CC BY
23
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621.762
ГОМОГЕНИЗАЦИЯ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ © 2013 г. Б.Г. Гасанов, Н.Т. Жердицкий, П.В. Сиротин, A.M. Юханаев
Гасанов Бадрудин Гасанович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-6-54. E-mail: gasa-nov_1942@mail.ru
Сиротин Павел Владимирович - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: spv_61@mail.ru
Юханаев Ашур Максимович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Gasanov Badrudin Gasanovitch - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Transport and Traffic Management», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 (8635) 255-6-54. E-mail: gasa-nov_1942@mail.ru
Sirotin Pavel Vladimirovitch - Candidate of Technical Sciences, senior lector, department «Transport and Traffic Management», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: spv_61@mail.ru
Juhanaev Ashur Maksimovic - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Проведен анализ известных выражений для определения времени гомогенизирующего спекания. Предложен и обоснован метод сокращения времени гомогенизирущего спекания за счет обеспечения одновременного растворения частиц порошков поликомпонентной шихты.
Ключевые слова: время гомогенизации; расчетная схема; размер частиц; коэффициент гетеродиффузии; одновременное растворение частиц.
This paper presents analysis of well-known expressions for identifying homogenizing sintering time. The reducing homogenizing sintering time technique by providing simultaneous dissolving of powder particles of the multicomponent charge has been proposed and justified.
Keywords: homogenization; calculation scheme; particle size; heterodiffusion; particle simultaneous dissolving.
Известно [1, 2], что неоднородность химического состава и структуры приводит к снижению износостойкости, вязкости и прочности порошковой стали в условиях ударных нагрузок. Получать материалы с гомогенной структурой можно путем введения легирующих элементов в виде гидридов, галоидных соединений, предварительно легированных порошков или порошковой лигатуры. Однако в практике производства порошковых изделий распространение получил способ поликомпонентного легирования, при котором легирующие добавки вводятся в виде порошков-компонентов и их лигатур. Такой способ отличается простотой, высокой экономической эффективностью и позволяет получать материалы практически любого химического состав.
Спеченные стали и сплавы из поликомпонентной шихты имеют, как правило, низкий уровень механических свойств, что обусловлено высокой гетерогенностью структуры. В связи с этим применяют высокотемпературное продолжительное спекание, которое приводит к растворению добавок, выравниванию химического состава, залечиванию макро- и микродефектов, объемной усадке материала и т.д. Однако такие технологические режимы спекания приводят к
значительному повышению энергетических затрат, снижению долговечности технологического оборудования и, как следствие, повышению стоимости готовых изделий. Поэтому актуальной проблемой является оптимизация режимов гомогенизирующего спекания легированных порошковых сталей из гетерогенных шихт за счет использования технологических приемов, позволяющих снизить температуру и время спекания.
Время гомогенизирующего спекания порошковых материалов зависит от температуры спекания, гранулометрического состава порошков, плотности прессовок, концентрации компонентов и их диффузионной активности [3 - 5]. В случаях получения сплавов заданного химического состава и плотности основными параметрами, влияющими на время гомогенизации, является температура спекания и размеры частиц порошков. Так как температура спекания порошковых изделий ограничивается температурой плавления основного компонента шихты и технологическими возможностями используемого технологического оборудования, то достижение однородности структуры может обеспечиваться измельчением порошков-компонентов.
Как показано в работе Я.Е. Гегузина [5], при прочих равных условиях ^ пористых материалов из гетерогенной смеси можно определить по формуле
L
r
D
(1)
где г - линейные размеры порошинок; Г) - коэффициент взаимной диффузии.
При постоянной концентрации легирующего компонента с уменьшением размеров его частиц уменьшается расстояние между источниками диффузии. В.Н. Анциферов показал, что время установления логарифмически нормального распределения концентрации элементов (т) в низколегированных сталях определяется размерами области, содержащей одну частицу порошка легирующего компонента, или расстоянием между такими частицами (I) [4]:
l2
16D
(2)
( dA + dB ) ( S I
К "-2Г ~ 1J
4л2 DD (cAcB)3
- 3 I -к +
4л2 DB (cl)3
где
S =
(сВ)
(Qq-e. )Q.
(© 2 +QQ+Q2
1 + 1 (1 к )'
(3)
2)'
©2 (Qq -Q. ) QqQ(Q-Qq ) ак =-"-L +~
1 -Q,
1 -Q
q
Г - коэффициент взаимной диффузии; dА и dB - линейный размер частиц порошков компонентов А и В; СА и СВ - их объемная концентрация; - площадь межчастичных контактов; ак - безразмерный коэффициент, зависящий от насыпной плотности шихты, исходной и конечной прессовок; Г)В - парциальный
коэффициент гетеродиффузии легирующего элемента в основной; 0Н - насыпная плотность шихты; ©0, 0 -относительная плотность прессовки и изделия после спекания.
Анализируя выражение (3) и схему растворения частиц порошка в поликомпонентной шихте (рис. 1), можно заключить, что время гомогенизации порошковой стали будет определяться временем диффузии легирующего компонента В по поверхности частицы порошка компонента А (4) и временем растворения их растворения (/,,).
Как видно из зависимостей (1) и (2), для снижения времени гомогенизации спеченных сталей эффективным является измельчение порошков поликомпонентной шихты. Однако из-за высокой трудо- и энергоемкости этой операции, измельчению подвергают только отдельные компоненты. Как правило, для измельчения выбираются те порошки, содержание которых в шихте наименьшее, так как затраты на диспергирование определяются объемом переработанного материала. Поэтому для получения легированных порошковых сталей измельчают легирующие добавки, поскольку их массовое содержания меньше, чем порошка основы.
Как известно [6], имеющаяся в порошковых сплавах остаточная пористость влияет на параметры диффузионного массопереноса при спекании. В соответствии с этим в монографии [3] предложено выражение для определения времени гомогенизации порошкового материала из гетерогенной шихты, учитывающее гранулометрический состав используемых порошков, концентрацию компонентов, пористость прессовок и диффузионную активность элементов:
Рис. 1. Схема диффузионного массопереноса в низко- и среднелегированных порошковых сталях из поликомпонентной шихты
Тогда
tT = ts + tv .
Поскольку интенсивность массопереноса по поверхности частиц, как правило, на несколько порядков выше, чем при растворении по объему [7], то время гомогенизации определяется, в основном, продолжительностью растворения частиц одного компонента в другом (^). Например, для сплава из компонентов А и В время растворения частиц А можно определить по формуле [3]
d 2
(
4nD A
Q2 (Qq -Q.) QqQ(Q-Qq ) 1---+
Л
1 -Q,
1-Q
(4)
В случае гомогенизирующего спекания или отжига сплавов из гетерогенной шихты, т.е. когда частицы разных компонентов имеют непосредственные межчастичные контакты между собой, процесс массопе-реноса можно представить по схеме, приведенной на рис. 2. На рис. 2 а показан пример, когда размеры частиц порошков компонентов примерно одинаковы.
х
2
2
+
2
«-к =
Применение такого соотношения размеров порошков оправдано, если диффузионная активность компонентов А и В равна, т.е. время диффузии атомов компонента А до центра частицы В равно времени диффузии атомов компонента В до центра частицы А.
d 2
4 п Dt
0 2 (0 0 -0 н )+® 0 0 )
1 -0Ж
1 - 0 (
4nD A
1 02(0о-0н) , 0о0(0-00)
1---1--
i -0,0 н
1 -0 0
(5)
dj D 1
Из выражения (6) находим:
dA = dвy|DЦЬД ;
йВ = dAJD~AJD 1
(6)
(7)
(8)
минимальнои выдержкой при гомогенизационном спекании или отжиге изделий.
Интенсивность массопереноса по поверхности частиц на несколько порядков выше, чем при растворении по объему, поэтому выражение использовали для расчета гранулометрического состава шихты средне- и высоколегированных порошковых сплавов. В частности, для получения железоникелевого и желе-зохромистого сплавов использовали формулу (7), принимая диффузионные параметры при t = 1200 °С
из [2]: для системы Fe-Ni - ЬЬ= 7 -10"10 см2/с и
ЬN = 0,5 -10"10 см2/с, Fe-Cr - Ь£ег = 810-9 см2/с, а
ЬСе = 30^10-9 см2/с. Результаты расчетов представлены на рис. 3.
Рис. 2. Схемы расположения частиц в поликомпонентной шихте
Однако диффузионная активность различных элементов, как правило, значительно отличается. Например, если в рассматриваемом примере компонент В будет более активен, то его атомы растворятся в частице А ранее, чем атомы компонента А достигнут центра частицы В. Поэтому в этом примере необходимо увеличивать продолжительность гомогенизирующего спекания до полного растворения частиц. С учетом этого предлагается сократить ^ за счет измельчения частиц более активного компонента до таких размеров, чтобы взаимное растворение частиц прошло одновременно. Тогда, в соответствии с формулой (4), можно записать:
Решая уравнение (5) относительно размеров частиц компонентов и парциальных коэффициентов гете-родиффузии, получим выражение:
Таким образом, в формулах (7) и (8) величина у]ЬВ/ЬА и д/Ьд/ЬВ показывает, во сколько раз
должны отличаться размеры частиц используемых компонентов для их равномерного распределения с
б
Рис. 3. Зависимость размера частиц порошков никеля (а) и хрома (б) от размеров частиц порошка железа
б
а
1
а
Как видно из рис. 3, гранулометрический состав легирующих порошков имеет прямую линейную связь с размерами частиц порошка основного компонента. В железоникелевой шихте порошок железа должен быть более дисперсным, чем порошок никеля: при среднестатистическом размере частиц железа 10 мкм допускается использовать порошок никеля с размером частиц до 60 мкм, а при dFe = 160 мкм - dNl = 590 мкм (рис. 3 а).
В случае получения железохромистых сплавов меньший размер частиц должен иметь порошок легирующей добавки, содержащей хром. В таких сплавах для обеспечения равномерного распределения компонентов целесообразно, чтобы при размерах частиц порошка железа от 10 до 160 мкм использовали фракции легирующих добавок с размерами частиц от 2 до 80 мкм (рис. 3 б).
Для реализации предложенного метода расчета гранулометрического состава порошков в случае получения порошковых сталей необходимо использовать значения парциальных коэффициентов гетеро-диффузии железа и легирующих металлов при различной концентрации графита или углеродной добавки в шихте. Поскольку к настоящему времени такие данные в литературе отсутствуют, то актуальной задачей дальнейших исследований является определение количественных параметров гетеродиффузии в порошковых системах Ге-металл-графит, что позволит проводить расчет гранулометрического состава порошков поликомпонентных шихт и, как следствие, сократить продолжительность спекания порошковых сталей с гомогенной структурой.
Поступила в редакцию
Выводы
1. Установлено, что основными факторами, определяющими время гомогенизации порошковой стали, являются размеры частиц и парциальные коэффициенты гетеродиффузии.
2. Предложен способ выбора гранулометрического состава порошков-компонентов в зависимости от парциальных коэффициентов гетеродиффузии, позволяющий обеспечить растворение частиц компонентов, что дает возможность существенно сократить продолжительность гомогенизирующего спекания.
Литература
1. Радомысельский И.Д., Сердюк Г.Г., Щербань Н.И. Конструкционные порошковые материалы. Киев, 1985. 152 с.
2. Гасанов Б.Г., Сиротин П.В. Порошковые материалы для деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания // Металлург. 2011. № 3. С. 61 - 63.
3. Гасанов Б.Г. Взаимная диффузия и гомогенизации в порошковых сплавах: монография / Юж.-Рос. гос. техн. ун.-т. Новочеркасск, 2002. 113 с.
4. Анциферов В.Н., Пещеренко С.Н., Курилов П.Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых материалах. М., 1988. 152 с.
5. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М., 1984. 312 с.
6. Анциферов В.Н., Еремина Е.Ю., Пещеренко С.Н. Влияние пористости на взаимную диффузию в порошковых материалах // Порошковая металлургия. 1987. № 4. С. 42 - 45.
7. Ефимов А.Д. Разработка технологии производства порошковых биметаллических материалов с износостойким рабочим слоем: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2010.
5 декабря 2012 г.
