Влияние параметров термоциклической обработки на механические свойства горячештампованных порошковых сталей

УДК 621.762.4

Ж.В. Еремеева, доктор техн. наук

Н.М. Ниткин

Г.Х. Шарипзянова, канд. техн. наук

Московский государственный технический университет «МАМИ»

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЯЧЕШТАМПОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ

Получение деталей методом горячей штамповки пористых порошковых заготовок довольно часто предполагает применение термической обработки для создания комплекса свойств и стабилизации структуры материала.

Повышение механических свойств рассматриваемого класса сталей может быть достигнуто применением термоциклической обработки (ТЦО). Таким образом, основная задача сводится к выбору оптимальных режимов ТЦО и их обоснованию. При решении поставленной задачи учитывались следующие соображения: проводимая ТЦО должна обеспечить улучшение механических свойств порошковых высокоплотных сталей, не должна быть энергоемкой, а также вписываться в существующий промышленно отлаженный процесс [1, 2].

Термоциклическая обработка проведена по следующей схеме: нагрев до температуры 1000...1100 °С, выдержка при этой температуре 15 мин, охлаждение со скоростью 40 °С/с до температуры 500.600 °С.

В работах [3, 4] было установлено, что большое влияние на структуру оказывает количество циклов.

С целью определения оптимального количества циклов для различных порошковых сталей исследовались механические свойства. Эксперименты проводились на заготовках, подвергнутых ТЦО с различным количеством циклов: от 1 до 12, механические свойства определялись по стандартной методике [5].

При получении заготовок в качестве исходных материалов использовались железные порошки ПЖВ2.160.26, ПЖВ4.450.28, ПЖР2.200.26 согласно ГОСТ 9849-86. Выбор указанных марок порошков обусловлен тем, что в настоящее время они наиболее широко используются на промышленных предприятиях при производстве порошковых изделий.

Кроме того, их применение обеспечит возможность оценки влияния морфологии частиц порошка и степени их загрязненности на протекание процессов гомогенизации и структурообразования в получаемых материалах.

Основным элементом исследуемых материалов является углерод, вводившийся в шихту в составе порошков следующих углеродсодержащих компонентов (УСК).

В качестве углеродсодержащих компонентов используются высокотемпературный каменноугольный пек — ассоциированная коллоидная система, состоящая из высокомолекулярных ядер коллоидных размеров, окруженных углеводородами с меньшей молекулярной массой.

Наноразмерный углерод представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита в виде сыпучего порошка черного цвета. Гранулы наноуглерода имеют структуру спутанных пучков многостенных трубок.

Наноразмерный порошок хрома изготавливается методом испарения-конденсации на лабораторной установке из порошка хрома электролитического, его химический состав приведен в табл. 1, с последующим дуговым испарением-конденсацией, размер получаемых частиц составляет 10.50 нм. Экспериментальным путем было установлено оптимальное содержание наноразмерных углерода и хрома в исходной порошковой шихте, которое составляло 0,05 мас.% и 0,1 мас.% соответственно.

Изготовление образцов осуществлялось по технологическому процессу, приведенному в работе [2].

Результаты экспериментов по влиянию количества циклов при ТЦО на механические свойства порошковых сталей приведены в табл. 2.

Анализ результатов показал, что при количестве циклов менее трех прочность и пластичность практически не изменялись, а при количестве циклов более 10 не наблюдается дальнейшего улучшения механических свойств и возрастают энергоза-

Таблица 1

Гарантированный химический состав нанохрома

Марка Сг, % не менее Примеси, мкг/г не более

O N C S Fe Si М Al Си

ЭРХ- 0 99,99 50 50 80 20 £№, Мо, W, А1, Са, Со, Си, Fe, Мя, Мп, Бі, Ті, V, К, Li, Ка и других 100 мкг/г не более

Таблица 2

Влияние количества циклов при ТЦО на механические свойства порошковой стали 50п в зависимости от типа железного порошка и природы УСК

Параметры Количество циклов

0 1 2 3 5 7 10 12

ПЖВ2.160.26 + 0,5 % ВП + наноС + наноСг

от, МПа 300 350 375 400 500 550 650 700

ов, МПа 450 475 505 595 655 690 745 775

£,% 17,5 22,4 24 26,5 27,5 30,2 32,3 34,0

ф,% 20,9 37 42,6 45,8 52,4 56,6 59,2 61,9

ПЖВ4.450.26 + 0,5 % ВП + наноС + наноСг

от, МПа 200 225 225 250 275 275 295 295

ов, МПа 330 375 375 450 505 565 615 615

£,% 8,6 12,4 14,7 15,3 18,4 19,0 21,8 24,6

ф,% 11,3 19,0 21,0 24,7 26,3 27,9 31,4 33,3

ПЖР2.200.28 + 0,5 % ВП + наноС + наноСг

от, МПа 215 225 250 300 350 405 475 495

ов, МПа 365 395 425 495 575 605 635 670

£,% 14,0 15,3 16.5 17,0 21,9 25,4 29,0 31,2

^,% 22,4 22,9 23,6 27,9 31,3 37,7 42,5 45,8

траты. Из данных таблицы следует, что, начиная с 3 циклов, прочность и пластичность значительно увеличилась.

Металлографические исследования микроструктуры углеродистой стали 50п после проведения ТЦО позволили установить, что с увеличением количества циклов, вплоть до оптимального значения, наблюдается переход к перлиту зернистой формы более тонкого строения. Параллельно выявлена коагуляция цементита, а также дробление и сфероидизация неметаллических включений.

Дальнейшее увеличение количества циклов не приводит к заметным количественным изменениям микроструктуры. Наблюдается только незначительное уменьшение размера зерна. По выборочному измерению микротвердости можно также предположить некоторое снижение внутренних напряжений второго рода в материале с увеличением числа циклов.

Таким образом, изменение свойств горячеде-формированной порошковой стали в процессе ТЦО можно связать с кинетикой формирования ее микроструктуры.

Оценка результатов проведенных экспериментов показала, что при оптимальном количестве циклов — 8, предел прочности и относительное удлинение увеличились на 10.25 %.

Подобный характер зависимостей объясняется более значительным влиянием высокой скорости нагрева-охлаждения материала на процесс измельчения зерен, размеры которых достигают 7.8 баллов.

В результате такой обработки в образцах получена сверхмелкая структура перлита. После прове-

дения ТЦО возросли значения прочности, пластичности и ударной вязкости.

Выводы

1. Установлено, что применение ТЦО приводит к увеличению прочностных и пластических характеристик порошковых горячештампованных сталей.

2. Установлено, что высокоскоростной нагрев заготовок приводит к дополнительному росту механических свойств на 15 %.

3. Выявлены закономерности кинетики формирования структуры стали при проведении ТЦО, приводящие к коагуляции цементита, сфероидиза-ции и измельчению неметаллических включений, полному растворению свободного углерода, образованию тонкодисперсного зернистого перлита, уменьшению размера зерна.

4. Установлено оптимальное количество циклов от 3 до 10 в пределах выбранных марок железного порошка.

Список литературы

1. Дорофеев, Ю.Г. Динамическое горячее прессование порошковых заготовок / Ю.Г. Дорофеев. — М.: Металлургия, 1977. — 216 с.

2. Дорофеев, Ю.Г. Конструкционные порошковые материалы и изделия / Ю.Г. Дорофеев, Л.Г. Маринен-ко, В.И. Устименко. — М.: Металлургия, 1986. — 144 с.

3. Федюкин, В.К. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин / В.К. Федюкин, М.Е. Смарго-ринский. — Л.: Машиностроение, 1989. — 256 с.

4. Оценка эффективности упрочнения при ТЦО сталей / С.А. Александров [и др.] // Термоциклическая обработка металлов. — 1982. — С. 31-33.

5. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 36 с.