ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цельработы

Приобретение навыков по приготовлению шлифов для металлографических исследований и изучению микроструктуры спеченных порошковых изделий.

Задачиработы

Определить пористость и характер распределения фаз, проведя металлографическое исследованиесплавов WC–Со, TiC–WC–Со.

Краткиетеоретическиесведения

Влияние макро- и микроструктуры на свойства порошковых материалов

На свойства порошковых материалов (изделий), решающим образом определяющие область их применения, существенное влияние оказывают макро- и микроструктура, формирование которых происходит при отсутствии расплавления основы либо только в твердой фазе, либо при наличии ограниченного объема жидкой фазы. Поэтому для таких материалов структурообразование зависит от условий получения и свойств металлических порошков, состава порошковой шихты, метода формования, температуры, скорости нагрева и времени спекания, скорости охлаждения после спекания, состава защитной среды, последующей термической обработки и многих других факторов.

Для свойств кристаллизующихся из жидкого состояния литых металлов и сплавов наиболее важны химический состав, дисперсность, распределение и количественное соотношение фаз, размеры и форма зерен. Эти факторы в определенной степени сказываются на свойствах и порошковых материалов, но наряду с ними большое влияние на уровень механических и физи- ко-химических свойств изделий из металлических порошков оказывают форма частиц, величина межчастичных контактов и пористость, являющаяся самостоятельным структурным фактором.

Структурными составляющими порошковых материалов являются металлическая фаза (фазы), неметаллические включения (графит, оксиды и т.п.) и поры. Влияние свойств исходных порошков на структуру неоднозначно и проявляется в различной степени при осуществлении разнообразных вариантов технологических процессов получения материалов (изделий) из них.

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

Так, форма частиц и рельеф (шероховатость) их поверхности определяют не только качество самих формовок, но и особенности формирования структуры материала на межчастичных контактных поверхностях на всех этапах получения порошковых изделий.

Увеличение размеров частиц приводит к формированию крупнозернистой структуры с большими порами неправильной формы, а увеличение дисперсности порошков, активируя процессы массопереноса при спекании и обеспечивая получение более плотной (малопористой) структуры, может приводить к повышению содержания в материале неметаллических включений в связи с повышенной окисленностью исходного порошка.

Влияние химического состава компонентов

Большое влияние на формирование структуры оказывают химический состав и внутризеренная структура самих частиц порошка, особенно в случае наличия в них трудновосстановимых оксидов А12О3, SiO2 и др. У материалов (изделий) из смесей, содержащих порошки отдельных компонентов, структура, как правило, гетерогенна из-за неполной гомогенизации при спекании и образования внутричастичных пор вследствие различия скоростей диффузионного обмена в частицах разных металлов (эффект Киркендала). Поэтому предварительно легированные порошки или порошки сплавов, предварительно полученные тем или иным способом, обеспечивают существенное повышение однородности структуры, уровня и стабильности свойств.

Влияние условий формования

На конечную структуру порошковых материалов (изделий) существенно влияют условия формования, при котором порошки уплотняются, частицы деформируются, изменяется состояние поверхностей и площади межчастичных контактов, развиваются межчастичные связи. Холодное прессование и последующее длительное спекание приводят к образованию более равновесной, но и сравнительно крупнозернистой структуры, тогда как при статическом горячем прессовании формируется более мелкозернистая структура, а при динамическом горячем прессовании – еще более дисперсная.

Влияние состава материала и условий нагрева

В зависимости от состава материала и условий нагрева микроструктура порошковых материалов может быть гомогенной или гетерогенной, а также представлять собой механическую смесь металлических и неметаллических частиц. Для обеспечения полной гомогенизации структуры требуются более высокие температуры и достаточно длительные (многочасовые) выдержки при спекании. Например, гомогенная структура порошкового железоникельмедного материала достигается за 3 ч при 1 250 оС, а более низкие температуры или менее длительные выдержки при спекании приводят к гетерогенной структуре, состоящей из зерен твердых растворов различного химического состава, так как диффузионные процессы протекают не полностью.

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

Большие затруднения в получении равновесных структур возникают при изготовлении материалов (изделий) из компонентов, имеющих ограниченную взаимную растворимость. Равновесность структуры таких материалов возрастает при увеличении длительности изотермической выдержки при спекании. При получении сплавов из порошков отдельных компонентов в них всегда наблюдается большая или меньшая гетерогенность.

Исследованиеструктуры

Особенности приготовления шлифов для металлографического исследования

Сочетание в порошковом материале твердых составляющих и пор требует особых мер при изготовлении шлифов и подготовке их поверхности. Чтобы избежать искажений микроструктуры (рис. 6.1), необходимо предотвратить деформацию и разрушение кромок пор, что требует применения особо твердых инструментов (в том числе и алмазосодержащих).

а б в г

Рис. 6.1. Искажение формы и изменение действительных размеров пор в плоскости шлифа: а – пластическая деформация кромки поры при шлифовке; б – искажение (разрушение) контура поры; в – попадание продуктов шлифовки в пору и образование из нее нескольких мелких пор; г – увеличение контура поры с округлением ее краев: 1 – действительный размер; 2 – контур поры, видимый на шлифе

Разрушение кромок часто является следствием изменяющегося прижимного усилия, поэтому весьма желательно использовать автоматические шлифовальные устройства, поддерживающие равномерное давление. Во избежание скругления кромок пор следует применять не слишком мягкие полировальные материалы. Пригодна и вибрационная полировка, в ходе которой получают поверхности без разрушения кромок. В ряде случае целесообразно применять комбинацию механической и электролитической полировки.

Неизбежное попадание продуктов шлифовки и полировки в поры заставляет применять специальные методы очистки, например ультразвук. Степень засорения шлифа существенно уменьшается при мокром шлифовании, но в этом случае жидкость, попавшая в поры, затрудняет последующую обработку и может вызвать крайне нежелательные коррозионные процессы.

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

Изменения формы и размеров пор, а также попадания коррозионных жидкостей в них при изготовлении шлифа в значительной степени можно избежать. Для этого можно заполнять поры веществом, которое с одной стороны обладало бы невысокой вязкостью для легкого проникновения в тонкие и извилистые поровые каналы, а, с другой – обладала бы достаточной твердостью, позволяющей избежать замазывания поверхности шлифа.

Данным условиям удовлетворяют парафины, термопластичные полимеры, бакелит. Перед пропиткой пористых материалов эти вещества нагревают для снижения вязкости или вообще расплавляют. Очень удобными для фиксации формы и размеров пор при изготовлении шлифов спеченных и особенно спрессованных заготовок оказались двухкомпонентные клеи-компаунды. Добавление к основному компоненту клея растворителя (ацетона) перед введением отвердителя дополнительно снижает вязкость компаунда, что в сочетании с предварительной пропиткой образца тем же растворителем позволяет заполнять поры размером до 5 мкм. Следует отметить, что растворители увеличивают время полного отверждения клея с 3–5 ч до 2–3 сут. Однако в ряде случаев это оправдано.

Металлографическое исследование структуры спеченных порошковых материалов

Под металлографическим исследованием понимают изучение внутреннего строения материалов: размеров и формы зерен, фазового состава и взаимного расположения кристаллов фаз с помощью светооптического или электронного микроскопов. Результаты металлографического исследования спеченных изделий, как и литых материалов, являются одними из важнейших характеристик для оценки свойств спеченных изделий, а также позволяют контролировать правильность проведения различных операций, предусмотренных технологией при их изготовлении.

При применении оптических микроскопов используют специально подготовленные полированные поверхности (шлифы) образца, а для электронных микроскопов просвечивающего типа – тонкие пленки (реплики), воспроизводящие рельеф поверхности шлифа. Очень часто для четкого выявления структуры с помощью специально подобранных травителей добиваются окраски в разные цвета структурных составляющих сплава.

Оценку размеров пор и изучение неметаллических структурных составляющих лучше всего производить на нетравленых шлифах, а изучение металлических фаз и структурных составляющих – на травленых. Травление шлифов порошковых материалов для выявления микроструктуры производят обычно теми же реактивами, что и при исследовании микроструктуры литых материалов аналогичного состава.

В настоящее время для количественного анализа микроструктуры порошковых материалов применяют три способа – точечный, линейный и планиметрический. В первом случае выборку проводят с помощью системы точек, во втором – случайными прямыми, в третьем – случайными плоскостями.

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

Методикаприготовленияшлифов идальнейшегометаллографическогоисследования

Приготовление шлифов для металлографического исследования

Шлифы обычно изготавливают по поперечному сечению (излому) образца сплава. Для выравнивания поверхности излома образцы предварительно затачивают на шлифовальных кругах из зеленого карбида кремния. Затем образец закрепляют в обойме с помощью расплавления серы, органических смол или легкоплавких сплавов, чтобы дальнейшему шлифованию и полированию подвергалась только поверхность образца для исследования.

Поверхность шлифа обрабатывают на шлифовальной водостойкой бумаге, изготовленной из карбида кремния зернистостью КЗ-120, КЗ-150, КЗ-180, КЗМ-40 (для сравнительно мягких образцов на медной или железной основе), или шлифуют с помощью карбида бора зернистостью 80–90 мкм (твердые образцы на основе карбидов, боридов и других тугоплавких соединений, например, твердые сплавы).

При изготовлении шлифов из пористых материалов влага, задерживающаяся в порах, вызывает окисление поверхности, что усугубляется при травлении под действием травителя. Это затрудняет изучение микроструктуры, поэтому до полировки и особенно до травления необходимо предварительно заполнять поры шлифа веществом, инертным к воде и травящим растворам. С этой целью применяют расплавленный парафин, бакелитовый лак или другие органические соединения.

В бакелитовый лак, подогретый до 60–70 оС, или другое органическое соединение для пропитки погружают образцы, выдерживают до прекращения выделения пузырьков воздуха (2–3 мин), затем образец извлекают, очищают от избытка пропитывающей жидкости, просушивают на воздухе, проводят полимеризацию при 60–150 оС в течение 1–1,5 ч и охлаждают образец вместе с печкой или на воздухе. Далее мягкие образцы шлифуют на бумаге КЗМ-28, КЗМ-20, а твердые – алмазной пудрой с размером зерен 3–15 мкм, которую наносят в виде суспензии с этиловым спиртом на горизонтальные диски из серого чугуна.

После этого шлиф из пористого или беспористого материала полируют до исчезновения рисок и царапин на фетре, смоченном суспензией оксида хрома или оксида алюминия (для мягких сплавов) или алмазной пудрой с размером зерен 1–2 мкм, нанесенной на буковые диски (для твердых сплавов). Окончательную полировку (доводку) твердых образцов можно проводить с помощью водной суспензии слабощелочного раствора красной кровяной соли и оксида алюминия (так называемая травящая полировка), подающейся каплями на вращающийся диск, обтянутый грубошерстным сукном или фетром. Травящую полировку рекомендуется проводить после просмотра при малом увеличении (х100) с целью оценки пористости и содержания структурно-свободного углерода, так как шлиф получается слегка протравленным и затрудняется оценка пористости и содержания графита.

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Описаниелабораторнойустановки

1.Комплект химической лабораторной посуды.

2.Микроскоп металлографический МИМ-9.

Заданиенавыполнениелабораторнойработы

Металлографическое исследование спеченных материалов проводят на микроскопе марки МИМ-9. В микроскопе свет от лампы проходит через собирательную линзу (коллектор), отражается от зеркала и через светофильтры, диафрагмы, фотозатвор, претерпев полное внутреннее отражение в поворотной призме, попадает на полупрозрачную плоскопараллельную пластину. Часть светового потока проходит через нее и рассеивается в микроскопе, а часть лучей отражается вверх от пластинки, проходит через объектив и через отверстие в предметном столике попадает на исследуемый образец (шлиф).

Отраженные от шлифа лучи с помощью зеркала через окуляр попадают в глаз наблюдателя. Наводку на резкость сначала осуществляют грубо вращением макровинта, а затем с помощью микровинта выполняют тонкую наводку, перемещая объектив по отношению к неподвижному предметному столику. Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают винтами относительно неподвижного объектива в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Микроскоп МИМ-9 снабжен анализатором, с помощью которого можно изменять яркость изображения и окраску отдельных элементов структуры.

Порядоквыполненияработы

1.Исследование производятся на предварительно приготовленных шлифах из сплавов WC–Со, TiC–WC–Со. Применяется только окончательная доводка травлением для снятия оксидной пленки.

2.Рассматривая под микроскопом полированную нейтральную поверхность шлифа при увеличении 100–200 раз, определить степень пористости и содержание свободного углерода.

3.Пористость определяют путем сравнения вида поверхности шлифа

смикрофотографиями шкалы пористости по ГОСТ 9391-67 или ГОСТ 939180, каждая из которых характеризует величину относительной площади пор, выраженную в процентах от площади поля зрения. Поры условно разделяют на две группы: а) более 50 мкм; б) менее 50 мкм.

4.Оценить содержание свободного углерода, сравнивая участок шлифа с максимальным числом графитовых включений с микрофотографиями шкалы графитовых включений, представленных в работе [3]. Углерод в сплавах присутствует в форме точечных включений или сгруппированных в ско-

ЛАБ. РАБОТА 6 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Порядок выполнения работы

пления розеточной или гнездообразной формы. Включения графита отличаются от пор только формой (графит выкрашивается при изготовлении шлифа).

5.Определить толщину прослоек и характер распределения кобальтовой фазы по шлифу из сплава WC–Со.

Определение производится на нетравленом шлифе (или после травления в пероксиде водорода) при увеличении в 1 050–1 500 раз. Толщину определяют с помощью окулярмикрометра.

6.Для определения величины зерна фазы WC в сплавах WC–Со применяют комбинированное травление: сначала в насыщенном солянокислом растворе хлорного железа для вытравливания кобальтовой фазы, а затем, после промывки шлифа водой, в щелочном растворе красной кровяной соли. Время травления устанавливается опытным путем и зависит от величины зерен WC и содержания кобальта.

Зернистость карбидных фаз оценивают по точечному методу А.А. Глаголева, для чего в окуляр вставляют сетку и при увеличении в 1 350–1 500 раз измеряют не менее 100 зерен, попадающих в узлы пересечений окулярной сетки.

Для выявления границ зерен фазы WC в сплавах ТК (TiC–WC–Со) применяют 10 и 20 %-е щелочные растворы красной кровяной соли. Время травления ~6 мин.

Требованиякотчету

1.Записать металлографические данные исследованных сплавов.

2.Зарисовать микроструктуру исследованных образцов (фазовый состав и форму зерен карбидной фазы).

3.Дать объяснение полученным результатам.

4.Отчет по работе должен содержать: описание цели работы, условий

еепроведения; теоретическую часть, методику изучения микроструктур, экспериментальные данные и их анализ.

5.Оформление отчета должно соответствовать СТО СФУ 4.2-07-2008.

Контрольныевопросыизадания

1.Какие параметры влияют на образование структуры порошковых

изделий?

2.Назовите основные структурные составляющие порошковых изделий.

3.Каким образом химический состав компонентов влияет на формирование структуры?

4.Как состав материала и условия нагрева влияют на формирование структуры?

5.Что из себя представляет м еталлографическое исследование структуры спеченных порошковых материалов?