CC BY
62
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Порошковая металлургия и композиционные материалы
УДК 621.762.2:67.017
Е.В. Ружицкая, О.В. Арестов, С.А. Хачатрян
РУЖИЦКАЯ ЕЛЕНА ВАСИЛЬЕВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: [email protected] АРЕСТОВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: [email protected]
ХАЧАТРЯН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: [email protected]
Физические и технологические свойства порошков карбидосталей системы TiC-Р6М5, полученных механохимическим синтезом
Приведены результаты исследований по определению физических и технологических свойств порошковых композиций системы TiC-P6M5, необходимых для проектирования технологической оснастки при промышленном производстве карбидосталей. Изучены факторы, влияющие на свойства порошков системы TiC-P6M5, полученных высокотемпературным механохимическим синтезом из отходов инструментального производства. Установлены зависимости изменения технологических свойств порошков карбидосталей от методов их получения и соотношения компонентов в исходной шихте. Приведены рекомендуемые режимы получения порошков и прессования заготовок заданной пористости.
Ключевые слова: порошковая металлургия, механохимический синтез, карбидосталь, карбид титана, быстрорежущая сталь, удельная поверхность, гранулометрический состав, пикнометрическая плотность, насыпная плотность, пористость, прессуемость.
Введение
Порошки металлов, сплавов, тугоплавких металлических и неметаллических соединений используют в качестве исходного сырья для получения изделий методами порошковой металлургии. Порошковая металлургия является экономически выгодной заменой механической обработки в условиях серийного и массового производства за счет более высокой точности деталей, большей производительности труда и большего коэффициента использования материалов, а также благодаря особым свойствам или заданным характеристикам изделий, которые невозможно получить каким-либо другим способом.
Среди материалов, изготавливаемых методами порошковой металлургии, особое место занимают карбидостали - материалы, представляющие собой спеченные порошковые композиции из легированных сталей и тугоплавких карбидов (обычно TiC). Карбидостали сочетают в себе твердость и износостойкость карбида титана с хорошими механическими свойствами стали-основы.
© Ружицкая Е.В., Арестов О.В., Хачатрян С.А., 2016
Многочисленные исследования в данной области конца ХХ - начала XXI вв. были направлены на выяснение роли тугоплавких соединений и материала «цементирующей» основы в струк-турообразовании спеченных карбидосталей [3, 6, 8, 14]. В последние годы целью исследований является поиск новых методов получения порошков исходных компонентов и формирования изделий из карбидосталей, позволяющих создать высокопрочные конструкционные и инструментальные материалы, способные по комплексу характеристик заменить классический твердый сплав типа ВК [4, 7]. Все чаще в качестве материала основы для карбидосталей рассматриваются порошки, полученные из отходов быстрорежущих сталей [5, 9, 10].
Высокий комплекс получаемых свойств определяет широкую область использования кар-бидосталей для изготовления режущего инструмента, инструментов для бесстружечной обработки (штампов, пуансонов, волок), для деталей измерительных инструментов, а также в качестве конструкционного материала для кулачков, роликов, втулок, зубчатых колес, деталей подшипников и других деталей, работающих в условиях недостаточной смазки и агрессивных сред. Использование порошков карбидосталей для изготовления изделий соответствующего назначения определяется в том числе их физическими (форма, размер частиц порошка, гранулометрический состав, удельная поверхность и истинная плотность порошка) и технологическими (насыпная плотность и плотность утряски, текучесть, уплотняемость и прессуемость порошка) свойствами, которые, в свою очередь, зависят от природы материала и метода получения.
Цель данного исследования - определение свойств порошков карбидостали системы ТЮ-Р6М5, полученных с использованием механохимического синтеза и необходимых при разработке технологических процессов изготовления изделий, особенно в условиях автоматизированного производства. Для этого необходимо: определить физические свойства порошков системы ТЮ-Р6М5, влияющих на их технологические свойства и определяющих поведение порошков на всех стадиях технологического процесса получения изделий; установить зависимости изменения технологических свойств порошков карбидосталей от методов их получения и соотношения компонентов в исходной шихте.
Исходные материалы и методы исследования
В работе исследовались композиции системы ТЮ-Р6М5, приготовленные двумя методами. Композиции № 1-7 получали высокотемпературным механохимическим синтезом ТЮ в присутствии стружки стали Р6М5 при весовом соотношении Т : С = 4 : 1 [2].
Композиции № 8-13 - это смеси порошков стали Р6М5 и ТЮ. Карбид титана получали высокотемпературным механохимическим синтезом (ВМС). Стальной порошок был изготовлен путем диспергирования стружкоотходов в присутствии 2 вес.% полиметилметакрилата (ПММА) в течение 12 мин [12]. Состав исследуемых композиций приведен в табл. 1.
Таблица 1
Состав исследуемых композиций, в % по массе
Технология I Технология II
№ образца Стружка Р6М5 Л С № образца Порошок Р6М5 ТЮ
1 20 64 16 8 20 80
2 30 56 14 9 30 70
3 40 48 12 10 40 60
4 50 40 10 11 50 50
5 60 32 8 12 60 40
6 70 24 6 13 70 30
7 80 16 4 14 80 20
Синтез ТЮ, измельчение стружкоотходов быстрорежущей стали Р6М5 и высокотемпературный механохимический синтез (ВМС) порошкового сплава карбидостали состава ТЮ+Р6М5 осуществляли на энергонапряженной вибромельнице конструкции, созданной в Дальневосточном
государственном техническом университете (ныне Дальневосточный федеральный университет), в воздушной атмосфере [1]. В качестве размалывающих тел использовались стальные шары из стали ШХ15 диаметром 12-14 мм. Параметры режима работы вибромельницы: частота колебаний - 20 Гц, интенсивность (отношение веса исходных материалов к весу размалывающих шаров) - 1:20, объем заполнения механореактора стальными шарами - не более 40% объема механореактора.
Определение гранулометрического состава порошков с размерами частиц более 40 мкм производилось с помощью просеивания через набор сит в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 18318-94. Исследование фракционного состава, внешнего вида и размеров более дисперсных порошков производили микроскопическим анализом (ГОСТ 23148-93) с помощью электронного сканирующего микроскопа LEO 430 (Германия).
Удельная поверхность порошков определялась на приборе Т-3 методом газопроницаемости.
Пикнометрическую (истинную) плотность частиц порошка определяли при помощи мерного сосуда - пикнометра. Высушенный пикнометр заполняли на ^ объема исследуемым порошком и взвешивали вместе с порошком, фиксируя M1. После взвешивания в пикнометр заливали пикно-метрическую жидкость (керосин) до заполнения его на % объема, тщательно взбалтывали, затем снова взвешивали пикнометр с порошком и жидкостью, получая М2. Зная массу сухого пикномет-рического сосуда М, объем пикнометра VnuKH, а также плотность пикнометрической жидкости уж, определяли объем жидкости в пикнометре Vж = (М2 - М1)/уж и пикнометрическую плотность порошка Упикн = (М1 - М)/( Упикн - Уж).
Исследование насыпной плотности порошков проводилось в соответствии с ГОСТ 19440-94. Плотность после утряски определяли по ГОСТ 25279-93.
Уплотняемость и прессуемость порошков оценивали по плотности и пористости прессовок, полученных в цилиндрической пресс-форме односторонним прессованием. В процессе формирования образцов были опробованы следующие составы прессуемого материала:
1) смесь порошков TiC и 60-80% стали Р6М5 без введения пластификатора;
2) смесь порошков TiC и 20-50% стали Р6М5 с пластификатором;
3) синтезированный порошок Ti + C + Р6М5(стружка) при всех соотношениях компонентов -с пластификатором, введенным по технологии получения твердосплавных изделий.
Перед замешиванием смесей с пластификатором порошки просеивали через сито № 01 (с номинальным размером стороны ячейки в свету 0,1 мм) для отсева инородных частиц и разрушения окомковавшихся гранул. Пластификатор вводили в порошок карбидостали в количестве 0,20 мл на 1 г для улучшения прессуемости смеси и повышения прочности прессовок. В качестве пластификатора использовали 4,5-5-процентный раствор синтетического каучука в бензине. Перед использованием раствор процеживали через фильтр, состоящий из нескольких слоев марли. Замешивание смеси с клеящим раствором производили вручную. После окончания замешивания смесь сушили при температуре 50-80 °С в течение 0,5-1 ч c последующим просевом на ситах № 01 с сеткой по ГОСТ 6613.
Формование образцов производилось под давлением 100-180 МПа в стальной пресс-форме из легированной стали 40Х. Диаметр получаемых изделий составлял 11,5±0,05 мм. Навески порошка брались по массе 4±0,10 г. Прессование производили на гидравлическом прессе максимальным усилием 100 т.
Брикеты непосредственно после прессования выдерживали в сушильном шкафу марки ЦЭП-282 при температуре 120-140 °С в течение 0,5 ч для удаления растворителя клеящего вещества (бензина), полимеризации каучука и повышения прочности заготовок.
Плотность прессованных образцов определялась гидростатическим взвешиванием в соответствии с ГОСТ 25281-82* «Металлургия порошковая. Метод определения плотности формовок».
3 3
Плотность быстрорежущей стали Р6М5 принималась равной 8,15-10 кг/м , плотность карбида титана - 4,92 -103 кг/м3.
Пористость определяли по формуле
П = (1 -р) -100%' Рк
где рп - плотность порошковой стали; рк - плотность компактной стали.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 1 приведена зависимость изменения удельной поверхности порошковых композиций от содержания стружкоотходов стали Р6М5 в шихте и метода их получения.
Порошки карбидостали, полученные механохимическим синтезом (технология I, композиции № 1-7), при всех соотношениях компонентов имеют большую удельную поверхность, чем порошки, состоящие из смеси ТЮ и отдельно измельченной стружки быстрорежущей стали (технология II, композиции № 8-14). Это объясняется истирающим действием размалывающих шаров и экзотермическим эффектом в момент инициирования реакции синтеза ТЮ, что приводит к интенсивному измельчению стружки стали, находящейся в механореакторе [13].
Уменьшение содержания стружки в шихте приводит к более полному протеканию процесса механохимического синтеза карбида титана и получению высокодисперсного порошка карбидоста-ли. Так, удельная поверхность стружки быстрорежущей стали, загружаемой в механореактор, составляла 0,02 м /г. После прохождения механохимического синтеза (МХС) карбидостали в присутствии 70% Р6М5 удельная поверхность порошка составила 2,54 м2/г, а при 20% Р6М5 - 5,31 м /г.
Зт
СЯ
и О X
X
а.
Ф щ
о с:
к (И
£
40 50 60
Содержание стали Р6М5. %
■ порошок: полученный МХС композиции Р6М5+"П+С □ порошок: полученный смешиванием компонентов
Рис. 1. Удельная поверхность порошка карбидостали в зависимости от содержания стали Р6М5
в исходной шихте и технологии получения.
Изменение удельной поверхности композиций, полученных смешиванием порошков ТЮ и
Р6М5 (технология II, композиции № 8-14), находится в обратно пропорциональной зависимости от
соотношения входящих в смесь компонентов: удельная поверхность порошка стали Р6М5 составляла 2 2 2 Sуд = 0,23 м /г, смеси, содержащей 70% порошка Р6М5 - $уц = 1,65 м /г, а при 20% Р6М5 - = 3,90 м /г.
Гранулометрический состав порошков исследовали на образцах № 1-6 как представляющих особый интерес из-за сложного механизма влияния кинетики протекающих в механореакторе процессов на размер частиц синтезированных порошков. Рентгенофазовый анализ порошка композиции 80% Р6М5 + 16% Т + С (образец № 7) после механоактивации не выявил наличия карбида титана, поэтому в дальнейшем для исследований не использовался.
Размер частиц порошка стали Р6М5 после высокоэнергетического размола с полиметилме-такрилатом составлял не более 100 мкм, причем 90% его находилось в пределах 10-50 мкм.
Средний размер зерна карбида титана, полученного ВМС без добавления стружки, составлял порядка 0,5-2 мкм. При введении в шихту до 30% Р6М5 содержание доли фракций размером до 1 мкм составляла более 63%, а максимальный размер частиц порошка не превышал 15 мкм (за исключением спеков, количество которых не превышало 0,1% и обозначенных в таблице термином «следы»). С увеличением количества стружки быстрорежущей стали доля фракций размером от 1,0 до 2,5 мкм также увеличивается, и при содержании 50% Р6М5 составляет около 31%.
При синтезе карбида титана в системе (60-70%) Р6М5 + Т + С, происходящем без теплового взрыва, средний размер частиц порошка находился в пределах от 2,5 до 4,0 мкм (табл. 2).
Таблица 2
Изменение гранулометрического состава порошка карбидостали в зависимости от содержания стружки стали Р6М5 в исходной шихте
№ образца Состав композиций Процент соде ржания фракций, мкм
+30,0 +30,0 -20,0 +20,0 -15,0 +15,0 -10,0 +10,0 -6,0 +6,0 -4,0 +4,0 -2,5 +2,5 -1,0 +1,0 -0,5 -0,5
1 20% Р6М5+64% Т1+16% С - - Следы 0,2 1,0 0,8 5,3 20,6 46,3 25,8
2 30% Р6М5+56% Т1+14% С - - Следы 1,7 2,2 5,6 7,2 20,0 40,0 23,3
3 40% Р6М5+48% Т1+12% С Следы 0,5 1,0 1,4 5,2 8,0 18,4 29,2 22,6 13,7
4 50% Р6М5+40% Т1+10% С 0,3 0,9 2,4 2,7 5,6 7,1 16,5 31,4 21,3 11,8
5 60% Р6М5+32% Т1+8% С 0,5 1,2 2,8 3,3 7,8 16,7 18,1 29,1 11,5 9,4
6 70% Р6М5+24% Т1+6% С 0,8 1,6 3,4 4,2 11,7 28,1 21,9 12,0 9,6 6,7
Форма частиц металлического порошка в большой мере определяет его поведение на всех этапах технологического процесса получения изделий. Она также существенно влияет на технологические свойства порошка и через них - на плотность, прочность и однородность свойств заготовки из него.
На рис. 2 представлен общий вид порошка, полученного смешиванием 50% диспергированной стружки Р6М5 и 50% - синтезированного Т1С (технология II, композиция № 11). На фотографии хорошо видны высокодисперсные частицы порошка карбида титана и пластины измельченной стружки с высокоразвитой поверхностью. Этот вид порошков характерен для всех композиций, полученных по данной технологии.
Рис. 2. Общий вид композиций порошка для карбидостали после смешивания компонентов 50%Р6М5+TiC,
прошедших механическую активацию.
Исследование порошков карбидостали, полученных ВМС (технология I), на электронном микроскопе выявил, что частицы имеют сферическую форму с высокоразвитой поверхностью, подобно порошку чистого карбида титана. Наряду с мелкими зернами размером менее 1 мкм присутствуют спекшиеся агломераты размером более 10 мкм, образовавшиеся в результате высоких температур при тепловом взрыве. С увеличением количества стружки в исходной композиции растет доля и размер крупных фракций, а форма частиц меняется от сферической до камневидной (рис. 3), причем частиц пластинчатой формы, характерной для стружки стали, не наблюдается. Это указывает на то, что в процессе синтеза происходит не только дробление стружки, но и ее взаимодействие с титаном и углеродом на фоне высокой температуры и ударного воздействия размалывающих шаров.
Истинная (пикнометрическая) плотность частицы порошка зависит от совершенства ее внутренней макро- и микроструктуры, а также от равномерности распределения в ней легирующих элементов и фаз.
а) 1000х б) 1000х
Рис. 3. Общий вид порошка карбидостали после ВМС композиции: а - 20% Р6М5+64% ШС;
б - 50% Р6М5+40% тс.
В порошках, полученных механохимическим синтезом системы ^+С+Р6М5 (технология I, композиции № 1-6), количество введенной в шихту стали неоднозначно влияет на изменение пик-нометрической плотности. Так, с увеличением содержания стали до 50% происходит рост пикно-метрической плотности с 4,3 до 5,76 г/см3, затем при 60% Р6М5 ее значение несколько снижается -
3 3
до 5,68 г/см , а затем снова растет, принимая наибольшую величину 6,13 г/см при 70% Р6М5. Это связано с тем, что меняется кинетика образования карбида титана с увеличением доли стружки быстрорежущей стали. При содержании до 50% Р6М5 синтез проходит в условиях теплового взрыва с образованием мелкодисперсных порошков сплава с высокоразвитой поверхностью и сложным фазовым составом. При концентрациях 60-70% Р6М5 карбид титана образуется без скачка температуры, частицы порошка имеют более гладкую поверхность. Увеличение количества стружки в шихте приводит к росту доли крупных фракций частиц порошка, снижению развитости их поверхности, а также к росту удельного веса всей композиции.
В порошках системы ТЮ-Р6М5, полученных смешиванием компонентов, прошедших ме-ханохимическую обработку (технология II, композиции № 8-14), рост пикнометрической плотности пропорционален росту количества порошка быстрорежущей стали вплоть до 60% Р6М5, когда ее величина сопоставима с плотностью сплава (образец № 5) того же состава, полученного ВМС. При большем содержании стального порошка в композиции рост плотности замедляется, и при 80% Р6М5 даже несколько падает до 5,6 г/см . Это можно объяснить следующим: в процессе диспергирования стружкоотходов осуществляется механокрекинг высокомолекулярного соединения с
проникновением продуктов механодеструкции полимера в поверхностные дефекты частиц металла. Естественно, чем больше измельченной стружки добавлено в композицию, тем больше влияние удельного веса ПММА на пикнометрическую плотность системы карбид титана-быстрорежущая сталь-полимер, что при концентрациях стали свыше 70% приводит к снижению значения пикнометрической плотности.
Насыпная плотность определяется плотностью материала порошка, размером и формой его частиц, плотностью укладки частиц и состоянием их поверхности.
Минимальное значение насыпной плотности 1,40 г/см наблюдалось в композиции № 11, содержащей 50% предварительно измельченной стружки стали Р6М5. Увеличение содержания порошка диспергированной стружки приводит к росту значения насыпной плотности в композициях, полученных по технологии II, и достигает максимальной величины 1,91 г/см3 при 80% стального порошка.
Порошки, полученные высокотемпературным механохимическим синтезом карбида титана в присутствии стали Р6М5 (технология I), имеют большую насыпную плотность при всех концентрациях стружки. При этом закономерность роста насыпной плотности с увеличением содержания стали сохраняется и достигает максимального значения 2,6 г/см при добавлении 70% стружки в шихту перед ВМС. Значит, при данной концентрации достигается наиболее оптимальный гранулометрический состав полидисперсного порошка, обеспечивающий наилучшую плотность для данного материала. Мелкие частицы карбида титана заполняют пустоты между крупными частицами быстрорежущей стали, и их суммарный объем соответствует объему этих пустот.
Плотность после утряски зависит от тех же свойств порошка, что и насыпная плотность. Характер роста плотности после утряски с увеличением содержания в шихте стали аналогичен росту насыпной плотности. При приложении механических виброколебаний к сосуду, заполненному порошком, частицы порошка, перераспределяясь друг относительно друга, располагаются существенно более компактно, поэтому значение плотности после утряски по сравнению с насыпной плотностью увеличилось приблизительно в два раза.
Результаты исследований по определению плотности порошков системы Т1С-Р6М5 представлены в табл. 3.
Таблица 3
Свойства порошков карбидостали системы Т1С-Р6М5 в зависимости от содержания в исходной шихте стали Р6М5 и технологии получения
Свойства порошков Содержание стали Р6М5 в исходной шихте,%
20 30 40 50 60 70 80
ВМС композиции Р6М5+Т1+С технология I)
Истинная (пикнометрическая) плотность , г/см3 4,3 4,98 5,52 5,76 5,68 6,13 -
Насыпная плотность, г/см 1,65 1,75 2,17 2,31 2,41 2,59 -
Плотность после утряски, г/см 3,32 3,46 3,74 3,71 3,73 3,89 -
Композиции, полученные смешиванием компонентов, прошедших механоактивацию (технология II)
Истинная (пикнометрическая) плотность, г/см3 3,81 4,43 4,99 5,44 5,7 5,73 5,6
Насыпная плотность, г/см 1,42 1,45 1,51 1,40 1,62 1,74 1,91
Плотность после утряски, г/см 3,21 3,19 3,05 3,32 3,40 3,50 3,69
Прессуемость и уплотняемость порошков оценивают по плотности и пористости прессовок. Хорошая прессуемость облегчает и удешевляет процесс формования порошка.
Для определения оптимальных режимов формования изделий и установления закономерностей влияния давления прессования на качество прессовок были исследованы образцы № 8-14.
На рис. 4 приведены полученные результаты для образцов № 10, № 12 и № 14, как наиболее полно отражающие поведение порошков при изменении давления. Установлено, что во всех композициях наиболее интенсивное увеличение плотности прессовок происходит в интервале давле-
ний от 100 до 140 МПа (рис. 4, а). При дальнейшем увеличении усилия прессования плотность образцов изменяется незначительно.
Вместе с тем увеличение давления прессования приводит к уменьшению пористости прессовок (рис. 4,6), что не всегда благоприятно сказывается на качестве готовых изделий. Для нормального формирования структуры карбидостали в процессе спекания высокая плотность, достигаемая прессованием, может оказаться нежелательной. Объясняется это тем, что с увеличением контактной поверхности между частицами ТЮ и стали при температуре эвтектического взаимодействия образуется слишком много жидкой фазы, неудовлетворительно смачивающей карбид титана (0 > 45°). Жидкий расплав, неравномерно растекаясь по микрополостям и не затекая в капилляры, может выпотевать на поверхность или вызывать разбухание образцов. Поэтому прессование смеси порошков обычно проводят при давлениях 50-100 МПа до относительной плотности 45-50%.
а) 6)
Рис. 4. Зависимости плотности (а) и пористости (б) прессовок от давления прессования.
Внешний осмотр образцов, содержащих 60% Р6М5, после прессования при давлениях свыше Р = 140 МПа выявил наличие поперечных «расслойных» трещин. Причиной их возникновения могли послужить внутренние напряжения, возникшие из-за малой пластичности смеси вследствие присутствия в ней большого количества непластичных частиц карбида титана и их высокая дисперсность.
Из хода кривых (рис. 4) видно, что наибольшее влияние на плотность и пористость прессовок оказывает все-таки не давление прессования, а химический состав порошков и технология их получения.
Зависимости плотности и пористости прессовок от состава материала и метода получения приведены на рис. 5. Уплотнение смеси производили при давлении Р = 100 МПа.
обраэиы№1-6 —» образ1_=1 № 8-14
а) б)
Рис. 5. Зависимости плотности (а) и пористости (б) прессовок от содержания в исходной шихте стали Р6М5 и технологии получения порошков: образцы № 1-6 получены ВМС композиции Р6М5+^+С; образцы № 8-14 - смешиванием компонентов Р6М5+ТЮ, прошедших механоактивацию.
Графики показывают, что при одинаковом давлении наибольшую плотность имеют прессовки, изготовленные из смеси синтезированного карбида титана и 80% измельченной стружки Р6М5 (образец № 14). Это объясняется наиболее благоприятной (в смысле уплотняемости) формой и наилучшим набором зерен в данной композиции, а также большим количеством пластичной стальной связки. Так, в работе [4] путем компьютерного моделирования укладки частиц полидисперсной смеси было установлено, что при размере частиц твердой составляющей шихты порядка 2 мкм средний размер частиц металлической составляющей должен быть порядка 20 мкм.
Порошки системы Р6М5-^-С, полученные механохимическим синтезом (образцы № 1-6), обладают меньшей плотностью и, соответственно, большей пористостью при всех концентрациях быстрорежущей стали. Это происходит вследствие большей дисперсности и специфической формы частиц порошков, полученных по данной технологии, главным образом в результате изменений фазового состава, увеличения твердости и снижения пластичности зерен полученных компонентов, под влиянием физико-химических процессов, сопровождающих высокотемпературный механохимический синтез данных композиций [11, 13].
Заключение
Механохимический синтез является разновидностью механического измельчения, когда в процессе дробления происходит взаимодействие между исходными компонентами с получением измельченного материала нового состава. Использование данной технологии на разных этапах производства карбидосталей позволяет сократить цикл технологического процесса изготовления изделий и получить порошковые композиции с особыми физическими и технологическими свойствами.
Определение свойств порошковых композиций необходимо для проектирования рационального технологического процесса изготовления деталей и конструирования оснастки, особенно в условиях автоматизированного производства. От технологических свойств порошка зависят
производительность прессов, размеры транспортирующих и запасных емкостей для порошка. По величине насыпной плотности судят о пригодности порошков для шликерного литья и для спекания свободно насыпанных порошков. Физические свойства порошковых материалов, в свою очередь, оказывают большое влияние на технологические свойства порошковых смесей. По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
1. Уменьшение содержания стружки быстрорежущей стали в шихте приводит к увеличению дисперсности порошка карбидостали после прохождения синтеза (композиции № 1-7).
2. Порошки карбидосталей, полученных механохимическим синтезом, при всех соотношениях компонентов имеют большие значения удельной поверхности, насыпной и пикнометриче-ской плотности, чем композиции, полученные смешиванием исходных компонентов, предварительно прошедших механическую активацию.
3. Оптимальным гранулометрическим составом, обеспечивающим максимальную насыпную плотность, обладает композиция № 6, полученная механохимическим синтезом и имеющая следующий состав исходных компонентов: 70% Р6М5 + 24% Ti+ 6% C.
4. Методы изготовления порошковой композиции для карбидостали и ее химический состав влияют на плотность и пористость прессовок. Образцы, изготовленные из композиции P6M5-TiC, полученной механохимическим синтезом, обладают меньшей плотностью, соответственно, большей пористостью при всех содержаниях быстрорежущей стали.
5. Порошкообразные смеси, имеющие в своем составе более 50% измельченной стружки Р6М5, хорошо прессуются при давлениях 100-140 МПа без введения пластификатора. Это позволяет избавиться от трудоемких операций введения в порошок пластификатора, гранулирования и сушки полученной смеси.
6. Форма частиц существенно влияет на технологические свойства порошка и через них -на плотность, прочность и однородность свойств прессовок. Наличие в композициях № 8-14 частиц порошка стружки стали Р6М5 пластинчатой формы с хорошо развитой поверхностью приводит к улучшению уплотняемости и прессуемости порошков.
7. Оптимальное давление прессования составляет Р =100 МПа, что позволяет получать формованные заготовки пористостью 28-40%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1573612. Вибрационная мельница / А.А. Попович, В.П. Рева, В.Г. Чернышев, О.А. Белоус, Ю.Н. Горчаков, В.Н. Василенко (СССР); заявл. 23.06.1988, зарег. 22.02.1990.
2. Василенко В.Н. Высокотемпературный механохимический синтез тугоплавких соединений: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 1993. 16 с.
3. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 144 с.
4. Дмитренко Д.В. Технология получения карбидостали горячей штамповкой пористых заготовок, полученных ударным прессованием, на основе неформующихся порошков // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 101(07). С. 1-17.
5. Емельянов И.П., Воробьев Е.А. Технологический процесс получения и практическое применение порошков из отходов быстрорежущих сталей // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: материалы 5-й Междунар. науч.-инновац. конф. Тамбов: Тамбовский ГТУ, 2013. С. 101.
6. Кипарисов С.С., Нарва В.К., Колупаева С.Я. Влияние состава карбида титана на свойства материалов карбид титана-сталь // Порошковая металлургия. 1975. № 7. С. 41-44.
7. Латыпов Р.А., Воробьев Е.А., Агеев Е.В., Агеева Е.В. Состав и свойства порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали в керосине: монография. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2014. 108 с.
8. Нарва В.К. Карбидостали - новое поколение твердых сплавов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2001. № 6. С. 46-52.
9. Орданьян С.С., Пантелеев И.Б., Румянцев В.И., Чумакова Н.Н. Инструментальные материалы в системе «быстрорежущая сталь-карбид титана». Ч. 1. Взаимодействие компонентов при спекании // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 2. С. 16-23.
10. Пломодьяло Р.Л. Получение износостойкой порошковой карбидостали на основе быстрорежущей стали и карбида титана методом горячей штамповки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Краснодар: Куб! ТУ, 2008. 25 с.
11. Попович А.А. Формирование фазового состава тугоплавких соединений при механическом синтезе // Известия вузов. Черная металлургия. 1992. №. 5. C. 58-60.
12. Рева В.П., Моисеенко Д.В. Механохимическая технология переработки отходов металлообработки быстрорежущей стали // Вестник машиностроения. 2013. № 2. С. 51-56.
13. Ружицкая Е.В. Исследование процессов механохимического синтеза сплава системы Ti-C-P6M5 // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2012. № 4 (13). С. 42-49.
URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/archive/2012/4/6/ (дата обращения: 01.11.2015).
14. Яблокова О.В. Исследование влияния структурно-неустойчивой связки на свойства карбидостали // Перспективные материалы. 1997. № 5. С. 65-69.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Powder Metallurgy and Composite Materials
Ruzhitskaya E., Arestov O., Khachatryan S.
ELENA V. RUZHITSKAYA, Associate Professor, Department of Technologies Industrial Production, e-mail: [email protected]
OLEG V. ARESTOV, Associate Professor, Department of Materials Science and Materials Technology, e-mail: [email protected]
SERGEY A. KHACHATRYAN, Student, e-mail: [email protected] School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
Physical and technological properties of powder carbide steel of the TiC-R6M5 system obtained by mechanochemical synthesis
The article presents the results of studies on determining the physical and technological properties of the powder compositions of the TiC-P6M5 system required to design production tools for the industrial production of carbide steel. The factors affecting the properties of the powders obtained by high-temperature mechanochemical synthesis from the waste of tool production have been studied in it. Determined are the dependences of the changes of technological properties of carbide steel powders on the process of their being obtained and the components ratio in the initial furnace charge. Presented are the recommended modes of obtaining powders and pressing the material of a preset porosity.
Key words: powder metallurgy, mechanochemical synthesis, carbide steel, titanium carbide, high-speed steel, physical properties, technological properties.
REFERENCES
1. Ampere-second. 1573612. Vibration Mill. Popovich A.A, Reva V.P., Chernyshev V.G., Belous O.A., Gorchakov Ju.N., Vasilenko V.N. (USSR), declared 23.06.1988, registered 22.02.1990. (in Russ.). [A.S. 1573612. Vibracion-naja mel'nica / Popovich A.A., Reva V.P., Chernyshev V.G., Belous O.A., Gorchakov Ju.N., Vasilenko V.N. (SSSR); zajavleno 23.06.1988, zaregistrirovano 22.02.1990].
2. Vasilenko V.N. High-temperature mechanochemical synthesis of refractory connections: Abstract of the thesis of Candidate of Technical Sciences. Perm, 1993, 16 p. (in Russ.). [Vasilenko V.N. Vysokotemperaturnyj mehano-himicheskij sintez tugoplavkih soedinenij: avtoref. dis. ...kand. tehn. nauk. Perm', 1993. 16 s.].
3. Gurevich Ju.G., Narva V.K., Frage N.R. Carbide steel. M., Metallurgy, 1988, 144 p. (in Russ.). [Gurevich Ju.G., Narva V.K., Frage N.R. Karbidostali. M.: Metallurgija, 1988. 144 s.].
4. Dmitrenko D.V. The technology of obtaining carbide steel with hot punching porous billets produced by shock compaction, based on no form powders. Scientific magazine of KUBGAU. 2014;101:1-17. (in Russ.). [Dmitrenko D.V. Tehnologija poluchenija karbidostali goijachej shtampovkoj poristyh zagotovok, poluchennyh udarnym pressovaniem, na osnove neformujushhihsja poroshkov // Nauchnyj zhurnal KubGAU. 2014. № 101(07). S. 1-17].
5. Yemelyanov I.P., Vorobyov E.A. Technological process of obtaining and practical application of the waste powder high-speed steels. Proceedings of the 5th international scientific and innovative conference. Tambov, 2013, p. 101. (in Russ.). [Emel'janov I.P., Vorob'ev E.A. Tehnologicheskij process poluchenija i prakticheskoe primenenie poroshkov iz othodov bystrorezhushhih stalej // Sovremennye tverdofaznye tehnologii: teorija, praktika i inno-vacionnyj menedzhment: mater. 5-j mezhdunar. nauch.-innovac. konf. Tambov: Tambovskij GTU, 2013, S. 101].
6. Kiparisov S.S., Narva V.K., Kolupaeva S.Ja. Influence of composition of carbide of the titan on properties of materials carbide of the titan-steel. Powder metallurgy. 1975;7: 41-44. (in Russ.). [Kiparisov S.S., Narva V.K., Kolupaeva S.Ja. Vlijanie sostava karbida titana na svojstva materialov karbid titana - stal'. Poroshkovaja metallurgija. 1975. № 7. S. 41-44].
7. Latypov R.A., Vorobyov E.A., Ageev E.V., Ageeva E.V. Structure and properties of the powders received by electroerosive dispergating of waste of quick cutting steel in kerosene, monograph. Kursk, South Zap. State. Univ., 2014, 108 p. (in Russ.). [Latypov R.A., Vorob'ev E.A., Ageev E.V., Ageeva E.V. Sostav i svojstva poroshkov,
poluchennyh jelektrojerozionnym dispergirovaniem othodov bystrorezhushhej stali v kerosine: monografija. Kursk: Jugo-Zap. Gos. Un-t, 2014. 108 s.].
8. Narva V.K. Carbide steel - new generation of firm alloys. News of higher education institutions. Nonferrous metallurgy. 2001;6:46-52. (in Russ.). [Narva V.K. Karbidostali - novoe pokolenie tverdyh splavov // Izvestija vuzov. Cvetnaja metallurgija. 2001. № 6. S. 46-52].
9. Ordanyan S.S., Panteleev I.B., Rumyantsev V.I., Chumakova N.N. Tooling materials in the System of "High speed steel-titanium carbide". Part 1. Interaction of components during sintering. Universities Proceedings. Powder metallurgy and functional coatings. 2014;2:16-23. (in Russ.). [Ordanyan S.S., Panteleev I.B., Rumyantsev V.I., Chumakova N.N. Instrumental'nye materialy v sisteme «bystrorezhushhaja stal'-karbid titana». // Izvestija vuzov. Poroshkovaja metallurgija i funkcional'nye pokrytija. 2014. № 2. S. 16-23].
10. Plomodyalo R.L. Receiving a wearproof powder carbide steel on the basis of quick cutting steel and carbide of the titan by method of hot stamping: ref. Krasnodar, KubGTU, 2008, 25 p. (in Russ.). [Plomod'jalo R.L. Poluchenie iznosostojkoj poroshkovoj karbidostali na osnove bystrorezhushhej stali i karbida titana metodom gorjachej shtam-povki: Avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. Krasnodar: KubGTU, 2008. 25 s.].
11. Popovich A.A Formation of phase structure of refractory connections at mechanical synthesis. News of higher education institutions. Ferrous Metallurgy. 1992;5:58-60. (in Russ.). [Popovich A.A. Formirovanie fazovogo sostava tugoplavkih soedinenij pri mehanicheskom sinteze // Izvestija vuzov. Chernaja metallurgija. 1992. № 5. C. 58-60].
12. Reva V.P., Moiseenko D.V. Mechanochemical technology of processing of waste of metal working of quick cutting steel. Messenger of mechanical engineering. 2013;2:51-56. (in Russ.). [Reva V.P., Moiseenko D.V. Meha-nohimicheskaja tehnologija pererabotki othodov metalloobrabotki bystrorezhushhej stali // Vestnik mashinostroeni-ja. 2013. № 2. S. 51-56].
13. Ruzhitskaya E.V. Research of processes of mechanochemical synthesis of an alloy of Ti-C-R6M5 system. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2012;4:42-49. (in Russ.). [Ruzhickaja E.V. Issledovanie processov mehanohimich-eskogo sinteza splava sistemy Ti-C-R6M5 // Vestnik Inzhenernoj shkoly DVFU. 2012. № 4(13). S. 42-49].
14. Yablokova O.V. Research of influence of a structural and unstable sheaf on properties of a carbide steel. Perspective materials. 1997;5:65-69. (in Russ.). [Jablokova O.V. Issledovanie vlijanija strukturno-neustojchivoj svjazki na svojstva karbidostali // Perspektivnye materialy. 1997. № 5. S. 65-69].
