Определение зависимости механических свойств спеченных дисперсно-упрочненных сплавов на основе железа от условий спекания

Введение. Среди номенклатуры порошковых материалов наибольшее применение имеют сплавы на основе железа — стали. При создании новых конструкционных материалов наряду с требованиями повышения качества, надежности и эксплуатационной стойкости выдвигается задача экономии и замены дорогих и дефицитных легирующих элементов на менее дефицитные и невысокой стоимости. Этот факт послужил стимулом для нового витка развития отечественной металлургии в области получения материалов с заданными свойствами, развития методик оценки их свойств. В настоящее время существует большое количество наноразмерных добавок, имеющих различные свойства, причем одна и та же добавка может быть получена разными методами и иметь различные свойства, форму и размеры. Также вызывает особый интерес поиск ответа на вопрос, как введение наноразмерных частиц будет влиять на структурообразование сплавов при различных видах формования или деформации. Основополагающими процессами формирования горячедеформированных сплавов являются структурообразование материала и создание качественных связей между частицами порошка.

Целью работы является определение зависимости параметров предварительного спекания на формирование структуры и свойств высокоплотных дисперсно-упрочненных легированных сплавов. Сделать это необходимо для дальнейшего эффективного использования термической обработки с целью повышения механических и эксплуатационных свойств таких сплавов.

Постановка задачи. Для определения прочностных и пластических характеристик спеченных материалов необходимо проанализировать, как влияет на них вводимый в шихту свободный углерод. Знание этих механических свойств позволит авторам рекомендовать сплав с лучшими характеристиками для проведения дальнейших исследований.

Теоретическая часть. Спекание выполняет главную роль в процессе формирования комплекса физико-механических свойств сложнолегированных порошковых сталей. В дисперсно-упрочненных сплавах в процессе их спекания формируется структура, значительно отличающаяся от структуры литых и кованных материалов. Спеченные прессовки прежде всего — это пористые изделия, в которых количество пор может изменяться от 0,5–2 до 80–90%. Таким образом, для порошковых материалов и сплавов пористость выступает в качестве структурной составляющей. Формой пор, их величиной, морфологией и объемным содержанием определяются физико-химические, механические и другие свойства изделий, а также область их применения. При спекании в составе шихты особую роль играет наличие углерода, который добавляется в нее различными способами. Процентное содержание углерода выбирается исходя из того, какими свойствами должны будут обладать изделия после операции спекания. В нашем случае количество углерода бралось в процентном соотношении от общего объема материала и составляло 0,5 и 0,8 % соответственно [1–3].

Спекание является достаточно важной операцией в порошковой металлургии, и от выбора ее технологических режимов зависит качество получаемых изделий. Целесообразно рассматривать сразу два последовательных этапа процесса спекания: образование и рост межчастичных контактов (начальная, ранняя стадия процесса), а также повышение плотности спекаемого тела вследствие уменьшения числа и объема пор (промежуточная и поздняя стадии). В реальных условиях оба этих процесса нельзя полностью разделить, они переплетаются и в значительной мере протекают параллельно [2–6].

Поскольку процесс гомогенизации не успевает полностью произойти во время спекания сталей, полученных из шихты компонентов, это должно повлечь за собой образование неоднородной структуры. Наличие такой структуры наряду с пористостью делает систему неравновесной, что должно оказывать специфическое влияние на характер процессов, протекающих при нагреве и охлаждении порошковых сталей. Определяющими технологическими параметрами спекания прессовок являются температурный режим, продолжительность спекания, параметры предварительной обработки частиц материала давлением и др. Кроме них, необходимо учитывать определенные особенности, присущие процессам спекания однокомпонентных и многокомпонентных материалов. При спекании однокомпонентных материалов диффузионные процессы в большинстве случаев способствуют уплотнению тел, а в многокомпонентных системах может возникнуть торможение процесса уплотнения и даже расширение спекаемого объема вследствие неравномерности диффузии. Снижение свободной энергии многокомпонентной системы при спекании может происходить не только в результате уменьшения поверхности и числа пор, рекристаллизации и сокращения плотности дефектов кристаллического строения, но и вследствие образования сплавов. При этом использование низкоокисленных и мелкодисперсных частиц сплавов, высокая температура спекания перед прессованием и максимально возможное уплотнение прессовок давлением способствуют процессу сплавообразования [7–10].

Анализируя факторы, влияющие на процесс спекания и соответственно на качество получаемых материалов и изделий из них, нельзя не учитывать такой важный параметр, как фактор времени.

Строение порошковых сталей оказывает влияние не только на температуру, но и на кинетику аустенизации. В условиях скоростного нагрева не только снижается температура начала превращения, но и уменьшается инкубационный период, увеличиваются температурные и временные интервалы превращения. С увеличением пористости, содержания неметаллических включений, повышением дефектности частиц порошка указанные особенности процесса аустенизации усиливаются.

Чтобы получить качественное межчастичное сращивание, которое характеризует высокие механические свойства, необходимо добиться полного растворения углерода в шихте сплава.

В настоящей работе были применены современные порошковые смеси марок ПЛ-Н4Д2М и ПЖРВ 2.200.26 производства АО «Северсталь» (г. Череповец) (рис. 1).

Рис. 1. Рентгеноструктурный анализ частиц сплава: а) сплав ПЛ-Н4Д2М; б) сплав ПЖРВ 2.200.26

Данные об их химическом составе приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав сплавов

Химический состав сплавов выбирали исходя из состава легирующих элементов и оценки влияния этих элементов на механические свойства [11–14].

Результаты и их обсуждение. Рассмотрим зависимости механических свойств сплава марки ПЛ-Н4Д2М от плотности изготовленных образцов и количества вводимого в шихту углерода (рис. 2). Спекание проводили при температуре 1200° С в течение 30 минут. В шихту добавляли соответственно 0,5 и 0,8 % углерода [15–18].

Рис. 2. Уплотняемость шихты сплава ПЛ-Н4Д2М в зависимости от давления прессования и количества вводимого углерода

Образцы для растяжения были выполнены с различной плотностью (от 6,7 до 7,6 г/см³), с различным содержанием углерода и спекались в среде диссоциированного аммиака в течение 30 минут при температуре Т = 1200° С. Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 3–6.

Рис. 3. Зависимости предела прочности на растяжение (прямые 1) и предела текучести (прямые 2) от плотности образцов при спекании при Т = 1200° С в течение 30 минут сплава ПЛ-Н4Д2М

(содержание углерода в шихте 0 % С, 0,5 % С, 0,6 % С)

Итоги проведенного эксперимента: предел прочности чистого сплава ПЛ-Н4Д2М показывает при плотности 7,6 г/см³ значение 750 МПа, а при добавлении углерода в количестве 0,8 % значение возрастает до 900 МПа.

Далее определим зависимость твердости сплава ПЛ-Н4Д2М от плотности образцов и содержания углерода.

Рис. 4. Зависимость твердости HRB от плотности образцов при спекании при Т = 1200° С в течение 30 минут сплава ПЛ-Н4Д2М (0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Отметим изменения относительного удлинения образцов при разрыве в зависимости от их плотности и количества в шихте углерода.

Рис. 5. Зависимость относительного удлинения при растяжении от плотности образцов при спекании при Т = 1200° С в течение 30 минут сплава ПЛ-Н4Д2М (0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Данные, представленные на рис. 5, показывают, что данный сплав обладает лучшими пластическими характеристиками при растяжении, чем сплавы шведской фирмы Хеганес.

Следующий шаг — определим зависимость усадки образцов от плотности и количества вводимого в шихту углерода.

Рис. 6. Зависимость усадки от плотности образцов при спекании при Т = 1200° С в течение 30 минут сплава ПЛ-Н4Д2М (0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Теперь проанализируем зависимость механических свойств сплава марки ПЖРВ 2.200.26 от плотности изготовленных образцов и количества вводимого в шихту углерода (рис. 7). Спекание проводили при температуре 1100° С в течение 30 минут. В шихту добавляли соответственно 0,5 и 0,8 % углерода.

Рис. 7. Уплотняемость шихты сплава ПЖРВ 2.200.26 в зависимости от давления прессования и количества вводимого углерода

Образцы для растяжения были выполнены с различной плотностью (от 6,7 до 7,6 г/см³), с различным содержанием углерода и спекались в среде диссоциированного аммиака в течение 30 минут при температуре Т = 1100° С.

Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 8–10.

Рис. 8. Зависимости предела прочности на растяжение от плотности образцов при спекании при Т = 1100° С в течение 30 минут сплава ПЖРВ 2.200.26 (содержание углерода в шихте 0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Прочностные характеристики данного сплава уступают показателям сплава ПЛ-Н4Д2М. Так, при плотности 7,6 г/см³ предел прочности чистого сплава ПЖРВ 2.200.26 составл

Далее рассмотрим зависимость твердости от плотности образцов и содержания углерода для сплава ПЖРВ 2.200.26.яет всего 200 Мпа.

Далее рассмотрим зависимость твердости от плотности образцов и содержания углерода для сплава ПЖРВ 2.200.26.

Рис. 9. Зависимость твердости HRB от плотности образцов при спекании при Т = 1100° С в течение 30 минут сплава ПЖРВ 2. 200.26 (0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Рассмотрим изменение относительного удлинения образцов при разрыве в зависимости от их плотности и количества в шихте углерода.

Рис. 10. Зависимость относительного удлинения при растяжении от плотности образцов при спекании при Т = 1100° С в течение 30 минут сплава ПЖРВ 2.200.26 (0 % С, 0,5 % С, 0,8 % С)

Результаты, представленные на рис. 10, показывают, что данный сплав обладает лучшими пластическими характеристиками при растяжении, чем сплав марки ПЛ-Н4Д2М. При содержании углерода 0,8 % в сплаве с плотностью 7,6 г/см³ показатель относительного удлинения составляет 12 %.

Оценка механических свойств сплавов после спекания показала, что с повышением вводимого в шихту углерода прочностные свойства увеличиваются на 25–30 % по сравнению с чистыми сплавами. Увеличение плотности также сильно влияет на прочностные и пластические свойства таких материалов [19–20].

Выводы. Экспериментальным путем авторами определены зависимости прочностных и пластических характеристик спеченных сплавов от плотности образцов, а также от вводимого в шихту углерода. Установлено, что спекание в течение 30 минут для чистых железных сплавов является минимальным временем, при котором происходит гомогенизация углерода в металлической матрице. Температура спекания в 1 100° С для таких материалов является абсолютно обоснованной, и повышение температуры не будет иметь значения для ускорения процесса спекания. Показаны прочностные свойства рассмотренных сплавов в зависимости от процентного содержания углерода в исходной шихте. Для сплава ПЛ-Н4Д2М оптимальной температурой спекания является 1 200° С, что на 100° С превышает температуру спекания для железных сплавов. Полученные результаты показывают, что наилучшие прочностные свойства достигаются при спекании сплава ПЛ-Н4Д2М+0,8 % С в течение 30 минут при температуре 1200° С.

Поступила в редакцию 15.04.2022

Поступила после рецензирования 20.05.2022

Принята к публикации 20.05.2022

Об авторах:

Егоров Максим Сергеевич, заведующий кафедрой «Инженерная и компьютерная графика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, aquavdonsk@mail.ru.

Егорова Римма Викторовна, доцент кафедры «Кибербезопасность» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, rimmaruminskaya@gmail.com.

Заявленный вклад соавторов:

М. С. Егоров — формирование основной концепции, цели и задачи исследования, проведение расчетов, подготовка текста, формирование выводов; Р. В. Егорова — научное руководство, анализ результатов исследований, доработка текста, корректировка выводов.