Формирование структуры порошковых материалов при горячей штамповке

УДК 621.762

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКЕ

© 2014 г. Ю.Г. Дорофеев, В.И. Устименко

Дорофеев Юрий Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Устименко Валентина Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Dorofeev Yuriy Grigorevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).

Ustimenko Valentina Ivanovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).

Представлены результаты исследований по формированию структуры и свойств низколегированных материалов из распыленных порошков и смеси порошков компонентов при их получении спеканием, горячей штамповкой и последующей термической и химико-термической обработкой.

Ключевые слова: горячая штамповка; спекание; распыленные порошки; пластическая деформация; пористость; структура; поверхность частиц; графит; давление прессования; неоднородная структура; цементация; твердость.

The results of studies on the formation of structure and properties of sputtered material alloyed powders and powder mixture components when they are received by sintering, hot pressing and subsequent thermal and chemical-thermal treatment.

Keywords: hot stamping; agglomeration; the sprayed powders; plastic deformation; porosity; structure; surface of particles; graphite; pressing pressure; non-uniform structure; cementation; hardness.

Для изделий, работающих под действием различных по величине и способу приложения нагрузок, требуются материалы с высокими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Часто углеродистые стали не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Легирование является одним из основных способов повышения свойств материалов. Эффект легирования используется лишь при термической или химико-термической обработке, когда наблюдаются ограниченная растворимость компонентов друг в друге, фазовые превращения, образование избыточных и дисперсных составляющих.

Порошковые легированные материалы по сравнению с литыми и катаными обладают значительной гетерогенностью структуры, что неоднозначно сказывается на уровне и стабильности их свойств. Гомогенность структуры, в свою очередь, определяется способом введения легирующих добавок, их видом, параметрами технологического процесса получения материалов, последующей термической обработки и др.

Структурообразование материалов протекает на всех стадиях технологического процесса, начиная с получения порошков и заканчивая завершающими операциями. При этом необходимо учитывать влияние различных факторов: вида и количества легирующих добавок; способа их введения в шихту; дисперсности порошков; количества, формы и распределения неметаллических включений в шихте; степени пластической деформации порошков; параметров технологического процесса и др. [1].

Для получения порошковых материалов использовались три технологических процесса:

- холодное прессование (ХП) и спекание

(СП);

- холодное прессование и горячая штамповка (ГШ);

- холодное прессование, спекание и горячая штамповка (ГШ) с использованием легированных молибденом распыленных порошков: Astaloy Мо, Astaloy 85Мо, АНС 100.29 в смеси с Мо, вводимым в виде ферромолибдена. Химический состав порошков представлен в табл. 1 и 2

и шихт - в табл. 3. При получении сталей в шихту вводился углерод в виде карандашного графита ГК-1 в количестве 0,2 и 0,4 %.

Насыпная плотность порошков, легированных молибденом, - 3,1 г/см3; текучесть - 23 с/ 50 г; гранулометрический состав - +212 - 45 мкм.

Таблица 1

Химический состав исследуемых порошков

Марка порошка Мо Fe О2 С

Astaloy 85Мо 0,85 основа 0,09 0,02

Astaloy Мо 1,50 основа 0,10 0,02

АНС 100.29 - основа 0,10 0,02

Таблица 2

Химический состав порошка FeMo 60, %

Марка Мо Si С S P Си Fe

FeMo 60 55 - 65 1,0 0,1 0,10 0,05 0,50 остальное

Химический состав шихт и условное обозначение материалов

Условное Основа Вводимые добавки, %

обозначение Mo FeМо С ZnS

А 85 -

2А85 Astaloy 85Mo 0,85 - 0,2 0,8

4А85 0,4

А Мо -

2АМо Astaloy Mo 1,5 - 0,2 0,8

4А Мо 0,4

ФМо -

2ФМо AHC 100.29 - 1,5 0,2 0,8

4ФМо 0,4

Операция приготовления шихты должна обеспечивать равномерное распределение в ней компонентов. Наличие комкования и сегрегации элементов способствует неоднородности структуры, а следовательно, и нестабильности свойств материалов.

На рис. 1 показана поверхность используемых порошков. Она является разветвленной, что обеспечивает их хорошую формуемость и уплот-няемость.

Давление холодного прессования изменялось от 400 до 800 МПа, с его увеличением плотность формовок из всех шихт возрастает от 6550 до 7400 кг/м3. Уплотняемость выше у шихт из порошков сплавов, а наиболее низкая - у шихт на основе АНС100.29 с ферромолибденом, что можно объяснить химическим составом, структурой и свойствами последнего, а именно, его оскольчатой формой и высокой твердостью. С увеличением содержания молибдена в порошковых шихтах плотность формовок при одном и том же давлении прессования несколько выше, что можно объяснить большей плотностью молибдена по сравнению с железом.

Таблица 3

1200

Х1000

Рис. 1. Форма частиц используемых порошков

Спекание проводилось при температуре °С в течение 1 ч в среде остро осушенного диссоциированного аммиака. Остаточная пористость материалов после спекания составила 7 - 8 %. Холодное прессование при использовании только спекания целесообразно проводить при давлениях прессования 600 - 800 МПа, что обеспечивает указанную пористость.

Для устранения остаточной пористости в материалах после спекания их подвергали ГШ. При технологических процессах с использованием ГШ предпочтительнее давление прессования 400 МПа, что обеспечивает пористость холодных формовок до 25 %. ГШ предварительно нагретых

формовок при температуре 1100 °С проводилась с удельной работой прессования 250 МДж/м3. После ГШ пористость не превышала 1,5 %.

На рис. 2 представлена структура материалов, полученных из легированных распыленных порошков. Как видно, материалы после спекания имеют равномерно распределенные поры, а после горячей штамповки структура беспористая и однородная. У материалов из смеси порошков компонентов наблюдается значительная неоднородность структуры, что говорит о недостаточности протекания диффузионных процессов. Распыленные порошки имеют более однородную структуру. Наличие некоторой неоднородности объясняется в основном неполной диффузией углерода в твердом растворе в процессе спекания [2].

х200 ХП+СП

х200 ХП+СП+ГШ

Рис. 2. Схемы микроструктур материалов из распыленных порошков после спекания и горячей штамповки

Использование технологии ХП+СП можно рекомендовать для деталей из легированных порошков сплавов, так как они имеют хорошую прессуемость, однородную структуру и плотность не ниже 6680 кг/м3. Для шихт из смеси порошков компонентов целесообразно использовать предварительное спекание и горячую штамповку, поскольку ввиду неоднородности структуры требуется время для протекания диффузионных процессов и пластической деформации, которая способствует перемещению материала, повышению плотности, механических свойств и их стабильности, предел прочности после спекания составляет 500 - 550 МПа при относительном удлинении 6 %.

Полученные горячей штамповкой материалы подвергались термической обработке, так как использование легированных материалов без нее является нецелесообразным. При проведении термической обработки необходимо учитывать особенности структуры порошковых материалов:

различной степени гетерогенность, пониженную теплопроводность, наличие микропор и неметаллических включений, отрицательное влияние которых в высокоплотных материалах проявляется гораздо сильнее, чем в пористых, пониженную прокаливаемость.

При назначении режимов термической обработки учитывалось, что в порошковых сталях процессы превращения феррито-перлитных смесей в аустенит и его гомогенизация смещаются в область более высоких температур из-за пониженной диффузионной подвижности углерода и значительной дефектности структуры. Так как порошковые материалы являются наследственно мелкозернистыми, то повышение температур термообработки не вызывает роста аустенитного зерна и снижения свойств. Материалы подвергались улучшению: закалке от температуры 870 °С в масло и высокому отпуску при температуре 560 °С с выдержкой в течение часа.

Стали из смеси порошков компонентов охлаждали в воде ввиду значительной гетерогенности их структуры и неустойчивости переохлажденного аустенита, что не позволяет при охлаждении в масло получить структуру мартенсита.

У материалов из смеси порошков компонентов наблюдается значительная неоднородность структуры, это говорит о том, что при ГШ так же как и при спекании, не происходит значительного повышения гомогенности структуры.

Проведенные ранее исследования показали, что получение материалов без предварительного спекания перед ГШ не обеспечивает требуемой структуры и свойств. Структура неоднородная, неметаллические включения присутствуют в виде сетки по границам зерен и отдельно залегающих крупных включений оскольчатой формы. Легирующие элементы, располагаясь по поверхности частиц порошка железа из-за преобладания поверхностной диффузии [3], образуют на них высоколегированные участки, диффузия вглубь частиц не идет. Углерод растворяется не полностью, и после ГШ структура неоднородная. В табл. 4 представлены свойства материалов из распыленных порошков сплавов после улучшения.

Для обеспечения поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины безуглеродистые материалы на основе порошка А85Мо подвергались цементации по двум режимам: во время спекания пористых заготовок и при кратковременном нагреве перед горячей штамповкой. Отсутствие углерода в шихте исключает гетеро-

генность структуры материала по углероду. Цементация должна обеспечить необходимое содержание углерода в поверхностном слое, его структуру и свойства после термической обработки: закалки и низкого отпуска.

При выдержке пористых заготовок (А85) в течение часа в процессе спекания в углеродсо-держащей среде происходит сквозное науглероживание и основная задача цементации - достижение желаемого распределения углерода по сечению изделия не выполняется. Варьированием содержания углерода в защитной среде не удалось добиться уменьшения содержания углерода в центральной части изделия при сохранении требуемого его количества по поверхности.

Совмещение цементации с предварительным нагревом перед ГШ обеспечивает образование высокоуглеродистого поверхностного слоя. После горячей штамповки структура по всему сечению состоит из перлита и цементитной сетки. Разброс значений твердости по поверхности достигает 25 - 30 %. Результаты влияния содержания углерода в насыщающей среде и времени выдержки на твердость поверхностного слоя представлены в табл. 5.

У всех материалов наблюдается науглеро-женный слой, глубина которого и твердость зависят от условий цементации, которые определяют структуру: на поверхности - заэвтектоид-ная сталь, а в сердцевине - доэвтектоидная.

Таблица 4

Механические свойства материалов после улучшения

Используемые порошки ХП + ГШ + улучшение ХП + СП + ГШ +улучшение

Рв, МПа 5, % Т, % KCU, кДж/м2 Рв, МПа 5, % Т, % KCU, кДж/ м2

4А 85 1150 1,0 2, 0 95 1200 9,0 30 500

4А Мо 1100 1,0 1,0 18 1150 7,0 22 450

4 ФМо 1050 1,0 1,0 16 1100 6,0 20 440

Материал Время выдержки, Количество СН4, Глубина цементованного Твердость, НВ

мин % слоя, мм Цементация Термообработка

10 2 0,6 190 520

А85 10 4 0,8 220 540

10 6 1,0 235 560

20 2 0,8 210 550

А85 20 4 1,0 260 580

20 6 1,3 280 595

10 2 0,9 200 540

2А85 10 4 1,1 280 610

10 6 1,5 295 620

20 2 1,1 220 570

2А85 20 4 1,3 290 630

20 6 1,8 295 650

Таблица 5

Влияние времени нагрева и количества метана в защитной среде на свойства материалов после цементации

С увеличением времени выдержки содержание углерода в поверхностном слое повышается, глубина цементованного слоя увеличивается. Однако при времени выдержки 10 мин наблюдается разброс твердости по поверхностям, одинаково расположенным к газовому потоку. При таком способе цементации сохраняется мелкозернистая структура, характерная для материалов, получаемых горячей штамповкой. С увеличением времени выдержки до 20 мин неоднородность структуры и разброс твердости снижаются за счет более активного протекания диффузионных процессов. Для изделий, к которым предъявляются жесткие требования по равномерности твердости, этот процесс цементации рекомендуется редко.

При проведении цементации на готовых изделиях после горячей штамповки были выбраны режимы, аналогичные режимам для катаных сталей: температура 950 °С, время выдержки 1 ч. Результаты исследований представлены в табл. 6.

Таблица 6

Твердость материалов после разных видов обработки

Материал Глубина цементованного слоя, мм Твердость, НВ

ГШ Цементация Термообработка

А85 0,8-1,0 160 250 580

2А85 1,0-1,2 220 340 690

Поступила в редакцию

В результате цементации после горячей штамповки наблюдается незначительный рост зерна, мелкозернистая структура сохраняется. Твердость повышается и стабилизируется из-за большей однородности структуры благодаря диффузионным процессам, протекающим в ходе технологического процесса.

Результаты проведенных исследований показывают возможные пути выбора порошков шихт, параметров технологического процесса для изделий с требуемыми свойствами. Низколегированные молибденом распыленные порошки можно использовать для средненагруженных деталей после холодного прессования и спекания. Для получения высокоплотных материалов рекомендуется использовать горячую штамповку. В зависимости от предъявляемых требований к изделиям их надо подвергать термической или химико-термической обработке.

Литература

1. Дорофеев Ю.Г., Мариненко Л.Г., Устименко В.И. Конструкционные порошковые материалы и изделия. М., 1986. 216 с.

2. Егоров С.Н., Егоров М.С. Горячедеформированные порошковые низколегированные конструкционные стали / ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2008. 52 с.

3. Шмаков А.М., Анциферов В.Н., Буланов В.Я., Ханов А.М. Проблемы порошкового материаловедения. Ч.6 / Министерство образования и науки РФ. Екатеринбург, 2006. 588 с.

18 ноября 2013 г.