автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние структурных и технологических параметров на свойства спеченных материалов на основе железа

ц п г я о

' ' МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ВЕЧЕРНИЙ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ФИЛАТОВА Наталья Леонидовна

УДК 620.18.4; 620.186.5

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1990

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени вечернем металлургическом институте.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

лауреат премии Совета Министров СССР доктор технических наук, профессор Башнин Ю.А.

доктор физико-математических наук,

г

доцент Арсентьева И.П.

лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор Масленков С.Б. кандидат технических наук Горншина М.Н.

Броварский завод порошковой металлургии

Защита диссертации состоится "Л?" С^&СО^кА, 1990г. час. на заседании специализированного совета К-063.07.01 при Московском ордена Трудового Красного Знамени вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, Москва, Лефортовский вал, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ■Л0" кОЛ^Л- 1990г.

Ученый секретарь специализированного^ ^

совета, кандидат технических наук х/ С. Васильева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. обусловлена необходимостью разработки яеталловедческих основ процесса компактирования материалов на основе изготавливаемых в СССР промышленных железных порошков, что позволит прогнозировать свойства спеченных изделий и управлять технологическими процессами их изготовления.

Около 90% мирового производства металлических порошков составляют порошки на основе железа. В СССР железные порошки получают методами восстановления прокатной окалины, распыления расплавов водой или воздухом и электролиза водных растворов и расплавленных солей. Наибольшее распространение получили методы восстановления и распыления. В мировой практике производство железных порошков этими методами находится в соотношении 1:1, а в СССР производство распыленных значительно опережает производство восстановленных порошков. В основном они используются для изготовления изделий методом порошковой металлургии, который позволяет снизить трудоемкость, энергозатраты, потери металла при обработке. Изделия из железных порошков работают в узлах автомобилей, сельскохозяйственных машин, оргтехники и др.машинах, выпускаемых большими сериями, а также используются з электронной и электротехнической промышленности.

Большинство порошковых изделий на основе железа имеет остаточ-1ую пористость около 10/?, что ограничивает номенклатуру спеченных конструкционных изделий из-за их относительно низкой конструкцион-юй прочности. Имеются способы уменьшения пористости, связаннее с ^пользованием высокого давления прессования, горячего изостати-кского прессования, пропиткой медью и др., которые или не обеспе-швают достаточного уровня механических свойств или непригодны в гсловиях крупносерийного и массового производства из-за сложности технологии.

Для получения изделий с заданным комплексом физшсо-механичес-сих свойств необходимо проведение всесторонней физико-химической и

структурной аттестации частиц на каждом технологическом этапе метода порошковой металлургии: "исходное состояние - прессование -спекание", установление связей между структурными и технологическими параметрами железных порошков и исследование их влияния на окончательные свойства спеченных материалов. Решению этих задач и посвящена настоящая работа, которая проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ программы "Металл" ГКНО СССР.

• Цель работы:

- установление общих закономерностей физико-химических и структурных превращений, протекающих в порошках железа в технологическом ряду "получение порошка - прессование - спекание" в зависимости о' химической природы поверхности и субструктурного строения частиц ( целью прогнозирования и управления процессом создания порошковых материалов на основе железа.

Научная новизна;

- разработан новый подход к выявлению закономерностей структурооб-разования при коыпактировании промышленных железных порошков,заключающийся в физико-химической и структурной аттестации поверхно« ти и объема частиц в ряду "получение порошка - прессование - спекание;

- впервые проведено комплексное исследование структурных изменена в процессе прессования и спекания промышленных железных порошков, полученных методами восстановления, распыления и электролиза;

- получены новые данные об активирующем влиянии явлений окисления-восстановления на поверхности деформированных после прессования частиц на процесс массопереноса при спекании прессовок железных порошков в восстановительной среде,и установлен механизм массопереноса ;

- установлено наследственное влияние исходной структуры железных порошков на протекание структурных превращений при последующих технологических операциях.

Практическая ценность.

Разработан комплекс методик диагностики железных порошков.

Для железных порошков различных методов получения с повышенным, в результате нарушений ТУ при получении или режимов транспортировки и хранения, содержанием кислорода разработана технология дополнительного восстановительного отжига в среде проточного водорода, что позволило снизить содержание кислорода в исходных железных порошках в 2-3 раза, повысить плотность прессовок на 1,5$, снизить удельные давления прессования и калибровки, увеличить срок службы пресс-инструмента.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты аттестации физико-химического и структурного состояния частиц железных порошков после их получения методами восстановления, распыления и электролиза;

- данные исследования влияния природы, толщины и морфологии оксидной пленки на поверхности и дефектности структуры в объеме исходных железных порошков на процессы образования межчастичных контактов и пластической деформации частиц при прессовании;

- закономерности физико-химических и структурных превращений, протекающих как при неизотермическом спекании прессовок, так и после окончательного изотермического спекания;

- явление структурной наследственности железных порошков в технологическом ряду "получение порошка - прессование - спекание", определяющее окончательные физико-механические свойства спеченного материала.

Апробация -работы. Результаты работы докладывались на 6-ти Всесоюзных и Республиканских конференциях и семинарах: У1 Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, РЭМ-89, г.Звенигород, 1989г.¡Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок

деталей машин и инструмента",г.Махачкала,1989г.¡Республиканской школе-семинаре по порошковой металлургии, г.Киев,1989г.; зональном семинаре "Порошковая металлургия и области ее применения",г. Пенза , 1990г.; 1У Уральском семинаре по проблемам проектирования конструкций, г.Миас'с, 1990г.; научно-технической конференции "Применение импульсных методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий",г.Волгоград,1990г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 опубликованных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка литературы из' наименований, приложения (документа о промышленном, опробовании результатов работы) ,. содержит стр. машинописного текста, ' рисунка, таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Для решения поставленных в работе задач был разработан комплекс методик (табл.1), позволяющий проводить аттестацию металлических порошков в технологическом ряду: "получение" порошка - прессование - спекание".

В качестве объекта исследования были взяты промышленные порошки желеаа, полученные следующими методами: восстановления прокатной окалины марок 1ШВ4.160.28, ffitB2.160.28; распыления расплава водой марок ШРЬ-200 фирмы "Маннесманн-Демаг", ЕНРВЗ.200.28 и воздухом марки ПЖР2.200.26; электролиза расплавленных солей марки ПЖЭ-160.Да-лее в тексте порошки обозначаются как ПКВ4.ПЖВ2, ПЖРВЗ, ЕЖР2 и П2Э, соответственно.Химический состав исследуемых железных порошков и их физико-технологические свойства представлены в таблицах 2,3.

Для анализа содержания кислорода, азота и углерода в исследуемых железных порошках в исходном состоянии, после прессования и спекания методом вакуум-плавления использовались, соответственно, приборы КО-316, Т5-314 и КС-144 фирмы "Яесо".

Таблица 1

Диагностика железных порошков на технологических стадиях метода порошковой металлургии

Метод П| Г 1-1-1- ; Назначение |Исходный;Прес-|Спеченные | метода ¡порошок ¡совки)прессовки

.. Вакуум-плавления Определение содержания вредных примесей Сб.С и N Т + + +

!. Качественная и количественная с Исследование зерен-ной стптаттш + + +

применением ЭВМ металлография Анализ норового пространства + +

Анализ неметаллических включений - +

Рентгеноструктур-ннй анализ Рентгенодифракто-метшя + + +

рекристаллизации

1. Растровая электронная микроскопия 1РЭМ)

Оценка морфологических особенностей исходных частиц и

Фрактографический анализ - + +

5. Микрорентгеноспект- Исследование поверх-тзальный анализ (РШИ ности частил - -

Исследование неметаллических вклгче-чений в объеме частил + -

Исследование неметаллических включений, ^восстановившихся после спекания - - ' +

3. Метод ямок травления Оценка плотности дислокаций + + +

7. Термогравиметричес-кии анализ УГГА> Оценка степени и температурных интервалов протекания физико-химических превращений пви спекании - +

3. Дилатометрический' анализ Исследование кинетики спекания - - +

9. Определение плотности расчетным методом Оценка пористости и плотности - + +

10.Оценка технологических свойств Определение гранулометрического состава, + насыпной плотности, текучести.талотняемости - -

11.Проведение механических испытаний Определение бв, (70 2» & Л. - + +

Таблица 2

Химический состав железных порошков

Марка 5е ; Примеси, не более. %

порошка ! С ! & ! Мп ! 2 ! р ! 0 N1 ! н/о

ПЕВ4

1ШВ2

шрь

1ШРВЗ

ПЖР2 '

ШЭ

основа

п

0,120 0,120 0,300 0,020 0,020 1,00 0,030 0,100 0,350 0,020 0,020 0,20 0,020 0,050 0,150 0,015 0,015 0,16 0,030 0,080 0,150 0,020 0,020 0,45 0,070 0,050 0,150 0,020 0,020 0,35 0,006 0,008 0,005 0,005 0,013 0,09

0,05

0,40 0,30 0,09 0,3р 0,30 0,06

Таблица 3

Физико-технологические свойства железных порошков

Марка порошка

Круп-!Сред- !Рент-ностЫний !ген. мкм !размер!уширение ¡зерна,!Вх10-3 !мкм ! рад (220)

¡Насып-¡плот-

ность г/см3

!Теку-Шрочность !честь!прессовки !г/50с! МПа при ! ■ ¡плотности

! !№! ж

Уплотняемость, !г/см3, при давлениях прессова-!ния. Ша

1ШВ4 160 13,3 24,0 2,8 34 32 54 6,30 6,66

ПЖВ2 160 13,7 17,4 2,8 30 19 26 6,78 7,10

wpL 200 22,0 17,4 2,6 30 10 16 6,81 7,18

ПЖРБЗ 200 22,4 21,0 2,8 33 16 24 6,62 7,08

ПЖР2 200 29,2 22,0 2,6 33 15 24 6,56 7,00

МЭ 160 32.3 11.8 2.4 40 49 46 6.83 7,15

Прессование исследуемых железных порошков осуществлялось методом одностороннего прессования в интервале давлений 230+700 Ша. Спекание прессовок проводилось в среде проточного водорода при температуре 1120°С в течение 1,5 часов, скорость нагрева() 20°С/мин. Для металлографических исследований использовался оптический микроскоп "Неофот-21". Определение количественных параметров структурных составляющих проводилось методом количественной металлографии на автоматическом анализаторе изображения "Квантимет" и "ЛеЙтц". Математическая обработка полученных результатов выполнялась с применением ЭВМ. Бшш определены средний размер зерен (З3,мкм) .средний размер лор (Зд.мкм) ж распределение по размерам зерен и пор. Рент-геноструктурный анализ проводился на ретгеновском дифрактометре ДР0Н-3,0. При регистрации рентгеновских отражений использовало.сь.

характеристическое излучение железа. Регистрировались четыре рентгеновских отражения с индексами интерференции (110),(2001,(211),(220). По полученным рентгенограммам было определено рабочее уширение (В), по которому косвенно судили об уровне внутренних микронапряжений в железных порошках в ряду:"получение (В0) - прессование (В^) - спекание (Всп)п. Для электронномикроскопических (РЭМ) и микрорентге-носпектральных (РМА) исследований использовался сканирующий электронный микроскоп " Сатгсап. - 4 ЬV " с приставками для микрозон-дового анализа " ь п £ и для анализа легких элементов (де-

тектор [.2:-5, разрешение бОэВ ). Природу неметаллических включений определяли с помощью металлографического, кислотного методов и РЭМ-РМА анализов..Дилатометрический и термогравиметрический анализы проводились в среде водорода на установках ДЫ500 и ит",соответственно (\/=20°С/мин).

¿1

Насыпную плоттность, гранулометрический состав, текучесть, уплотняемость и формуемость, а также прочность прессовки определяли, соответственно, по ГОСТ 19440-74, ГОСТ 18318-73, ГОСТ 20899-75, ГОСТ 25280-82, ГОСТ 25282-82. Механические свойства при растяжении опредяли по ГОСТ 18227-72. Плотность образцов определяли расчетным методом по ГОСТ 18898-73.

Все полученные результаты подвергались статистической обработке на ЭВМ по стандратной программе.

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСХОДНОЙ СТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

Железные порошки после их получения характеризуются рядом технологических свойств (та6л.з) . Некоторые из этих свойств .например, гранулометрический состав, насыпная плотность, текучесть,плотность после формования в нормативных условиях, рассматриваются как наиболее ответственные, внесены в государственные стандарты и служат опорными показателями качественности промышленных порошков.Однако с развитием исследований и повышением требований к качеству спеченных изделий оказывается, что идентичные по стандартным пока-

7

зателяы порошки могут формироваться в материалы с резко различавши мися окончательными свойствами. Кроме того, неясно как метод получения, влияет на уровень технологических свойств железных порошков и как можно управлять этими свойствами. В этой связи был применен разработанный комплекс методик (табл.1), и проведена оценка физико-химических и структурных свойств порошков после их получения, прес сования, спекания, т.е. на кавдрм технологическом этапе метода порошковой металлургии.

Все исследуемые железные порошки относились к разряду крупных со средним размером частиц 160+200 мкм. При проведении микроструктурного анализа выявлено, что частицы восстановленных и распыленных порошков имели неправильную округлую форму, в распиленных порошках встречались частицы сферической формы. Частицы электролитического порошка обладали неправильной геометрической формой,например, в виде гусениц. При этом частицы распыленных порошков были плотными, а в частицах восстановленных и электролитического порошка наблвдались внутричастичные поры.

Метод получения задает рельеф поверхности частиц. Анализ микроморфологических особенностей железных порошков проводился в РЭМ. Из сканограмм исходных частиц видно, что поверхность порошка 1ШВ4 гладкая, частицы порошка ПЖВ2, полученного дополнительным восстановлением ПЖВ4, имели сильноразвитую "губчатую" поверхность, для частиц распыленных водой порошков (А/РЬ, ШРВ была характерна "бо родавчатая" поверхность с мелкими сфероидными образованиями размером 3+5 мкм, частицы 1ШЭ имели как гладкую поверхность, так и сил! норазвитую, гофрированную.

Все исследуемые железные порошки представляли собой поликристаллы с ферритной структурой и определенным средним размером и рас пределением по размерам зерен, задаваемыми методом получения порой ка. Так, при построении полигонов распределения зерен по размерам установлено, что для восстановленных порошков характерна равномер-8

ная зеренная структура с самым мелким средним размером зерна (табл.3)% Для распыленных и электролитического порошков характерна разнозер-нистость (рис.1в-£) . Причем, в распыленных порошках частицы сферической формы имели равномерную зеренную структуру, а в частицах неправильной формы, которые преобладали в общем наборе частиц, наблюдалась разнозернистость.

О го «о ¡0 5 ш ШГ

витм?

Рис.1. Полигоны распределения зерен по размерам железных порошков: ПЖВ4 (а) , ПЖВ2 ($) , ШРЬ Сз) , 1ШРВЗ (г) , ПЖЭ в исходном состоянии (1) и в спеченных прессовках при Р=230 Ш1а (2") и 700 МПа (3) .

___

~ £о ко 60 во ш <гд

Диоптр а&т,мя

Метод получения железных порошков определяет их химический состав (табл.2). Наибольшее количество вредных примесей содержал ПЖВ4, а наименьшее - ПЖЭ. Содержание углерода в ПЖВ4 составляло 0,125? и,как показал металлографический анализ, он находился в виде цементита.

Таблица 4

Содержание" кислорода (мас.$) в железных порошках в исходном состоянии и после спекания прессовок (1120°С; 1,5ч.

Марка порошка ¡Исходные ¡порошки ¡После i спекания 1 Оксидная ¡пленка i Неметаллические j включения

ПЖВ4 1,05 0,130 0,920 0,130

ПЖВ2 0,25 0,135 0,115 0,135

VffL-200 0,16 0,072 0,088 0,072

ПЖРВЗ 0,32 0,110 0,210 0,110

ПЖЭ ' 0,09 0,035 0,055 0,035

Наиболее вредной примесью для железных порошков является кислород, его содержание в исследуемых порошках составляло от 0,1 до 1,0% в зависимости от метода получения. Проведенные исследования с помощью металлографического и кислотного методов, а также микро-рентгеноспектрального анализа с поверхности и объема частиц позволили установить, что кислород связан в неметаллические включения как на поверхности, так и в объемах частиц, а также в поверхностные оксидные пленки. Выявлено, что для всех порошков характерно наличие сложных оксидов на основе железа, включающих следующие элементы: SL ,А1 , Мл, Ca, IL . Анализируя данные микрорентгеноспектрального анализа кислорода с поверхности частиц и измерения его содержания до и после спекания (табл.4), можно заключить, что основное количество кислорода связано в оксиды железа, покрывавшие частицы сплошным слоем, толщина которого тем больше, чем выше общее содержание кислорода. Гак, в восстановленном порошке ПЖВ4 толщина оксидной пленки составляла 0,5+1,0 мкм, а в порошке 1ШВ2 с 0,25? кислорода содержание его в поверхностном слое на порядок 10

ниже, что подтвердили данные микрорентгенослектрального анализа кислорода с поверхности частиц и свидетельствовало о незначительной толщине оксидной пленки. В наиболее чистом электролитическом порошке 1ИЭ содержание кислорода на поверхности было ниже предела чувствительности метода РМА, и он обладал самой тонкой оксидной пленкой.

Метод получения железных порошков определяет уровень внутренних микронапряжений, о котором косвенно судили по величине рентгеновского уширения на половине высоты интерференционных пиков;(В0) (табл.3). Максимальный уровень внутренних микронапряжений наблюдался у порошка ПЖВ4 с самым высоким содержанием кислорода.По-видимо-му, при получении этого порошка из-за различия коэффициентов линейного расширения оксидного слоя и металлической матрицы возникают термические напряжения, приводящие к наклепу частиц. Самым низким значением рентгеновского уширения обладал электролитический порошок железа с минимальным содержанием кислорода. РаспыленныйМРЬ и восстановленный ПЖВ2 порошки с~0,2$ кислорода имели одинаковые значения рентгеновского уширения.

Итак, метод получения железных порошков определяет: химический состав; размер частиц, их форму и рельеф поверхности ; толщину и морфологию оксидной пленки; природу неметаллических включений ; •средний размер зерна и распределение зерен по размерам; уровень внутренних микронапряжений.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЩИХ ПРИ ПРЕССОВАНИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

Исследуемые железные порошки прессовались в интервале давлений 230+700 МПа, которые соответствовали применяемым на практике давлениям прессования для производства изделий антифрикционного и конструкционного назначения. Одним из основных технологических свойств порошка на стадии прессования является уплотняемость.

Таблица 5

Относительная плотность (% ) железных порошков после прессования и спекания

Марка порошка! Пос^прессования, После спекания, Рт., та

! 230 ! 320 1500 700 230 320 500 ! 700

ПЖВ4 62,9 69,6 78,9 84,7 63,8 70,6 79,9 85,4,

1ЖВ2 70,9 77,6 86,2. 91,1 71,2 78,0 86,4 91,7

WPL 71,1 77,6 86, б' 91,3 71,3 78,1 84,3 92,0

ПЖРВЗ 65,8 75,3 84,2 90,0 66,2 75,6 84,4 90,7

ПЖЭ ' 74,3 79,9 86,8 91,0 74,5 80,6 86,9 91,1

Наименьшей плотностью прессовки обладал порошок ЖВ4 (табл.5) с самым высоким содержанием кислорода. Значения уплотняемости порошков с содержанием кислорода н» более 0,3% примерно одинаковы(табл.5] Таким образом уплотняемость железных порошков находится в прямой за? висимостн от содержания кислорода, а следовательно, толщины оксидной пленки, препятствующей пластической деформации частиц при прессовании, и исходного уровня внутренних микронапряжений. Эти же параметры определяют и степень наклепа порошков в процессе прессования. Так, порошок ШВ4 не испытывал наклепа даже при прессовании 700 МПа. Прессование электролитического порошка с минимальным содержанием кислорода сопровождалось ростом рентгеновского уширения почт! в 2 раза даже при малых давлениях прессования (рис,2а).

1QO lOOMÎta

m о

100 ли « А,

Ш □

_

i

¿00 7ООН Па

И □

«*«» пжи "Н т> mt ыи V»« ¡т />«э mt ыи wи. ляп их»

а б" в

Рис.2. Изменение уровня внутренних микронапряжений железных порошков после прессования и высокотемпературного спекания.Линия (220).

I 2

Народу с уплотняемостыо важнейшей технологической характеристикой железных порошков на стадии прессования является прочность прессовки, значения которой позволяют оценить способность прессовки сохранять форму при транспортировке на дальнейшие технологические операции. Уровень прочности прессовки определяют природа,прочность и количество контактов, в которые вступавт частицы при прессовании. Межчастичные контакты формируются либо при разрушении оксидной пленки с образованием свежей поверхности и протекании процесса холодной сварки, либо в результате чисто механического зацепления частиц в случае, если они обладают сильноразвитой поверхностью. Различают точечные, линейные, плоскостные и объемные контакты - I, П, Ш и 17 типа,соответственно.При исследовании в РЭМ в изломах прессовок исследуемых железных порошков наблюдались'кон-

Наибольшими значениями прочности прессовки из всех исследуемых железных порошков обладал порошок 1ШВ4 с высоким содержанием кислорода и 1ШЭ - о минимальным его содержанием (рис.3). Проведение фрактографического анализа в РЭМ выявило, что поверхность частиц 1ЖВ4 плоская, при прессовании происходило растрескивание оксидного слоя и в результате протека- ■ ния процесса холодной сварки образовывались прочные плоскостные металлические контакты. Поверхность порошка ПЖЭ сильноразвита, при прессовании образовывалось множество точечных контактов, сформированных также процессами холодной сварки при разрушении очень тонкого оксидного слоя. Таким образом образование контактов 1'типа между .частицами порошка ПЖЭ и П типа - ПЖВ4 обеспечивало самые высокие значения прочности прессовки. Восстановленный ПЖВ2 и

13

такты I ,П и Ш типов.

вип,мпа

пжьч

60 -

пжз

40 - х ¿т пмегЛ

20 . ^ПЖРВ,

ИИ

О > 1 . ■ |

75

ВО 65 /пр,'/-

Рис.З. Зависимость прочности прессовок 6^зг от относитель

ной плотности после прессования

железных "порошков

ю

распыленный ШРВЗ порошки имели приблизительно одинаковые значения прочности прессовки. В изломах прессовок этих порошков наблвдались контакты I, П и Ш типов, однако в МРВ - преобладали плоскостные контакты, в в 1ШВ2 - точечные. При этом в местах контактов формировалась '"шейка" мезду частицами. В Изломах прессовок порошка мРЬ также наблвдались контакты П типа в виде "шейки". Однако оксидная пленка на поверхности частиц порошка не всегда разрушалась при прессовании, при этом частицы слипались, не образуя металлического контакта, в связи с чем этот порошок имел самые низкие значения прочности прессовки.

Таким образом процессы пластической деформации и контакто-образования частиц восстановленных, распыленных и электролитических порошков железа при их холодном на воздухе прессовании определяются комплексным влиянием внутренней субсгруктуры объема частиц и физико-химической природой оксидных пленок на поверхности, предопределяемыми методом получения.

Практика производства изделий сложной формы методом порошковой металлургии показывает, что железные порошки могут быть использованы, если при заданной плотности прочность прессовки составляет 18-20 МПа. На основании проведенной аттестации структуры железных порошков после прессования можно сделать следующие рекомендации:

1. Для изготовления изделий с высокими значениями прочности прессовок при плотности менее 5,9г/см3 целесообразно использовать порошки о высоким содержанием кислорода (до 1,0® и гладкой поверхностью частиц, а при плотности 7,1г/см3 - порошки с содержанием кислорода "0,1% и сильноразвитой поверхностью частиц.

2. Для изготовления изделий с заданной относительной плотностью в интервале 75-90$ и удовлетворительными значениями прочности прес-. совки рекомендуется использование железных порошков с содержанием кислорода не более 0,3%.

Итак, после прессования исследуемых железных порошков, полу-

ченных методами восстановления, распыления и электролиза,формируется микроструктура, являющаяся стартовой для последующей технологической операции - спекания, и включающая в себя: межчастичные контакты, поровое пространство и деформированную металлическую матрицу с определенным уровнем внутренних микронапряжений.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ

СПЕКАНИИ ПРЕССОВОК ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ '

Спекание прессовок железных порошков,полученных методами восстановления, распыления и электролиза, проводилось в среде проточного водорода и сопровождалось восстановлением оксидных фаз,усадкой, уплотнением,релаксацией микронапряжений £рис.2в) .процессами рекристаллизации. Проведение ТГ анализа позволило судить о характере процессов восстановления оксидных пленок и фаз на поверхности и оксидных фаз в объеме частиц различных порошков. Из анализа ТГ кривых (_рис.4а)_ следует, что основные потери веса происходят в интервале температур 350-600°С. После нагрева прессовок выше 600°С потеря веса стабилизируется и характеризует окончательное остаточное содержание кислорода в прессовках после спекания,которое связано с наличием трудновосстановимых оксидных фаз на поверхности и в объеме частиц порошков.

а б

Рис.4. Термогравиметрические (а) и дилатометрические (б) кривые железных порошков: о - ЩВ4 ; х - ПЖР2 .

Кинетику спекания прессовок железных порошков изучали с помощью

дилатометрического анализа (рис.46) . При сравнении дилатометрических и ТГ кривых установлено, что температура окончания потери веса~600°С соответствует температуре начала линейной усадки для прессовки порошка 1ШВ4 и выхода дилатометрических кривых на насыщение для прессовок ПЖВ2, ПЖРВЗ.МРи и ПЖЭ порошков. Для последних, вероятно, начиная с ~600°С расширение прессовок компенсируется усадкой, скорость которой постоянна вплоть до нагрева до температуры спекания.

• Толщина оксидной пленки на поверхности частиц ПЖВ4 составляла 0,5+1,0 мкм, ее восстановление способствовало образованию высокс концентрации вакансий как в самой оксидной пленке за счет удаления атомов кислорода, так и в приповерхностных к ней слоях металла самой частицы. Дальнейшее повышение температуры в процессе не-изотерыичеекого спекания, начиная с « 600°С, т.е. при 0,4+0,6 Тщ.^, заставляло вступить в действие механизм объемной диффузии из-за наличия большого градиента неравновесных вакансий между протяженной приповерхностной зоной и объемом частиц железных порошков, что сопровождалось сближением центров частиц и соответственно линейной усадкой прессовки порошка 1ШВ4.

В остальных исследуемых железных порошках содержание кислорода составляло менее 0,30%, в связи с чем на поверхности частиц образовывалась оксидная пленка меньшей толщины, чем в П1В4.Ее восстановление при спекании прессовок в водороде не приводило, к созданию столь высокого градиента концентрации неравновесных вакансий мезду поверхностным слоем и центром частиц, поэтому усадка в процессе нагрева невелика и составляла доли процента.

Таким образом, процесс восстановления оксидных фаз при неизотермическом спекании в водороде активирует процессы массопереноса в прессовках исследуемых железных порошков.

Процесс спекания сопровождался незначительным уплотнением прессовок исследуемых порошков, т.е. плотность изделий из промыш-

ленных крупных железных порошков формируется в основном на стадии прессования (табл.5). Исследуемые железные порошки являлись поликристаллами, кроме того при спекании прессовок формируются межчастичные границы зерен. Имеющаяся сильноразвитая сеть границ зерен позволяет при спекании действовать механизму зернограничной диффузии, при этом протекает процесс коалесценции пор. Следовательно, спекание крупных железных порошков относится к так называемому внутреннему спеканию.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОМПЛЕКС

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЕЧЕННЫХ ПРЕССОВОК ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

С ростом плотности спеченных материалов на основе восстановленных, распыленных и электролитических порошков железа происходит повышение как характеристик прочности (бв ), так и пластичности (6 ) (табл.6). После спекания формировалась микроструктура, состоящая из неметаллических включений, порового пространства и металлической матрицы. Эти три структурные составляющие определяли комплекс механических свойств спеченного изделия. При проведении фрактографичес-кого анализа в РЭМ с РМА установлено, что неметаллические включения, представленные сложными оксидами,невосстановившимися в процессе спекания, не оказывают влияния на уровень механических свойств спеченных прессовок исследуемых железных порошков.

Таблица 6 Механические свойства спеченных прессовок Р=320МПа/Р=700 МПа железных порошков

Марка порошка бв, МПа 6 , %

ПЖВ4 61/207 2,2/1,7

ПЖВ2 92/241 9,1/14,9

ИРЬ 68/210 2,3/11,2

ПЖРВЗ 102/198 2,0/7,8

пжэ 95/195 9,0/15,0

Металлическая матрица характеризуется средним размером зерна о[„ распределением зерен по размерам и типом межчастичных контактов. Установлено, что не определяет характеристик прочности (табл.7).На их величину оказывают комплексное

влияние как тип и прочность межчастичных контактов, которые изучали с помощью фрактографического в РЭМ анализа, так и струк-

17

тура порового пространства. При этом превалирующим фактором является не средний размер пор {табл.7), а их форма и распределение по размерам. Тан, плоскостная пористость в ШШ4 и остроугольные поры в электролитическом порошке ШЭ приводят к пониженным значениям прочности спеченных прессовок на 700 МПа. А большое количество мелких сферических равномерно распределенных пор в спеченном порошке ПТС. и преобладание объемных контактов 1У типа обусловливают самый высокий уровень механических свойств как для антифрикционных, так и для конструкционных изделий.

Из анализа влияния структурных составляющих спеченных прессово! железных порошков на величины характеристик пластичности следует, что они определяются не только структурой порового пространства,но и характером распределения зерен по размерам. Так, отечественные распыленные железные порошки имеют низкие значения пластичности,что, по-видимому, является следствием разнозернистости, характерной для спеченных прессовок этих порошков.

Таблица 7

Результаты количественного металлографического анализа структуры железных порошков

Состояние порошка Средний размер зерен,с!д,ми.;/Средний размер пор,с1п,мкм

. .. ШВ4 ] 1ЖВ2 \ \«РЬ 1ШРВЗ ШЭ

Исходный порошок 13,3/ - 13,7/ - 22,0/ - 22,4/ - 32,3/ -

Спеченные прессовки Рго.,М1а 200 20,0/ 8,1 20,1/5,8 31,2/8,6 24,1/7,7 38,6/6,2

700 26,0/ 7,2 40,5/5,3 51,6/4,2 31,0/6,7 44,9/5,6

При построении полигонов распределения зерен по размерам за-

мечено, что ход кривых в исходном состоянии порошков наследуется и в спеченных прессовках. При этом происходит лишь смещение полигонов в сторону больших размеров зерен (рис.1а-д).Это явление было названо структурной наследственностью,под которой подразумевалось сохранение характера распределения зерен по размерам в исходнсм состоянии, после прессования и окончательного спекания жележных порош-

ков.

Величина смещения полигонов от исходного распределения зерен находится в зависимости от метода получения и характеризует степень а полноту протекания процессов внутри- и межчастичной рекристаллизации. Из анализа полигонов распределения ( рис.1а-д ) следует, что эти процессы определяются комплексным влиянием уровня внутренних' иикронапряжений, т.е. давлением прессования, и взаимодействием "гра-аица зерна - пора".

Таким образом, качество порошков, т.е. их исходная структура, зерез структурную наследственность оказывает влияние на комплекс механических свойств спеченного изделия.

ДОСЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ СПЕКАНИИ ПРЕССОВОК ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

При изучении зеренной структуры готового изделия из железного зорошка ПЖР2.200.26 - полюсного наконечника, изготовление которого зключает в себя целых ряд технологических операций ( прессование, зпекание, калибровку, отжиг) , замечено, что в нем сохраняется тот ¡се характер распределения зерен по размерам, что и в исходном по-зошке. Таким образом,- явление структурной наследственности, ранее ¡аблюдаемое в лабораторных образцах, имеет место и в спеченных из-1елиях. Окончательная зеренная структура является результатом протекания процессов внутри--и межчастичной рекристаллизации. Однако *еясно, в какой момент осуществляются эти процессы, на стадии на-'рева до температуры спекания или в процессе изотермической выдержки при этой температуре. Для решения поставленных задач была [роведена серия закалок прессовок Р=320 Ша и Р=700 МГ& порошка ЕР2.200.26 с температур: 300°С, 600°С, 750°С, 1000°С. Аналогич-[ая серия закалок проводилась для прессовок порошка ШШ4, как со-;ержащего наибольшее количество кислорода и обладающего наибаль-1ей линейной усадкой при спекании (рис.46)

Результаты металлографического и рентгеноструктурного анализов

19

показали,- что процессы внутри- и межчастичной рекристаллизации как обработки, так и собирательной, протекают в прессовках железных порошков при неизотермическом спекании. Так, характер распределения зерен по размерам в закаленных с 1000°С прессовках и в изделиях после окончательного в течение 1,5 часов спекания аналогичен.

Таблица 8

Характеристики зеренной структуры прессовок железных порошков ПЖР2.200.26 и ПЖВ4.160.28 после закалки с различных температур

Температура закалки,

°С

Средний размер зерна. сЗд. мкм*

Прессовки 1ШР2.200.26

рцр.=320МПа ¡Рпр.=700МПа

Прессовки ПЖВ4.160.28

Pnp>=320MIaj Рпр>=700Ша

300 30,4 24,2 15,7 17,1

600 21,7 22,8 14,6 13,8

750 23,9 22,3 18,4 14,1

1000 24,1 30,1 20,6 20,5

х - средний размер зерна в исходных порошках составлял а|®^=29,2мкм «5ЙВ4в17р8 мкм

Из полигонов распределения зерен по размерам и данных табл.8 следует, что после закалки с температуры~600°С в спеченных прессовках наблвдались равномерная зеренная структура с наименьшим cl3. Ранее установлено, что эта температура являлась температурой окончания восстановления оксидных фаз и начала усадки.

На основании установленных в работе закономерностей может быть рекомендован новый технологический метод, а именно проведение теплого в водороде прессования при температуре ~ 600°С с целью получения изделий с высокой плотностью, с сохранением мелкого зерна, равномерной зеренной структурой и низким остаточным содержанием кислорода.

ОПЫТНО-ПРОМЫШЕННОЕ ОПРОБОВШЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОПЕРАЦИИ

ПЕРИЩ ПРЕССОВАНИЕМ И СПЕКАНИЕМ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

В результате проведенных в работе исследований установлено, что основная доля плотности изделий из промышленных железных порошков формируется на стадии прессования и зависит от качества 20

порошка, причем главным образом от общего содержания кислорода. Одна-^— ко отечественные распыленные железные порошки, составляющие ~75$ от общего выпуска железных порошков,отличаются нестабильностью по содержанию кислорода при получении,а также вследствие нарушений режимов транспортировки и хранения.В результате к потребителю поступают, порошки с повышенным содержанием кислорода,что ухудшает окончательные свойства изделий. На основании установленных в работе закономерностей спекания железных порошков была рекомендована дополнительная операция перед, прессованием и спеканием железных порошков, заключающаяся в проведении довосстановительного отжига при температуре 400-500°С в течение 20 минут в среде проточного водорода.Про-ведение данной технологической операции позволило снизить содержание кислорода в железных порошках в 2-3 раза (табл.э) без изменения дисперсности частиц и практически без их слипания.

Таблица 9 При серийном производстве

В деталей «Экран» и «Наконечник

порошка ¡до отжига после отжига

ПЖР2.200.26) 0,3956 0,1978

1ЖРВ3.200.2(э 0.4613 0.3151

ПЖВ4.160.281, 0,9327 0,3140

них порошков необходимо получать заданную плотность изделия не менее 92$. При существующей технологии, включающей в себя прессование, спекание, калибровку, отжиг, при изготовлении этих,деталей из порошков с содержанием кислорода более 0,3% достигается плотность 90,5$. Проведение дополнительного восстановительного отжига по рекомендованному в работе режиму позволило:

1. Использовать некондиционные порошки с повышенным, при получении или в результате нарушений режимов хранения и транспортировки, содержанием кислорода.

2. При изготовлении деталей из порошков с исходным содержанием кислорода более 0,3$ достигать плотности 92$,при этом были снижены удельные давления прессования и калибровки,что позволило увеличить срок службы пресс-инструмента.

выводы

1. Разработан комплекс методик, предусматривающий проведение всесторонней физико-химической и структурной аттестации поверхности и объема частиц железных порошков в ряду:"получение порошка -прессование - спекание".

2. Метод получения железных порошков определяет их химический состав; размер, форму и морфологию поверхности частиц; внутреннюю структуру и уровень внутренних микронапряжений.

3. Установлено, что кислород в исследуемых железных порошках, полученных методами восстановления, распыления и электролиза, связан в неметаллические включения как на поверхности, так и в объеме частиц, но основное его количество связано в оксиды железа, покрывающие частицы сплошным слоем, толщина которого тем больше, чем выше общее содержание кислорода в порошке. Так, восстановленный порошок ПЖВ4, содержащий в исходном состоянии 1,05$ кислорода, обладал самой толстой оксидной пленкой (0,5+1,0 мкм), а частицы электролитического порошка ПЖЭ с 0,09^ кислорода покрыты оксидной пленкой наименьшей толщины.

4. Показано, что уровень технологических свойств железных порошков на -стадии прессования определяется, в основном, содержанием кислорода и формой частиц. Наибольшими значениями прочности прессовки обладали- порожки с гладкими частицами и высоким содержанием кислорода, а также с сильноразвитой поверхностью частиц и низким содержанием кислорода. Для прогнозирования поведения порошков в процессе прессования при диагностике железных порошков приоритетным является определение содержания кислорода методом вакуум-плавления ж исследование формы частиц в растровом электронном микроско]

5. Установлена температура окончания восстановления оксидных пленок на поверхности деформированных после прессования частиц,которая является одновременно температурой начала усадки и активной фазы рекристаллизации обработки как внутри-, так и межчастичной.

6. Процесс массопереноса при спекании сопровождается одновре-

меню идущими процессами рекристаллизации и усадки и осуществляется в основном за счет действия механизма объемной диффузии.

7. ПроцеЬс рекристаллизации прессовок железных порошков включает в себя рекристаллизацию обработки и собирательную рекристаллизацию, протекающие как внутри частиц, так и на межчастичных контактах. Окончательная структура спеченных прессовок определяется взаимодействием "граница зерна - пора" и формирует комплекс физико-механических свойств.

8.-В технологическом ряду "получение порошка - прессование -спеканке" обнаружено явление структурной наследственности, заклю- ■ чающееся в сохранении характера распределения зерен по размерам в исходных порошках и в спеченных прессовках.

9. Разработана дополнительная операция, проводимая перед прессованием и спеканием для железных порошков с высоким содержанием кислорода, заключающаяся в проведении восстановительного отжига в среде проточного водорода при температуре 400-500°С в течение 20 -30 минут, что позволило повысить плотность прессовок на 1,5%, снизить удельные давления прессования и калибровки, увеличить срок службы пресс-инструмента.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Арсентьева И.П., Боднарчук В.И., Филатова НД. Применение растровой электронной микроскопии для аттестации структуры поверхности и объема частиц железных порошков.// Тезисы докладов У1 Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. РЭМ-89, Звенигород,1989г.-,с.173.

2. Арсентьева И.П., Филатова Н.Л., Климушкина И.А. Процессы струк-турообразования при спекании железных порошков.// Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента",г.Махачкала, 1989г.,с.23-25.

3. Арсентьева И.П., Башнин Ю.А., Боднарчук В.И., Филатова Н.Л.,' Агансон А.Э. Процессы структурообразования при спекании прессовок железных порошков.// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1990, №7, ч.84-86.

4. Арсентьева И.П., Филатова Н.Л., Сокольская Т.К., Арыкбаев Р.К. Исследование влияния метода получения на прочность прессовок распыленных,восстановленных и электролитических порошков.// Тезисы'' докладов к зональному семинару "Порошковая металлургия и области ее применения". Пенза, 1990г., с.31-33.

5. Филатова Н.Л., Башнин Ю.А., Арсентьева И.П. Исследование влияния исходной структуры распыленных железных порошков на м.еханичес-кие свойства спеченных прессовок,// Тезисы докладов межреспубликан ской научно-технической конференции "Применение иснульсных методов и обработки давлением для производства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий". Волгоград, 1990г., с.66-68.

6. Арсентьева И.П., Башнин Ю.А., Филатова Н.Д., Левин A.M., Семеник В.Н. Исследование влияния метода получения на исходную структуру и свойства восстановленных и распыленных железных порошков.// Сталь, 1990, J* 11, с.91-93.

/