Диффузионные процессы при формировании структуры легированных порошковых сталей

Введение. Производство легированных порошковых сталей остается одним из перспективных направлений отечественной порошковой металлургии, что объясняется высоким уровнем эксплуатационных свойств и широкой номенклатурой получаемых изделий. Формирование таких материалов с требуемыми свойствами является сложным процессом, сопровождающимся многообразными явлениями, особое место среди которых занимает диффузионное легирование железной основы порошковых сталей. Создание легированных порошковых сталей в системе Fe-NiO и Fe-Ni имеет важное значение в металлургии и металлообработке при процессах нанесения покрытий и спекания для получения материалов с требуемыми свойствами. В процессе термической обработки для улучшения свойств материалов рассматривается и диффузионное взаимодействие никеля в железе. В последнее время успехи в изучении взаимной диффузии связаны с исследованием однородных систем. Однако взаимная диффузия даже в монокристаллах всегда протекает в пространственно-неоднородных условиях. В современной литературе недостаточно исследована взаимная диффузия в двух- и многокомпонентных порошковых системах. Поэтому целью работы является определение влияния диффузионного легирования никелем и оксидом никеля порошковой стали на основе железа на процессы получения порошковых материалов. В рамках обозначенной цели поставили задачи — исследовать диффузионные процессы взаимодействия пар в системе Fe-NiO и Fe-Ni, технологические режимы спекания и восстановительный отжиг образцов для достижения максимальных механических характеристик, которые бы обеспечивали формирование качественного материала.
Материалы и методы. В работе использовался железный порошок марки ПЖРВ 2.200.26 производства ПАО «Северсталь» (г. Череповец) и карбонильный порошок никелевый ПНК-УТ3 ГОСТ 97922–97, получаемый электролитическим методом или путем расщепления никелевой соли водным раствором. Перед использованием порошки проходили контроль на универсальном лазерном приборе измерения размера частиц модели FRITSCH ANALYSETTE 22 MicroTecplus и анализаторе субмикронных частиц Beckman COULTER №5. Для приготовления шихты использовали двухконусный смеситель марки RT-NM05S (Тайвань). Прессование осуществлялось на гидравлическом прессе модели TS0500-6 (Китай) в лабораторных пресс-формах. Образцы получали запрессовкой заранее упрочненного порошкового штифта ø 3 мм в шихту карбонильного никеля или NiO с дисперсностью 5–10 мкм. Восстановительный отжиг образцов осуществляли в муфельной лабораторной печи SNOL 6,7/1300 при температуре 700 °С и отжиг–спекание при 1050, 1150, 1250 °С в атмосфере водорода в течение 9 часов. Фиксирование микроструктуры выполнялось на оптическом микроскопе «NEOPHOT-21». Тонкое строение структуры изучали на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N. Распределение концентрации элементов в диффузионной зоне Fe-Ni изучали методом локального рентгеноспектрального анализа на установке «Камебакс».
Результаты исследования. Пористость порошкового компонента после прессования составляла 12 %. Диффузия в системе железо-порошок никеля, восстановленном из оксида, в 5–10 раз выше, чем при использовании порошка карбонильного никеля. Установлено, что высокая скорость диффузии восстановленного никеля приводит к более быстрому и равномерному проникновению легирующих элементов в материал. Определены зависимости распределения концентрации никеля и его оксида после спекания, а также рассчитаны показатели диффузионного взаимодействия между железом, никелем и оксидом никеля после операции отжига, при котором происходит восстановление оксида никеля и спекание при различных температурах.
Обсуждение и заключение. Анализ полученных результатов свидетельствует о различной интенсивности диффузионных процессов в порошковых легированных сталях. Объясняется это как искаженностью кристаллической решетки исходных материалов, так и увеличенной сегрегацией дефектов (содержанием дефектных зон), которые образуются в процессе уплотнения материала. Данный подход к исследованию двухкомпонентной диффузии позволил сопоставить интенсивности диффузионного перераспределения элементов в зависимости от химического состава и температуры, а также оценить эффективную энергию активации диффузии. В результате выполненных исследований установлены количественные параметры распределения концентрации Ni в железную основу в зависимости от температуры спекания, влияющие на формирование качественного материала. Полученные результаты исследований интересны специалистам в области порошковой металлургии и термической обработки при разработке новых многокомпонентных сплавов.

1. Гасанов Б.Г., Жердицкий Н.Т., Сиротин П.В., Юханаев А.М. Гомогенизация среднелегированной порошковой стали. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013;(3(172)):25–28.

2. Шоршоров М.Х., Гвоздев А.Е., Золотухин В.И., Сергеев А.Н., Калинин А.А., Бреки А.Д. и др. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов. Тула: Тульский государственный университет; 2016. 235 с.

3. Петросян А.С., Галстян Л.З. Особенности термической обработки порошковых сталей марки П40ХН с повышенными свойствами. Вестник национального политехнического университета Армении. Металлургия, материаловедение, недропользование. 2017;(2):40–48.

4. Дорофеев В.Ю., Свиридова А.Н., Бережной Ю.М., Бессарабов Е.Н., Кочкарова Х.С. Тамадаев В.Г. Особенности термической обработки микролегированных горячедеформированных порошковых сталей. В: Труды 12-го Международного симпозиума «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка.» Минск, 07–09 апреля 2021 года. В 2-х частях. Часть 1. Минск: Республиканское унитарное предприятие "Издательский дом "Белорусская наука"; 2021. С. 184–197.

5. Витязь П.А., Ильющенко А.Ф., Савич В.В. Порошковая металлургия в Беларуси и мировые тенденции развития. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019;(1):98–106. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-98-106

6. Гуревич Ю.Г., Анциферов В.Н., Савиных Л.М., Оглезнева С.А., Буланов В.Я. Износостойкие композиционные материалы. Екатеринбург: Уральское отделение РАН; 2005. 216 с.

7. Скориков А.В., Климов Ю.Е., Ульяновская Э.В. Кинетика формирования диффузионных слоев при хромировании порошковых сталей в расплавах солей с нагревом токами высокой частоты. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2014;(2(177)):7881. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kinetika-formirovaniya-diffuzionnyh-sloev-pri-hromirovanii-poroshkovyh-staley-v-rasplavah-soley-s-nagrevom-tokami-vysokoy-chastoty/viewer (дата обращения: 01.03.2024).

8. Дьячкова Л.Н. Особенности формирования структуры и свойств порошковых сталей с добавками, активирующими диффузионные процессы при спекании. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2020;65(1):43–53. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-1-43-53

9. Скориков А.В., Ульяновская Э.В. Кинетика формирования диффузионных слоев при поверхностном легировании хромом порошковых сталей методом электролиза ионных расплавов солей. В: Труды III международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» C. Петербург-Челябинск-Новочеркасск-Владивосток, 16–19 мая 2017 года. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ; 2017. С. 94–97.

10. Гасанов Б.Г., Ефимов А.Д., Юханаев А.М. Феноменология взаимной диффузии в межслойных зонах при спекании порошковых биметаллических материалов. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013;(5(174)):26–29. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fenomenologiya-vzaimnoy-diffuzii-v-mezhsloynyh-zonah-pri-spekanii-poroshkovyh-bimetallicheskih-materialov/viewer (дата обращения: 01.03.2024).

11. 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

12. Егоров М.С., Егорова Р.В. Развитие межчастичного сращивания при спекании металлических порошков с добавлением углерода. Безопасность техногенных и природных систем. 2023;(3):55–65. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2023-7-3-55-65

13. Михеев А.А., Зеер Г.М., Королева Ю.П., Зеленкова Е.Г., Сартпаева А.Б. Формирование микроструктуры и переходной зоны при диффузионной сварке стали 45 через порошковый слой. Сварочное производство. 2015;(9):18–21.

14. Дорофеев В.Ю., Свиридова А.Н., Свистун Л.И. Влияние микролегирования натрием на контактную выносливость и механические свойства горячедеформированных порошковых сталей. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019;(4):4–13. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-4-4-13

15. Буланов В.Я., Крашанинин В.А., Оглезнева С.А. О процессе гомогенизации легирующих элементов в наносистемах Fe-Mo, Fe-Cu, Fe-Cr, Fe-Ni в зависимости от температуры и времени спекания. Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008;(2):50–55.

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

17. Горохов В.М., Гучек В.Н., Тарусов И.Н. Структура и свойства порошковых низколегированных сталей, изготовленных из смесей, содержащих оксиды легирующих элементов, методом прессования и спекания. В кн.: Порошковая металлургия. Минск: Республиканское унитарное предприятие «Издательский дом «Белорусская наука»»; 2019. P. 5–18. (In Russ.).

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

19. Dorofeyev VYu, Sviridova AN, Samoilov VA. Formation of Structure and Properties of Hot-Deformed Powder Steels Microalloyed with Sodium and Calcium in the Process of Thermal and Thermomechanical Treatment. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021;62(6):723–731 https://doi.org/10.3103/S1067821221060080