автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Совершенствование процесса спекания распыленных порошков быстрорежущей стали в интервале температур солидус-ликвидус

На правах рукописи УДК 621.762

АСПИРАНТ Лялина Наталья Константиновна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СПЕКАНИЯ РАСПЫЛЕННЫХ ПОРОШКОВ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР СОЛИДУС-ЛИКВИДУС

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология обработ материалов" "МАТИ" - Российского Государственного Технологическс Университета им. К.Э. Циолковского.

Ведущее предприятие - НПО "Композит"

Защита диссертации состоится 25 июня 1998г. в 14 часов на заседан диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степе кандидата технических наук в области металловедения и термичесь обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материал материаловедения (в машиностроении) в "МАТИ" - Российск Государственном Технологическом Университете им. К.Э. Циолковского адресу: Москва, ул.Оршанская, 3, "МАТИ" им. К.Э. Циолковского. Отзыв автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять адресу: 121552, Москва, ул.Оршанская, 3, "МАТИ" им. К.Э. Циолковского диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 25 мая 1998 года. Ученый секретарь диссертационного Совета

Научный руководитель -

доцент, кандидат технических наук Шляпин Сергей Дмитриевич

Официальные оппоненты -

профессор, доктор технических наук Панов Владимир Сергеевич (МГИСИС)

доцент, кандидат технических наук Рыбаулин Василий Михайлович (ММЗ "Вперед")

доцент, кандидат технических наук

С.В.Скворце

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время процесс спекания с участием жидкой фазы представляет несомненный научный и практический интерес. Потребность в развитии и совершенствовании данного метода порошковой технологии обусловлена актуальностью проблем разработки и получения беспористых материалов на основе сложнолегированных систем.

Одним из перспективных способов изготовления высокоплотных изделий из порошков является вариант спекания в интервале температур солидус-ликвидус сплава, который уже находит распространение при обработке жаростойких, жаропрочных и, в особенности, инструментальных сталей в связи с широким использованием технологии их получения из расплава путем распыления и быстрой кристаллизации. Увеличение масштабов порошкового инструментального производства, значительный объем выпуска в котором принадлежит быстрорежущим сталям, в немалой степени обусловлено высокой производительностью распылительных установок, относительно низкой стоимостью порошков, их удовлетворительным качеством по чистоте и однородности состава. Достигаемое при высоких скоростях кристаллизации расплава дисперсно-матричное распределение структурных составляющих в объеме частиц при сверхсолидусном спекании способствует ускорению диффузионного массопереноса вещества, что приводит к интенсификации процесса уплотнения без нарушения общей структурной однородности стали.

В то же время именно активное протекание диффузионных процессов в системе с тонким и равномерным строением частиц на стадии образования жидкой фазы вызывает существенное огрубление исходной структуры порошков, следствием которого становится снижение механических и эксплуатационных свойств конечного материала. Кроме того большинство промышленных схем переработки легированных порошков предусматривает значительный объем работ по калибровке и механической доводке спеченных заготовок и не обеспечивает условий для получения изделий сложной форм 1.1.

Поэтому для развития и совершенствования технологии жидкофазно! спекания порошковых сложнолегированных систем большое практичесю значение могут иметь дальнейшие теоретические и экспериментальные рабол по сверхсолидусному спеканию распыленных порошков.

Целыо настоящей работы явилось комплексное исследован! возможности регулирования процессов уплотнения и структурообразован! при спекании распыленных порошков быстрорежущей стали в интерва температур солидус-ликвидус, а также разработка дополнительных мер д получения изделий с требуемым уровнем свойств, необходимь соответствием размеров и формы.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.Установить оптимальные режимы и условия спекания распыленн] порошков быстрорежущей стали в интервале температур солидус-ликвидус.

2.Изучить влияние малых давлений на процессы уплотнения структурообразования при сверхсолидусном спекании распыленн быстрорежущей стали.

3.Осуществить высокотемпературную обработку давлением спеченн образцов, полученных в присутствии различного количества жидкой фазы, провести их структурные исследования.

4.Рассмотреть возможности получения биметаллических и композиционн материалов методом сверхсолидусного спекания под давлением.

5.На базе проведенных исследований разработать технологичесь рекомендации по изготовлению изделий из распыленных быстрорежуа порошков.

Работа выполнена в рамках межвузовских научно-исследовательсь программ "Перспектива", "Поисковые и прикладные исследования выси школы в приоритетных направлениях науки и техники".

Научная новизна.

1.13 работе впервые изучено влияние малых давлений на процессы уплотне!

и структурообоазования при спекании газораспыленных порошков быстрорежущей стали 10Р6М5 в интервале температур солидус-ликвидус и при этом установлено:

- за счет разрушения имеющихся в порошковой засыпке арок и мостиков под действием давления происходит повсеместное залечивание пространственных пустот с соответствующим перераспределением жидкой фазы в системе, что приводит к интенсификации процесса уплотнения (уровень остаточной пористости снижается на 25-75%) и ликвидации грубых эвтектических скоплений в структуре стали;

- максимальный эффект от приложения нагрузки реализуется в начальный период формирования жидкой фазы в системе, когда явление срастания частиц по соприкасающимся граням (коалесценция) еще не получило широкое развитие. На стадии образования жесткого каркаса влияние давления ослабевает, и в дальнейшем процесс уплотнения порошков развивается по аналогии со сверхсолидусным спеканием в отсутствии нагрузки.

2.Выполнен сопоставительный анализ процессов сверхсолидусного спекания газо- и воднораспыленной быстрорежущей стали 10Р6М5 различного фракционного состава. При увеличении параметров температуры и времени спекания огрубление исходной мелкодисперсной структуры частиц наблюдается в первую очередь в системах из газораспыленных порошков большей размерной фракции. Наиболее эффективное уплотнение (0 = 100°и) практически без изменения начальной структуры стали достигается при спекании воднораспыленных порошков с размером <63 мкм по режиму Т = 1300 °С, т = 40 мин.

3.Предложен методический подход для определения величины минимального удельного давления (Ру.(), необходимого для деформирования порошковой системы при сверхсолидусном спекании. Показано, что удельное давление Р\дшц]> создаваемое грузом массой П1|является достаточным для смятия криволинейной поверхности спеченного цилиндра с образованием в области

приложения давления горизонтального участка площадью 5,Ю1,ЧА,ЮСШ:

Руд [11111 ~~ П1, р\1;/^1!П[(ср\И01ЛИ 1

Экспериментально установленная величина минимального удельного давлен Р>л составляет 30 кПа.

Практическая ценность.

1.Разработан усовершенствованный вариант сверхсолидусной технолог обработки распыленной быстрорежущей стали 10Р6М5, основанный спекании под действием малых давлений порошковых систем с различи степенью консолидации (в состоянии свободной засыпки и предваритель спеченных заготовок). Метод обеспечивает получение изделий с высок! соответствием размерам и форме керамической оснастки и пригоден д выполнения биметаллических соединений.

2.Материал, спеченный из газораспыленного порошка быстрорежущей ста 10Р6М5 в присутствии жидкой фазы под действием нагрузки характеристикам структуры и плотности отвечает требованиям эксплуатац] износостойких элементов конструкций в условиях умеренных нагрузок.

3.Предложена двухстадийная технология обработки распыленна быстрорежущей стали 10Р6М5, включающая жидкофазное спекание газо-воднораспыленных порошков до устранения открытой пористости (0 > 90%) горячее изостатическое прессование спеченных заготовок (Т = 1150 т = 1 ч. = 130 МПа), обеспечивающее получение материала с близкой к 100%-ой и. теоретической плотностью при сохранении мелкозернистой структуры стали ! отличии от традиционного газостатического прессования порошков дани технология не предполагает проведение сложных операций изготовлен капсул, их вакуумировапия, герметизации и последующего удаления.

4.Установлены оптимальные режимы и условия обработки распыленн быстрорежущей стали 10Р6М5, необходимые для реализации в копечн материале комплекса етруктурно-плогностных характеристик (относителы плопюсп. >98"о, средний размер зерна аустенита О « N10 (баллов), средний

размер карбидов ~4,4 мкм), позволяющих рекомендовать его для работы в качестве режущего инструмента.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 5 научно-технических конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ

Структура ч объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы (158 наименований) и представлена на 153 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работ по развитию и совершенствованию технологии жидкофазного спекания сложнолегированных систем, сформулированы цель и задачи настоящих исследований.

В первой главе представлен обобщенный обзор литературных данных по сверхсолидусному спеканию порошков сплавов за последние 10 лет I На фоне широкой гаммы материалов, рассмотренных в ходе работ по исследованию особенностей спекания в интервале солидус-ликвидус сплава, значительное внимание уделено распыленным быстрорежущим сталям различных марок, промышленное производство которых из порошков сравнимо с масштабами традиционной металлургической технологии В поиске новых и совершенствовании существующих технологических решений обработки порошковых быстрорежущих сталей особое место отводится определению оптимальных режимов и условий спекания, обеспечивающих достижение необходимых для изучаемой категории материалов высокой плотности и качественной микроструктуры. Анализ факторов, оказывающих непосредственное влияние на процессы уплотнения и структурообразования п интервале температур солидус-ликвидус, показал, что в качестве научного

подхода к* установлению оптимальных режимов спекания могу! бь использованы зависимости плотности и структурных характеристик материя огтемпературы спекания.

Однако даже тщательная оптимизация режимов процесса не всег обеспечивает необходимый уровень механических и эксплуатациейн свойств изделий только за счет операции сверхсолидусного спекания. Поэто расширить перспективы развития и применения данного мете представляется возможным посредством дополнительного уплотнения заключительной стадии технологического цикла путем введения завершаюсь операции горячей пластической деформации.

Основываясь на анализе работ, посвященных изучению мете сверхсолидусного спекания с приложением давления, следует отметить, • отсутствует информация о влиянии пластической деформаь непосредственно в процессе спекания. Вместе с тем, исходя из выявленн закономерностей спекания в интервале температур солидус-ликвидус, мои предположить, что приложение даже весьма малых давлений может ре интенсифицировать уплотнение порошковой системы.

Поэтому для дальнейшего совершенствования сверхсолидусной техноло! целесообразно проведение комплекса исследований по жидкофазн спеканию в керамических формах газораспыленных порошков в свобод состоянии с одновременным приложением давления и горячей пластичес деформации спеченных заготовок с плотностью, близкой к теоретичесь значению (0 > 95%).

На основании результатов литературного обзора сформулированы це. задачи предстоящих исследований.

Во второй главе выполнен анализ режимов и условий спек;| необходимых для структурной оптимизации распыленной быстрореж] стали 10Р6М5 в интервале температур солидус-ликвидус. Приведены мет Л соответствующих исследований. I

В качестве исходных материалов в работе были использованы порошки быстрорежущей стали 10Р6М5 производства НПО "ТулаЧермет", полученные методами распыления расплава азотом и струей воды высокого давления (ТУ 14-127-130-80).

Учитывая повышенные требования к определению температурного режима и точности его поддержания в течении изотермической выдержки при сверхсолидусном спекании, потребовалось проведение предварительной оценки температурного интервала и характера плавления частиц, а также степени влияния на них химического и фазового составов, скорости нагрева и других факторов. Поэтому для дальнейшего исследования процессов сверхсолидусного спекания распыленной быстрорежущей стали 10Р6М5 на данном этапе работы осуществлялся дифференциальный термический анализ (ДТА) газо- и воднораспыленных порошков.

Запись кривых нагрева и охлаждения распыленных порошков (рис. I) выполнена на установке ДТА-5 (изготовитель ИМЕТ и.м.А.А.Байкова).

Исходя из результатов ДТА быстрорежущей стали 10Р6М5, было отмечено общее подобие кривых нагрева и охлаждения рассматриваемых материалов, которое представляет

принципиальное значение для их последующих совместных

исследований. В обоих случаях наблюдается достаточно

широкий температурный

интервал плавления,

включающий три стадии. Установленный характер плавления и кристаллизации, в целом, хорошо согласуется с диаграммами состояния,

600 700 800 900 1000 11001200130014001500^,"С Рис.1.Кривые ДТА газо- (а) и воднораспы-ленного (б) порошков быстрорежущей стали 10Р6М5.

используемыми для описания фазовых равновесий в вольфрамомолибденов сталях.

В соответствии с существующими представлениями, первый пик на крш ДТА нагрева связан с плавлением эвтектики, второй - с перитектически превращениями, третий - с плавлением 5-феррита. Основные стадии плавлеь и кристаллизации аналогичны во всех быстрорежущих сталях и различаю лишь по количеству участвующих в превращениях фаз и температуре протекания.

В ходе ДТА газо- и воднораспыленных порошков стали 10Р6М5 oпpeдeJ температурный интервал 1300-1340 °С (-30% жидкой фазы), котор представляет наибольший интерес с точки зрения эффективного уплотнени интервале солидус-ликвидус стали, и поэтому рекомендован для проведения планируемых экспериментальных исследований.

В целях установления режимов и условий спекания, необходимых структурной оптимизации быстрорежущей стали 10Р6М5 в сверхсолидус1 интервале температур, данные ДТА были дополнены результат; кинетических и структурных исследований спеченных порошков.

Для достижения идентичных условий спекания свободно насыпаш газораспыленные порошки и прессовки из воднораспыленных порош помещали в аналогичные керамические тигли. Величина удельного давле прессования воднораспыленных частиц выбиралась, исходя из соответст относительной плотности полученных образцов и газораспыленных части состоянии свободной засыпки, и составила 400 МПа.

Навески и образцы для экспериментов готовили из предварите; рассеянных на фракции - 160 + 100 мкм, - 315 + 200 мкм и - 063 мкм, - 1< 100 мкм соответственно газо- и воднораспыленных порошков.

Величину относительной плотности спеченных образцов опреде. расчетным и гидростатическим методами (ГОСТ 18898-73). Зависим относительной плотности образцов из порошков различного типа и

гранулометрического состава от температуры изотермической выдержки представлены на рис.2.

спекания и времени

с.2.Зависимость относительной плотности (0) образцов из порошков различного та и гранулометрического состава от температуры спекания (Т) и времени изотер-ческой выдержки (т).

имечание: - газораспыленные порошки фракций - 160 + 100 и - 315 + 200 мкм; ^ д - воднораспыленные порошки фракций - 063 и - 160 + 100 мкм.

В соответствии с общим видом кинетических кривых воднораспыленные порошки фракции <063 мкм спекаются до беспористого состояния (0 = 100%) при всех режимах термической обработки. Степень уплотнения остальных видов и гранулометрических составов порошков может быть охарактеризована незначительным разбросом значений относительной плотности (80-100%) при 1300 и 1320 °С, а при 1340 °С - слиянием кинетических кривых в одну графическую зависимость, близкую к прямолинейной на уровне теоретической плотности.

Поэтому описание процессов жидкофазного спекания распыленных порошков в рамках теории Кинджери оказалось возможным только для температур 1300 и 1320 °С. В результате построения в логарифмических координатах графиков кинетических зависимостей получены участки нескольких наклонных прямых, что свидетельствует о реализации в указанном

температурно-временном интервале лишь одного из возможных механизм уплотнения. Как показывают значения величины к (табл.1) в уравнен Кинджери (Д1/1с)=1/ЗЛУ/У„=Атк, где А-сог^; т-время спекания; к-показате степени; Д1/1(„ ДУ/У0-линейная и объемная усадки), процессы спекай газораспыленных частиц крупной (- 315 + 200 мкм) и мелкой (- 160 + 100 мк фракций и воднораспыленных частиц крупной (- 160 + 100 мкм) фракц характеризуются механизмом растворения- осаждения. Близость к ну,/ показателя к для системы из воднораспыленных частиц мелкой (- 063 мк фракции свидетельствует о фактическом завершении процесса уплотнения.

Таблице

Результаты определения величины к в уравнении Кинджери для порошков систем различных типов, спеченных при нескольких режимах обработки

Тип исходного порошка Т, °С

1300 1320

Гм 0,29 0,013

Гк 0,50 0,038

Вм 0,03 0

Вк 0,29 0,026

Получение высококачественных материалов на основе порошков быстрорежущих сталей предполагает создание условий, необходимых ^ одновременного достижения максимально возможного уровня плотности наиболее мелкого равномерного распределения структурных составляют Поэтому основной интерес для дальнейших исследований представл: выявление структурного состояния материалов, спеченных в рассматриваел интервале температур, и его изменения в условиях варьирования парамет процесса и характеристик порошка.

Исследование структуры спеченной быстрорежущей стали 10Р6 осуществляли при помощи металлографического анализа образцов, основании общего осмотра структур было отмечено, что в целом структур состояние материала характеризуется наличием тугоплавкой составляющей

стали, имеющей очертания аустенитного зерна, и закристаллизовавшейся в межзсренном пространстве прослойки жилкой фазы, содержащей в основном обособленные первичные карбиды и участки с эвтектическим строением В объеме зерен тугоплавкой фазы наблюдаются единичные карбидные включения или их точечные скопления, образовавшиеся в результате "захлопывания" жидкой фазы срастающимися на стадии коалесцениии зернами.

Анализ данных структурных исследований для соответствующих режимов обработки, типов и гранулометрических составов порошков показал, что необходимое для инструментального материала мелкое и равномерное распределение структурных составляющих достигается в основном при использовании наименьших в исследованном интервате значений температур и временных выдержек (Т = 1300 °С, т = 40 мин). Наиболее благоприятное структурное состояние стали при одних и тех же температурных и временных режимах спекания обеспечивается в первую очередь для более мелких порошковых фракций (- 160 + 100 мкм и - 063 мкм соответственно для газо- и воднораспыленных порошков) и в системах из воднораспыленных частиц. Однако из-за присутствия в данных образцах значительного количества остаточной пористости полученный в результате операции спекания материал не может обладать необходимым комплексом свойств.

Третья глав» посвяшенп изучению влияния малых давлений на процессы уплотнения и структурообразования при сверхсолидусноч спекании распыленной быстрорежущей стали 10Р6М5.

Судя по результатам кинетических и металлографических исследовании спеченной быстрорежущей стали 10Р6М5, получение высокоплотного материала с равномерным и мелкодисперсным распределением структурных составляющих возможно только при создании условии дополнительного регулирования процессов уплотнения и структурообразования в стали при спекании. Предложенный способ структурной оптимизации стали заключается

1в непосредственном воздействии малых давлений на порошковую систему присутствии жидкой фазы.

Объектом исследований служили газораспыленные порошки (усредненна фракция - 280 + 100 мкм), отличающиеся от воднораспыленных более низко технологичностью и труднообрабатываемостыо. Передача давления н спекаемый порошок была организована при помощи керамичееко прессформы и набора грузов массой по 100 г, помещаемых на верхни пуансон. Величину минимального удельного давления, по отношению которому порошковая система оказалась бы заметно "чувствительной определяли опытным путем при спекании ранее полученных цилиндрически образцов по схеме, показанной на рис.3:

Руд min ~ mrp) ja/SIIoBCpXHÜCTn , (1

где m,piJJ - общая масса 3-х грузов (300 г), использованных для создана давления на криволинейную поверхность подспеченного цилиндра;

SiuecpuhMn - площадь поверхности смятия (1 см2), образовавшейся в облас! приложения давления.

Рис 3 Схема загрузки предварительно спеченных образцов в оснастку для сгк кания: а)без приложения давления; б,в)под действием давления: 1- керамический контейнер для установки образца и грузов; 2- керамические пластины, удерживающие образец в центральной части контейнера; 3- керам чеекая прокладка в виде диска для центровки грузов в осевом направлении; подспеченный порошковый образец; 5-7- грузы массой по 100 г.

Эксперименты по изучению уплотнения газораспыленных порошков I сверхсолидусном спекании в условиях приложения малых давле! выполнены в соответствии со схемами загрузки, показанными на рис.4.

Рис.4.Схема загрузки порошка в оснастку для спекания: а)без приложения давления: 1- керамический контейнердля установки тигля и грузов; 2- металлическая основа с отверстием (7,5-8,0 мм), фиксирующая тигель в вертикальном положении на дне контейнера; 3- спекаемый порошок; 4- керамический тигель; 5- керамическая прокладка в виде диска для центровки грузов и конце-трации нагрузки в осевом направлении; 6,7- грузы массой по 100 г (помещаемые без передачи давления на спекаемый материал для создания сопоставимых условий теплопередачи);

б)под действием давления: 4- матрица керамической прессформы; 5,6- соответственно нижний и верхний пуансоны керамической прессформы; 7- керамическая прокладка (см. п.5 на рис.4 а); 8-10 - грузы массой по 100 г.

С целью получения наиболее достоверных результатов в состав загрузки был включен тигель с порошком той же массы без приложения давления. Визуальные наблюдения образцов, полученных под действием нагрузки, показали, что в общем случае влияние давления на форму и состояние поверхности спеченных объектов сказывается в заметном выравнивании поверхностей, а также - раздавливании объема материала в диаметральном направлении.

Во избежание попадания порошка в зазоры между стенками прессформы и пуансонами за счет его естественной текучести, приводящего к уменьшению величины передаваемой материалу нагрузки, эксперимент повторяли с использованием предварительно подспеченных порошков. Режимы предварительного спекания: Т = 1320 °С, т = 1 мин и "Г = 1320 °С, т = 5 мин Обнаружено отсутствие реакции одной из порошковых систем на приложение нагрузки, что связано с развитием процесса коалесценции на стадии предварительного уплотнения по режиму Т = 1320 °С, т = 5 мин. Дрчгой подспеченныи образец, напротив, проявил более высокую степень деформирования, по-сравнению со свободно насыпанным порошком.

Исследования процессов уплотнения при сверхсолидусном спекан газораспыленных порошков в более широкой области температ включающей начальную стадию расплавления легкоплавкой составляет стали, проведенные в условиях приложения максимально возможной ; данного эксперимента нагрузки (1700 г) явились лишь подтверждени намеченных в предыдущих экспериментах тенденций и закономерностей. Для количественной оценки фактора плотности спеченных образ! применялся метод линейного анализа объемной доли пористое Сопоставление результатов определения объемной доли пор для порошков систем, спеченных без приложения нагрузки, под действием 1-го, 3-х грузо максимальной нагрузки (рис.5), свидетельствовало в последних случаях более высокой эффективности протекания процессов уплотнения г сверхсолидусном спекании.

Рис.5.а)изменение относительной плотности (0) образцов, спеченных из газ(. распыленного порошка по различным режимам в условиях приложения давления; б)зависимость относительной плотности (9) образцов от температ ры спекания (Т) в условиях приложения максимального груза.

Структурные исследования газораспыленной быстрорежущей ст; 10Р6М5 проводили на основании металлографического анализа образи полученных в ранее описанных экспериментах по сверхсолидусному спекан под действием давления. Сравнение данных количественной оценки струм) спеченных материалов показало, что приложение давления к порошкам при

жидкофазмом спекании не оказывает существенного воздействия на характер процессов структурообразовання, хотя в присутствии нагрузки формирование структурного состояния стали происходит при некотором смещении по температурной и временной шкалам в сторону меньших значений. В то же время установлено значительное влияние нагрузки на величину и равномерность распределения эвтектических скоплений в стали. Крупные эвтектические образования в структуре ненагруженного при спекании образца под давлением принимали вид тонких карбидных прослоек, лишь в отдельных участках исследуемого пространства напоминающих эвтектическое строение Подобные структурные преобразования являются следствием разрушения под действием давления арок и мостиков, всегда имеющихся в порошковой засыпке, а также влияния его воздействия при распределении жидкой фазы в межзеренном пространстве.

Установленный для быстрорежущих сталей предельный уровень структурной дисперсности (с}т;1Х ,с|,и<, = 11-15 мкм, в = 9 -г 10 бшглов) был достигнут при спекании свободно насыпанных и нагруженных порошковых систем по режимам: Т = 1260 °С, т = 15 мин (0 = 9 баллов). Однако даже при использовании максимальной в условиях данного эксперимента нагрузки (тгрта = г) указанные температурные и временные параметры обработки не обеспечивали достаточную эффективность уплотнения и достижение близких к теоретическому (9 > 98%) значений плотности.

В соответствии с полученным уровнем свойств материалы, спеченные в присутствии жидкой фазы при одновременном воздействии нагручки. рекомендованы для работы в качестве износостойких элементов конструкций

Для реализации в рассматриваемом материале комплекса необходимых режущему инструменту свойств, на следующий этап работы было запланировано проведение дополнительной обработки давлением (ГИМ) предварительно спеченных образцов.

В чегвергои главе приведен анализ результатов горячего изостатическ прессования образцов, полученных при сверхсолидусном спека распыленной стали 10Р6М5 в присутствии различного количества жид фазы.

Для горячего изостатического прессования были отобраны образш объемной долей пор менее 15%, в которых помимо достаточно мель размера аустенитного зерна имеет место характерное преобладание закрь пористости в ее соотношении с открытой либо полное отсутствие последне1

Обработка порошковых заготовок из газо- и воднораспылен быстрорежущей стали 10Р6М5 производилась по режимам Р = 130 МПа (1 атм ), Т = 1150 °С, т = 60 мин, выбранным на основании сведени технологических параметрах газостатического спрессовывания заготово изделий из порошковой быстрорежущей стали на заводе "Днепроспецстг Количественная оценка фактора плотности спеченных и обработан способом ГИП заготовок, выполненная при помощи ранее указанной в гла1 методики линейного анализа объемной доли пор, показала, что примет операции ГИП к спеченным образцам позволяет повысить относитель плотность материала от уровня исходной (после спекания) в среднем на 3 Однако подобный эффект достигается только в случае отсутствия в обр открытой пористости. Наличие открытых пор в спеченной загот способствует развитию процессов окисления поверхностных и внутре! слоев материала при их взаимодействии с газовой средой в период Г Следствием этого становится нежелательное увеличение пор в об ¡аготовки.

На основании структурного исследования распыленной быстрореж\ стали 10Р6М5, спеченной в интервале температур солидус-ликвидх дополнительно обработанной методом ГИП, установлено, что в резул! горячей обработки давлением в ряде систем (Ти,= 1320 °С, ти, = Ю мин; Ти

1340 "С, ти,= 5 мин) происходит частичное дробление карбидной сетки по границам зерен основной фазы, а в некоторых случаях (Ти1= 1300 °С, т,п= 40 мин) - полное уничтожение следов карбидной сетки, а также участков с эвтектической структурой. При этом формируется материал с равномерным мелкодисперсным строением.

Для достижения в спеченной быстрорежущей стали 10Р6М5 комплекса оптимальных структурно-плотностных характеристик (относительная плотность >98%, средний размер зерна аустенита в = N10 (баллов), средний размер карбидов »4,4 мкм) рекомендованы следующие режимы и условия обработки:

исходный порошок - полученный способом водного распыления;

гранулометрический состав - < 063 мкм;

режим спекания - Т = 1300 °С, т = 40 мин - обеспечивает формирование в системе закрытой пористости при сохранении мелкозернистой структу ры;

дополнительная обработка - горячее изостатическое прессование по режимам: Т = 1150 °С, т = 1 ч, Р = 130 МПа.

Полученный при соблюдении указанных параметров обработки материал может быть рекомендован для проведения испытаний в качестве режущего инструмента.

Подчеркнута целесообразность предложенной технологии в связи с возможностью изготовления высококачественных материалов и изделий без применения капсул, необходимых в технологиях газостатического прессования свободно насыпанных порошков.

В пятой главе намечены перспективы получения биметатлических и композиционных материатов методом сверхсолидусного спекания пол давлением.

В результате сверхсолидусного спекания газораспыленного порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 (фракция - 280 +100 мкм) на подложке и! компактной низкоуглеродистой стати марки СтЗ под действием давления

ОЧцл«! = г) был образован биметалл с глубиной переходной зоны мене мкм

Сопоставление данных настоящего структурного анализа характеристиками биметалла, ранее полученного при использова аналогичных материалов и режимов спекания без приложения давлс свидетельствовало о значительном уменьшении глубины переходной зоны мкм « 300 мкм) в случае использования давления. Кроме того прилож« давления способствовало повсеместному залечиванию остаточной порист« и некоторому измельчению структурных составляющих (в порошковой час в частности, дроблению и частичной ликвидации карбидной сетки в стали.

Показаны возможности использования метода сверхсолидусного спек; под давлением для изготовления биметаллических изделий с повышен сложностью и точностью формы, а также в технологиях получ« многослойных материалов и деталей на их основе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Теоретически обоснован и экспериментально опроб( чсовершенствованный вариант сверхсолидусной технологии обраб« распыленной быстрорежущей стали 10Р6М5, заключающийся в использов; малых давлений для воздействия на спекаемый порошок, находящий« состоянии свободной засыпки либо предварительно спеченных заготов« объеме керамической оснастки.

2.Выполнен сопоставительный анализ процессов сверхсолндуа спекания газо- и воднораспыленной быстрорежущей стали 10Р6М5 различ! фракционного состава. В ходе кинетических и металлогра«|шче1 исследовании спеченных материалов произведена оценка температу временных режимов спекания и характеристик порошковых сис необходимых для структурной оптимизации стали в рассматривай пшервале температур

3.Предложен методический подход для установления величины I минимального удельного давления (Руд), необходимого для деформирования порошковой системы при сверхсолидусном спекании, который основан на >

I

определении площади смятия криволинейной поверхности спеченного цилиндра Вцо^рм.ост» под действием груза массой т,,л ,а:

РуД-ШШ Ш| Р> и1^|Ц)1(1;р\1[исТИ' •

Экспериментально установленная величина минимального удельного давления Руд составляет 30 кПа.

4.Путем проведения экспериментов по сверхсолидусному спеканию под давлением порошковых систем с различной степенью консолидации (в состоянии свободной засыпки и предварительно спеченных заготовок) выявлены преимущества схемы загрузки предварительно спеченных порошков, как наиболее технологичной и эффективной с точки зрения прорабатываемое™ порошковой массы по объему.

5.Максимальный эффект от приложения нагрузки реализуется в начальный период формирования жидкой фазы в системе, когда явление срастания частиц по соприкасающимся граням (коалесценция) еще не получило широкое развитие. На стадии образования жесткого каркаса влияние давления ослабевает, и в дальнейшем процесс уплотнения порошков развивается по аналогии со сверхсолидусным спеканием в отсутствии нагрузки. Поэтому создание давления на порошок при спекании должно быть организовано до момента появления жидкой фазы в системе

6.За счет использования нагрузки достигнуто снижение уровня остаточной пористости материала в среднем на 25-75%, что свидетельствует о более активном протекании процессов уплотнения и структурообразования, по-сравнению со сверхсолидусным спеканием без приложения давления. Воздействие давления на процессы вязкого течения при сверхсолидусном спекании способствует достижению высокой точности линейных размеров изделий сложной формы.