Инфильтрованные материалы на основе механически активированных в жидких средах порошковых шихт Fe-Ni

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.762

Гончарова О.Н., Сергеенко С.Н.

ИНФИЛЬТРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННЫХ В ЖИДКИХ СРЕДАХ ПОРОШКОВЫХ ШИХТ Fe-Ni

Представлены результаты исследований влияния содержания никеля в порошковой шихте на закономерности механической активации в жидких средах, уплотнения и деформации при инфильтрации расплавом бронзы, совмещенной со спеканием, порошковых основ Fe-Ni. Установлено наследственное влияние процессов диспергирования - агломерации на закономерности уплотнения при инфильтрации, консолидации порошковых материалов и формирования механических свойств.

Ключевые слова: порошковая шихта Fe-Ni, механическая активация в жидких средах, инфильтрация.

The effect of nickel content in powder mixture on the patterns of mechanical activation in liquid media in the high-energy mill, compaction and deformation during sintering with molten bronze infiltration powder basis Fe-Ni are presented. The hereditary effect of the processes of dispersion - agglomeration of the patterns of seals during infiltration, consolidation of powder materials and the formation of mechanical properties has been established.

Key words: powder mixture Fe-Ni, mechanical activation in liquid media, infiltration.

Введение. В ЮРГТУ (НПИ) разработаны способы получения инфильтрованных порошковых материалов (ИПМ), включающие напрессовку инфильтрата на предварительно спрессованную порошковую железную основу, с последующим спеканием биметаллической заготовки, совмещенным с инфильтрацией тугоплавкого каркаса [1]. Технологии обеспечивают получение инфильтрованных расплавами меди, бронзы и латуни порошковых материалов на основе железа с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В работе [2] обосновано использование в качестве инфильтрата бронзы Бр010С1,5ЦФ и определено его оптимальное содержание (10-14 % мае.), обеспечивающее получение ИПМ с повышенной прочностью при испытаниях на изгиб. Увеличение содержания олова более 1-1,4 % мае. приводит к выделению е-фазы, охрупчиванию ИПМ и снижению прочности. Предварительные исследования [3] влияния содержания никеля (0-8 % мае.) в шихте основы Бе-№ на физико-механические свойства ИПМ и закономерности уплотнения при инфильтрации, совмещенной со спеканием, для различных марок железного порошка, а также результаты многокритериальной оптимизации показали, что введение 2 % мае. никеля в шихту на основе порошка железа ПЖВ 3.160.26 обеспечивает получение ИПМ с пониженной пористостью и повышенной твердостью поверхностных слоев. Проведенные в ЮРГТУ (НПИ) исследования по механической обработке в жидких средах порошковых шихт №-Бе показали возможность активации процессов сплавообразования и формирования твердых растворов при спекании формовок [4].

Цель работы - установить закономерности механической активации порошковых шихт Бе-№, инфильтрации, совмещенной со спеканием, формирования структуры и свойств ИПМ (Бе-№) - Бр010.

Методики исследования. При выполнении работы в качестве исходных материалов при получении

ИПМ использовали порошки железа ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), никеля ПНК-1Л5 ГОСТ 9722-97, бронзы Бр010С1,5ЦФ (ТУ 14-22-105-96). Технология изготовления образцов включала механическую активацию в жидких средах (МАЖ) порошковых шихт Бе-N1 в высокоэнергетической мельнице (ВЭМ) «САНД-1» (скорость вращения ротора 4,84 с"1, время обработки в мельнице 1,2 кс, соотношение масс шаров (ёш=10 мм) и шихты Мш:тшиххы=10:1). В качестве размольной среды (10 % от массы шихты) использовали 95 %-й раствор этилового спирта.

Формование цилиндрических заготовок давлением 50-400 МПа проводили на гидравлическом прессе ПГ-50, используя стальную пресс-форму. При получении ИПМ проводили засыпку шихты основы Бе-№ в матрицу, предварительное прессование (50 МПа) с последующей засыпкой порошка инфильтрата Бр010, доуплотнение (400 МПа) биметаллической заготовки (инфильтрат-основа) и спекание, совмещенное с инфильтрацией (1432К; 7,2 кс), в среде диссоциированного аммиака и засыпке А1203.

Фракционный состав (ГОСТ 18318-94) механически активированных в жидких средах порошковых шихт Бе-№ (0-2 % мае.) исследовали на ситовом анализаторе модели «029» в течение 1,2 кс, используя набор лабораторных сит (45-400 мкм). Для оценки степени агломерации шихты определяли средний размер частиц после обработки в ВЭМ ё0 и ручной обработки в ступе (1,2 кс) ( и рассчитывали показатель агломерации (ПАГ).

ПАГ • ^.

Кривые распределения частиц по размерам описывали с помощью уравнения Розина-Раммлера [5]

^

где Е(х) - логарифмическая нормальная функция распределения частиц по размерам;

х - размер частиц, изменяющийся в пределах

х • х_

• и • - параметры распределения, определяющие остроту максимума и степень асимметричности кривой.

Значения параметров аир рассчитывали, используя интегральную характеристику Р(х) - содержание частиц с размерами больше данного х.

Р

Для определения • и • кривую распределения Р(х) дважды логарифмировали. Уравнение (3) приводили к линейному виду

¥ • а • Ь • X,

1

ln

b • ln• b=P; X • lnх

где Y • ln(ln—);

P - проход, % мае.

Используя программу Table Curve 2D, определили значения a, b, r и вычислили параметры уравнения Розина-Раммлера а, р.

Степень уплотнения при инфильтрации оценивали коэффициентом Ивенсена Ки , равным отношению

/- 1 ~ т гипм

объемов пор инфильтрованнои заготовки V и холоднопрессованной формовки V” [6], а также определяли изменение линейных размеров при инфильтрации (ГОСТ 29012-91) с учетом d и d .

К.

d

Vипм пор

V ш пор

d

d

d

100%.

Механические свойства верхних слоев ИПМ определяли на цилиндрических образцах при испытаниях на срез • ср и путем измерения твердости ИРЫ по Роквеллу (ГОСТ 24622-81) на твердомере ТР5056 УХЛ. Для оценки степени консолидации порошковых частиц определяли расчетную величину предела прочности на срез компактного материала [8]:

плотности инфильтрованной заготовки 0, изменение линейных размеров Д( и коэффициент Ивенсена Ки при инфильтрации, совмещенной со спеканием, представлены в таблице.

Результаты экспериментальных исследований

Cni, % мае. do, мкм di, мкм ПАГ 0 Ad, % Ки Тср, МПа Тсрк, МПа HRH

0 97 95 1,02 0,755 0,94 0,852 364 653 101

1 94 93 1,01 0,750 1,34 0,886 374 714 101

1,5 98 96 1,02 0,749 1,34 0,891 318 612 102

2 95 96 1,00 0,737 1,60 0,909 467 952 93

Показано, что увеличение содержания никеля до 1% мае. приводит к снижению среднего размера частиц после обработки в ВЭМ, а при 1,5% мае. наблюдаются максимальные значения ^. В процессе ручной обработки в ступе происходит уменьшение средних размеров порошковых частиц во всем исследуемом диапазоне содержания никеля (ПАГ>1). При повышенном содержании никеля (2% мае.) в порошковой шихте наблюдаются минимальные значения ПАГ^1 за счет формирования при обработке в ВЭМ высокопрочных агломератов, не разрушающихся в процессе ручной обработки в ступе.

Влияние содержания никеля на значения параметров ас, Ра функции распределения порошковых частиц шихты Бе-№ после обработки в ВЭМ может быть представлено в виде полиномов третьей степени. С учетом полученных зависимостей с^С^), р0(См) построили модифицированное уравнение функции распределения частиц по размерам, учитывающее содержание никеля в шихте:

F(x;CNi) • • (СМ) ••(CNi)'

.

exp(* • (Cn ) • X

где • 0 • 62,71- 44,5• CNi

77 7 • C2

1 1 > 1 Ni

0 • 1,85 - 0,08 • Cn

0,26 • C;

28,06 • C3

N

0,11-C3 .

Увеличение содержания никеля до 1,5% мае. приводит к повышению значений 00 и р0, при дальнейшем повышении содержания никеля до 2% мае. наблюдается интенсивное увеличение значений а0 и р0.

Анализ фрактограмм порошковой шихты и спрессованной формовки (рис. 1) показал, что в процессе механической активации в жидких средах происходит формирование агломератов, представляющих собой композиционные частицы Бе-М и №-Бе.

Твердость при малых нагрузках определяли на цифровом микротвердомере ИУ8-1000 (0,98 Н, 10 с). Микро-рентгеноспектральный анализ проводили на растровом микроскопе.

Результаты экспериментальных исследований. Результаты исследований влияния содержания никеля (0-2% мае.) в порошковой шихте Бе-М на фракционный состав, значения относительной

Рис. 1. Изображение во вторичных электронах частиц порошковой шихты Ре-И1

)

В результате исследований (см. таблицу) установлено, что инфильтрация расплавом бронзы, совмещенная со спеканием, обеспечивает уплотнение порошкового материала для всего исследованного диапазона значений содержания никеля (0-2% мае.). С увеличением CNl наблюдается снижение относительной плотности инфильтрованного материала. При повы-шенном содержании никеля (2% мае.) наблюдается минимальная степень уплотнения за счет наследственного влияния процессов диспергирования-агломерации при МАЖ. Уменьшение показателя агломерации приводит к росту значений коэффициента Ивенсена.

Сравнительный анализ зависимостей влияния со -держания никеля на значения относительной плотно -сти и показателя агломерации (см. таблицу) показал, что использование порошковых шихты Fe-Ni (2% мае.) на основе высокопрочных агломератов, сформированных в ВЭМ в режиме МАЖ и не разрушающихся в процессе ручной обработки в ступе, обеспечивает минимальные значения относительной плотности материалов, снижая степень уплотнения при инфильтрации.

Увеличение содержания никеля (0-2% мае.) приводит к «разбуханию» инфильтрованной заготовки в радиальном направлении за счет формирования твер-дых растворов Cu-Nl и наследственного влияния процессов диспергирования-агломерации при МАЖ. При использовании шихты Fe-Ni (2% мае.) наблюдается максимальное увеличение радиальных размеров при инфильтрации, совмещенной со спеканием. На основе анализа результатов экспериментальных исследований построено линейное уравнение в виде • d (CNi) • 1,102 • 0,305 • CNi (Fp • 1,78• FT • 19,20 при •• 0,05a=0,05 и S2 • 0,174),

адекватно описывающее влияние содержания Ni на изменение радиальных размеров верхних слоев заготовки в процессе инфильтрации. Высота заготовки уменьшается за счет массопереноса расплава инфильтрата из напрессованного поверхностного слоя в поры основы.

Увеличение содержания никеля в шихте на основе агломератов Fe-Ni приводит к интенсификации «медного роста» при инфильтрации. Увеличение радиальных размеров верхних слоев ИПМ (Fe-Ni)-Ep010 на основе агломератов можно объяснить следующим. В процессе МАЖ формируются агломераты, представляющие собой композиционные частицы Fe-Ni, а в процессе инфильтрации никель, связанный с порошковой основой, и медь, находящаяся в расплаве, формируют твердый раствор Cu-Ni, расположенный на поверхности частиц железа (рис. 2, а). Увеличение радиальных размеров верхних слоев ИПМ Fe-БрО 10 можно объяснить «медным ростом» агломератов Fe-Fe, сформированных в процессе МАЖ (рис. 2, б).

Совместный анализ влияния содержания никеля на значения d0, di, ПАГ, тср, тсрк (см. таблицу) показал, что механические свойства ИПМ на основе механически активированных в жидких средах шихт Fe-Ni (0-2% мае.) определяются размерами агломератов и частиц их составляющих, а также значения показателя агломерации. Максимальные значения предела прочности при испытаниях на срез и расчетного

предела прочности на срез компактного материала, характеризующего степень консолидации ИПМ, наблюдаются при использовании шихт на основе высокопрочных агломератов, не разрушающихся в процессе ручной обработки в ступе, с минимальными размерами частиц. Снижение относительной плотно -сти 0 приводит к снижению твердости ИПМ.

б

Рис. 2. Структурная модель: а - ИПМ (Ре-1\П) - Бр010; б - ИПМ Ре - Бр010

Анализ микроструктур ИПМ (рис. 3) на основе порошковых шихт Бе-№ (2% мае.) показал, что при инфильтрации наблюдается локализация инфильтрата в верхних и средних слоях материала. Поверхностный слой инфильтрованного порошкового материала характеризуется повышенными значениями твердости верхнего торца НУ 242 по сравнению с нижним НУ 227.

Рис. 3. Микроструктура ИПМ на основе порошковых шихт Ре-2%\П, полученных механической активацией в жидких средах: а - верх; б - низ

Анализ распределения элементов Бе, N1, Си, Бп (рис. 4), а также изображений во вторичных электро-нах и в излучении Бе, Си, Бп, N1 (рис. 5) показал, что никель равномерно распределен по объему ИПМ, поры заполнены сплавом Си-Бп, легированным никелем и железом.

Рис. 4. Распределение элементов на отрезке 300 мкм в средней области образца

Рис. 5. Структура ИПМ

N1 Ка

Выводы. Предложена технология получения инфильтрованного порошкового материала, включающая механическую активацию в жидких средах шихты Бе-N1, холодное прессование биметаллической формовки (инфильтрат-основа) с последующей инфильтрацией расплавом бронзы, совмещенной со спеканием.

Установлено влияние содержания никеля на гранулометрический состав, средний размер частиц и закономерности диспергирования - агломерации порошковых шихт Бе-М в процессе механической активации в жидких средах. Наибольшая степень агломерации наблюдается при содержании никеля 1,5% мае. Увеличение содержания N1 до 2% мае. приводит к формированию высокопрочных агломератов, не разрушающихся в процессе ручной обработки в ступе.

Построено модифицированное уравнение функции распределения Б(х;См) частиц по размерам, учитывающее содержание никеля в механически активированной в жидких средах порошковой шихте.

Установлено наследственное влияние процессов

диспергирования-агломерации порошковых шихт Fe-Ni, обработанных в высокоэнергетической мельнице, на закономерности уплотнения при инфильтрации порошковой основы Fe-Ni расплавом бронзы, совмещенной со спеканием.

При использовании шихт на основе высокопрочных агломератов Fe-Ni (2% мае.), сформированных в ВЭМ, наблюдаются уменьшение относительной плотности инфильтрованной порошковой заготовки, увеличение радиальных размеров при инфильтрации, совмещенной со спеканием, и снижение степени уплотнения.

Уменьшение показателя агломерации приводит к росту коэффициента Ивенсена ИПМ. При этом обеспечивается повышенная степень консолидации и прочность на срез инфильтрованного порошкового материала на основе механически активированных в жидких средах порошковых шихт Fe-Ni (2% мае.).

Список литературы

1. Пат. 2052322 RU, МПК B22F3/16. Способ изготовления газонепроницаемых низкопористых порошковых материалов / Ю.Г. Дорофеев, С.Н. Сергеенко. №

93054977102; заявл. 10.12.1993; опубл. 20.01.1996. Гриценко С.В. Структура и свойства порошковых бронз, получаемых с использованием обработанных в аттриторах порошков меди и бронзовой стружки: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1996. 21 с.

Дорофеев Ю.Г., Сергеенко C.H., Ганшин A.B. Спеченные порошковые материалы на основе железа, инфильтрованного медью и ее сплавами // Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 16-20 сент. 2002 г., г.Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2002. С. 153-155.

Гончарова О.Н. Влияние содержания никеля на твердость и пористость инфильтрованных бронзой порошковых материалов железо-никель // Изв. вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. 2011. N 5. С. 51-54. Дорофеев Ю.Г., Сергеенко С.Н., Коломиец Р.В. Порошковые материалы на основе механохимически активированных шихт Fe-Ni и порошков Ni // Вестник Пермск. гос. техн. ун-та. 2004. № 10 : Проблемы современных материалов и технологий. С. 48-52.

Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 308 с. Ивенсен В А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. М. : Металлургия, 1985. 247 с.

Мильман Ю.В. Механические свойства спеченных материалов // Порошковая металлургия. 1991. № 1. С. 34-45.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Bibliography

5.

6.

Pat. 2052322RU I PC B22F3/16. A method of making gas-tight lowly porous powder materials / Y.G. Dorofeev, S.N. Sergeenko. Application 93054977102, 10/12/1993. Publ.01/20/1996.

Dorofeev Y.G., Sergeenko S.N., Ganshin A.V. Sintered powder materials based on iron,infiltrated with copper and its alloys // Materials Int. scientific and engineering. Conf.,Sept. 16-20. 2002, Novocherkassk / South. Rus. State. Technical. University (NPI).Novocherkassk SRSTU (NPI), 2002. C. 153-155.

Goncharova O.N. Effect of nickel content on the hardness and porosity of the infiltratedbronze powder materials of iron-nickel // Proceedings of the higher education institutions. North-Caucasian region. Engineering. 2011. N 5. P. 51-54.

Dorofeev Y.G., Sergeenko S.N., Kolomiets R.V. Powder materials based on mechanically activated powder mixture Fe-Ni and powder Ni // Journal of Perm. State. Technical. University.2004. № 10 : Problems of modern materials and technology. P. 48-52.

Khodakov G.S. Physics of grinding. Moscow: Nauka, 172. 308 p.

Evans V.A. Phenomenology of Sintering and some questions of theory. Moscow: Metallurgiya, 1985. 247

Milman Y.V. Mechanical properties of sintered materials // Powder metallurgy. 1991. № 1. P. 34-45.