Термообработка порошковых сталей

Богодухов С.И., Проскурин А.Д., Козик Е.С., Шейнин Б.М.

ТЕРМООБРАБОТКА ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ

В статье рассмотрены вопросы термической скоростного нагрева в расплаве солей и ТВЧ.

В порошковой металлургии используются различные виды термической обработки порошковых материалов как для улучшения физико-механических характеристик, так и для придания материалам специальных свойств. Однако на машиностроительных заводах закалка с отпуском не получила еще широкого распространения при упрочнении порошковых сталей вследствие окисления изделий.

Работа посвящена разработке технологического процесса термической обработки порошковых сталей в соляных ванных, а также изысканию режимов термической обработки при нагреве током высокой частоты (ТВЧ).

Как известно, расплавы солей обеспечивают безокислительный нагрев. Однако при этом возможны проникновение расплавов в поры, коррозия изделий и вследствие этого их разупрочнение. Для предотвращения возникновения подобных явлений были проведены работы по оптимизации составов ванн, определению глубины проникновения солей в материалы разной пористости, а также коррозионные испытания. Наименьшее проникновение солей при закалке обеспечивается в ванне состава: 80-85% ВаС12; 20-15% №С1.

По данным качественного химического анализа на катионы Ва', К' и фазового рентге-ноструктурного анализа проникновение солей в образцы толщиной 5-6 мм при пористости 25% является сквозным; при пористости 20% и меньше соли проникают на глубину 0,3-0,4 мм; при пористости 15% - на 0,05 мм. Эти результаты позволяют сделать вывод о возможности применения соляных расплавов при термообработке порошковых сталей.

Влияние пористости и гранулометрического состава порошков на проникновение солей при термообработке изучалось на имитационной модели весовым методом.

По результатам экспериментов было составлено уравнение

Я = (аЬ + Ъц + с) / (сц + ф, (1) где Я - величина относительного привеса;

а, Ъ, с, d - задаваемые параметры уравнения;

обработки порошковых сталей с использованием

л - плотность;

Ь - средний размер частиц порошка. Обработка экспериментальных данных на ЭВМ позволила вывести следующую зависимость:

Я = 0,15000 • [ц - (31,33И +102,27)-10-3 ]/

Допустив, что Я равно нулю, получим зависимость между гранулометрическим составом и плотностью, позволяющую рассчитать плотность порошковых сталей, при которой соли не проникают в образец.

ц =

Как видно из уравнения, влияние величины среднего размера частиц порошка на величину ц незначительно. С учетом микропор, оксидов и других типов дефектов, обычно имеющих место в изделиях, пористость, при которой соль не проникает в образец, составит примерно 15%.

Испытания образцов различной пористости (использовался весовой метод) после термической обработки показывают, что скорость их коррозии при относительной влажности воздуха 45% и 90% практически равна скорости коррозии аналогичных образцов после операции спекания. Склонность спеченных и термообработанных сталей к коррозии стабильно увеличивается с ростом их пористости. Из образцов, прошедших термическую обработку в расплавах солей, наибольшую склонность к коррозии проявляют прошедшие отпуск в ваннах состава:

50ШаКОз+50%КШ3 и 50%ККО3+35%КаКО3+15%КаОН, наименьшую - в составах:

50%КШ3+50%КаКО2 и 50%ККО3+35%КаКО2+15%КаОН. В целях уменьшения коррозии порошковых деталей при длительном хранении были отработаны условия отмывки термообработанных деталей. Установлено, что коррозионная стойкость термообработанных порошковых сталей с введением операций пассивации и пропитки

Богодухов С.И., Проскурин АД., Козин Е.С., Шейнин Б.М.

Термообработка порошковых сталей

не меньше, чем аналогичных спеченных сталей. Сравнительные исследования различных защитных сред при термообработке порошковых сталей позволили сделать заключение, что свойства материалов лучше и стабильнее при применении соляных ванн, чем при нагреве в газовых атмосферах (рисунок 1).

Ниже приведены свойства материалов, полученных при нагреве в соляных ваннах и в среде водорода.

При нагреве в соляных ваннах

Y1(oB) = -1,92 • X • 103 +1,44 • X +110 :

Y2

133,333 + X

Y3© =

0,34 • X +14,00

100,00 + X • При нагреве в среде водорода:

Y1(sB) = -1,078 • X 10-3 + 0,996 • X +105 ,

Y2(HB) =

0,107 • X + 22,667

66,667 + X

=--100

Y3(S)=

0,47 • X + 25,333 133,33 + X

где X = X - 373,

X - температура отпуска.

Кроме того, время термообработки в соляных ваннах в 5-10 раз меньше, чем при печном нагреве, и процесс легко поддается автоматизации.

Технологическая последовательность термической обработки спеченных деталей приведена в таблице 1.

Для исследования влияния режимов термической обработки на физико-механические свойства спеченных материалов были выбраны материалы марок СП100; СП130Д25; СП150Д2,5НЗ. Для всех указанных материалов были составлены матрицы планирования дробных уравнения факторного эксперимента, таблица 2.

Образцы, изготовленные из указанных выше материалов в соответствии с техническими условиями Броварского завода порошковой металлургии, подвергали термообработке в соляных ваннах: нагрев под закалку в ванне состава 85% ВаС12 + 15% №01 и в отпускной ванне

ав.

МПа 250

200 150 100

50 О

HB е

500 X1 у 5 4 3

400, НЕТ /

300 ав, .—' . — 2

200, — • -- -- -- - - 1

100

Г; % 0,5

0,4 0,3 0,2 0,1

100 200 300 400 температура °с

отпуска

Рисунок 1. Изменение твердости (1, 2), относительного удлинения (3, 4) и предела прочности при растяжении

Таблица 1. Технология термической обработки спеченных материалов при нагреве в соляных ваннах

Операция Среда Температура, оС Время, мин

Нагрев под закалку Соляная ванна 80-85 % BaCl2 + 20-15 % NaCl 750-900 3-6 *

Закалка Вода + NaCl (до 0,5 %) или масло 20 3-6

Сушка после закалки Сжатый подогретый воздух 70-100 3-6

Отпуск Соляная ванна 50 % KNO3 + 50 % NaNO2 180-500 30

Охлаждение Вода 20 3-6

Нейтрализация 3%-ный раствор HCl 20 3-6

Промывка Вода 20 3-6

Сушка Воздух 70-100 3-6

Пропитка Масло + солидол 60-80 3-6

Таблица 2. Условия проведения и результаты опытов по термической обработке материала СП 100

Факторы Пористость, % Температура натр ева под закалку, °С Скорость охлажд ения,трад/с Температура отпу ска, °С Временное сопр отивление, Н/мм 2 Твердость, НВ Относительное у длинение, % Ударная вязкость, кДж /см2

Основной уровень 20 800 400 300 20,1 1090 2,6 94

Предел варьирования 5 50 200 150

Верхний уровень (+) 25 850 600 450

Нижний уровень (-) 15 750 200 150

Код Х1 Х2 Х3 X4=XflX3 У1 У2 У3 У4

Номер опыта:

1 + + + + 199,2 136 0,7 69

2 + + + 153,2 139 0,65 30

3 + + 376,0 106 2,5 59

4 + 343,9 98 2,63 112

5 + + 392,3 138 1,3 40

6 + 447,3 281 1,3 73

7 + + 162,6 115 1,9 99

8 + 187,0 105 0,6 91

Технические науки

50% КШ3 + 50% КаШ2. Температуру контролировали с точностью ±10о С. Образцы охлаждали в воде при 18-20о С (скорость охлаждения 600 град/с) и масляной ванне (скорость охлаждения 200 град/с).

При закалке резко возрастает плотность линейных дефектов железографитовых материалов. Она выше в образцах после закалки в среднем на два порядка. Рост микронапряжений при закалке объясняется активно протекающим процессом межфазного наклепа, который сопровождается повышением дисперсности субструктуры, путем быстрой перестройки малоугловых границ.

Соотношение основных фазовых составляющих в закаленных материалах зависит от пористости и содержания углерода. С увеличением пористости уменьшается количество мартенсита, растет количество остаточного аусте-нита. Увеличение содержания углерода действует в обратном направлении. С уменьшением пористости и увеличением содержания углерода растут междублетное расстояние, тет-рагональность мартенсита, что говорит об увеличении растворенного углерода в твердом растворе (рисунок 2).

Свойства некоторых спеченных и термооб-работанных порошковых материалов приведены в таблице 3.

Порошковые стали необходимо защищать от окисления при нагреве под термообработку. Одним из малоокислительных способов нагрева заготовок является индукционный нагрев.

Нагрев под закалку порошковых сталей ТВЧ сокращает время термообработки и позволяет отказаться от использования защитных сред, так как поверхность деталей за 3-5 с нагрева не успевает окислиться. Кратковременность нагрева обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение механических свойств, тогда как нагрев в газовых средах приводит к длительным выдержкам при нагреве изделий под закалку, обезуглероживанию поверхностных слоев, росту зерна и снижению механических свойств.

Нагрев под закалку ТВЧ образцов из материала СП150Д2,5-2 проводили с использованием высокочастотного генератора ВЧГ-60/0,06у4. Время выдержки определяется требованием к

- N

АЛ 1

I?

№ У Г Я 7 г <г зо Л

Яйрислтбсл», У*

Рисунок 2. Тетрагональность мартенситного дублета (110)-(101) при закалке от температуры 1123 К в воде железографитовых материалов в зависимости от пористости: 1 - СП80; 2 - СП100; 3 - СП150

Таблица 3. Свойства спеченных и термически обработанных материалов

Марка материала Пористость, % | Содержание углерода общее, % Температура нагрева под закалку, оС Охлаждающая среда Температура отпуска, оС Предел прочности при растяжении, МПа Увеличение предела прочности при растяжении Твердость, НВ Увеличение твердости

СП100 15 0,8 750 Вода 150 447/185 1,92 80/281 2,94

СП150Д2,5 15 0,68 850 Вода 150 291/590 1,72 77/316 4,10

СП100Д2,5 15 0,67 850 Масло 450 283/570 1,49 120/194 1,61

СП100Д2,5Н3 12 0,92 800 Вода 300 400/740 1,85 140/306 2,18

СП100Н0,4Х0,6 18 0,85 820 Вода 300 205/470 2,23 98/380 3,88

СП125Н0,4М0,6 16 0,76 800 Вода 350 270/410 1,50 97,5/382 3,92

Примечание: в числителе - свойства спечённых, в знаменателе - свойства термообработанных материалов.

Таблица 4. Влияние длительности и среды охлаждения на механические свойства порошковой стали СП 150Д2,5-2

Вид стали Среда охлаждения Время охлаждения, с Твердость, НВ Разрушающая нагрузка при изгибе, Н/мм2

Порошковая, спеченная 1000-1200 800-1000

Порошковая, после термообработки Масло 3-5 10 600 260-280 280-290 300-320 2200-2400 1500-1600 1200-1300

Вода 3-5 10 600 340-360 360-370 380-420 1700-1800 1600-1700 1300-1400

Богодухов С.И., Проскурин АД., Козик Е.С., Шейнин Б.М. Термообработка порошковых сталей

прокаливаемости деталей. Термическая обработка осуществлялась по режиму: напряжение анодное 4,5 кВт, ток анодный 2,5 А, частота 66 кГц, выдержка при нагреве под закалку 3-5 с, температура 950-980 оС. Охлаждение на воздухе, в воде или масле 3-5, 10 и 600 с.

Как видно из полученных данных (таблица 4), самоотпуск после охлаждения в масле или воде повышает прочность, но снижает твердость по сравнению с закалкой без самоотпуска.

При охлаждении деталей в масле с выдержкой в течение 3-5 с образуется трооститно-сорбитная структура с микротвердостью тро-остита 3500-4000 МПа, при выдержке 10 с -сорбито-перлитная структура с микротвердостью сорбита 2500-3000 МПа, перлита 18002200 МПа.

При охлаждении в воде с выдержкой 3-5 с образуется бесструктурный мартенсит с микротвердостью 4000-4500 МПа и троостит с микротвердостью 3500-4000 МПа.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1) наиболее эффективными способами повышения физико-механических свойств порошковых материалов являются: снижение общей пористости, легирование, термическая обработка;

2) свойства термически обработанных порошковых сталей в расплавах лучше, чем в других средах;

3) термическая обработка с использованием ТВЧ обеспечивает более высокую твердость по сравнению с термической обработкой в расплавах солей.

Список использованной литературы:

1. Анциферов В.Н., Богодухов С.И., Буланов В.Я., Гревнов Л.М. Термохимическая обработка порошковых сталей. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 421 с.

2. Богодухов С.И. Упрочнение порошковых сталей с использованием скоростного нагрева // Машиностроитель, 1999, №10, С. 38 - 40.

3. Богодухов С.И. Термическая обработка порошковых сталей с нагревом в расплаве солей. Сборник «Проблемы современных материалов и технологий». Пермь. 1992, С. 118-128.