Выбор хромсодержащей легирующей добавки для получения конструкционной порошковой стали

УДК 621.762.

ВЫБОР ХРОМСОДЕРЖАЩЕЙ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ

В.В. Корж, научн. сотр., Центр Продуктивности Министерства труда и социальной политики Украины, А.М. Лаптев, профессор, д.т.н., Донбасская государственная машиностроительная академия

Аннотация. Исследовалось влияние хромсодержащих добавок в количестве 5 % на процесс прессования порошковой шихты и механические свойства полученных образцов.

Ключевые слова: хромсодержащие добавки, прессование порошка, давление прессования, механические свойства.

Введение

Свойства конструкционных порошковых сталей в значительной степени зависят от способа введения и вида легирующего элемента. Например, введение хрома в виде чистого порошка приводит к формированию гетерогенной структуры материала, а следовательно, и к низким механическим свойствам, вследствие его высокой способности к окислению при контакте с воздухом.

Анализ публикаций

Изучая опубликованные работы [1, 2], пришли к выводу, что одним из путей повышения механических свойств является применение менее концентрированных добавок, чем чистые металлы, для этого проводились исследования по влиянию различных хромо-содержащих добавок на механические свойства порошковых сталей.

Цель и постановка задачи

Целью работы является выбор оптимальной хромсодержащей легирующей добавки для получения конструкционной порошковой стали.

Для достижения вышеуказанной цели в работе были поставлены следующие задачи: установить влияние хромистых легирующих добавок на процесс прессования и спекания; определить механические свойства полученных образцов.

Исследования влияния хромсодержащих добавок на механические свойства порошковых сталей

С целью определения лучшей легирующей добавки производились исследования по влиянию различных хромсодержащих добавок на механические свойства порошковых сталей. Производилось легирование железного порошка поочерёдно 5%: восстановленным хромом, феррохромом, порошком стали Х30, силицидом хрома Сгё12, нитридом хрома Сг2К, карбидом хрома Сг3С2, боридом хрома СгБ. Из литературных источников взяты результаты исследований по легированию ацетилацетонатом хрома [3].

Для проведения экспериментов применяли: порошок железный марки ПЖВ-2.160-32 с размером частиц 0,045 - 0,25 мм; порошки легирующих добавок: восстановленный хром феррохром, порошок стали Х30, силицид хрома Сгё12, нитрид хрома Сг2К, карбид хрома Сг3С2, борид хрома СгБ в количестве 5% с размером частиц 0,005-0,01 мм. С целью получения однородной шихты все порошки просеивали через сито 0,25 и дозировали на весах с точностью до 0,01 г. Шихту смешивали в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» в течение 2,5 часа.

Ударные (10x10x55 мм) и плоские образцы (70x10x5 мм) прессовали на гидравлическом прессе при давлении 500 МПа и спекали при 1160°С в течении 60 мин в среде диссоции-

рованного аммиака. Охлаждение образцов протекало в холодильнике печи спекания. По отдельному режиму проводилось спекание образцов, содержащих СгВ2. При их спекании (^спек=1160оС) образовывалась жидкая эвтектика. Поэтому образцы с боридом хрома СгВ2 спекали при температуре 1040 -1050°С [4].

Низкие механические свойства объясняются недостаточной температурой спекания и наличием пористости 20 - 23%. Полученные механические свойства образцов и химический состав легирующих добавок приведены в табл. 1.

Анализ механических свойств образцов, легированных различными хромсодержащими добавками, подтверждает предположение, что карбид хрома Сг3С2 является одной из лучших добавок для получения порошковых хромистых конструкционных изделий. Определяющим фактором выбора легирующей добавки являлся предел прочности при растяжении и твёрдость образцов. Вызывает интерес применение феррохрома марки ФХ-650, ацетилацетона хрома, борида хрома.

С целью определения оптимального времени нагрева при спекании были проведены эксперименты, в которых время изотермической выдержки было принято соответственно 5, 15, 30, 40, 60 мин. Образцы из шихты на основе железа с добавкой 5% Сг3С2 спрессованные при 500 МПа вносили в печь, предварительно нагретую до заданной температуры. Время нагрева образцов в этих случаях принималось равным 1 мин.

Полученная при проведении исследований кривая объемных изменений (рис. 1) имеет тенденцию роста с увеличением времени изотермической выдержки. Наличие роста объемных изменений объясняется наличием в шихте карбида хрома. Образцы, спрессованные и спеченные при тех же условиях, но не содержащие карбида хрома, дают усадку. Значит, можно исключить из числа возможных причин роста распирающее воздействие газов и релаксацию упругих напряжений. Только наличие карбида хрома в шихте, по-видимому, приводит к росту объемных изменений.

Ввиду неравномерного распределения компонентов шихты, различий в состоянии поверхности частиц порошка и других факторов, растворение карбидов хрома не происходит одновременно во всех частицах железа и величина роста заготовки будет определяться состоянием контактов. Чем прочнее контакты, тем больше отдельные частицы порошка будут стремиться к приобретению нового пространства путем пластической деформации и заполнения пор. Если расширяющие усилия превосходят прочность контактов, увеличивающиеся частицы деформируют каркас [5].

Полученная нами кривая объемных изменений говорит о том, что в начальный период спекания в результате интенсивного растворения карбидов получают развитие явления, приводящие к разрыхлению прессовки. С течением времени, вследствие уменьшения содержания карбидов и снижения градиента

Таблица 1 Химический состав легирующих добавок и механические свойства образцов

Вид хромсодержа-щей добавки Содержание элементов в добавке, % Механические свойства

Бе Сг С 81 8 Р N НВ, МПа КС, кДж/м2 Ов, МПа

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Восстановленный хром ПХС-2 0,33 99,30 0,06 - - - - 710 45 150

Феррохром ФХ-650 24,0 68,0 6,30 0,80 0,05 0,03 - 1450 40 320

Сталь Х30 72,50 26,50 0,51 - - - - 850 35 250

Силицид хрома Сг812 - 47,0 - 50,20 - - - 590 29 120

Нитрид хрома Сг^ - 88,0 - - - - 11,20 950 37 160

Ацетилацетонат хрома Сг(С5Н702)3 Точное содержание элементов не представлено 2400 80 300

Карбид хрома Сг3С2 - 85,80 12,80 - - - - 2260 60 400

Борид хрома СгВ2 (В - 29,6 %) - 68,50 0,30 - - - - 1870 48 280

концентрации скорость поступления новых атомов хрома в решетку железа существенно понижается. Чем ближе система к однофазному и гомогенному состоянию, тем выше значения ДУ/У и ниже скорость его изменения.

Рис. 1. Изменение объёмов хромистых образцов при спекании в зависимости от времени спекания

Повышение механических свойств хромистого конструкционного материала достигалось увеличением давления прессования до 750 МПа и температуры спекания до 1280 °С при изотермической выдержке 60 мин. Высокие механические свойства хромистого конструкционного материала (ов= 750 МПа, КС= 380 кДж/м2, НВ= 3250 МПа) достигались благодаря тому, что критическая скорость закалки хромистого порошкового материала соизмерима со скоростью охлаждения образцов в холодильнике печи спекания. Скорость охлаждения деталей (на поддоне в один ряд без засыпки) в водоохлаждаемом холодильнике печи спекания (+10°С), в температурной зоне охлаждения аустенита (700 - 400°С) составляла 1,3 - 1,5°С/с, что значительно меньше, чем для железографи-тового материала. В результате чего происходила самозакалка хромистой порошковой стали.

Выводы

бавок для получения порошковых средне-нагруженных конструкционных изделий.

2. Вызывает интерес применение феррохрома, ацетилацетона хрома, борида хрома.

3. Исследован механизм объёмных изменений образцов из порошка железа и 5% карбида хрома.

4. Высокие механические свойства (ов = = 750 МПа, КС = 380 кДж/м2, НВ = 3250 МПа) достигаются благодаря увеличению давления прессования до 750 МПа, повышению температуры спекания до 1280°С в течение 60 мин.

Литература

1. Клименко В.Н., Маслюк В.А., Самб-рес Ю.В. Спекание, структурообразова-ние и свойства порошковых материалов системы «карбид хрома - железо» // Порошковая металлургия. - 1986. - № 6. -С.39 - 44.

2. Радомысельский И. Д. Структура и свой-

ства конструкционных спеченных материалов // Порошковая металлургия. -1974. - № 4. - С. 36-45.

3. Мазуренко Е.А., Сердюк Г.Г., Забара Н.А.,

Назаренко В.В. Легирование порошковой железной матрицы хромом и его соединениями // Порошковая металлургия.

- 1991. - № 5. - С. 23-26.

4. Власюк Р.З. Спекание порошковых конст-

рукционных деталей // Порошковые материалы. АН УССР, Ин-т пробл. материаловедения: Сб. научн. тр. - К., 1983.

- С. 58 - 69.

5. Радомысельский И.Д., Дымченко В.А. Ис-

следования объёмных изменений, протекающих при спекании композиций железо-карбид хрома // Порошковая металлургия. - 1969. - № 11. - С. 14 - 17.

Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

1. Карбид хрома - Cr3C2 является одной из

лучших хромсодержащих легирующих до-

Статья поступила в редакцию 9 июля 2009 г.