Некоторые особенности термической обработки порошковых материалов на основе железа

Н. Г. Крашенинникова, В. И. Капранова, С. Я. Алибеков,

Р. С. Сальманов

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Ключевые слова: порошковая сталь, упрочнение металла, термическая обработка, микроструктура, твердость.

Изучен процесс термической обработки порошковых сталей. Исследовано влияние состава и обработки на микроструктуру и твердость, установлены оптимальные режимы закалки сталей. Достигнуто значительное увеличение твердости материалов после термообработки.

Keywords: powder steel, metal hardening, heat treatment, microstructure, hardness.

The problem of heat treatment ofpowder steels has been considered. The influence of composition and processing on the microstructure and hardness has been investigated and proper parameters of metal hardening process has been established. The considerable increase of hardness after the heart treatment had been got.

Проблема термической обработки порошковых сталей исследуется учеными и практиками, работающими в области порошковой металлургии, уже достаточно долго /1-3/, однако сохраняет свою актуальность. Это связано, во-первых, с повышением технических требований к порошковым деталям, которые все чаще используются для работы в условиях высоких нагрузок и, следовательно, должны обладать соответствующим комплексом механических характеристик, для обеспечения которого предприятия порошковой металлургии вынуждены прибегать к использованию различных вариантов термической и химико-термической обработки.

Кроме того, термическая обработка порошковых сталей имеет ряд особенностей по сравнению с обработкой компактных материалов и представляет собой весьма непростую задачу, требующую учета многочисленных факторов, влияющих на результат, таких как наличие пористости, пониженная теплопроводность порошковых материалов, их склон-

ность к окислению, повышенный уровень термических и фазовых напряжений при нагреве и охлаждении заготовок.

На кинетику фазовых превращений и характер образующейся структуры существенно влияют также химический состав порошковой стали, методы получения и свойства исходных материалов, способ введения легирующих элементов, метод формообразования порошковой заготовки и другие технологические факторы.

В рамках предприятия НПП ЗАО «Марат» (г. Йошкар-Ола) были проведены исследования влияния химического состава и параметров технологического процесса на микроструктуру и твердость закаленной стали, а также на величину усадки материалов при спекании.

Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1.

Таблица І - Химический состав порошковых сплавов

Номер Среднее содержание компонентов, вес. %

сплава железо углерод медь никель молибден

1 основа 0,8 2,5 - -

2 основа 0,5 - 0,5 0,5

3 основа 0,5 1,5 4 0,5

4 основа 0,5 2,5 - 1,5

Сплав 1 получали прессованием и спеканием порошков чистых компонентов: порошка железа марки ПЖР3.200.28 ГОСТ9849-86, порошка меди марки ПМС-1 ГОСТ 4960-75 и порошка графита марки ГК-1 ГОСТ 4404-78.

Сплавы 2 - 3 получали на основе диффузионно-легированных порошков производства фирмы Hoganas (Швеция), углерод добавляли в шихту в виде графита марки ГК-1 ГОСТ 4404-78.

Основой сплава 4 является распыленный порошок марки Astaloy Мо (фирма Hoganas, Швеция). Медь (порошок марки ПМС-1) и углерод в виде порошка графита мари ГК-1 вводили в шихту.

Сплавы получали холодным прессованием при давлениях 600-700 МПа и спеканием в атмо-

сфере эндогаза в конвейерной печи при температуре 1120°С.

После спекания заготовки подвергали калибровке с целью доуплотнения и обеспечения требуемой размерной точности. Давление калибрования было не слишком высоким (500-600 МПа) во избежание больших упругих последействий.

При выборе исходных материалов для получения порошковых сплавов немаловажную роль играет их уплотняемость, поскольку механические характеристики спеченных материалов в значительной степени определяются их плотностью. Весьма существенны также размерные изменения порошковых заготовок в процессе спекания, влияющие как

на плотность получаемых материалов, так и на размерную точность деталей.

Сплавы системы «железо-медь-графит», получаемые из механической смеси компонентов с использованием распыленного порошка железа, при спекании, как правило, растут, причем этот рост является весьма существенным. Так, для сплава 1 он составляет около 0,5-0,6 %. Дополнительное легирование никелем и молибденом позволяет минимизировать размерные изменения порошковых прессовок при спекании. При определенном соотношении компонентов спекание может быть практически безусадочным. Так, размерные изменения прессовок из сплава 2 при спекании составляли не более 0,1 %.

Термическую обработку порошковых заготовок проводили по одному из двух вариантов.

В первом варианте закалку попытались совместить со спеканием. Детали подстуживали в последней зоне печи до температуры 850-860 С, затем охлаждали в водоохлаждаемом холодильнике печи.

Рис. 1 - Микроструктура сплава 4 после закалки, совмещенной со спеканием в конвейерной печи, х400. Травление 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте

Очевидно, скорость охлаждения в данном случае недостаточна для получения закалочной структуры и, кроме того, структура и твердость материала при такой обработке существенно зависят от положения детали на конвейерной ленте.

Второй вариант термической обработки -закалка предварительно спеченных деталей путем их повторного нагрева в камерной печи с последующим охлаждением в воде.

Проведенные исследования зависимости твердости материала от температуры нагрева под закалку показали, что наилучшие результаты обеспечиваются закалкой с температуры 950 оС.

Эта температура и была выбрана для проведения термической обработки всех исследованных материалов.

Однако заготовки после термической обработки по такому режиму имели невысокий уровень и большой разброс значений твердости.

Микроструктура материалов после термической обработки также очень неравномерна. Например, в структуре сплава 4 (рис.1) присутствуют участки бейнита, троостита, пластинчатого и зернистого перлита (170-206 НУц»), карбидные включения и поры. Твердость этой детали изменяется по сечению в широких пределах (130-150 НУю0).

Структура сплава 3, полученного на основе диффузионно-легированного порошка, (рис.2), еще более неравномерна. Отдельные области значительно различаются по содержанию легирующих компонентов и, вследствие этого, по структуре: области с низким содержанием легирующих компонентов имеют структуру зернистого и пластинчатого перлита (170-206 НУюо), участки с повышенным содержанием никеля имеют сорбитную (272-320 НУ100) структуру. Кроме того, присутствуют аусте-нитные области и поры. Твердость этого образца колеблется в пределах 155-170 НУ.

Рис. 2 - Микроструктура сплава 3 после закалки, совмещенной со спеканием в конвейерной печи, х400. Травление 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте

Структура материалов после закалки в по такому режиму гораздо более равномерна, чем та, что была получена после закалки, совмещенной со спеканием.

Среди исследованных сплавов наиболее равномерной структурой отличается сплав 4, полученный на основе распыленного легированного порошка Аєіаіоу Мо (рис.3). Закаленный материал имеет структуру бейнита с участками троостита, карбидными включениями и порами.

Основной структурной составляющей материалов, полученных на основе диффузионнолегированных порошков, является бейнит, кроме того, присутствуют участки троостита (383-420 НУ10о) и цементитные включения. В зонах с повышенным содержанием никеля сохраняется остаточный аустенит.

V .

-Г5»< д ъ.

* * ^ Vі *л

' - - • , V*'-,"к * * ;К

^ 1.;г7 Л;

•ЧвКг *

Рис. 3 - Микроструктура сплава 4 после нагрева в камерной печи и закалки в воде. х400.Травление 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте

Результаты исследования твердости сплавов после закалки по варианту 2 приведены в таблице 2.

Твердость материалов при плотности 6,8 -6,9 г/см3 колеблется в пределах 360-440 НУ^о. Понижение плотности материала приводит к резкому уменьшению твердости (образец 2).

Материал, полученный спеканием смеси чистых компонентов (образец 1), отличается неравномерностью структуры и, как следствие, большим разбросом значений твердости.

Таким образом, термическая обработка легированных порошковых сталей по предложенному режиму обеспечивает получение равномерной структуры и стабильной твердости материала при условии достаточно высокой плотности (не менее 6.9 г/см3) и может быть успешно применена в процессе производства деталей конструкционного назначения.

Таблица 2 - Свойства заготовок после спекания в конвейерной печи и последующей закалки в воду

Номер сплава 1 2 3 4

Плотность, г/см3 6,7-6,8 6,4-6,5 6,8-6,9 6,9-7,0

Твёрдость, НУ 220-420 230-270 360-430 350-440

Литература

1. Ермаков С.С., Термическая обработка порошковых стальных деталей.-Л, ЛДНТП, - 24 с.

2. Довыденкова А.В., Ялтаев В.П., Ярмолык М.В. и др. Технологии термической обработки, применяемые в ЗАО «Метма»./ Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. Сборник трудов 2-го международного научнопрактического семинара. Йошкар-Ола, 17-19 июня 2008 г. С.80-82.

3. Крашенинникова Н.Г., Капранова В.И., Истомина В. Л.. Химико-термическая обработка порошковых ста-

лей./ Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение. Сборник трудов 2-го международного научно-практического семинара. Йошкар-Ола, 17-19 июня 2008 г. С.83-84.

4. Довыденков В.А., Соловьева Е.В., Шалагин М.В., Ха-пов П.В., Шарафутдинов Р.А. Получение высокодисперсных псевдосплавов на основе железа и меди с применением инфильтрации.

Вестник КГТУ № 17 2013г. С. 97-99.

5. Довыденков В.А., Зверева О.С., Алибеков С.Я., Саль-манов Р. С. Влияние видов сырья на динамическую вязкость композиции из порошков металлов, их оксидов и связующих. Вестник КГТУ №6 2013г. С. 87-89.

© Н. Г. Крашенинникова - доц. каф. химии Поволжского государственного технологического университета г. Йошкар-Ола, NadKrash@yandex.ru; В. И. Капранова - д.т.н., проф. той же кафедры; С. Я. Алибеков - главный технолог НПП ЗАО «Марат» г. Йошкар-Ола; Р. С. Сальманов - доц. каф. физики КНИТУ.