубокого рафинирования материала по кислороду.,

■ Для- получения прессовок с необходимой плотностью из сравнительно твердых порошков высоколегированных быстрорежущих сталей необходимо введение пластификатора. Учитывая, что большое гавовы-деление в процессе его отгонки отрицательным образом сказывается .на долговечности вакуумного оборудования, нерациональным представляется проведение'начальных стадий спекания на высокотемпературном высоковакуумном оборудовании. Более целесообразным является использование соответствующего оборудования для отгонки пластификатора перед спеканием.

В то же время отсутствуют данные о' возможности разделения процесса спекания на два этапа; низко- и высоковакуумный, проводимых на различном оборудовании.

Цель работы и анализ состояния вопроса определили задачи исследования;- ....................

1. Иэучение'влияния режимов .спекания на структуру и плотность заготовок из порошковой стали.

... 2. Определение-температурного интервала формирования каркасной структуры-при спекании и установление механизма ее формирования.

3. разработка энергосберегающей технологии рафинирующе-смяг-чающей обработки порошка.

••4>•Проведение термодинамических оценок возможности восстановления остаточного кислорода на начальных стадиях спекания прессоЕок еа счет избыточного углерода. .•• - " . .

5. Определение- целесообразности введения дополиителькогс восстановителя с цель» получения требуемого остаточного содержания кислорода в спеченном инструменте.

Исследования проводили на промыиленно выпускаемых А0"Поле-ма-Тулачермет" водораспыленных порошках быстрорежущей стали 10Р6М5. Химический 'состав контролировали по основным элементам (С, W, V, Сг, Kin, Mo) в процессе выплавки на соответствие ТУ 14-1-4652-89.

Приготовление порошковых смесей проводили с добавлением сте-арата цинка в количестве 0,5 % в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 40 мин. Спекание проводили в печи СНВЛ-1.3.1/16 по различным режимам.

В работе испольвованы методики металлографического, дюромет-рического и рентгекоструктурного анализов. Плотность спеченных "заготовок определяли методом, гидростатического взвешивания по ГОСТ 1889-89. Технологические свойства порошка определяли по ГОСТ 19440-74 и ГОСТ 20899-75. Анализ содержания кислорода в порошке и спеченных заготовках проводили на приборах R0-116 фирмы "LECG" методом восстановительного плавления в токе инертного газа (ге-' лия). Математическую обработку результатов и планирование экспериментов проводили на ЭВМ с помощью ППП "Statgraphics".

Достоверность научных положений и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечена большим объемом экспериментов, выполненных с использованием комплекса современных методов анализа, и статистической обработкой полученных данных, а также хорошей повторяемостью и -сопоставимостью экспериментальных данных с результатами опытно-промышленных испытаний.

2,1. Структурообразование сталей, спеченных из порошка, подвергнутого восстановительному водородному и смягчающему вакуумному отжигам

Повышенное содержание кислорода (О,5...0,8 £) и высокая твердость водораспыленного порошка стали 10Р6М5 не позволяют использовать его в качестве сырья для производства высококачественных изделий непосредственно после распыления без дополнительного восстановительного отжига. Поэтому первым этапом технологической цепочки является рафшгируюце-смягчающий отжиг порошка.

Отйиг в атмосфере осуяскяого аодор;>дл ь промьи1>;и.до усаоьи-ях, режим которою представлен ка рис.1,а, позволяет снизить остаточное содержание кислорода до 0,17.;.О,ЭО %. В связи с тем, что низке некоторой температуры, зависящей от степени счистки водорода, атмосфера печи перестает быть восстановительной, содержание кислорода в порекке при* ваыедленном охлаждении может внозь увеличиться. Чтобы избежать повторного окисления порошка, необходимо проводить быстрое охлаждение, вследствие чего твердость порошка остается повышенной. Это обусловливает необходимость проведения, дополнительного вакуумного отжига, который позволяет уменьшить содержание кислого» «о 0.07...С. 10 2 л снияить тчердпете порошка «о требуемого уревпп. . Последнее достигается за счет длительного замедленного охлаждения садки пороика (рис.1,6).

Существующая технология получения металлорежущего инструмента из порошковой быстрорежущей стачи 10Р6М5 включает распыление порошка водой, рафинирующе-смягчающие отжиги в водороде и вакууме,. холодное прессование заготовок, их вакуумное спекание и термическую обработку. Режущие пластины, изготовленные по у ¡•сазан кой технологической схеме, пскаавлч •пейькгеяие стойкости а 2. . Л раза по сравнению с инструментом из литой быстрорежущей стали.'

Металлографические исследования спеченных заготовок из пероа-ка, подвергнутого рафинкрующе-смягчающей обработке по существующей технологии, покавали наличие я структуре грубого каркала, нивелирующего достоинства материала, полученного методами порошковой металлургии.

Для установления .природы и механизма формирования каркашей структуры з спеченном материале исследовали заготовки, ■ спеченные в"идентичных условиях из порошков, подвергнутых:

а) только восстановительному водородному отхигу (порошок 1);

б) рафинирующему водородному и дополнительному рафигофуп-ще-смягчащему вакуумному отжигам (порошок 2).

Металлографический анализ показал, что каркас представляет собой сетку, сформиоовавщупоя едсль'границ вереи, в которой расположены крупные ( до 20 мк?г ) угловатые карбиды, причем в объеме зерен такие кзрогщы отсутствуют. Обращает, на себя внимание тот факт, что меязереяиаа граница проксдит по середине каркаса. Воз-твшошто каркаса наблюдали лаж» посла сиоиття- ирк- температурах, не обеспечиваю®,их получение необходимей плотности.' Ревульта-

Рис.1. Режимы рафинирующе-смкгчающих отжигов порошка стали 10Р6М5: а - водородного, б - вакуумного

Рис.2. Распределение углерода в порошинке после охлаждения, с

температуры вакуумного■отжига (б) в соответствии с вертикальным рааревом диаграммы Ре-У-Сг-СЛ' (а)

ты металлографических исследований позволили заключить следующее:

1.'Строение каркаса в заготовках, спеченных при оптимальной с позиций обеспечения необходимых плотности и дисперсности частиц избыточной фазы температуре (1Е55 ±5 °С), свидетельствует о том. что он не является эвтектическим. Чтобы при таких температурах спе^шя появилась эвтектика, материал должен иметь большую неоднородность по хи"и7?ек?г.?/ сссхапу. -шгцв к«к португовиг сплаьи. шорохи». омипдатся от литых более высокой однородностью.

2. Форма и размер карбидов, .входящих в структуру каркаса, явно, указывают на т>, что они образовались на каком-либо этапе спекания. В исходном порошке подобных карбидов не обнаружено. Наблюдаемые грубые карбидные включения не могут быть специальными, высоколегированными, так ¡сак диффузионная подвижность легирующих элементов недостаточна для образования карбидов указанных размеров г.ри данных, температурнс-врсмешшх условиях процесса спекания •

3. Распределение грубых карбидных частиц и наличие мсжверен-пой границы, проходящей по середине каркаса, ■ свидетельствуют о том, что процесс его образования шел одновременно с двух сторон.

Детальное исследование структуры каркаса позволило ¡заключить, что он представляет собой ферритную сетку, формирующуюся на стыках соседних порошинок, в которой расположены крупные карбиды це-ментитного типа. Подобный эффект яаляется, очевидно, следствием формирования обезуглероженного приповерхностного слоя в пороцшн: как в процессе высокотемпературной выдержки при предварительном вакуумном отжиге распыленного порошка. Следует также учитывать, что охлаждение при таком отжиге достаточно длительное, а атомы углерода имеют высокую подвижность при температурах вплоть до 200°С, поэтому обевуглерожекный слой растет и в процессе медленного охлаждения после отжига.

Согласно вертикальному разрезу диаграммы Гё-М-Сг-ОУ -(рис.2,

а), учитывая малую скорость охлаждения, распределение концентрации углерода и структура порошинки после длительного высокотемпературного отжига имеют характер,, представленный на схеме (рис.2,

б). Наличие приповерхностных сбезуглерсжешшх слоев в контактирующих лсрошинках должно способствовать, с одной стороны, повышению прессуемооти (что подтверждается на практике) и активизации про-

с*

Со" с»

Са

4

Сп

О,

о

Со

ц

Рис.3. Схема распределения углерода в зоне контакта двух частиц порошка: а - после прессования, б - при спекании, в - пос-■ ле охлаждения Ц - центр частицы порошка, 0 - зона контакта частиц порошка

Рис.4. Режим рафинирувще-смягчающей Рид.5. Режим спекания заготозок термической , обработки порошка в иа порошка, подвергнутого рафи-одушенном водороде ■ нирующ-^-смлгчаюцей термической

обработке в осушенном водороде

lincea лпекага. С другой стороны, оно доздко провоцировать обр«-.-говаккз феррито-карбидного каркаса в спеченных евгс^овках.

Анаяив полученных результатов позволяет предположить, что укаеаниый феррито-карбидний каркас формируется в процессе охлаждения после ссекания заготовок. Механизм его образования ззгсяюча-ercfi е следующем.

После холодного прессования в зоне контакта возникаем ситуация, изображенная на схеме (рис.3,а). Пси спекании во?<?дс?г"с ух-

ÍÜÓÍIHKM'I-« выраьнипинче »■"пужтрацкл >'¿

„¿срода н ооьеме порошинок (рис. 3,6). При медленном охлаждении после спекания в зоне контакта частиц порошка повышенная плотность дефектов и связанные с этим уменьшение работы образования зародышей .карбидов и увеличение вероятности их возникновения должны инициировать образование карбидных частиц.

Наличие ускоренных путей диффузии в этой зоне способствует интенсивному подводу углерода к поверхности.растувсго »аподнта к ero асс":/. Скорссп,' легнруотих ^ке^ен/го:;

.íü.iM/.-.e 'i.i-í- с?яс!Т с "'С-': до,ixüo пг,5лпдат>'С:-! o6p-v.c:-;ai'H-.

¡aiíjSí!.:;',^ i-.--..<í>:'-'.si7'>orci типа. С i-;v_Hineuu¿;¡ p-jv.:írpa кар:;пддид "со гкц, -п vzTb о увслнчелир;,; родиуса крпппгпн их аонерхкосг.ь P"¡" концентра?!!« угдстсдл а твердое растворе r^CÍ¡ЧГ-SÍ

В pe^vu.-Tar»; этого ьрикксаот ^оиоче^^дип в ■:'к.1>-•-■:■} до зескш шок:« тшпперагур гресленг irohííe!-'" ■

pfiiiiis"1, "'ínpsoor центра перекипим к ее поверхности...Ухсд углерода » поверхности растущей карбидной частицы нарушает равновесие по vr-Jienrvnv :~~~>j".¡- ^ч; л -.'-гао- норояпнк* и о^ру^элуе'; ■■-.( нггр!Ч\>5Л, ЧТО П^ПСС'ДИД .i 'VxrTV,4hO\ii> 'Р( родтгороана. Б ■ д;е ;к*р5ады «олностья растворяются, другие растут. Градиент концентрация углерода вызывает коагуляцию образовавшихся на поверхности порошшад карЭвдез, которая, в своя очзпепт,, поддергга-

ПТ"Т Пяни'Л'^Т.

Uor,2e ох.га%1еиия гаг-гагок ог ?екперя-уры ciieiíamta распределение копиентсмчши \'Г.псго~а в прнгр&иггтой зоне будет иметь г?ид, дредотезд^шый нз рчс.3,з. Металлографический анализ еггеч^'шых .тгстогс;'. показал¿ что карбиды'й центре сыеших порошинок гораздо крупнее, ив приграничной слое их нет. В то ле время в исходном

1 н

порошке карбиды очень мелкие и равномерно распределены по всему объему порошинки.

Для подтверждения соответствия этой модели реальной ситуации был выполнен ряд экспериментов:

1. Травление спеченных ааготовок кипящим раствором щелочного пикрата натрия позволило подтвердить, что образующиеся на стыкал частиц порошка карбиды являются цементитными, а- карбиды, расположенные.- в объеме зерен - специальными. Обращает на себя внимание значительное различие строения каркаса в ваготовках из порошков 1 и 2, спеченных в одинаковых условиях. Феррито-карбиднач сетка в образцах из порошка 2 явно выражена и имеет более грубое строение по сравнения с небольшими участками сетки на тройных стыках зерен в ваготовках из порошка 1. '

2. Рентгеноструктурпый анализ также показал в спеченных заготовках .-присутствие карбидов типа МезС. Аналогичные результаты получены с использованием методов фазового контраста.

3. При высоких скоростях охлаждения (закалка в воде) цемен-титная сетка почти полностью растворяется. Снижение скорости охлаждения (закалка в масле) приводит к повторному формирован*® трооститиого каркаса. Учитывая, что охлаждение после спекания происходи? весьма медленно, можно утверждать, что образование феррито-карбидного каркаса происходит именно на зтом этапе.

4. Травление спеченных образцов 4%-кым раствором азотной кислоты в спирте после травления пикратом натрия подтвердило, что сетка на мелшеренннх граница;! состоит из легированного, феррита.

Б. Несмотря на растворение карбидной сетки при нагреве, окончательная термическая обработка спечеякого • инструмента 'кг позволяет полностью устранять карбидную неоднородность.

Такта* образом, в работе установлено, что шркас, наблюдаемый в . опечекшлх заготовках ио ' ■ водораспылешюго пороака стали 10Р5М5,подвергнутого дополнительному вакуумному отжигу, представляет собой сетку легированного- феррита, в которой расположены карбиды цементиткого.типа. Причиной его образования является обе-вуглерояивание приповерхностных слоев порошинок при высокотемпературном ра^инирующе-смягчащзи вакуумном отгдиге. Предложена феноменологическая модель- формирования каркаса в процессе охлазсде-ния после високотекпературкого вакуумного спекания'в'аготозох.

Поскольку окончательная термическая обработка полностью не .устраняет отмеченную карбидную неоднородность, это дсшто приводить к снижению эксплуатационных характеристик инструмента.

к.£. Термодинамическая оценка вероятности протекания реакций восстановления оксидов на

стадиях спекания

Для оптимизации технологических параметоов нивкотемп^ратур;:'_г. от«лик Сила полу^игь о->'н*т« на следуйте воп-

росы:

1. Какой иа элементов, присутствующих в расплаве быстрорежущей стали заданного состава (С, Б1, Мо, Сг, V),. определяет активность кислорода в нем при температуре распыления (-*1700 °С)? Подобные данные необходимы для идентификации оксидов, преимущественно присутствующих в, распыленных порошках (поскольку растворимость кислорода в матрице весьма мзда, кислород з сбъам« попоши-'йск присутствуй? и осиовпом я ниде • оксидов элементов, аходеших з с ост • .-.•. с ¿ал л).

2. В 1'лпкх темпергхуркш интервалах развивается процесс ьо-тс-гййорлепяя содс-рйащйхся ч распыленном пороша оксидоь к качоа глияйке окййыййвт на него р.»яичные фактор*! (аотш:г-сгь углерода, ;г«шденя<?, атмссфзра спеяшшя « т.д.)?

Дяя получения ответов на уклеенные вопросы били здпплаеш оценочные термодинамические расчеты, поззояаваие получить .следуя-.. . ¡дме основные результаты/

Рее р?.счот.м вь'пс.з.чс-ьи и' арлэлвд-'-ьпя теории квззкрегу-яяр!?лх ■ растворов для рзеялава Гл^трореду.-дей г.тали, содер^-ат.его . (г; % «аи.): 1,й О; У; 5,0 Сг; 6,0 V/; 6,0 Мо; 0,27 31 (повышенное содержание углерода в порошке по сравнению с марочным составом сталч рбМо необходимо в связи с расходом его на рафинирование сг г^сиорода прсц-гос; спекали»).

При темпздшурз расовом 17С0 °0 к укездздеи содержании ос-«огчнх. з.;с*.:с:ггсп хк.-:чческс5 сродство к "жкороцу уменьшается в ксследовагельностн: 31, 0, Сг». 7, Ыо. Таким образом, '.«полнее-, «г» расчеты- свидетельствуют о тем, что при оговоренных шзе условия;; скисленкссть расплава быстроре.чсуцей стали, будет определяться преяде всего содержанием з нем кремния..

Изучено влияние содержания углерода и кремния на их химичсс-i Л сродство к.кислороду . Обнаружено, что, варьируя концентрациями С и Si в расплаве, можно изменять приведенную вше последовательность элементов, подвергающихся преимущественному окислению. Так, при содержании С > 1,6 % и Si < 0,015 % окисленность расплава будет определяться содержанием углерода. Иными словами, обезуглероживание могло бы обеспечить защиту от окисления основных легирующих элементов, но только в случае практически полного отсутствия кремния, что недопустимо по технологическим причинам и вследствие несоблюдения требований стандартов на состав быстрорежущих сталей.

Уменьшение температуры расплава до 1600 °С, также как и перегрев его даже до 1900 °С не влияют на. "очередность" окисления компонентов расплава.

Основным восстановителем при спекания в вакууме распыленных порошков является углерод. При этом хорошо известным способом уменьшения содержания кислорода является добавка к порошку стали углерода в виде саки (активность углерода в этом случае ас=1). Однако исследования, выполненные ранее в МИСиС, показали, что добавки сади в порошковую смесь эффективны толыю для удаления кислорода, входящего в состав окисной пленки на поверхности порсии-нск. Удаление кислорода из объема порошинок реализуется преимущественно за счет углерода, находящегося в твердом растворе в матрице (при атом активность углерода ас<1).

Оценки температур начала восстановления оксвдоз' углеродом при различных значениях его активности и внешнем давлении . проведены по методу "одинакового значения химического сродства металла и углерода к кислороду" . -Кроме перечисленных ше огоидов, рассматривали условия восстановления при спекании оксидов зг.елеее FegOa, Рез0,1, образование которых обязательно будет иметь место вследствие высокого содержания- телега.

Полученные данные свидетельствуют' о том, что при атмосферном давлении к температурах до 1200 °0 (например, отяит порошка в атмосфере водорода) углерод шкет восстанавливать одаиды аелева, молибдена, вольфрама и, .гЬемошю, ванадия. Для восстановления оксидов кремния,и хрома требуются более высокие температуры.

•Температура начала восстановления Fe30.j водородом при атмосферном давлении составляет 1100 °С. Оксиды хрома и кремния при

используемых температурах водородного отжига непосредственно водородом восстанавливаться не должны.

Изучено влияние активности углерода и величины внешнего дав-, леяия на температур'; начала восстановления оксидов железа, кремния и хрома углеродом. Результаты термодинамических расчетов.позволяют сделать следующие" важные для практики спекания заготовок кз порошков бнстрор^^/г?;:?: сталей ^ииояы:

• - понижение акгпжссга углерода от 1 до 0,2 приводит к незначительному повышению температуры начала восстановления РезОд, ЗЮ2, Сг20з (не более 50 °С). Это обстоятельство указывает на то, ■ что углерод, содержатчгоя в порошке,'способен осуществлять рафинирование металла от кислорода не хуже, чем подмешиваемый в порошок в виде сажи "свободный" углерод (что принципиально согласуется с данными МИСиС). Трудности с обеспечением равномерности распределения подобны;! добавок но объему порошковой смеси, явились причиной отгкгаа в настоящей работе от введения свободного углерода 'в порошковую смесь для рафинирования от кислорода;

- понижение давления при спекании способствует снижению температуры начала восстановления оксидов углеродом. Для 310?. при давлении -13,3 Па кта температура не превышает 1150 °С, для СггОз - 900 °С,

Полученные данные являются основополагающими при выборе'режимов низкотемпературных, стадий спекания прессовок ив порошков быстрорежущих сталей.

2.3. Влияние режимов термической обработки в среде осушенного водорода на структуру и свойства порошка быстрорежущей стали

Учитывая отмеченные выше негативные последствия вакуумного отжига и высокую стоимость оборудования для его проведения, представлялось целесообразным выполнение исследований, направленных на разработку процесса термической обработки водараспыленного порошка стали 10Р6М5 в водороде, обеспечивающей получение порршка с требуемыми значениями, прессуемости и остаточного содержания кислорода.. Это позволило бы значительно сократить технологический цикл, уменьшить ¡знерго- и трудоемкость- процесса, а также существенно снизить стоимость готового инструмента.

Используемые в традиционной технологии режимы водородной, и вакуумной обработок представляют собой длительный ступенчатый отжиг. Он характеризуется очень замедленным, охлаждением и длительными выдержками. Это дает хороиие результаты по прессуемости, ко приводит к необходимости использования дорогого и малопроизводительного вакуумного оборудования. Длительный вакуумный отжиг приводит к большим энергозатратам и способствует обезуглероживанию поверхности порошинок.

Одной из проблем, возникающих при отказе от дополнительного вакуумного отжига порошка,- является обеспечение более глубокого рафинирования при водородном отжиге до «< 0,12 % 0г, что обусловливает необходимость дополнительной осушки водорода. В работе предложен способ осушки, обеспечивающий восстановительный характер атмосферы во всем интервале температур процесса, при котором водород пропускают над слоем нагретого до 800-1000 °С чешуйчатого хрома. Создана лабораторная установка для проведения рафинирую? ;ще-смягчагс!дей термической обработки порошка в атмосфере водорода.

Проведена серия экспериментов по оптимизации технологических параметров, обеспечивающих необходимую степень осушки водорода: температуры осушки, времени эффективной работы осушителя (хрома), расхода водорода. Установлено, что оптимальная температура хрома для осушки Еодорода составляет 930±40 °С. Время эффективной работы хрома - около 25-30 часов. Для полного восстановления поглощающей способности отработанного хрома предложено "его дробление с целью увеличения свободной поверхности и добавление приблизительно 1/4 части свежего .хрома от его общей массы в контейнере осушки. Добавление в хром.небольшого количества таблетированного титана предотвращает ухудшение осушки водорода в случае падения температуры•в печи. '

Второй проблемой, возникающей при отказе от дополнительного вакуумного отжига, является получение необходимой прессуемости порошка. Традиционные подходы к .решению данной вадачи предусматривают проведение медленного ступенчатого охлаждения с длительными выдержками, что сопряжено с большим расходом водорода к высокими энергозатратами.

В связи с этим была разработана принципиально новая схема предварительной термической обработки порошка - закалка с шснккм

; О

отпуском. Предложенная термическая обработка совмещает в себе две технологические операции (рис. 4):

а) восстановление оксидов при 1050 °С с последующим охлаждением до комнатной температуры. Разработанная установка позволяет произвести охлаждение, не допуская контакта порошка с окислительной атмосферой. Для ¡.того контейнер извлекали.из печи и охлаждали на воздухе, не прекращая подечу годорсда. После аякаикк ча всгду-::г походок приобретает структуру ыартепсита и остаточного аусте-иита; -

б) нагрев и выдержка в районе подкритических температур (760-780 °С) и последующее охлаждение с печью до 60П °С и далее на воздухе. Высокий отпуск способствует увеличению степени коагуляции карбидов, снижению внутренних напряжений и сорбитообразной структуры порошинок. ■ _ ' . '

Определены оптимальные параметры рофтппфуше-емнгчаюцей тер-;.;1|Чсс-сой обр&богки порошка. Установлено, что температура на зтело зосот-Злласняя дздмнл составлять 1С50-'15 длительность выдержки - около 3 часов. Оптимальной для высокого отпуска является температура ?8С±15 °С. Время выдержки при отпуске регламентируется продолжительностью выревниаакия температуры садки. При нагреве' в лабораторной установке оно составляет 30 мин. Очевидно, что при промышленной реализации данного метода время должно определяться опытным путем. ... . . . ■ • . '

Оценку качества порошка проводили по содержанию в нем остаточного 'кислорода и прессуемссти, сравнивая их с показателями, полученными на стоженном ь вакууме по базовой технологии порошке. 'Разработанный'режим термической обработки порошка обеспечивает получение прессуемости не ниже, чем у отожженного в высоком вакууме порошка, при равной ■ конечном содержании углерода (6,3.'..6,5 г/см" при давлении прессования 8 т/см2). При .этом значения микротвердос+к, порошка не всегда коррелируют со значениями прессуемости. Порошок, подвергнутый предварительной обработке по предложенной схеме, имеет более высисое,значение микротвердости по; сравнению с порошком, прошедшим водородно-вакуумный отжиг, что связано с более высоким содержанием углерода (1,2 % против 0,8 %). Хорошая прессуемость такого порошка, несмотря на довольно вы-

сокую микротвердость, обусловлена структурой зернистого сорбита с •'елкими избыточными карбидами округлой формы.

Кроме того, предложенный режим предварительной термической обработки порошка в атмосфере осушенного водорода обеспечивает восстановление водораспыленного порошка о высоким исходным содержанием кислорода ( 0,8 % ) до уровня ОД...0,12 %. Это позволяет исключить из технологического цикла длительный и энергоемкий вакуумный отжиг, приводивший -К тем же результатам по содержанию .остаточного кислорода, но при этом провоцирующий глубокое обезуглероживание поверхности частиц порошка.

В. 4. Отработка технологических'параметров спекания заготовок из пороша стали 10Р6М5 после термической обработки в атмосфере осушенного водорода

Для экспериментальной проверки полученных результатов термодинамических расчетов и выбора направления оптимизации параметров низкотемпературных стадий спекания использовали методику планирования эксперимента. При составлении матрицы 2 -®-3- эксперимента учитывали ранее полученные данные: на плотность заготовок•после спекания и остаточное содержание в них кислорода оказывают влияние как число ступеней нагрева, • так и температура и длительность выдержек на каждой из ступеней.

Обработка результата с помощью ППП "Statgraphics" позволила рассчитать коэффициенты уравнения регрессии, описывающего влияние параметров предварительного спекания на .содержание остаточного кислорода и плотность образцов после предварительного и окончательного спеканий. Все полученные уравнения регрессии адекватны-экспериментальным результатам, и поэтому испольаованы для акалиаа. влияния параметров спекания на-плотность и содержание остаточного кислорода в образцах, а также- для выбора оптимальных режимов предварительного спекания.

Установлено, что температура первой ступени (800...850 °С) практически не влияет на окончательную плотность и плотность после предварительного спекания. В низком вакууме процессы восстановления оксидов твердим углеродом начинаются с 800 °0, и вцдоря-

¡са в этом температурном интервале нукна для более полного удаления продуктов реакций.

Наиболее значимое влияние на содержание - кислорода и плотность окаеыггмт температура и время второй ступени (950...1CG0 °С). Исходя из полученных данных, оптимальная температура второй ступени, обеспечивающая высокую плотность и низкое содержание остаточного кислороде,.ссзтшшбх С75 °С. '

О ростом температуры третсен ступени (от 1100 до 1150 °С) значительно уменьшается плотностг- заготовок, а также растет содержание остаточного кислорода, что, очевидно, обусловлено формированием на поверхности заготовки плотной корочки,. затрудняющей •отвод продуктов восстановления.

На основе полученных данных (плотности после предварительного и окончательного спеканий, остаточного содержания кислорода-и углерода.в спеченнчх -еаготсЕгслк) првзлолод следующий режим предварительного спекания (рис.й): нагрев с печью до 600-650 °С, выдержка в течение 1 ч для отгонки пластификатора; нагрев до 810 °С со скоростью 100 °С/ч ч выдержка при этой температуре 1 ч; нагрев ва 1 ч до S75- °С и выдержка в течение 1 ч.

Установлены оптимальные температуры заключительной стадий спекания. Для заготовок из порошков, прошедших только водородный отжиг, зта температура составляет 1565 °С. При этом получается компактный материал с низким остаточным содержанием кислорода (0,04 %), высокой плотностью (66...98 X от теоретической) и мелкими (З...4мкм) равномерно распределенными карбидами. Спекание при температурах, ниже указанных,-не.обеспечивает-требуемой плотности компактного материала, при превышении' этих температур происходит укрупнение карбидной фазы, и образуется эвтектический каркас.

Одновременно с определением параметров спекания выясняли пэ-лесообразность введения микродобавок дополнительного энергичного восстановителя (бора) и использования порошков с пониженной прес-суемостью, что позволило бы значительно сократить продолжительность рафинирующе-смягчающего отжига.

Из литературы хорошо известно, что с этой целью аироко применяются присадки бора в количестве до. 2...3 %, обеспечивающие появление жидкой фазы в процессе спекания. Но такой вариант свя~.

ван с появлением эвтектическое; каркасной' структуры. В то же время, в работах, выполненных ранее в 7ГУ, было 'показано, что положительное влияние на спекание сплавов -на основе железа оказывают добавки бора в количестве 0,02...0,10 %.

В порошковую смесь вводили в качестве восстановителя аморфный бор в количестве 0,02; 0,05; 0,1 %. Установлено, что если исходная плотность прессовок обеспечена на уровне 6,5...6,8 г/см3, то бор не оказывает заметного влияния на плотность спеченного материала, но, в то же время, являясь хорошим восстановителем, ' обеспечивает более глубокое рафинирование от кислорода. В случае, если плотность прессовок ниже рекомендуемой, введение бора увеличивает прирост плотности.

Установлено оптимальное количество вводимого бора - 0,05 Меньшее его количество не оказывает заметного влияния на прирост плотности, а при большем содержании бора по границам верен обра-вуются участки легкоплавкой ггтектики.

Проверена перспективная возможность разделения процесса спекания на два этапа: низкотемпературное спекание (до 1000 -°С), осуществляемое в вакууме 10 МПа, и высокотемпературное (окончательное) спекание в вакууме 10 ~2 МПа. При этом получен компактный материал с необходимыми значениями плотности, остаточного содержания кислорода и мелкими равномерно распределенными карбидами. Разделение процесса спекания позволит уменьшить нагрувку. на высоковакуумное оборудование.

Исследования показали, что рекомендуемые в литературе режимы окончательной термической обработки порошковых быстрорежущих сталей обеспечивают требуемый уровень механических свойств компактного материала. Эти режимы одинаковы для ваготовок из порошков, отожженных как в водороде, так и в вакууме. ■

Промышленная апробация в АО "Полема-Тулачермет" предложенной технологии обработки Бодораспыленного порошка подтвердило представленные выше результаты исследований.

Таким образом, полученные данные по плотности, твердости, размерам и распределению карбидной фазы, остаточному содержанию кислорода в спеченном материале свидетельствуют о том, что по ре-ЖУЕ1ИМ свойствам й стойкости полученный инструмент не должен уступать аналогичному инструменту, . изготовленному по принятой в нас-тояадй момент технологии.. В то же время Предлагаемая технология

сопагыв&лт супгвотввлаос снижеиге знерго- ц трудозатрг.г па ули*.--якруздо-смягчающую обработку водораспыленного порошка и, следовательно, уменьшение себестоимости готового инструмента.

3. 0В1ДЙК ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

, 1. Изучено влияние температурно-временных параметров спека-£орцирэБаииа сяруктуры аагокмкж и« пор« «яков водораепня?!?-

:;сй стали' ЮРСЬ», подвергнутых различней предварительной термической обработке с целью уменьшения остаточного содержания кислорода. Выявлено, что при спекании заготовок на порошка, подвергнутого дополнительному отжигу в вакууме, уже при температуре спекания ■ ниже оптимальной формируется каркасная структура по межчастичным границам.

Установлено, что каркас предстазляет- собой ферритную сетку с - грубыми включения';.::: кпрбидэо цгыентптЕого типа. Причиной образования подобного каркаса является обезуглероживание приповерхностны/. слоев порошинок при высокотемпературном вакуумном отяелге. Предложена феноменологическая модель Армирования каркасной структуры и процессе охлаждения заготовок после заключительной счасия спекания.

2. О использованием термодинамических расчетов установлена и эгёспертжтаяыю подтверждена восмошгость восстановления сста.точ-ксго ¡хедерода на начальных стадиях- спекания холоднопрессованных заготовок за счет избыточного углерода, содержащегося з псрсгг-с.'

3. быбрла и нролерен на практике способ озушкн аодорода ну-•.-'-'И иге пропуска!«!.-; слоем чешуйчатого хрома, " нагретого до 800-1000 °С. Показана возможность использования в качестве реагента-осушителя различных хромистых отходов, что позволяет сни-

^".тсат;; обработку дорсикл.

Седана лабератг.ряая устаноека для проведения рафинирую-щд-ома1-чам«,ей обработки порошка к поученном водороде, осисвньыц которой являются дяе трубчатые печи, ¡зднтейиер осушки .^порода ц ¿-.сатейьзр.тсриглческои обработки . порошка, показавшая высокую надежность, универсальность и эффективность при значительной степей*,! подобия проиыялеглто«у оборудованию аналогичного назначения.

4. Разработана и обоснована новая технология рафинирую-ще-смягчающей обработки порошка в водороде, включающая ускоренное охлаждение с высоким отпуском, обеспечивающая остаточное содержание кислорода О,10...О,12 прессуемость не хуже, чем у отожженного в вакууме порошка (>6,5 г/см3 при давлении прессования 8 т/см2), при одинаковом содержании углерода, и исключающая обезуглероживание поверхностных слоев порошинок. Зто позволяет исключить из технологического цикла дополнительную вакуумную обработку.

5. Показано, что для получения качественного спеченного инструмента из порошка, прошедшего предварительную обработку в осушенном водороде, оптимальный режим спекания следующий (при плотности прессовок 6,5...6,8 г/см3): нагрев с печью до 600...650 °С, выдержка в течение 1 ч для отгонки пластификатора; нагрев до., 810 °С со скоростью 100 °С/ч и выдержка 1 ч; нагрев за 1 ч до 975 °С и выдержка в течение 1 ч; нагрев за 1 ч до 1265 °С, выдержка 30 мин. Такое спекание обеспечивает получение компактного материала с низким остаточным содержанием кислорода (0,04 %), высокой плотностью (96...98 % от теоретической) и мелкими (3...4 мкм) равномерно распределенными частицами избыточной фазы.

6. Для порошка с пониженной прессуемостью (6,0...6,5г/см3) введение в смесь микродобавок бора в количестве '0,05 % мае. способствует активации спекания и получению компактного материала с плотностью, близкой к теоретической.

7. Промышленное опробывание в АО "Полема-Тулачермет" предложенной технологии обработки водораспыленного порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 подтвердило результаты исследований и показало возможность существенного снижения энерго- и трудозатрат на данном этапе, а, следовательно, уменьшения стоимости готового инструмента (Технический акт использования научно-исследовательсютй работы "Разработка энергосберегающей технологии изготовления режущего инструмента из порошковой быстрорежущей стали").

4. ПубЛККЯЦЯ! ПО psfiCÎTG

1. Ушаков C.B.,, Золотарева В.Г., Боголюбов Н.В. Разработка энергосберегающей технологии изготовления металлорежущего инструмента из порошковой быстрорежущей стали.//Вторые Демидовские чтения. Тула, 1996, с. 130-133.

2. Гринберг Е.М., Золотарева В.Г. Производство металлорежущего инструмента из порошковой быстрорежущей стали.//Материалы V К&дуздхдаой ксь^еренции ''Мтувльнне проблемы мат^ркзясесдгжп " металлургии". Новокузнецк, 1997, с.121.

3. Гринберг Е.М., Золотарева В.Г., Федосов O.A. Влияние дефектов на формирование феррито-карбидного каркаса в быстрорежущей стали 10Р6М5полученной методом порошковой металлургии.//Материалы IX- Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неуп- . ругие явления в твердых телах". Тула, 1997, с.135.

4. Гринберг Е.М., Золотарева В.Г., Федосов O.A. Активирование спегазпия перозкоз СЫСфореяущей стали"10Р6М5 малыми добавками бора. //Изв. ТулГУ. Серил "Машиностроение". Вып. 1, Тула, г997, с.91-96.

5. Золотарева З.Г. Физическая модель формирования феррито- карбидного каркаса б быстрорежущей стали 10Р6М5, полученной методом порошковой металлургии.//Материалы Всероссийской молодежной научной конференции "XXIII Гагзринские чтения". Москва, '1997, с. 80.

.. ТЧМДПваяа в /А <Ч*егг=т i/ifl_ ytJTm тет^ф. «г. 2.

С>тата.г£< rît». кпл Уея. s f.-ort. / v . /-Tfcpie/ïrsica.

Ci c.

■ Туймжжа гесукфлззкгиа ' уяавжреяяж. jOSS^tî,' Туда, epees. Левша, S2. Ее^гвгг-леягг ссггагоглсЯ юлгтргфкз Z^xusmcta госгдярсъсяг.ою yiwpl

■ esjwt. j;>5C3 7Via, psJ&Wib, i£î.