Порошковое материаловедение. Часть 2

Глава 6 ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ

ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ И ИХ СВЯЗЬ С ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Эксплуатационные свойства спеченного порошкового материала определяются химическим составом и состоянием структуры. В зависимости от назначения изделий к микроструктуре предъявляются специфические требования. Структура их сплавов определяется составом исходной шихты, режимами легирования, прессования и спекания. Спекание является конечным и важным технологическим пунктом, так как высокотемпературный нагрев прессовок интенсифицирует диффузионные процессы, в результате чего происходят все необходимые изменения, обеспечивающие получение желательных свойств изделий.

В состав порошковых сплавов могут входить железо, хром, углерод, марганец и никель. Характер спекания и его интенсивность во многом определяются диаграммами состояния железо – легирующий элемент. При температуре спекания (~1250 С) хром образует с железом твердый раствор, максимальная растворимость хрома в γ-железе составляет около 11,3 мас. %). Никель имеет гранецентрированную решетку с параметром, близким к параметру решетки γ-же- леза, что обеспечивает образование ряда твердых растворов между γ-железом и Ni. Марганец обладает тетрагональной гранецентрированной решеткой (имеется в виду γ-марганец) с параметрами, которые мало отличаются от параметров гранецентрированной решетки γ-железа. Это обстоятельство обусловливает возможность образования непрерывного ряда твердых растворов между γ-железом и γ-марганцем. При спекании будет происходить диффузия хрома, марганца и никеля в железо. При этом скорость диффузии никеля в железо наибольшая по сравнению с хромом и марганцем, поэтому

121

ELIB.PSTU.RU

в первую очередь будет образовываться твердый раствор же- лезо–никель.

По мере образования твердого раствора по границе зерна железа скорость диффузии будет снижаться из-за уменьшения разницы концентрации легирующих добавок на поверхности порошинки железа и в приграничной зоне.

В исследованных сплавах наблюдалось замедление диффузии процессов переноса атомов хрома и марганца в твердый раствор. Никель, заместив атомы железа в решетке, «отталкивает» атомы хрома и марганца. Поэтому объем растворяемого хрома и марганца резко понижается и интенсифицируется их транспортировка вдоль поверхности зерна

взону контакта между порошинками. Как указывалось ранее,

взоне контакта образуются благоприятные условия для образования карбидов и атомы хрома и марганца будут связываться в легированные карбиды.

Изменение фазового состава в порошковых сплавах при охлаждении отличается от аналогичного процесса в литых сплавах. Если в литых сталях при температурах 1200–1300 °С структура представляет собой аустенит и при охлаждении из него начинают выделяться структурные составляющие – феррит, перлит и карбиды, то этот механизм образования фазовых составляющих в порошковых системах реализуется несколько иначе. При нагреве прессовок многокомпонентного порошкового сплава происходит диффузия легирующих компонентов в железо и при взаимодействии атомов хрома и марганца с атомами углерода образуются карбиды сложно-

го состава типа (Fе, Сr)3С, (Fе, Мn)3С, (Fе, Сr, Мn)3С, одновременно происходит образование твердого раствора Fе–Ni. Дальнейший нагрев делает карбиды метастабильными и приводит к их распаду и растворению в железоникелевой матрице с образованием аустенита. Однако следует учитывать, что процессы, происходящие в порошковых системах, реализуются медленнее и температура спекания не столь высока,

122

ELIB.PSTU.RU

чтобы обеспечить полное растворение первичных карбидов, т.е. при температуре спекания (имеется в виду кратковременная выдержка) наблюдаются две фазы – аустенит и карбиды. После окончания спекания и переноса спеченных прессовок в зону охлаждения (где температура снижается с 1250 до 250–300 °С) начинается распад аустенита с образованием перлита, феррита и остаточного аустенита. При небольших содержаниях углерода (порядка 0,2–0,3 % мас. %) структура состояла из феррита и частичных карбидов.

Наличие в спеченном сплаве хрома, марганца и никеля, влияющих на критические точки фазовых превращений, приводит к различию структурных составляющих сплава в зависимости от скорости охлаждения, т.е. от температуры холодильника. Быстрое охлаждение спеченных сплавов приводит к образованию мартенсита, при более медленном – образуется бейнито-трооститная структура,

Величина остаточной пористости и структура полученных в результате спекания сплавов определяются температурой спекания, временем выдержки при спекании, природой

иконцентрацией вводимых добавок. Прочностные характеристики порошковых изделий зависят главным образом от того, какова прочность контакта между частицами в спеченном материале и их количества.

Исследования показали, что контактный мостик между двумя частицами в спеченном сложнолегированном порошковом сплаве представляет собой твердый раствор железо – никель, армированный мелкодисперсными карбидами, этим

иобъясняется повышение твердости к прочности контактных мостиков. Одновременно при спекании произошло легирование частиц железа, являющихся основой сплава никеля, хрома, марганца, что, в свою очередь, повысило физико-механи- ческие свойства матрицы спеченной композиции. На рис. 37 представлена схема спекания слoжнолегированного сплава на основе железа. На рис. 38 представлена кривая влияния

123

ELIB.PSTU.RU

спеченного сплава монотонно падает. Это связано с изменением составляющих структуры. При небольших содержаниях карбидообразующих добавок спеченный сплав представляет собой железоникелевую матрицу, армированную мелкодисперсными легированными арбидами железа. Увеличение содержания хрома и марганца вызывает качественные изменения состава карбидов и их коагуляцию. Структура становится грубодисперсной, и наблюдается уменьшение твердости, а также значительный разброс измерений твердости по структурным составляющим. При дальнейшем повышении содержания хрома и марганца твердые растворы типа Fе–Ni–Сr–Мn начинают играть значительную роль. Твердые растворы имеют более высокую твердость по сравнению с ферритом, и этим можно объяснить дальнейшее повышение твердости спеченного сплава. В результате эксперимента выяснено, что при малых добавках карбидообразующих элементов основным фактором повышения механических свойств сплава является соотношение между карбидообразующими элементами и углеродом.

126

ELIB.PSTU.RU

Кривая прочности (см. рис. 38) характеризуется переломом при содержании (Сr + Мn) около 2,5 мас. %. Увеличение содержания карбидообразующих приводит к огрублению структуры сплава, появлению крупных, локально-обособлен- ных карбидов, которые резко снижают прочность сплава.

Аналогичную картину можно наблюдать на кривой твердости (рис. 41). Увеличение количества хрома и марганца вначале приводит к максимальному повышению твердости материала вследствие равномерного распределения мелких карбидов хрома, железа и марганца. Дальнейшее повышение содержания хрома и марганца интенсифицирует процесс образования крупных карбидов, большая часть углерода связывается в карбиды и железоникелевая матрица представляет собой ферритную составляющую структуры, вследствие чего твердость сплава снижается.

Повышение твердости (см. рис. 38) при увеличении суммарного содержания хрома и марганца свыше 6 % связано с образованием твердых растворов железо – легирующий элемент. Их увеличением в структуре сплава и объясняется дальнейшее повышение твердости спеченной композиции.

Анализируя влияние количества вводимых в исходную шихту карбидообразующих элементов на механические свойства спеченных сплавов, необходимо принимать во внимание содержание углерода, так как хром и марганец могут присутствовать в спеченных композициях в виде карбидов или твердых растворов в железе. На рис. 40 и рис. 41 показано влияние отношения Сr/С и (Сr + Мn)/С на прочность и твердость спеченных сталей, содержащих 0,9 % С и 11 % Ni (Сr/Мn = 2/1).

Резкое изменение кривых, приведенных на рис. 39 и 40, свидетельствует о насыщении контактных мостиков, представляющих собой твердый раствор железо – никель, карбидами хрома, железа и марганца. Дальнейшее увеличение содержания хрома и марганца вызывает изменение состава

127

ELIB.PSTU.RU

скопления атомов хрома и марганца), и это приводит к резкому снижению прочности. Незначительное смещение кривых, характеризующих прочность спеченного сплава в зависимости от отношений СrС и (Сr + Мn)/С показывает, что марганец не является эффективным образователем карбидов в присутствии хрома и его роль сводится к замедлению роста карбидных составляющих структуры. Снижение твердости сплавов при увеличении отношений Сr/С и (Cr + Мn)/С (см. рис. 40) объясняется ростом карбидов и переходом большей части углерода в сложные карбиды. Поэтому после охлаждения матрица сплава представляет собой не перлит, а феррит с включениями крупных карбидов.

Исследование ударной вязкости показало, что легирование железографитной композиции (после однократного прессования) существенно не увеличивает ее по сравнению с чистым железографитом. На кривой (рис. 42), характеризующей ударную вязкость стали, содержащей 0,9 % С и 11 % Ni в зависимости от отношений Cr/C и (Сr + Мn)/С, также наблюдается характерный перелом (не столь ярко выраженный,

Рис. 42. Влияние отношения Cr/C (1) и (Сr+ Mn)/С (2) на ударную вязкость стали

129

ELIB.PSTU.RU

как на кривых прочности и твердости). Пластичность материала, представляющего твердый раствор железо–никель с карбидной составляющей, будет зависеть от количества карбидной фазы и крупности карбидов. Поэтому при увеличении количества карбидных включений и размеров самих карбидов ударная вязкость спеченных сплавов уменьшается. В данной работе проводили исследования характера разрушения сложнолегированных спеченных сплавов после однократного прессования и спекания (пористость составляла 15–18 %). При испытании образцов на разрыв отмечалось их незначительное удлинение и разрушались они без образований шейки. Известно, что для повышения механических свойств спеченных материалов достаточно часто применяют способ двойного прессования и спекания. Применение двойного прессования с промежуточным отжигом значительно повышает долю металлического контакта в прессовке вследствие пластической деформации частиц, и это увеличивает прочность, например, железографита в 1,5–2 раза. Применение процессов двойного прессования и спекания благоприятно влияет на механические свойства спеченных деталей и качество защитного покрытия (за счет уменьшения пористости).

На рис. 43 и 44 изображены кривые влияния отношения Сr/Ni на прочность и твердость спеченных легированных сплавов. При увеличении отношения содержания хрома к никелю в низкоуглеродистых сплавах (содержание углерода 0,1 %) прочность и твердость спеченного материала растет. Это связано с образованием твердых растворов Fе–Ni–Сr, причем при увеличении содержания хрома искажение решеток при образовании твердых растворов Fе–Ni–Сr более значительное, чем у твердого раствора Fе–Ni, что и вызывает повышение твердости и прочности сплава. Введение в сплав углерода в достаточном количестве (порядка 0,6–0,9 %) резко повышает прочность и твердость спеченной композиции

130

ELIB.PSTU.RU