Фазовые превращения в порошковых спеченных сталях при охлаждении

Введение. Термическая обработка является наиболее распространенной последеформационной операцией, применяемой к порошковым сталям (ПС). Принципиальные положения теории этого процесса, разработанные для компактных материалов, справедливы и для рассматриваемых ПС. Однако специфика структуры последних вносит количественные и качественные изменения в кинетику процессов, происходящих при различных видах термической обработки. Поэтому при разработке новых материалов необходимо уделять большое внимание влиянию термической обработки на их структуру и свойства. В связи с этим целью данного исследования является анализ фазовых превращений в порошковых спеченных сталях при охлаждении и определение их механических свойств. 

Материалы и методы. В работе использованы отечественные порошки марок ПЖРВ 2.200.28 (ТУ 14-1-5365-98) и ПЛ-Н4Д2М (ТУ 14-5402-2002) производства ПАО «Северсталь» (г. Череповец). При смешивании в шихту добавлялись ультрадисперсные добавки нитрида кремния (Si₃N₄₎ и оксида никеля (NiO) производства компании «Плазнотерм» (г. Москва). Перед использованием порошки проходили контроль на универсальном лазерном приборе измерения размера частиц (модель FRITSCH ANALYSETTE 22 MicroTec plus) и анализаторе субмикронных частиц (Beckman COULTER № 5). Для приготовления шихты использовались двухконусный смеситель марки RTNM05S (Тайвань) и ультразвуковая станция для просеивания и смешивания порошка с ультрадисперсными частицами Assonic SPC (Китай). Статическое холодное прессование проводилось в лабораторных пресс-формах на гидравлическом прессе модели TS0500-6 (Китай) с максимальным усилием в 50 тонн. Гомогенизирующее спекание проведено в лаборатории термической обработки кафедры «Материаловедение и технологии металлов» ДГТУ в муфельной электропечи модели SNOL 6,7/1300 в диапазоне температур 900–1150 ℃ в среде защитного газа — диссоциированного аммиака. Время спекания — 15–180 минут. В таких же печах производилась и термическая обработка спеченных порошковых сталей. Закалка осуществлялась на спеченных образцах при температуре 800 ℃. Исходная пористость спеченных образцов составляла 10,15,25 %. Отпуск спеченных образцов проходил при температуре 100–300 ℃. Испытания на растяжение проводились в соответствии с ГОСТ 18227–85 с использованием сервогидравлической напольной разрывной машины МГС-В 15 в автоматическом режиме с помощью персонального компьютера. Для измерения твердости использовался твердомер Роквелла ТК-2М с индентированным алмазным конусом при общей нагрузке 1471 Н.  

Результаты исследования. В работе выполнены исследования, которые позволили определить закономерности фазовых превращений в порошковых спеченных сталях с ультрадисперсными частицами при охлаждении после операции закалки. Экспериментально определены значения критических точек охлаждения для спеченных порошковых сталей эвтектоидного состава для скоростей охлаждения 60–400 °С/мин. Определены также механические свойства спеченных порошковых сталей с ультрадисперсными частицами в зависимости от температурного интервала превращений.  

Обсуждение и заключение. Исследования позволили установить влияние ультрадисперсных частиц на температуру критических точек спеченных ПС эвтектоидного состава, построить диаграммы изотермического превращения аустенита, а также определить механические свойства спеченных порошковых сталей с ультрадисперсными частицами. Анализ полученных результатов исследований показал разнонаправленное влияние частиц оксида никеля и нитрида кремния на фазовые превращения в порошковых спеченных сталях.

1. 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.

2. Дорофеев Ю.Г. Становление, формирование и перспективы развития Новочеркасской научной школы в области изучения функциональных порошковых материалов. Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008;(1):50–55.

3. 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. Монография. Тула: Изд-во ТулГУ; 2016. 235 с.

4. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Новые возможности поверхностного легирования стали в порошковых средах. Вестник машиностроения. 2015;(8):79–81.

5. Крохалев А.В., Харламов В.О., Тупицин М.А., Кузьмин С.В., Лысак В.И. О возможности получения твердых сплавов из смесей порошков карбидов с металлами взрывным прессованием без спекания. Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017;(2):22–30. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-2-22-30

6. Шишка В.Г. Скориков А.В., Иванова И.В., Шишка Н.В. Выбор легирующих элементов для улучшения обрабатываемости резанием порошковых конструкционных сталей. Инженерный вестник Дона. 2018;4(51):11. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5307 (дата обращения: 20.06.2024).

7. Дьячкова Л.Н., Дечко М.М. Влияние дисперсных микродобавок на структуру и свойства порошковых углеродистой и высокохромистой сталей. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2015;(2):8–14. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-2-8-14

8. Павленко Д.В. Особенности уплотнения спеченных титановых сплавов методами обработки давлением. Обработка материалов давлением. 2017;(1):173–180.

9. Бернштейн М.Л., Добаткин С.В., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей. Москва: Металлургия; 1989. 544 с.

10. 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):45–53. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-1-43-53

11. Егоров М.С., Егорова Р.В., Месхи Б.Ч., Егоров С.Н. Развитие контактной поверхности при спекании порошковых сталей. Металлург. 2022;(10):74–79. https://doi.org/10.52351/00260827_2022_10_74

12. 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

13. Егоров М.С., Егорова Р.В., Егоров С.Н., Людмирский Ю.Г., Баранов И.В. Определение движущей силы миграции межчастичной поверхности сращивания порошковых сталей. Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-прессовое, литейное и другие производства). 2024;22(4):183–187. https://doi.org/10.36652/1684-1107-2024-22-4-183-187

14. Ахметов А.С., Еремеева Ж.В. Исследование структуры спеченных заготовок из порошковой смеси быстрорежущей стали Р6М5К5, содержащей диффузионно-легированный порошок. Металлург. 2022;(3):57–60.

15. Гостев А.С., Гостева Е.Г., Гулевский В.А. Роль нанопорошков в модифицировании сплавов. Молодой ученый. 2010;1(11):53–55.

16. Егоров М.С., Егорова Р.В., Егоров С.Н. Спеченные стали, модифицированные наноразмерным нитридом кремния. Металлург. 2023;(3):36–41. https://doi.org/10.52351/00260827_2023_03_36