1038

Таблица 40 Концентрационная неоднородность элинваров

Для создания конкурентоспособного порошкового элинвара необходимо точное соблюдение состава в каждом микрообъеме в связи с тем, что главная эксплуатационная характеристика сплава − температурный коэффициент частоты (ТКЧ) − весьма чувствительна к содержанию железа и никеля. Вычислим коэффициенты уравнения гомогенизации (73)

по формулам (77), (78) и (79):

Отсюда β = 0,07 (с–1), для более мелкого карбонильного

никеля этот коэффициент равен 0,2.

После подстановки значений коэффициентов α, β и Q

в уравнение (83) получена зависимость предельно допустимого радиуса частиц железа от технологических параметров

(рис. 69).

201

ELIB.PSTU.RU

железа, порошков карбонильного никеля, хрома, титаноалюминиевой лигатуры марки ПТ65Ю35 и молибдена.

Средний радиус частиц не превышал 7–8 мкм. Порошки помещали в смеситель со смещенной осью вращения, прессовали при давлении 600–800 МПа и спекали по режиму 1300 °С 5 ч. Неоднородность распределения никеля (V = 0,02)

удовлетворяет требованиям гомогенности материала (см. табл. 40), что обеспечивает высокие и стабильные эксплуатационные характеристики.

Проведенное изучение гомогенизации позволило создать методику прогнозирования концентрационной неоднородности в широких интервалах варьирования содержания компонентов, найти закон и осуществить прогноз распределения легирующих элементов в системе железо – хром – никель – молибден.

202

ELIB.PSTU.RU

7.4. Оптимизация составов и режимов получения порошковых сталей

Традиционные механические свойства материалов весьма существенно отличаются в зависимости от условий испытаний [87], поэтому для порошковых материалов, имеющих повышенный уровень дефектности, использование объективных характеристик конструкционной прочности особенно важно.

7.4.1. Прогнозирование концентрационной неоднородности конструктивной прочности низколегированных сталей

Для создания материалов с заданными характеристиками необходимо установить связи между структурой и свойствами. Ряд количественных закономерностей, связывающих параметры структуры и конструкционную прочность, исследован для низколегированных порошковых сталей

(табл. 41).

Таблица 41 Химический состав порошковых сталей после спекания

На процессы структурообразования и механические

свойства порошковых сталей, полученных из поликомпонентных шихт, существенно влияет уровень пористости

203

ELIB.PSTU.RU

и концентрационной неоднородности распределения леги-

рующих элементов [58, 61, 62, 88, 89, 90–94].

В качестве меры концентрационной неоднородности, как и ранее, использован коэффициент вариации концентрации (V ), а для прогнозирования коэффициента вариации

концентрации уравнение гомогенизации (73) (табл. 42, 43).

Таблица 42

Экспериментальные (числитель) и расчетные (знаменатель) значения концентрационной неоднородности порошковых сталей

204

ELIB.PSTU.RU

Металлографическими исследованиями установлено, что структура сталей – феррит и продукты эвтектоидного превращения. Количество мартенсита не превышало 5 %, а доля остаточного аустенита – 2 % (рис. 70). Микротвердость феррита во всех материалах составляла 120–160 НV, перлита – 240–250 НV. В сталях ПК50Х2 и ПК50Х2М вокруг карбидов расположены участки сорбита с микротвердостью до 300 НV.

аб

вг

д

Рис. 70. Микроструктура порошковых сталей:

а – ПК50Х2; б – ПК50Х2М; в – ПК50Х2Н2; г – ПК50Н4, д – ПК50Н4М; ×200

205

ELIB.PSTU.RU

Микротвердость высоколегированных зон (наиболее светлые участки) достигала 320 НV.

Прочностные свойства сталей, имеющих феррито-пер- литную и феррито-мартенситную структуру, подчиняются закону смешения [103]:

где σП,σф и VП,Vф – пределы прочности и объемные доли

перлита и феррита соответственно, что позволяет прогнозировать их прочность.

Структурный состав порошковой стали определяет не только химический состав и технологические параметры, но и уровень пористости и концентрационной неоднородности. Следовательно, при заданной пористости, вычислив на основании уравнения гомогенизации концентрационную неоднородность, представляется возможным предсказывать прочностные характеристики. Однако сведения о проверке правила аддитивности в литературе отсутствуют.

Прочность σВ пористого феррита сталей пористостью

20–25 % составляет примерно 100 МПа, а при П = 10…15 % – примерно 200 МПа. Порошковые стали со структурой сорбит, сорбит-троостит имеют σВ = 450 МПа при пористости

20–25 % и σВ = 650 МПа при пористости 10–15 % без учета

упрочнения твердого раствора растворением легирующих элементов.

Предел прочности стали ПК50Х2 (П = 10…15 %), термообработанной на структуру сорбит-троостит, достигает 650 МПа [87, 94]; легирование 2 % никеля повышает σВ на

40–50 МПа, а 4 % никеля увеличивает этот вклад примерно еще вдвое [95]. При вычислении временного сопротивления (табл. 44) упрочнение твердого раствора за счет растворения легирующих элементов рассматривали в качестве дополнительного слагаемого [96].

206

ELIB.PSTU.RU

Аддитивность объясняет связь между концентрационной неоднородностью и механическими свойствами. По мере уменьшения неоднородности V механические свойства растут (рис. 71–74), корреляция между ними связана как с упрочнением твердого раствора – феррита – растворяющимися в нем легирующими элементами, так и с увеличением количества более прочных структур, составляющих стали, за счет

207

ELIB.PSTU.RU

приводить к росту вязкости разрушения, оставлять ее без изменения или в большинстве случаев понижать [97]. Имеющиеся в литературе результаты определения K1с низколеги-

рованных порошковых сталей указывают на рост прочностных характеристик и вязкости разрушения при понижении пористости. В данной работе для ряда сталей пористостью от 10 до 27 % установлена аналогичная тенденция и при понижении концентрационной неоднородности (см. рис. 71–74). Пунктирная линия на этих рисунках показывает вычисленные значения вязкости разрушения.

Совпадение тенденций изменения зависимости вязкости разрушения и механических свойств от пористости для образцов из порошков технического железа марки ПЖ4М2 и карбонильного железа марки ОсЧ 6-2, а также корреляция между вязкостью разрушения и механическими свойствами в обсуждаемом интервале варьирования пористости, дают основание использовать зависимости, полученные при изучении разрушения железа, применительно к порошковым сталям.

Влияние пор на распространение фронта трещины в порошковых сталях представляется неоднозначным. С одной стороны, поры снижают энергоемкость процесса разрушения, а с другой – тормозят движение фронта трещины за счет его затупления и последующего изгиба.

Всвязи с тем, что вклад второго члена в выражениях

(64)и (66) относительно невелик, преобразуем зависимость

(66)следующим образом:

хорошо проверенным для ряда материалов [78, 90, 91], в том

209

ELIB.PSTU.RU

числе низколегированных сталей. Невысокое содержание легирующих элементов слабо сказывается на V и E, поэтому формулы (69) и (70) использованы для расчета модуля Юнга

икоэффициента Пуассона. При вычислении размеров пор

ирасстояний между ними полагали выполнение зависимости Козени [39]:

где dП – диаметр поры; dЧ – диаметр частицы.

Обработка экспериментальных данных по методу наи-

лась от аналогичной, вычисленной для традиционных сталей,

на 10 %.

Таким образом, подтверждена возможность прогнозирования концентрационной неоднородности распределения легирующих элементов в сталях по разработанной методике с использованием уравнения гомогенизации, показан аддитивный вклад феррита и перлита в предел прочности порошковых сталей пористостью 10–27 %, предложена зависимость для расчета их трещиностойкости.

7.4.2.Выбор интервалов варьирования состава

ирежимов спекания

Выше показано, что высокие механические свойства имеют стали, легированные одновременно никелем, хромом и молибденом и содержащие 0,3–0,5 % углерода. При этом из экономической целесообразности содержание никеля и молибдена стремились минимизировать. Как следует из работы [89], в среднеуглеродистых пористых сталях, легированных хромом, никелем и молибденом, увеличение качества никеля от 1 до 3 % не приводит к росту прочности и способ-

210

ELIB.PSTU.RU