CC BY
3
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ, МЕТАЛЛУРГИЯ
CHEMICAL TECHNOLOGIES, SCIENCES ABOUT MATERIALS, METALLURGY _
Научная статья
УДК 621.762.4:621.891.620
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-52-62
Кинетика формирования межслойных границ порошковых биметаллических материалов на основе железа и высокохромистых сплавов для узлов уплотнения и трения автотранспортных средств
Б.Г. Гасанов, С.С. Баев
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Установлены закономерности формирования структуры и свойств биметаллического материала из порошка железа и высокохромистых порошков сталей и ферросплавов, полученных распылением расплавов. Выявлены кинетические особенности взаимной диффузии компонентов на межслойных границах при спекании цельнопрессованных порошковых биметаллических прессовок. Обоснована целесообразность ме-ханоактивации распыленных порошков высокохромистых сталей с добавками в шихту порошков пластичных металлов никеля и меди для улучшения формуемости, повышения плотности и микротвердости материала рабочего слоя цельнопрессованных биметаллических изделий. Оценено влияние способа активации порошков, состав шихты, сродство компонентов, режим и условия спекания на диффузионные процессы на межс-лойных границах.
Ключевые слова: биметаллические материалы, взаимная диффузия, структурообразование, механические свойства, распыленный порошок, железные порошки, высокохромистые стали
Для цитирования: Гасанов Б.Г., Баев С.С. Кинетика формирования межслойных границ порошковых биметаллических материалов на основе железа и высокохромистых сплавов для узлов уплотнения и трения автотранспортных средств // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 1. С. 52-62. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-52-62.
Original article
Kinetics of the formation of interlayer boundaries of powder bimetallic materials based on iron and high-chromium alloys for sealing and friction units of vehicles
B.G. Gasanov, S.S. Baev
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The patterns of formation of the structure and properties of bimetallic material from iron powder and high-chromium steel and ferroalloy powders obtained by sputtering melts have been established, and the kinetic features of the mutual diffusion of components at the interlayer boundaries during sintering of solid-pressed bimetallic powder compacts have been identified. The expediency of mechanical activation of atomized powders of high-chromium steels with additions of ductile metal powders of nickel and copper to the charge to improve formability, increase the density and microhardness of the material of the working layer of solid-pressed bimetallic products is substantiated. The influence of the method of activation of powders, the composition of the charge, the affinity of the components, the mode and conditions of sintering on diffusion processes at the interlayer boundaries was assessed.
© ЮРГПУ(НПИ), 2024
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Keywords: bimetallic materials, mutual diffusion, structure formation, mechanical properties, atomized powder, iron powders, high-chromium steels
For citation: Gasanov B.G., Baev S.S. Kinetics of the formation of interlayer boundaries of powder bimetallic materials based on iron and high-chromium alloys for sealing and friction units of vehicles. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(l):52-62. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-l-52-62.
Введение
Кинетические особенности формирования межслойных границ порошковых биметаллических и многослойных материалов, полученных различными методами, опубликованы во многих известных работах [1 - 3]. Практический интерес представляют работы, в которых предложены способы формования заготовок из порошков на основе высоколегированных сталей и показаны варианты повышения механических и эксплуатационных свойств изделий из них [4 - 7]. При разработке технологий изготовления износостойких и жаростойких порошковых и композиционных материалов, подверженных высоким тепловым и механическим нагрузкам, целесообразно применять биметаллические материалы с рабочим слоем на основе сплавов с повышенным содержанием хрома и гетерогенных сплавов, содержащих карбиды, бориды и нитриды переходных металлов [8 - 17].
Несмотря на некоторые успехи и наличие опыта по разработке технологий получения порошковых материалов на основе железа и с рабочим слоем из высокохромистых сплавов, возникают сложности, связанные со структуро-образованием межслойных границ, что приводит к снижению эксплуатационной надежности изделий из них, обусловленных различием технологических, физических и химических свойств порошков компонентов и влиянием их диффузионной активности на кинетику формирования и свойства межслойных границ [15, 16].
Установлено, что на межслойных границах разнородных материалов при различных режимах термического воздействия формируются
различные структурные составляющие, в результате чего образуются переходные области, существенно влияющие на механические свойства биметаллов [17, 18]. Поэтому исследование процесса взаимной диффузии компонентов, протекающего в диффузионной зоне биметаллических и многослойных материалов, позволяет прогнозировать их свойства и оптимизировать параметры технологических процессов, что определяет актуальность данного исследования.
Целью данной работы является повышение свойств биметаллических и многослойных материалов на основе порошков железа и высокохромистых сплавов в результате исследования влияния химического состава шихты и способов введения легирующих добавок на струк-турообразование их межслойных границ.
Материалы и методы исследований
Для исследования структурообразования и свойств в переходной зоне биметалла изготавливались двухслойные цилиндрические образцы с основным (базовым) слоем из порошка железа ПЖРВ 2.200.28 и рабочим слоем из распыленного легированного порошка с высоким содержанием хрома (табл. 1). Для улучшения технологических и эксплуатационных свойств перед мехактивацией в шихту добавляли порошок никеля ПНК-1Л5 и меди ПМС-1. В качестве пластификатора для повышения прессуемости шихты применяли стеарат цинка.
Активацию шихты на основе высоколегированного порошка с указанными добавками проводили в планетарной шаровой мельнице САНД-1 при скорости вращения 180 об/мин в течение 120 мин и соотношении массы шаров к массе шихты 4:1.
Таблица 1 Table 1
Химический состав использованных порошков, %
Материал C Cr Mo Si V W O Fe Mn P S Cu Ni
X23 1,5 23 2,8 0,5 1,8 2,8 0,15 Ост - - - - -
ПЖРВ 2.200.28 0,02 - - 0,05 - - 0,25 Ост 0,15 0,02 0,015 - -
ПМС-1 - - - - - - 0,2 0,018 - 0,05 - Ост -
ПНК-1Л5 0,28 - - - - - - - - - - - 99,7
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Шихту прессовали под давлением от 200 до 800 МПа на гидравлическом прессе Mannesmann Demag Laufer PHML-60, с номинальным усилием 60 т (600 кН) в цилиндрических пресс-формах. Остаточная пористость двух и трехслойных цилиндрических прессовок (рис. 1, а) диаметром 21,8 и высотой 5 мм находилась в пределах 15 - 28 %.
Для испытания на растяжение на разрывной машине УММ-5 согласно ГОСТ 1497-84 изготовлены призматические образцы (рис. 1, б, ГОСТ 18227-98), одну из половин которых получали из порошка железа, а другую - из активированной шихты, содержащей порошки высокохромистой стали с добавками меди и никеля.
Часть цилиндрических и призматических образцов с разной пористостью спекали в среде диссоциированного аммиака (ДА) при температуре 1120 - 1150 °С в течение 1,5 - 3,0 ч, а другую часть заготовок спекали в вакууме (~ 0,133 Па) при температуре 1150 °С в течение 1,5 - 4,0 ч.
Рис. 1. Биметаллические образцы для исследований: а - цилиндрический; б - призматический. Fig. 1. Bimetallic samples for research: a - cylindrical sample in section; б - prismatic sample
Горячую штамповку цилиндрических биметаллических образцов после статистического холодного прессования (СХП) и спекания проводили на копре с массой падающей части 50 - 100 кг. Заготовки нагревали до 1120°С в электропечи в среде диссоциированного аммиака, выдерживали в течение 5 мин, после чего переносили в пресс-форму. Время переноса заготовки от печи к матрице не превышало 1 - 2 с. Работу по уплотнению W варьировали высотой поднятия падающей части копра от 0,38 до 1 м. Режимы динамического горячего прессования (ДГП) выбирали в соответствии с рекомендациями, приведенными в работах [19, 20].
Микроструктурные исследования проводили на металлографическом микроскопе «Altami MET-1M» и растровом электронном микроскопе Quanta 200. Микротвердость измеряли на цифровом микротвердомере #VS-1000 и на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 Г. Рентгено-фазовый анализ осуществляли на рентгеновском порошковом дифрактометре ARL X'TRA Thermo Fisher Scientific с вертикальным гониометром радиусом 260 мм в шаговом режиме с временем интеграции 1 с в диапазоне 29 = 50^900°. Качественный фазовый анализ проводили путём сравнения полученных дифрактограмм с эталонами из базы данных ICDD PDF-2 2012. Концентрации фаз в многофазных образцах определяли без стандартных калибровочных образцов в автоматическом режиме методом корундовых чисел. Характеристики пиков рассчитывали при помощи программного комплекса WinXRD 2.0.8 (модельная функция - Pearson 7, количество итераций - 30).
Микрорентгеноспектральный анализ осуществляли методами электронно-зондовых исследований на растровом электронном микроскопе Tescan VEGA II LMU, оснащенном системой энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450/XT производства фирмы OXFORD Instruments Analytical, обеспечивающем возможность проведения элементного анализа в диапазоне от Na до U.
По полученным результатам рентгено-спектрального анализа строились кривые распределения элементов в межслойных границах биметаллических образцов с использованием программного обеспечения STATISTIKA и Excel.
Результаты исследований и их обсуждение
Установлено, что к факторам, влияющим на качество холоднопрессованных и горя-чештампованных биметаллических заготовок, относятся различие плотности и уплотняемости слоев, которые могут служить причиной вдавливания отдельных приграничных объемов более жесткого материала в более пластичный. Стоит отметить, что аналогичные процессы могут происходить и с отдельными частицами. Наряду с диффузионными процессами это приводит к деградации материала переходного слоя и ухудшению его свойств. Кроме того, может происходить и изменение геометрии переходного слоя с ухудшением его несущей способности.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Введение легирующих добавок в шихту порошков пластичных металлов, таких как никель и медь, способно обеспечивать получение структуры биметаллического материала, сочетающей в себе высокую износостойкость и жаростойкость рабочего слоя, пластичность и достаточную прочность переходного слоя.
высокохромистого порошка зависит от режима и условий спекания (рис. 3). После спекания образцов в ДА при 1120 °С с выдержкой 1,5 ч в разных зонах межслойных границ в зависимости от содержания в шихте порошка никеля и меди микротвердость изменяется в пределах от 2800 до 3200 МПа (рис. 3).
8000 7000 6000 5000 ■ 4000 3000 2000 1000 0
1.1 —
2--: л.1'' Л ,1-
j 3 —■■■^к".
5 (¡"и 1
6
б
Рис. 2. Микроструктура межслойной границы в переходной зоне биметаллического образца из порошков: а - сталь Х23 - ПЖРВ 2.200.28; б - сталь Х 23 + 5 Ni+ 5 Cu - ПЖРВ 2.200.28
Fig. 2. Microstructure of the interlayer boundary in the transition zone of a bimetallic sample made from powders: a - high-chromium steel powder - iron powder; б - high-chromium steel powder + 5 Ni+ 5 Cu - iron powder
Как видно из рис. 2, на межслойной границе биметаллического образца практически не протекает перемешивание порошков каждого слоя, это обеспечивается за счет того, что переходной слой относительно ровный. Микротвердость в переходной зоне спеченных биметаллических образцов исходной пористостью 15 - 25 % с разным химическим составом слоя на основе
-30 -20 -10 0 10 20 30
ПЖРВ X23(+5%Cu5%Ni) мкм
Рис. 3. Влияние химического состава шихты и способа получения на микротвердость в переходной зоне биметаллических материалов «порошок высокохромистой стали - железный порошок»: 1 - Х23(ДА); 2 - X23+5%Cu+5%Ni(ДА); 3 - Х23(Вакуум); 4 - X23+5%Cu+5%№(Вакуум); 5 - Х23(ДГП); 6 - X23+5%Cu+5%Ni(,flm)
Fig. 3. The influence of the chemical composition of the charge and the production method on the microhardness in the transition zone of bimetallic materials «high-chromium steel powder - iron powder» 1 - X23(DA); 2 - X23+5%Cu+5%Ni(DA); 3 - X23(vacuum); 4 - X23+5%Cu+5%Ni(vacuum); 5 - X23(hot stamping); 6 - X23+5%Cu+5%Ni (hot stamping)
Поскольку в процессе спекания в вакууме хром и другие металлы более активно диффундируют в железо, чем при спекании в ДА, микротвердость в переходной зоне слоя на основе высокохромистого порошка плавно снижается с 5000 до 2000 - 2200 МПа (рис. 3). Ширина зоны взаимной диффузии на межслойной границе исследуемых образцов после спекания в ДА и вакууме составляет 15 - 20 мкм (см. рис. 2).
На рис. 4 показано распределение компонентов на одном участке переходной зоны биметаллического образца «порошок высокохромистой стали - железный порошок» после спекания в защитной среде ДА. Участок на межслой-ной границе для картирования был выбран так, чтобы оксидные пленки (имеют темный фон) не влияли на диффузионные процессы.
5
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Исследования показали, что в переходной зоне хром, вольфрам и молибден достаточно интенсивно диффундируются в железо. Концентрация хрома в прислойных границах частиц порошка высокохромистой стали снижается с 23 до 17 % по массе, а вольфрама с 2,28 до 1,60 % (табл. 2).
■
Электронно» изображении 1
Рис. 4. Участок картирования на межслойной границе биметаллического образца железо - сплав Х23, спеченного в ДА
Fig. 4. Mapping area at the interlayer boundary of a bimetallic sample sintered in DA
Таблица 2 Table 2
Содержание компонентов в зоне межслойной границы Content of components in the interlayer boundary area
V, % Cr, % Fe, % Mo, % W, %
2,45 23,04 68,46 2,1 2,28
2,12 16,99 75,17 2,25 1,60
0,24 7,45 89,52 1,09 0,43
0,16 1,77 97,15 0,28 0,32
0,15 0,66 98,44 0,14 0,24
0,23 0,35 99,37 0,10 0,09
0,03 0,05 99,51 0,01 0,01
Выявлено, что медь практически не растворяется в хроме и блокирует диффузию хрома в никель, тогда как железо и хром активно взаимно растворяются, что также активирует диффузию молибдена и вольфрама в железо (рис. 5, б, в).
Нужно отметить, что на фотографиях микроструктуры межслойных границ (см. рис. 4) диффузионная зона имеет более светлый фон. По-видимому, это связано с тем, что хром и молибден более интенсивно растворяется в частицах железа (табл. 2 и рис. 5, а, б). Темный фон на участке картирования соответствует соединениям и включениям с более высокой рентгеновской плотностью, а светлый фон на снимках -зоны, где концентрация указанных элементов близка нулю (рис. 5).
Поскольку никель и медь при спекании взаимно растворяются более активно, чем в частицы порошка железа, то после спекания в среде ДА в том же режиме биметаллических прессовок из порошка высокохромистой стали с добавками по 5 % Си и N1 зона взаимной диффузии хрома и железа на межслойной границе увеличивается почти в два раза, чем при спекании образцов без добавок N1 и Си (см. рис. 2, а, б).
в
Рис. 5. Спектры распределения компонентов на межслойной границе биметаллического образца железо - сплав Х23: а - Cr; б - Mo; в - W Fig. 5. Spectra of the distribution of components at the interlayer boundary of a bimetallic sample of iron - alloy Х23: а - Cn б - Mo; в - W
7
6
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
После спекания биметаллических образцов «порошок высокохромистой стали - железный порошок» в вакууме при 1120 оС в течение 1 ,5 ч межчастичных границ в слое из порошка высокохромистой стали (рис. 6, а) и в зоне межслойных границ (рис. 6, б) практически не остались.
медь при спекании взаимно растворяются, так как образуют неограниченные твердые растворы и в частицы этих растворов диффундиру-ется железо.
* л * - —" V:-
>
■ 2 ' ~ <.
_ifs * J
1 100MKIÏI 1 о-
Рис. 7. Участок картирования на межслойной границе биметаллического образца, спеченного в вакууме Fig. 7. Mapping area at the interlayer boundary of a bimetallic sample sintered in vacuum
Таблица 3 Table 3
Содержание компонентов в зоне межслойной границы Content of components in the interlayer boundary area
Рис. 6. Микроструктура зоны картирования (а, б) и спектры распределения компонентов (в - Cr; г - Mo) на межслойной границе биметаллического образца после спекания в вакууме
Fig. 6. Microstructure of the mapping zone (a, б) and distribution spectra of components (в - Cr; г - Mo) at the in-terlayer boundary of the bimetallic sample after sintering in vacuum
Как видно из спектров картирования (см. рис. 6, б, г), значительная часть хрома и других компонентов (кроме молибдена) растворились в железе. Этим можно объяснить повышение пористости в районе межслойных границ биметаллического материала «порошок высокохромистой стали - железный порошок» (см. рис 6, б).
В случае спекания в вакууме биметаллических прессовок с добавками никеля и меди по 5 % зона взаимной диффузии и концентрация компонентов, содержащихся в слое стали, увеличилась примерно в 1,5 раза, чем при спекании образцов без добавок Ni и Cu (рис. 7). Однако проведенные исследования показали, что медь и никель при повышении времени спекания с 1,5 до 4,5 ч достаточно хорошо растворяются в железе (табл. 3). Это связано с тем, что никель и
Si V Cr Mn Fe Ni Cu Mo W
0,43 3,26 96,31
0,56 0,50 4,50 0,03 90,58 1,68 0,67 0,88 0,60
0,48 0,50 3,63 0,18 93,90 0,32 0,72 0,24 0,02
0,37 0,62 4,26 0,13 93,23 0,15 0,37 0,63 0,21
0,43 0,99 9,64 0,19 78,90 3,74 3,60 2,96 2,56
После горячей штамповки минимальную пористость (1,5 - 1,7 %) имеют образцы из шихты на основе высокохромистого порошка с добавками никеля и меди (рис. 8). Это объясняется тем, что эти металлы и их растворы отличаются хорошей пластичностью и снижают сопротивление горячей деформации формовок.
' 7
' 6
' 5 ,
4 3
Рис. 8. Микроструктура биметаллического горяче-штампованного образца и распределение компонентов на межслойной границе
Fig. 8. Microstructure of bimetallic hot-stamped sample and distribution of components at the interlayer boundary
б
а
в
г
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Таблица 4 Table 4
Содержание компонентов в зоне межслойной границы Content of components in the interlayer boundary area
Si V Cr Mn Fe Ni Cu Mo W
1,45 1,30 13,15 0,27 80,95 0,27 0,03 1,51 1,07
1,43 1,42 14,24 0,21 79,49 0,39 0,05 1,84 0,95
0,45 1,10 1,37 96,60 0,48
100,00
99,99 0,01
100,00
100,00
Проведенные исследования показали, что при кратковременном нагреве заготовок перед горячей штамповкой (ГШ) никель практически не растворился в частицах порошка высокохромистой стали и не диффундировался в слой из порошка железа. Дисперсные включения никеля хорошо различаются на микроструктурах образцов, так как они расположены в межчастичных границах (рис. 8).
В процессе горячей штамповки частично разрушаются оксидные пленки на поверхности частиц порошка высокохромистой стали и
протекает межчастичное сращивание, а на меж-слойных границах формируется более однородная структура, характерная для порошковой высоколегированной хромистой стали (рис. 8). Структура исследуемого материала после горячей штамповки состоит из крупных зерен (частиц) высоколегированной стали, где смесь дисперсных первичных карбидов W, Mo, V и Сг, не растворившихся в аустените при нагреве перед ГШ, имеют светлый фон (рис. 8). Серый цвет на микроструктурах имеет твердый раствор хрома и железа, называемый матрицей. В ней частично растворились Mo, V, № и Си (табл. 4). Между зернами высокохромистой стали располагаются более мелкие (на изображении микроструктуры более темные) включения оксидов легирующих элементов в сплаве.
При нагреве заготовок перед горячей штамповкой никель незначительно растворяется в железе и в зоне межслойной границы не удалось выявить его концентрацию. Несколько интенсивнее растворяются молибден, ванадий и вольфрам, а хром растворился очень мало (рис. 9).
д
50мкт
Рис. 9. Микроструктура зоны картирования (а) и спектры распределения компонентов (б - Cr; в - Cu; г - V; д - Mo; е - Ni; ж - W) на межслойной границе биметаллического образца
Fig. 9. Microstructure of the mapping zone (a) and distribution spectra of components (б - Cr; в - Cu; г - V; д - Mo; е - Ni; ж -W) at the interlayer boundary of the bimetallic sample
е
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Таблица 4 Table 4
Результаты испытаний спеченных биметаллических образцов из исследуемых материалов на растяжение Results of tensile tests of sintered bimetallic samples from the materials under study
Химический состав образцов Режим и среда спекания Ов, МПа Ô, % П, %
Х23/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч в (ДА) 112 - 184 1,6 - 2,6 22 - 25
Х23+5%Си+5%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч в (ДА) 150 - 210 2,6 - 2,9 20 - 22
Х23+15%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч в (ДА) 158 - 220 2,7 - 3,0 19 - 20
Х23/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч (Вакуум) 430 - 601 2,8 - 4,0 21 - 23
Х23+5%Си+5%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч (Вакуум) 780 - 800 4,1 - 4,8 19 - 20
Х23+15%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч (Вакуум) 860 - 900 4,5 - 5,3 17 - 18
Х23+5%Си+5%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч (Вакуум) + ГШПЗ 1150 - 1180 4,8 - 5,5 5 - 8
Х23+15%№/ПЖРВ 1150 °С, 1,5 ч (Вакуум) + ГШПЗ 1610 - 1650 6,7 - 8,0 3 - 5
Для изучения механических свойств исследуемых материалов изготовлены специальные образцы (ГОСТ 18227-98) для испытания на растяжение согласно ГОСТ 1497-84. Исследования показали, что временное сопротивление разрыву у спеченных в защитной среде ДА образцов из сплава с добавками меди и никеля не превышало 150 - 210 МПа, а относительное удлинение составляло 5 = 2,6 - 2,9 %. У образцов, спеченных в вакууме, Ов = 780 - 800 МПа и 5 = 4,1 - 4,8 %. После горячей штамповки соответствующих образцов (без последующей термической обработки), спеченных перед ГШПЗ в вакууме Ов = 1150 - 1180 МПа, а относительное удлинение колебалось в интервале 5 = 4,8 - 5,5 %.
Установлено, что при спекании сплавов в вакууме формируется достаточно однородная структура с равномерным распределением карбидов и упрочненной матрицей. В образцах, спеченных в ДА, структура неоднородная, только частично протекает межчастичное сращивание частиц высокохромистой стали. Поэтому биметаллические образцы, спеченные в ДА, разрушались в основном по материалу высоколегированной стали (рис. 10).
Эксперементальные результаты испытаний образцов на растяжение (табл. 4) наглядно показывают, что для повышения механических свойств переходного слоя биметаллических изделий из распыленных порошков высокохромистой быстрорежущей стали целесообразно применять метод горячей штамповки спеченных в вакууме биметаллических заготовок.
Рис. 10. Характер разрушения спеченных биметаллических образцов
Fig. 10. Character of destruction of sintered bimetallic samples
Заключение
1. Выявлены закономерности формирования межслойных границ и рабочих слоев при спекании цельнопрессованных биметаллических образцов. Полученные результаты указывают на значительное влияние на процесс струк-турообразования и диффузионный массопере-нос на межслойных границах различных параметров, таких как активация порошков, состав шихты, а также режимы и условия спекания. В зависимости от содержания в шихте порошков пластичных металлов, таких как никель и медь, микротвердость переходной зоны изменяется в пределах от 2800 до 3200 МПа.
2. Установлено, что механические свойства спеченных биметаллических образцов с рабочим слоем из распыленных высоколегированных порошков с повышенным содержанием хрома (Cr > 23) значительно зависят от условий спекания. После спекания в вакууме и горячей штамповки предел прочности в переходной зоне и относительное удлинение образца после испытания на растяжение возрастают в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с образцами, спеченными в защитной среде ДА.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
3. Материал может быть рекомендован для использования при изготовлении высоко-нагруженных деталей и узлов, например для выпускных седел и клапанов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые подвергаются высоким тепловым и механическим нагрузкам.
Список источников
1. ГасановБ.Г., ПередерийВ.Г., ЕфимовА.Д., Баев С.С. Влияние режима двухступенчатого спекания на структурообразование и свойства порошковых цельнопрессованных биметаллических материалов на основе железа // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2018. № 2. С. 23-34.
2. ТрыковЮ.П., Шморгун В.Г. Свойства и работоспособность слоистых композитов. Волгоград: Политехник, 1999. 188 с.
3. Маслюк В.А., Напара-Волгина С.Г. Слоистые порошковые износо- и коррозионностойкие материалы инструментального и триботехнического назначения // Порошк. металлургия. 2003. № 3-4. С. 17-25.
4. Гасанов Б.Г., Бабец А.В., Баев С.С. Получение биметаллических колец для седел клапанов ДВС из активированных порошков быстрорежущей стали // Вестн. Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19, № 2. С. 79-89.
5. Свистун Л.И., Павлыго Т.М., Дмитренко Д.В. Технология горячей штамповки порошков карбидо-сталей типа легированная сталь - карбид // Технология металлов. 2009. № 6. С. 30-36.
6. Прюммер Р. Обработка порошкообразных материалов взрывом. М.: Мир, 1990. 124 с.
7. Гасанов Б.Г., Бабец А.В., Баев С.С., Аганов А.А. Исследование структурообразования и свойств материалов из распыленных порошков быстрорежущей стали, полученных горячей штамповкой пористых заготовок // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 12-го Между-нар. симп. (Минск, 7-9 апр. 2021 г.): в 2 ч. / Нац. акад. наук Беларуси. Минск: Беларуская навука, 2021. Ч. 1. С. 149-160.
8. Gomes M.P., Santos I.P., Mucsi C.S., ColosioM.A, Rossi J.L. Study of the mechanical and metallurgical properties of sintered steels for valve seat inserts application // In: Proceedings of the VII Encontro-Científico de Física Aplicada. Serra, ES, Brazil, 2016. Р. 59-61.
9. Гасанов Б.Г., Бабец А.В., Баев С.С. Влияние химического состава на жаростойкость и ударную износостойкость материалов на основе распыленных
порошков высокохромистой стали // Вестн. Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19, № 4. С. 45-55.
10. Gomes M.P., Santos I., Couto C.P., Betini E.G., Reis L.A.M., Mucsi C.S., Colosio M., Rossi J.L. Heat Treatment of Sintered Valve Seat Inserts // Materials Research. 2018. Р. 1-10.
11. Filho Jesus E. S., Jesus E.R. B., Salgado L., Jesus S.L., Colosio M.A., Santos J.C., [et al.] Sintered Valve Seat Inserts - Microstructural Characterization // Materials Science Forum. 2006. P. 65-70.
12. Wentzcovitch A., Ambrozio Filho F., Silva L.C.E., Neves M.D.M. Sintering of AISI M2 high-speed steel with the addition of NbC // Materials Science Forum. 2012. P. 90-95.
13. Kawata H., Hayashi K., Ishii K., Maki K., Ehira A., Toriumi M. The Development of a High-Speed Steel Based Sintered Material for High Performance Exhaust Valve Seat Inserts // SAE Technical Paper in United States. 1998.
14. Kawata H., Maki K. Development of high performance valve seat insert materials for gas engines // Powder Metallurgy Technology. 2011. P. 64 - 65.
15. Dorofeyev Yu.G., Dorofeev V.Yu., BabetsA.V., Bes-sarabovE.N., Romanova O.N., Sviridova A.N. Contact Interaction Peculiarities at the Boundary of Layers of Structural Steel-High-Speed Steel Hot-Forged Powder Bimetal // Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2018. Vol. 59, № 6. P. 643-652.
16. Бессарабов Е.Н., Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Ганшин А.В. Порошковые горячештампованные биметаллы железографит-карбидосталь, технология получения, структура, свойства // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 3. С. 54-58.
17. Гасанов Б.Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых сплавах. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. 113 с.
18. Баев С.С. Исследование структуры и свойств в межслойных границах спеченных биметаллических материалов на основе распыленных порошков высокохромистых сталей // XIX Российская ежегодная конф. молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов»: c6. тр. конф. Москва. 18 октября - 21 октября 2022 г. М.: ИМЕТ РАН. 2022.
19. ДорофеевЮ.Г., Гасанов Б.Г., Дорофеев В.Ю., Мищенко В.Н. Промышленная технология горячего прессования порошковых изделий. М.: Металлургия, 1990. 206 с.
20. Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю. Технологии горячего прессования и деформирования порошковых заготовок // 50 лет порошковой металлургии Беларуси. История, достижения, перспективы. Минск. 2010. Гл. 6. С. 75-111.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
References
1. Gasanov B.G., Perederiy V.G., Efimov A.D., Baev S.S. The influence of two-stage sintering on the structure formation and properties of powdered all-pressed bimetallic materials based on iron. Izv. Universities. Powder metallurgy and functional coverings. 2018;(2):23-34. (In Russ.)
2. Trykov Yu.P., Shmorgun V.G. Properties and performance of layered composites. Ministry of Society. and prof. Education Russia Federation.Volgogr. state tech. univ. Volgograd: Polytechnic. 1999. Pp. 180-187. (In Russ.)
3. Maslyuk V.A., Napara-Volgina S.G. Layered powder wear- and corrosion-resistant materials for instrumental and tribotechnical purposes. Poroshk. metallurgy. 2003;(3-4):17-25. (In Russ.)
4. Gasanov B.G., Babets A.V., Baev S.S. Production of bimetallic rings for internal combustion engine valve seats from activated high-speed steel powders. Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after. G.I. Nosova. 2021;19(2):79-89. (In Russ.)
5. Svistun L.I., Pavlygo T.M., Dmitrenko D.V. Technology of hot stamping of carbide steel powders of alloy steel type - carbide. Technology ofmetals.2009;(6):30-36. (In Russ.)
6. Prummer R. Processing of powdered materials by explosion. Moscow: Mir. 1990. 124 p. (In Russ.)
7. Gasanov B.G., Babets A.V., Baev S.S., Aganov A.A. Study of the structure formation and properties of materials from atomized high-speed steel powders obtained by hot stamping of porous workpieces. Powder metallurgy: surface engineering, new powder composite materials. Welding: Sat. reports of the 12th International symp. (Minsk, April 7-9, 2021): at 2 o'clock / National. acad. Sciences of Belarus. Minsk: Belarusian Science, 2021. Part 1. Pp.149-160. (In Russ.)
8. Gomes M. P., Santos I. P., Mucsi C. S., ColosioM. A, RossiJ. L. Study of the mechanical and metallurgical properties of sintered steels for valve seat inserts application. Proceedings of the VII EncontroCientifico de FisicaAplicada. Serra, ES, Brazil.2016. Pp. 59-61.
9. Gasanov B.G., Babets A.V., Baev S.S. The influence of chemical composition on the heat resistance and impact wear resistance of materials based on atomized high-chromium steel powders. Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after. G.I. Nosova. 2021;19(4):45-55. (In Russ.)
10. Gomes M.P., Santos I., Couto C.P., Betini E.G., Reis L.A.M., Mucsi C.S., Colosio M., Rossi J.L. Heat Treatment of Sintered Valve Seat Inserts. Materials Research. 2018. Pp. 1-10.
11. Filho E.S. Jesus, E.R.B. Jesus, L. Salgado, S.L. Jesus, M.A. Colosio, J.C. Santos et al. Sintered Valve Seat Inserts - Microstructural Characterization. Materials Science Forum. 2006. Pp. 65-70.
12. Wentzcovitch A., Ambrozio Filho F., Silva L.C.E., Neves M.D.M. Sintering of AISI M2 high-speed steel with the addition of NbC. Materials Science Forum. 2012. Pp. 90-95.
13. Kawata H., Hayashi K., Ishii K., Maki K., Ehira A., Toriumi M. The Development of a High-Speed Steel Based Sintered Material for High Performance Exhaust Valve Seat Inserts. SAE TechnicalPaper in United States. 1998.
14. Kawata H., Maki K. Development of high performance valve seat insert materials for gas engines. Powder Metallurgy Technology. 2011. Pp. 64-65.
15. Dorofeyev Yu.G., Dorofeev V.Yu., Babets A.V., Bessarabov E.N., Romanova O.N., Sviridova A.N. Contact Interaction Peculiarities at the Boundary of Layers of Structural Steel-High-Speed Steel Hot-Forged Powder Bimetal. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018;59(6):643 -652. (In Russ.)
16. Bessarabov E.N., Dorofeev Yu.G., Dorofeev V.Yu., Ganshin A.V. Powder hot-stamped iron-graphite-carbide-steel bimetals, production technology, structure, properties. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki= Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences.2014;(3):54-58. (In Russ.)
17. Gasanov B. G. Mutual diffusion and homogenization in powder alloys. Novocherkassk: SRSTU. 2002. 113 p. (In Russ.)
18. Baev S.S. Study of the structure and properties in the interlayer boundaries of sintered bimetallic materials based on atomized powders of high-chromium steels. XIXRussian annual conference of young researchers and graduate students "Physical chemistry and technology of inorganic materials". Moscow. October 18 - October 21, 2022. (In Russ.)
19. Dorofeev Yu.G., Gasanov B.G., Dorofeev V.Yu., Mishchenko V.N. Industrial technology of hot pressing ofpowder products. Moscow: Metallurgy. 1990. 206 p. (In Russ.)
20. Dorofeev Yu.G, Dorofeev V.Yu. Technologies of hot pressing and deformation of powder blanks. 50 years of powder metallurgy in Belarus. History, achievements, prospects. 2010;(6):75-111. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1
Сведения об авторах
Гасанов Бадрудин Гасанович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Международные логистические системы и комплексы», [email protected]
Баев Сергей Сергеевич - канд. техн. наук, кафедра «Международные логистические системы и комплексы», [email protected]
Information about the authors
Badrudin G. Gasanov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «International Logistics Systems and Complexes», [email protected]
Sergey S. Baev - Cand. Sci. (Eng.), Department «International Logistics Systems and Complexes», [email protected]
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 01.12.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 15.12.2023; принята к публикации / accepted for publication 25.12.2023.
