Развитие межчастичного сращивания при спекании металлических порошков с добавлением углерода

Введение. В публикациях  о спеченных деталях из металлических  порошков  рассматриваются межчастичное сращивание  в горячедеформированных  материалах и особенности  низколегированных  конструкционных сталей, а  также применение  углеродосодержащих материалов. Авторы представленной статьи  ранее исследовали спекание во взаимосвязи со структурными изменениями материала, описывали изменение физических  и  механических  свойств,  восстановление  оксидов,  рекристаллизацию и т. д.  В  данной работе показана связь  механических  свойств  порошковых  сталей  с параметрами внутрикристаллитного  сращивания. Кинетика его  развития  во  время спекания демонстрируется  впервые.

Цель  исследования  — выяснить,  как спекание влияет на межчастичное сращивание и структуру порошковых сплавов с железом и углеродом. Задача — изучить технологические режимы спекания  образцов  из  легированного  и  чистого  железного  порошка  для достижения наилучших механических характеристик.

Материалы и методы. Порошки фирмы «Хёганес» (Höganäs) спекали при температуре 900–1150 °С в течение 0,5–2,5 часов.  Защитная  газовая  среда  (диссоциированный  аммиак)  позволяла  предотвратить  окислительные и другие  реакции  спекания.  Для  статического холодного прессования задействовали гидравлический пресс 2ПГ-125 с максимальным усилием 1250 кН.

Результаты  исследования. Впервые  экспериментально  установлено наличие разных  по  интенсивности механизмов  внутрикристаллитного  сращивания  при  спекании. Построены  зависимости  приращения относительной  площади  контактной  поверхности  от  длительности  изотермической  выдержки.  С  ростом температуры  спекания  до  1150 ºС и  времени  выдержки  более 80  мин  площадь  контактной  поверхности постепенно  увеличивается.  Показано,  что  у  образцов  из  рассматриваемых  марок  порошка  при  1150 ºС формируется внутрикристаллитное сращивание на  всей  контактной  поверхности.  Следовательно,  данную технологию можно рекомендовать для практического использования. Добавление в шихту графита замедляет рост контактной поверхности. При этом формовки из чистого порошка АВС100.30 и из порошка Distaloy HP-1 демонстрируют различия. В первом случае с добавлением в шихту графита контактная поверхность развивается интенсивнее,  чем  во  втором. Полученные  результаты  зафиксированы  на  фото  и  визуализированы  в  виде графиков.

Обсуждение  и  заключение. По результатам механических  испытаний  можно  оценить  долю  контактного сечения  формовки  с  внутрикристаллитным  сращиванием.  Его признак — структурное  соответствие межчастичной  поверхности  сращивания  и  межзеренной  границы.  Значение  этой  границы  определяется  при сопоставлении относительной  площади  контактного  сечения  с  внутрикристаллитным  сращиванием и относительной  площадью контактной  поверхности. Определены  возможности  повышения  качества сращивания порошковых сталей за счет увеличения температуры и времени их выдержки при спекании.

1. Дорофеев В.Ю., Егоров С.Н. Межчастичное сращивание при формировании порошковых горячедеформированных материалов. Москва: Металлургиздат; 2003. 152 с.

2. Егоров М.С., Егоров С.Н. Горячедеформированные порошковые низколегированные конструкционные стали. Новочеркасск: Волгодонский институт Южно-Российского государственного технического университета; 2008. 54 с.

3. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2011;2:13–19 https://cyberleninka.ru/article/n/materialy-dlyavysokoteplonagruzhennyh-detaley-gazoturbinnyh-dvigateley/viewer

4. Егорова Р.В. Микроструктурный анализ поверхности ступенчатой формы. Металлург: 2009;6:65–67.

5. Григорьев А.К., Рудской А.И. Деформация и уплотнение порошковых материалов. Москва: Металлургия; 2002. 192 с.

6. Robert-Perron E., Blais C., Pelletier S. Tensile properties of sinter hardened powder metallurgy components machined in their green state. Powder Metallurgy. 2009;52(1):80–83. https://doi.org/10.1179/174329007X205055

7. Штерн М.Б., Картузов Е.В. Особенности возникновения и распространения ударных волн в высокопористых материалах. Порошковая металлургия. 2016;3/4:13–22.

8. Глотка А.А., Мороз А.Н. Сравнительное влияние карбидов и неметаллических включений на образование усталостных микротрещин в сталях. Металловедение и термическая обработка металлов. 2019;8(770);61–65. https://doi.org/10.30906/mitom.2019.8.61-65

9. Гуревич Ю.Г., Анциферов В.Н., Савиных Л.М. Износостойкие композиционные материалы. В.Г. Бамбуров (ред.). Екатеринбург: УрО РАН; 2005. 215 с

10. Егоров М.С., Егорова Р.В., Ковтун М.В. Влияние содержания углерода на формирование контактной межчастичной поверхности при горячей допрессовке. Безопасность техногенных и природных систем. 2023;7(2):90–101. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2023-7-2-90-101

11. Hironobu Kondo, Hegedus M. Current trends and challenges in the global aviation industry. Acta Metallurgica Slovaca. 2020;26(4):141–143. https://doi.org/10.36547/ams.26.4.763

12. Gilardi R., Alzati L., Oro R., Hryha E., Nyborg L., Berg S., et al. Reactivity of Carbon Based Materials for Powder Metallurgy Parts and Hard Metal Powders Manufacturing. Society of Powder and Powder Metallurgy. 2016;63(7):548–554. https://doi.org/10.2497/jjspm.63.548

13. Rojek J., Nosewicz S., Mazdziarz M., Kowalczyk P., Wawrzyk K., Lumelskyj D. Modeling of a Sintering Process at Various Scales. Procedia Engineering. 2017;177:263–270. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.210

14. Guo J.Y., Xu C.X., Hu A.M., Oakes K.D., Sheng F.Y., Shi Z.L., et al. Sintering dynamics and thermal stability of novel configurations of Ag clustersю Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2012;73(11).1350–1357. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2012.06.010

15. Еремеева Ж.В., Никитин Н.М., Коробов Н.П., Тер-Ваганянц Ю.С. Исследование процессов термической обработки порошковых сталей, легированных наноразмерными добавками. Нанотехнологии: наука и производство. 2016;1:63–74.

16. Егоров М.С., Егорова Р.В., Цорданиди Г.Г. Формирование структурных особенностей порошковых материалов при охлаждении после термической обработки. Безопасность техногенных и природных систем. 2022;(2):69–75. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2022-2-69-75