автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка металлических порошковых материалов, закономерности структурообразования и механических свойств при их изготовлении

На правах

Мурашова Наталья Александровна

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ

Спейциальность: 05 02 01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород, 2004г

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Сорокин Всеволод Константинович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Шмаков Геннадий Сергеевич (Н Новгород)

кандидат технических наук

Глебов Владимир Васильевич (Н Новгород)

Ведущее предприятие - ОАО «Выксунский металлургический завод», г Выкса Нижегородской обл

Зашита состоится «14» декабря 2004 г в «15 00» часов на заседании диссертационного совета Д 212 165 07 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу 603600, ГСП-41, г Нижний Новгород, ул. Минина, д 24, корп №1,ауд _

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим высылать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан «_»__2004 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В А Ульянов

Ъ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задачи ускорения научно-технического прогресса вызывают необходимость разработки материалов и эффективных технологий их изготовления, основанных на изучении структурообразовання и формирования свойств, в частности, в порошковой металлургии

Одним из важных направлений развития в материаловедении является расширение области применения порошковых материалов, что связано с повышением уровня физико-механических свойств Закономерности консолидации порошковых тел и достижения заданных свойств изучали А Зауэрвальд, Я И Френкель, Б Я Пинес, М Ю Бальшин, Г Г Кучинский, X Хаузэнер. Р Кикджери, Р А Андриевский, Я.Е Гегузин, В А Ивенсен, В В Скороход, Г В Самсонов, И М Федорченко, М С Ковальченко и др Усгановление закономерностей структурообразовання порошковых материалов остается актуальной задачей, в частности, создание оптимальных технологических процессов изготовления порошковых материалов с заданным комплексом свойств, способами формования и спекания порошков Исследуемые < композиционные материалы широко применяются в машиностроении, так система «металл' графит» используется при изготовлении антифрикционных материалов, система «металл-алмаз» -^ изготовления инструмента, система Си-Км - в качестве антифрикционных и конструкционных материалов, для изготовления высокопрочных материалов применяется композиция Ьп-Мо, а так же псевдосплавы типа Си-М/, Си-Мо

Среди множества композиций широкое применение имеют композиции на основе железа, никеля и меди, особенно многокомпонентные дисперсионно-твердеющие Их использование позволяет создавать порошковые материалы с высокой прочностью, вследствие образования дисперсных фаз в процессе закалки и старения

Однако, эти композиции и их структурообразование изучены недостаточно полно Цель работы Установление закономерностей процессов структурообразовання и формирования физико-механических свойств при формовании и спекании двухкомпонентных порошковых композиций на основе железа, никеля и меди с различным типом взаимодействия компонентов в твердом состоянии и разработка технологии изютовления некоторых дисперсионно-твердеющих четырех компонентных порошковых материалов на основе железа и никеля с высокими прочностными свойствами

Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решения следующих задач

1 Установление закономерностей уплотнения пористьтх тел при прессовании двухкомпонентных порошковых композиций -

2 Изучение влияния твердых дисперсных наполнителей на процессы прессования и спекания порошковых композиций

3 Получение концентрационных зависимостей усадки, пористости и микротвердосги порошковых двухкомпонентных материалов при спекании для случаев полной растворимости, ограниченной растворимости и отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии

4 Изучение влияния химического состава четырехкомпонеитных композиций Ре-Си-Мо-Со и N1-Ре-Си-Бп на механические свойства после формования и спекания

5 Получение математических моделей и графоаналитических зависимостей «свойства - состав» с целью установления влияния легирующих элементов на характеристики дисперсионно-твердеющих композиций, оптимизации химическою состава четыреккочпонетных листовых материалов и режимов обработки, обеспечивающих изготовление высокопрочных материалов

6 Рафаботка программы для ЭВМ «Система моделирования двухкомпонентных порошковых композиций»

7 Разработка технологии изготовления дисперсионно-твердеющих листовых материалов из композиций Рс-Си-Мо-Со и М]-Ге-Си-8п

Начиная новизна работы заключается в следующем 1 Установлены закономерности уплотнения пористых тел при прессовании порошковых композиций на основе железа, никеля и меди с ^велением-дисперсные твердых наполни!елей в

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ : »ИМ ПОТЕКА 1

зависимости oí концентрации второго компонента с использованием аналитических формул M К) Палмншм К Конопиикого, А И Николаева ИД 1'адомысельского и M II Щербаня

2 Получены концентрационные зависимости линейном и объемной усадки, пористости, микро твердое ги для порошковых двухкомпонентных композиций на основе железа, никеля и меди для случаев с полной и ограниченной растворимостью и отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии

3 Установлены закономерности влияния чиспсрсныч алмазных наполнителей и других твердых включений, состава порошковых композиций на уплотняемое il, пористых те i. показатели прессуемости и спекаемоети порошков

4 Создана программа для ЭВМ « Система моделирования двухкомпонентных порошковых композиций», позволяющая акали »ировать показатели прессуемости серии порошковых композиций из базы данных и предназначенная для решения задач выбора оптимальных порошковых композиций

5 Получены математические модели зависимости объемной \салки, изменения пористости, предела прочности при растяжении и микротвердости в зависимости oí химического состава четырехкомпонентных композиции железо-медь-молибден-кобальт и никель-железо-медь-олово, в соответствии с матрицами планирования экспериментов

6 Разработаны технологические процессы изготовления листовых материалов из дисперсионно-твердеюших четырехкомпонентных порошковых компо)иций желею-медь-молибден-кобальт и никель-лселезо-медь-олово

Достоверность полученных ретультатов обеспечивается значительным объемом и носпрои 1водим остью зкепериментальных данных, применением современных методов изучения прессуемости, спекаемости и физико-механических свойств порошковых композиций, применением и обоснованностью методов математического моделирования с получением адекватных моделей, промышленным опробованием технологии изготовления материалов

Практическая ценность работы.

1 Получены численные значения показателей прессуемости порошковых двухкомпонентных композиций, апробированы по формулам разных авторов, создана программа для ЭВМ «Система моделирования двухкомпонентных порошковых компотций»

2 Установлены численные значения усадки, пористости и микротвердости двухкомпонентных порошковых композиции на основе железа, никеля и меди для случаев с полной и ограниченной растворимостью и отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии при спекании - _

3 Установлены составы и технолоЖческие режимы и технологии изготовления дисперсионно-твердеюших четырехкомпонентных порошковых материалов Ni Fe Cu Sn и Ье-Cu-Mo Со обеспечивающие высокис прочностные свойства но сравнению с существующими аналогами для и 1готовления отрезных кругов

4 Проведено промышленное опробование технолотии изготовления четырехкомпонентных листовых материалов в производственных условиях цеха порисюто проката ОАО «Выксунский металлургический завод»

5 Результаты работы испотыованы при прове тении учебных практических занятий по дисциплине «Управление структурой и свойствами порошковых материалов» для магистрантов 6-го курса по магистерской програуше ">51606 в Нижегородскоут тосударственноут техническом университете

Основные положения, представляемые на защиту.

1 Установленные закономерности уплотнения пористых тел при прессовании порошковых двухкомпонентных композиций различною состана на основе железа, никеля и меди

2 Установленные концентрационные зависимости усадки пористости микротверлости и ути кроет рук туры двухкохтпоиентных порошковых композиций для с ту чаев с наличием подпои раствориуюсти и отрантменной расзвориузости компонентой и отсутствия растворимости компонентов и твердом ечк юянии

т .. *

К it i í

•К*--" ' i 4

м У

3 Установленные закономерности и математические модели влияния химическою состава чешрехкомпонентных порошковых компошпий желеш-медь-чолибден-кобалы и никель-железо-медь-олово на их характеристики после спекания и ряда циклов холодной прокатки и 1ермической обрабогки

4 Технология ииотовления высокопрочных четырехкомпонентных материалов Ге-Cu-Mo-Co и Ni-Fe-Cu-Sn

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обс)жцены на на\чно-технических конференциях XI международная научно-практическая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ'2003», г Томск , 2003 г , по результатам работы конференции получен диплом. «Fifth International Young Scholar's Forum of the Asia-Pacific Region Countries», Russia, с Vladivostok, 2003, по результатам работы конференции получен диплом за лучший доклад, «Международный форум по проблемам науки, техники и образования», Россия, г Москва г 2003 , 111 межв\ ювская научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы металлургии», г Екатеринбург. 2003г , Нижегородская сессия молодых ученых секция «Технические науки», 2002г, ЗООЗг. 2004г, 1! региональная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки нижегородского региона», г Н Новгород, 2003г, III Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», г Н Новгород. 2004г, научно-техническая конференция ФМВ Г «Материаловедение в машиностроении», г Н Новгород 2000г , на> чно-техническая конференция ФМВТ «Материаловедение в машиностроении», г Н Новгород, 2001 i

Представленная работа получила диплом пауреата премии Ученого Совета НГТУ и стипендии имени академика Г А Разуваева № 797 за 2002г, Л1944 за 2003г, стипендию правительства РФ за 2003г и выполнена в соответствии с направлением научных исследований, проводимых по заданию Министерства образования и нахки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых материалов с заданными свойствами» Тема зарегистрирована во Всероссийском научно-техническом информационном центре номер государственной регистрации 01 0 40 000342 от 24 марта 2004 года Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ в сборниках статей научных трудов и тезисах докладов, получено свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ

Лнчный вклад авюра. Состоит в выполнении всего объема экспериментальных исследований, получении теоре!ических и экспериментальных рез\ ннагов >частии в проведении промышленного опробования технологических процессов изготов\мня четырехкомпонешных листовых материалов состава желею-медь-молибден-кобальт и нике 1ь-я.елезо-медь-олово Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав выводов списка литературы из 192 наименований, приложений Изложена на 229 страницах, имеет 112 рисунков и 34 таблицы

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАШ1 Ы Во введении обосновывается актха тьность исследований связей межд\ видом взаимодействия элементов двухкомпонентных и четырехкомпонентных порошковых композиций, параметрами технологии изготовления высокопрочных материатов стр\ктурой и комплексом физико-механических свойств, отмечается научная новизна к практическая ценность диссертационной работы сформулированы положения, выносимые на зашит\

В первой главе сделан обзор литературных данных об основных закономерностях формирования структуры порошковых материалов определяющих уровень их физико-механических свойств Проанализированы методы образования структ\рных составляющих и математические ¡ависимости, описывающие процессы унюшения порошковых тел при формовании и спекании

Показаны основные зависимости изменения в зеренной струкпре и поровом пространстве при спекании порошковых компомций Установлено что на процесс спекания

многокомпонентных порошковых систем оказывают влияние явления гетеродиффу ши, в системах с ограниченной растворимостью компоненте в тнерлом состоянии наряду с монотонными концентрационными зависимостями усадки наблюдаются аномалии, связанные с образованием ишсрметаллидной фазы, которая ухулшаеI с[1екаемость порошкового тела В системах с огсу1ствием растворимости компонентов в твердом состоянии усадка лимитируется поведением >лемента с меньшим значением температуры плавления в системах с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии усадка уменьшается по мере увеличения содержания одною и! компонентов, а при малых временах спекания наблюдается рост, который зависит от начальной пористое ж

Обзор литературных источников показал что теории описывающие поведение порошкового тела в условиях упругой и вязкой деформации, не учитывают пластическую деформацию при наличии больших сдвиговых деформаций Не сформулированы общие 1акономерности по границам стадий уплотнения порошковых компошций при формовании Существующие закономерности процесса спекания носят качественный характер, основные параметры спекания принимаются опытным путем, бе; глубоких объяснений и обоснований, т к к порошковым материалам нельзя применять режимы и технологические процессы термической обработки компактных сплавов На основе анализа состояния исследуемою вопроса сформулированы приведенные выше цель и задачи исследования, решение которых и составило основное содержание работы

Во второй главе, исходя из поставленных задач, обоснован выбор материалов (объектов исследования), методов исследований оборудования, режимов проведения исследований Приведены характеристики исходных металлических порошков В качестве исходньгх порошков для композиций, подвергнутых исследованиям, были выбраны порошки железа (ПЖРВу 22 200 28 , ПЖРВу 23 056 21), никеля (ПНК-ОТ1. ПНК-1Л5), меди (ПМС-1), кобальта (Г1К-1у), вольфрама (ПВТ) и молибдена (МПИ) Материалы на основе железа, никеля и меди занимают большой объем в промышленности и широко используются для изготовления порошковых изделий

Определение численных значений показателей прессуемости осуществляли в соответствии с методиками, предложенными следующими исследователями М Ю Бальшин. А Н Николаев, К Конопицкий, И Д Радомыселъский и Н И Щербань Для изучения механических свойств 'микротвердость, прочность при растяжении) применены стандартные методьг Микротвердость определяли вдавливанием алмазного наконечника с нагрузкой 0,490 Н на приборе ПМ1-3 Микрофотографии шлифов получены на микроскопе при увеличении х500 Результаты измерений обрабатывались с применением методов математической с!агистики Для определения оптимального состава и технологии изготовления чегырехкомггоментного высокопрочного материала использован метод математического моделирования

В третьей главе выполнено исследование изменений пористости и показателей уплогняемости композиций сметалл-алмаз» при прессовании смесей поротной в брикеты, давление прессования изменялось в интервале от 0 до 100 МПа Изучены кониешрационные зависимости пористости, а также влияние размера зерна алмазов от 3/5 до 80/63 чкм на пористость алмазосодержащих композиций на основе меди (ПМС-1) и железа (ПЖРВу 22 200 28 )

1 Увеличение содержания алмаза в образцах на медной основе марки ПМС-1 спрессованных при давлении, равном 39 МПа. от 0 до 18 83 мас% увеличивает пористость от 28 7% до 50.2%

2 Уменьшение дисперсности алмазного порошка ведет к снижению пористости с 32 4% до 22,2% (давление прессования 39 МПа) и с 14.7% до 12 4% (давление прессования 72 МПа)

3 Установлены численные значения показателей хплотняемости по формулам М Ю Бальшина, К Конопицкого, АН Николаева ИД Радомысельского и НИ Щербаня и выполнен анализ характеристик уплотняемости смесей «медь-алмаы <</кепезо-алмаз» и «железо-графит» (рис 1 табл I)

4 Показано, что логарифмическое уравнение М Ю Бальшина описывает процесс прессования в большом интервале изменений давления прессования

Выполнено исследование изменений пористости и других характеристик прессуемое ги композиций «металлическая матрица - твердый наполнитель» при формовании смеси порошков в брикеты Изучено влияние содержания твердого наполнителя (от 0 до 20 мае %) при использовании в качестве основы комшниций меди марки ИМС-1, никеля ПНК-ОТ1 и ГШК-1Л5, железа марки ПЖРВу 22 200 28 . а также влияние формы частиц фракций никелевого порошка

1 Пористость двухкомпонетпных прессовок уменьшается с введением порошка вольфрама,

2 Введение медного порошка в двухкомпонентную порошковую композицию снижает пористость прессовок.

Таблица 1 - Расчет характеристик прессуемости по формулам МЮ Бальшина (1, т) К' Конопинкого (А), А Н Николаева (С), И Д Радомысельского - Н И Щербаня (п)

Концентрация наполнителя, мае % 1 т А 1750,0 С П| т П1

0,0 1,55 1,04 4,75 - - - ~0,4(Г

1,0 4,26 1222,2 0,65 ^0,27 0,40

3,0 1,28 4^69 1122,2 0,71 0,25 0,32 0,30

5,0 1,44 5,16 1044,0 0,72 0,18 0,27 0,20

10,0 1,78 5,95 970,0 0,73 0,15 0,17 0 13

15,0 4,43 7,23 855,0 0,73 0.07 Го,11 0,13^

20,0 6,50 7,65 - - "~0,06 0,10 0,01

1 96 1.34.

л.вг 1.в 1.88 1 86 1.84 1.82 1.8 1.78 1,76 1.7« 1.72 1 7 О

сГ - - л,- '

-' А'

/=>

/

^ -

Л

9

-

- 22 2«

- -32

- -Зв

- -АО

- ■ 42

-

- - 48

- - 50

1 2

1.4

Рис.1. Зависимость относительной плотности прессовок от давления прессования на основе меди с алмазным наполни гелем: А- 10,39 мас.% ЛС'М 20/14; г - 10,39 мае.% АСР 80/63; Д - 5,48 мае. % 4СР 80/63 и на основе железа с наполнителями: • - 10,39 мас.% АСР 80/63; о - 1,95 мас.% I рафи 1а.

3 Введение порошка кобальта в дв\\компонентн\ю порошковую композицию повышав! «начения пористости прессовок,

4 Насыпная плотность определяет прессуемость порошковых композиций на начальном этапе прессования, с увеличением насыпной плотности наблюдается снижение пресс>емости брикетов В дальнейшем насыпная плотность не окашвает существенного воздействия на пресс>емость порошковых двухкомпонентных композиций

5 Сферическая форма частиц порошка \х\дшает характеристики пресс>емости порошковой двухкомпонентнои композиции

Выполнен анализ прессуемоеги смесей «металлическая матрица - твердый наполнитель» с исполь ювамисм литературных шнных по формулам М К") Ьалынипа, К Конопицкого, АН Николаева, ИД Радомысельского и НИ Щербаня, установлены численные значения констант (рис 2 ) Проведенный анализ ио папиого уиложения пористых порошковых двухкомпонентных композиций пока ил что композиции на никелевой и железной основах при прессовании проходят все |ри папа прессуемости

Результаты, полученные при анализе прессуемости вошли в программу для ЭВМ «Система моделирования двухкомпонентных порошковых композиций» Программа позволяет анализировать показатели прессуемости серии порошковых композиций и предназначение для решения задач оптимизации процесса прессования порошковых композиций

Риг.2. Зависимость значения констант прессования L, m и А по полулогарифмической и логарифмической формулам М.Ю. Бальшина и формуле К.Коиопицкого от концентрации второго компонента.

Смеси порошков 1 - железо-графит, 2 - железо-кремний, 3 - медь-алмазный порошок АСР 80/63

В четвертой главе выполнено исследование изменений пористости, линейной и объемной усадок микротвердости спеченных композиций «металл - металл» и «металл-алмаз» Результатами является анали! взаимосвязи диаграмм состояния двухкомпонентных композиций и концентрационных зависимостей характеристик спекаемости

1 Установлено, что с увеличением содержания второго компонента в двухкомпонентной системе Ni-Co с неограниченной растворимостью в твердом состоянии наблюдается небольшое уве шчение усадки как по линейным размерам так и по объему, при ном пористосгь незначительно уменьшается Микротверлость уветичивается с повышением содержания кобальта в системе «металл - металл» чю связано с формированием твертого раствора (рис 3)

2 Система Cu-Ni с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии отличается тем что с увеличением сотержания меди до 50 мае %, происходит рост размеров, обусловленный iетеролиффузией Микротвердость композиции Cu-Ni максиматьна при равном соотношении компонентов

3 В сиаемах с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии наряду с монотонными зависимостями усадки от количества наполнили в сплавах наблюдакнея аномалии в случаях образования на этом ттапе ингерметаллидных фаз Повышенное содержание кобальта и железа в системах с ограниченной рас творимое 1ью компонентов в твердом состоянии бе! образования интермегаллилмых соединений Си-С'о (рис 3| и Cu-Ге приводи! к увеличению-уса тки Максимальное значение усадки достигается в системе Сн-[-е при содержании меди в интервале от 90 до 100 мае %

4 В сиаемах Ni-W Ni-Mo Ге-Мо. Ге-W (рисЗ) Ni-Sn с офаниченной растворимостью компонентов при образовании интермешлдидов в твердом состоянии наблюдается уменьшение линейнои и объемной уса юь Концен[рационные кривые \саток имею! параболический xapaKiep при со 1ержании второю компонента в интервале от 20 то 90 мае % происходит роет затем усатка

увеличивается Пористость при увеличении содержания и)ученных вторых компонентов увеличивается Микротвердость таких систем растет с увеличением концентрации XV и Мо, достигает максимальных значений в интервале их содержания от 60 до 80 мае % в результате образования интерметаллидных соединений

5 В системах Си-М/ (рис 4) и Си-Мо, а так же Си- алмаз, с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии, с увеличением содержания V/, Мо или алмаза наблюдается уменьшение усадки Показано, что в системе Си-\У с отсутствием растворимости компонентов усадка уменьшается до нуля при содержании вольфрама 80 мас%, а в системе Си-Мо усадка уменьшается до нуля при содержании молибдена 50 мае % Концентрационная кривая микротвердости по характеру аналогична концентрационной кривой усадки В системах Си-Мо с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии пористость растет при содержании в композиции Мо более 20 мае %

Рнс.З. Диаграммы состояний \i-Co, Со-('и, Ре-\\ (а), кон пен I рационные записимости усадки по объему (б) и диаметру (в), пористости после спекания (>) и микротвердости (д).

■ ' г'' Гмин 5сс

О го во »о И/,с/.

Рис.4. Концентрационные зависимости усадки по объему (а) и диаметру (б), пористости (в) и микротвердости (г) после спекания порошковых композиций СиЛУ (случай отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии).

Изучено влияние содержания от 0 до 100 мас% дисперсных твердых наполнителей и алмаза при использовании в качестве основы композиций порошков меди марки ПМС-1, никеля марки ПНК-1Л5, железа марки ПЖРВу 22 200 28 , а также влияние размера зерен алмазов от 3/5 до 80/63 мкм

1 С увеличением содержания алмаза пористость после спекания уменьшается, линейная и объемная усадки также уменьшаются

2 При меньшей дисперсности алмаза пористость увеличивается, аналогично ведет себя линейная и объемная усадки

3 С увеличением давления прессования линейная и объемная усадки уменьшаются

4 Композиции «железо - графит» обладают большими значениями изменения пористости после спекания, чем у композиции с алмазом.

5 Более высокая объемная усадка наблюдается у композиции «железо - графит», чем у композиции «железо-алмаз»

6 Рост линейных размеров наблюдается смеси на железной основе с алмазом марки АСР 80/63 в интервале давлений прессования от 40 до 100 МПа

В пятой главе разработаны две разновидности порошковых дисперсионно-твердеющих материалов на основе железного Ие-Си-Мо-Со и никелевого порошков ЫьРе-Си-Яп При выборе состава композиций для исследований проведен анализ двух- и многокомпонентных диаграмм состояния с наличием переменной растворимости, учтен опыт исследования дисперсионно-твердеющих материалов

За основу никелевого материала принята композиция никель - железо - медь с дополнительным легированием оловом, а в качестве материала на железной основе взята композиция железо - медь - молибден с дополнительным введением кобальта Такие материалы являются дисперсионно-твердеющими, упрочняемыми закалкой с получением пересыщенного твердого раствора и старением Выполнено исследование влияния состава этих двух четырехкомпонентных порошковых композиций на характеристики уплотняемости при спекании и механические свойства после формования, спекания и механико-термической обработки Изучено влияние содержания компонентов при использовании в качестве основы композиций железа марки ПЖРВ23 056 21 и никеля марки ПНК-1Л5, а также изменение механических свойств при изготовлении листовых материалов С целью прогношрования характеристик и определения оптимальных составов порошковых композиций и технологических режимов изготовления порошковых лент использована методика полного факторного эксперимента

Для композиции Ре-Си-Мо-Оо изменяемыми факторами являются содержание следующих компонентов X, - мель Х; - молибден Х> - кобальт В качестве основною уровня и интервала варьирования приняты для X, 5 и 2 мае % X, - 3 и 2 мае % X, - 3 и 2 мае %

В случае порошковой композиции Ы|-Ре-Си-5п и »меняемыми факторами приняты содержание X, желоо, X; медь, X! - олово В качестве основного уровня и интервалов варьирования установлены для Х| 20 и 3 мае %, X2 10 и 3 мае %, X? - 8 и 2 мае %

На основании жепериментальных данных получены уравнения регрессии У образцов, и II отпиленных способом прессования и спекания, определяли линейную (У|) и объемную усадоку (Уз), пористость после спекания СУт), микротвердость (Уд) Для листового порошкового материала изучали объемную усадку (У;), изменения пористости после спекания (У}), предел прочности при растяжении после 1-го (Ул) и 2-го циклов механико-термической обработки (У7), заключительной холодной прокатки (У»), а также микротвердость после последней прокатки (У.,) от содержания компонентов композиции Ре-Сц-Мо-Со и М-Ре-Си-Бп (Х|, Х2, X; сскмветственно)

Для материалов, полученных методом прессования смесей Ре-Си-Мо-Со, уравнения

регрессии имеют вид

У,(ДЬ/Ъ)= 0,80 + 0,27Х, - 0,12 Х(Х3 - 0,17Х2Х, + 0,30Х,Х2Х3 (I)

У2(ДУ/У)=-2 -0,61Х1-0,27Х, + 0,29Х2Х1-0,88Х1Х2Х, (2)

Уз(П С11) = 3,59 - 0,42 Х,Х2 - 0,40Х2Х, + 0,95Х,Х2Х, (3)

У<(НУ)= 1202,42 + 116,00Х, - 132,42Х,Х, + 233,00Х2Х, + 124^5Х,ХгХх (4) В случае материала М-Ре-Си-Ял получены следующие уравнения регрессии

У|(ДЬЛ)) = У=3,69 - X! -0,41 Х-> -О.З6Х3 - 0,32 Х2Х3 (5) У2 (ДУ/У)=4,65 - 1,68Х| 1,55 Х2 1,47Х, + 1,10Х,Х2 + 0,76 Х,Х,+ 0,75 Х2Х,-1,35Х,Х2Х,(6)

У,(П .,,) = У=9,69 - 2,99Х| -1,32 X,-1,90Х,Х2Х, (7)

У4(НУ)- 1510,79- 173,26Х, - 101,25Х,Х2 - 213.05Х,Х3 - 132,12Х,Х2Х3 (8) Для материалов, полученных методом прокатки и спекания смеси Ре-Си-Мо-Со, уравнения регрессии имеют вид

У2(ДУ/У)=-0,04+0,07Х,-0,04Х2-0,08Х|Х2Х, (9)

У5(ДП/П)=-1,79+1,47Х!-1,73Х2+0,83Х3-2,27Х1Х2-0>70Х2Хг2)34Х,Х2Х, (10)

Уб(а„, ,,„„ )=300,10+30,48Х|-6,73Х2+63,08Х3-39,60Х|Х?-0,10Х,Х,+26,05Х2Х3+2,43Х,Х2Х, (11)

У7(ав,2,^)=417,21 +32,86Х]+61,51 Х,-31,28Х,Х:+16,51Х2Х,-13,79Х1Х2Х, (12)

У8(авл„,,,,„к )=523,09+37,44Х3+21,79Х,Х^-62,79Х1Х1Х, (13)

У9(НУЧ1,, „1ЮК)=2207.79+184,71 Х2-126 88Х,Х3-122,63ХгХ3 (14) В случае материала №-Ре-Си-8п получены следующие уравнения регрессии

У 2(ДУ/У)=-0,02X1+0,02X1+0,02X1X^0,02Х1Х}-0,02Х|Х2Х3 (15)

У,(ДП'П)=-0,85+0,22X1+0,13Х2+0,62Х3-0,10Х|Х2+0,22Х,Х,+0,13Х2Х,-0 13Х,Х2Х, (16)

У((ов,1„^365,64-17,59Х|-Ч0,19Х2+25,99Х,-9,74Х1Х2-9,19Х1Х^6,34Х2Х3+31,66Х1Х2Х3(17) У7(а„,2,„)=449,00+9,55Х^10,50Х2-18,58Хз+19,30Х1Х2+1,88Х1Хг15,18Х2Х,+ 10,28Х1Х2Х-, (18) У«(а„„,, 11р|,к )-698,93 +17.73Х,-» 31,30Х2+26,78Х,+8,05Х|Х2-10,88Х|Х.-32,10Х2Х,-1,00Х,Х2Х3 (19)

УЧ(НУЧ„, цр<ж)-2141,38+458,1ЗХ, Х2 (20)

Некоторые данные представлены на рис 5-8 Анализ графических зависимостей «свойство-состав» по построенным математическим моделям показал, что при содержании кобальта в интервале от I 0 до 1.2мас % и от 4.4 до 5,0 мае % меди - от 1 0 до 1 2 мае % молибдена от 1 0 до I 2 мае % можно прогнозировать максимальное уплотнение после спекания спрессованных обращов четырехкомпонентной порошковой компожции на основе железа марки ПЖРВу 22 200 28 ДП = 5,26%, ДЬИ - 10,8 %, ДУ/У =1,0°4, а так же высокие значения микротвердости НУ - 1543 Н/мм2

Образцы четырехкомпонентной порошковой компо!иции на основе никеля марки ПНК-1Л5 буду! обладать максимальными значениями характеристик уплотняемости после спекания при содержании олова в интервалах от 6,0 до 6,2 мае % и от 9,4 до 10,0 мае %, меди - от 12,2 до 13,0 мае % железа от 17.0 до 17 5 мае % и от 22 4 до 23,0 мае % ДП -12 90%, ДЫЬ - 4,88%, ДУ/У 3,68% и иметь высокие значения микротвердости НУ - 2198 Н'мм2

Н-1-1-1-1-1-1-[

1,о 1.4 1.3 2.2 2^6 Э.0 3,4 3,8 4.2 4,6 Г>0 Сс^'

Рис. 5. Расчетные данные по уравнению регрессии (9) зависимости изменения объемной усадки ленты при спекании композиции Ре-Си-Мо-Со от содержания меди X, и кобальта X}, Числа у кривых показывают значения ДУ/У,%. (5 мас.%. Мо).

Рис. 6. Расчетные данные по уравнению регрессии (10) зависимости изменения пористости ленты при спекании композиции Ке-Си-Мо-С'о от содержания меди Х| и кобальта Хэ Числа у кривых показывают значения АП/П,%.(5 мас.%. Мо).

7.0 "

4№ — я

а

--■—

1

\ /

х / к

\ \ / /

\ / / чВ>/

ч N / /

I---ь

0.4

н-

0,2

ч—

0,6

—I--

--1

Рис. 7. Расчетные данные по уравнению рег рессии (13) зависимости предела прочности ленты после заключительной холодной прокатки композиции Ре-Си-Мо-С'о 01 содержания мели Х1 и кобальта Х3 Числа у кривых показывают значения предела прочности, МПа. (5 мас.%. Мо).

Рис. 8. Расчетные данные по уравнению ретрессии (14) зависимости микротвердости ленты после заключительной холодной прокатки композиции Fe-Cu-Mo-Co от содержания меди Х| н кобальта Хз, Числа у кривых показывают значения микротвердости, HV, Н/мм2 (5 мас.%. Мо).

Проведенные исследования показали, что листовой материал на основе железа марки ПЖРВу 23 056 21 при содержании кобальта в интервале от 1,0 до 1,3 мае % и от 4,9 до 5,0 мае %, меди - or 1.0 до 1,1 мае % и ог 4 7 до 5,0 мае %, молибдена от 1,0 до 1,5 мае % и при 5,0 мае % имеет максимальные значения характеристик уплотняемое™ после спекания АП = 6,09% Предел прочности при растяжении с каждым последующим циклом прокатки и отжига повышается на -100 МПа, происходит вследствие наклепа и снижения пористое ги Анализ показывает что возможно получение микротвердости HV = 2605 Н/мм2.После каждого цикла механико-гермической обработки HV увеличивается на -100 Н/мм2, что подтверждает эффект упрочнения за счет наклепа Относительное удлинение образцов после первой прокатки и отжига составляет 3%, после второй прокатки и отжига и после заключительной прокатки - 2% Листовой материал на желе ¡ной основе может быть использован для изготовления высокопрочных изделий в качестве металлической связки для алмазосодержащих композиций

У листового материала на никелевой основе марки ПНК-1Л5 с концентрацией 23 мае % железа, 13 мае % меди и 6 мае % олова получено наибольшее снижение пористости после спекания ДП = 14,9% При спекании формир\ется твердый раствора железа и меди в никеле Предел прочности при растяжении увеличивается на -100 МПа при проведении каждого цикла холодной прокатки и отжига и на 260 МПа после заключительной холодной прокатки в результате упрочнения материала при наклепе Высокие значения микротвердости HV = 2829 Н/мм} будут при содержании олова от 6,0 до 10,0 мае %. мели при 13,0 мае %. железа при 23.0 мае % После проведения двух циклов холодной прокатки и отжига микротвердость увеличивается на 150 HV, а после операции заключительной прокатки микротвердость возрастает от 2564 до 2829 Н мм2 ОI костельное удлинение после проведения заключительной операции прокатки составило3.0% Полученный листовой материал на никелевой основе может быть использован в качестве связки для алмазосодержащих композиций

В результате проведенных экспериментов установлено что листовой материал на основе жс1езиою порошка марки ПЖРВу 23 056 21 с высокими прочностными свойствами можно получить по следующей технологии прокатка из смеси порошков ленты толщиной 0,4 мм с последующим спеканием при 1120°С, уплотняющая холодная прокатка - термическая обработка (два цикла) до толщины 0,1 мм и заключительная холодная прокагка до 0,05 мм

Исследования, проведенные с листовым материалом чегырехкомпоненгной порошковой композиции на основе никелевого порошка марки ПНК-1Л5, показали возможность обеспечения высокой прочности при следующей технологии прокатка смеси порошков до толщины 0,4 мм с

последующим спеканием при 850('С, два никла упрочняющей обработки (холодная прокатка

термическая обработка) и окончательная прокатка до толшины 0,1 мм

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Установлены закономерности уплотнения при прессовании двухкомпонентных порошковых композиций в зависимости от вида и содержания второго компонента (от 0 до 100 мае %) Создана программа для ЭВМ «Система моделирования двухкомпонентных порошковых композиций», зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ за № 2004611657

2 В системах с неограниченной растворимостью в твердом состоянии установлены зависимости усадки (роста), изменений пористости при спекании и микротвердости от вида и содержания второго компонента в двухкомпонентных порошковых композициях с увеличением содержания второго компонента происходит увеличение усадки по линейным размерам и по объему (до Ad/d=8%, ДУ/У=2,5%), пористость незначительно уменьшается (до П=10%), микротвердость возрастает (до HV=2500 Н/мм2), в системе Cu-Ni наблюдается явление роста размеров (до Ad/d=-2%, AV/V=-5%) и величины микротвердости (до HV=900 Н/мм2), соответствующее 60 мае % меди; наибольшая усадка наблюдается при спекании прессовок из отдельных порошков меди и никеля (до Ad/d=6%, AV/V=I 5%)

3. Установлено, что в системах с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и образованием интерметаллидов наблюдаются особенности, связанные с образованием при охлаждении от температуры спекания интерметаллидных соединений (WFe;, \V2Fe1, MojFei, WN14 и др ) У материалов Ni-W, N1-M0, Fe-W, Fe-Mo с увеличением содержания второго компонента микротвердость возрастает (у композиций на железной основе в 2 раза, а у композиций на никелевой основе в 7 раз) и достигает максимума (у композиций на железной основе до 1800 HV, а у композиций на никелевой основе до 3500 HV) в интервале концентрации второго компонента от 60 до 80 мае % Для систем Fe-Cu и Си-Со с отсутствием интерметаллидов имеет место менее значительное изменение микротвердости (у композиции Fe-Cu от 500 до 1500 HV, у композиции Си-Со от 500 до 2500 HV) В системе Си-Со концентрационные кривые изменения размеров при спекании имеют параболический характер

4 Показано, что в системах с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии Си-W и Си-Мо с увеличением содержания второго компонента усадка уменьшается в 2 раза, а мнкротвердостъ возрастает в 2 раза, пористость увеличивается до 50% в порошковых композициях Cu-Мо с возрастанием молибдена более 20 мае %

5 Для композиций «металл-алмаз» с увеличением содержания алмаза линейная и объемная усадки, пористость при спекании уменьшаются в 2 раза с возрастанием размеров кристаллов алмаза пористость увепичивается в 2 раза, аналогично ведет себя линейная и объемная усадки В композициях «железо-графит» пористость и объемная усадка при спекании изменяются в большей степени (в 4 раза), чем у композиции с алмазом (в 2 раза)

6 Для четырехкомпонентных дисперсионно-твердеющих порошковых композиций Ni-Fe-Cu-Sn и Fe-Cu-Mo-Co установлены закономерности влияния состава на усадку пористость, микротвердость и предел прочности при растяжении методом полного факторного эксперимента

7 Разработаны технологии изготовления ленты из рассматриваемых четырехкомпонентных порошковых композиций Ni-Fe-Cu-Sn и Fe-Cu-Mo-Co, обеспечивающие высокие прочностные свойства Проведено промышленное опробование технологии изготовления лент из этих композиций на ОАО «Выксунский металлургический завод» Материалы показали высокую микротвердость и прочность (на основе никеля - до 2829 HV и предел прочности при растяжении до 761 МПа а на основе железа - 2600 HV и предел прочности при растяжении до 640 МПа) Они могут быть использованы в качестве металлической связки для алмазосодержащих композиций, применяемых в производстве отрезных кругов в микроэлектронике

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1 Руковишникова ИГ, Мурашова НА Анализ уплозняемости порошков при прессовании // Материаловедение и высокотемпературные технологии Межвуз сб научн тр - Н Новюрод НГ Г У, 2000 -С 222-224

2 Мурашова НА Исследование влияния углеродных наполнителей на уплотняемое!ь металлических порошков при прессовании // Новые технологии в машиностроении, металлурги материаловедении и высшем образовании Межвуз сб научн тр - Н Новгород HI 1 У, 2001 -С 338-340

3 Мурашова Н А Исследование прессуемости порошковых композиций «металл-твердый наполнитель» // Будущее технической науки Нижегородского региона Тезисы докладов регионального молодежного научно-практического форума - Н Новгород НГТУ, 2002 -С 297

4 Мурашова Н А Аналитическое исследование прессуемости металлических порошков с твердыми наполнителями // Современные материалы и технологии - 2002 Сб статей международной научно-технической конференции - Пенза Приволжский дом знаний, 2002 -С 65-67

5 Сорокин В К, Мурашова Н А Исследование консолидации двухфазных смесей порошков металл-алмаз'/ Материаловедение и металлургия Сб науч тр НГТУ, Т 32 - Н Новгород НГТУ, 2002-С 190-193

6 Сорокин В К, Мурашова Н А Аналитическое исследование прессуемости порошковых композиций с твердыми наполнителями // VII Нижегородская сессия молодых ученых (Технические науки) Тезисы докладов- Н Новгород Нижегородский гуманитарный центр, 2002 - С 54-56

7 Мурашова Н А Влияние твердых включений на процессы прессования металлических порошков // Вестник УГТУ-УПИ №5 (20) Фундаментальные проблемы металлургии Сборник материалов III межвузовской научно-технической конференции - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003 - С 42-45

8 Мурашова Н А Изучение прессуемости порошковых композиций металл-твердый наполнитель Ч Современные технологии в машиностроении - 2003 Сб статей VI Всероссийской научно-практической конференции - Пенза Приволжский Дом знаний, 2003 -С 15-17

9 Мурашова Н А Аналитическое исследование прессуемости порошковых смесей // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков Сб статей VIII Международной научно-технической конференции - Пенза Приволжский Дом знаний, Ч 2 2003-С 15-17

10 Мурашова НА Влияние твердых включений на прессуемость металлических порошков// Материаловедение и металлургия Труды НГТУ - Н Новгород НГТУ, Т38 2003 -С 280-281

11 Мурашова Н А Исследование влияния композиции порошков на прессуемость '/ Будушее технической науки Нижегородского региона Тезисы докладов II региональной молодежной научно-технической конференции - Н Новгород НГТУ 2003 - С 153

12 Murashova N A The investigation of influence of the fast inclusions on the fonnabihty of metallic powders '/ Современные техника и технологии СТТ'2003 Сб докладов XI междунарондой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодьгх ученых - Томск Т I 2003 -С 169-171

13 Мурашова Н А Исследование уплотняемое™ порошков // Современные техника и технологии СТТ'2003 Сб докладов XI междунарондой научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Томск Т2 2003 - С 83-84

14 Мурашова НА Особенности уплотняемости двухфазных порошковых композиций / Успехи современного естествознания -М Российская академия естествознания, 2004 -№4- С 12-16

15 Мурашова Н А Исследование влияния твертых наполнителей на прессуемость металлических порошков // VIII Нижегородская сессия молодых ученых (Технические науки) Тезисы докладов Н Новгород Нижеюродский гуманитарный центр, 2003 - С 116-117

16 Murashova NA Analytical investigation the formability of t\vo-pH||es miÄir^J)fiJie%)Wcler /' Materials of the Fitth International Young Scholar\ Forum of" the yWb-Pacitic Region Countries -Russia, Vladivostok Far-Hastern State Technical University, 2003- P 276-280

17 Мурашова НА Моделирование и изучение уплотняемос1 и композиционных материалов // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования Т2 / Под ред В П Савиных, В В Вишневского -М Академия наук о земле, 2003 -С 60-62

18 Мурашова НА Влияние насыпной плотности на )плотняемость порошковых двухкомпонентных композиций // IX Нижегородская сессия молодых ученых (Технические науки)' Тезисы докладов - Н Новгород Нижегородский гуманитарный центр, 2004 - С 51-53

19 Мурашова Н А Изучение влияния концентрации твердого наполнителя на уплотняемость при формовании // ГН Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки»- Н Новгород НГТУ, 2004.- С -259

20 Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611657 от 13 07 04 г Система моделирования двухкомпонентных порошковых композиций // В К Сорокин, Н А Мурашова, А В Петухов, Ю А Климашов

РНБ Русский фонд

2006-4 3508

Подписано в печать 10.11.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 702._

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.