CC BY
15
УДК 669.295: 621.762
О. М. Шаповалова, Е. П. Бабенко
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ В ИЗГОТОВЛЕНИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА
В работе представлены данные изучения технологических свойств, микроструктуры прессованных и спеченных конструкционных изделий из титановых порошков электролитического способа производства, предложены рекомендации по их использованию.
Современное машиностроение предусматривает развитие ресурсосберегающих технологий в получении конструкционных изделий из порошков. Порошковая металлургия дает возможность экономить металлы и существенно уменьшать себестоимость продукции [1], благодаря исключению такой операции, как плавка. Изделия из порошков, по сравнению с компактными литыми изделиями, имеют пористость. В отдельных случаях в спеченных деталях необходимо сохранение пористости и неполного контакта между частицами. Из этих же порошков возможно изготовление беспористых спеченных материалов с высокой плотностью и полнотой контакта, не уступающих литым, например, для титановых корпусов подшипников реактивных двигателей, втулок, фланцев и др.
В литературе [1-3] отсутствуют данные по влиянию способа производства порошка, содержанию примесей в них, структуры на свойства конструкционных спеченных изделий из титановых порошков. Вместе с тем, эти данные представляют как научный, так и практический интерес [4-5].
Выбор титанового порошка, пригодного для изготовления деталей специального назначения, является весьма ответственной и актуальной задачей. Ее решение требует систематических сравнительных исследований материалов и продукции по всей технологической цепочке производства: от исходного сырья до готового изделия, где каждая промежуточная операция (способ изготовления порошка, прессование, спекание) оказывает существенное влияние на структуру и свойства готового изделия.
Целью настоящей работы является установление зависимости свойств и структуры готовых конструкционных изделий от состава и структуры порошков электролитического способа производства как способа, получившего промышленное применение.
Нашими исследованиями [6-7] показано, что титановые порошки, полученные разными методами, неоднородны по химическому, гранулометрическому, фазовому составу. Из анализа приведен-
ных на рис. 1 гистограмм следует, что рафинированные порошки электролитического способа производства наиболее чистые по примесям, в них в 7 раз меньше газовых примесей по сравнению с порошками магниетермического способа производства (рис. 1, а), но размер их частиц соответственно в 11 раз больше (рис. 1, б). Такое различие по содержанию примесей и фракционному составу в дальнейшем будет оказывать влияние на структуру, фазовый состав порошков, а в последствии, и на свойства спеченных изделий из них.
& й 13 §
8 Э О о а
л -
й- я
1,2
0,8 0,6 0,4 0,2
п/ч и э/л т/г н/т м/т
Юбщ.сод. □ Газ. примеси □ Мет. примеси
я к
н
£ у
а
1,5 -
1 -
0,5 -
п/ч
э/л б
н/т
Рис. 1. Изменение содержания примесей (а) и гранулометрического состава (б) титановых порошков в зависимости от способа производства:
и - иодидный, п/ч - электролитическое рафинирование порошков повышенной чистоты, э/л - электролитический, т/г - отсевы титановой губки, н/т - натриетермический, м/т - магниетермический
© О. М. Шаповалова, Е. П. Бабенко, 2007
0
а
2
0
- 16Ц-
Эти характеристики порошков влияют на основной показатель качества титановых порошков -твердость или микротвердость.
Для исследования взяты порошки электролитического способа производства, имеющие среднее содержание примесей (рис. 1, а) и среднюю твердость (рис. 2), а также получившие промышленное применение.
2600 П
2200-' 1800-
о
«
Л и
И
Н
1400" 1000\ 600
■к-Д-Л-г
и п/ч т/г э/л н/т м/т Способ производства порошка
Рис. 2. Влияние способа производства на твердость титанового порошка
Установлено, что и внутри способа производства твердость и микротвердость порошков зависят от химического состава и, особенно, от содержания газовых примесей. С ростом содержания примесей в порошках растет его твердость, изменяется плотность, пористость, структура и фазовый состав их. Доказано, что во всех электролитических титановых порошках промышленного производства 0,01 % кислорода повышает твердость на 525 МПа.
2000
500
0,05 0,1 0,15 Содержание О, %
0,2
Рис. 3. Изменение твердости электролитических титановых порошков от содержания кислорода
В процессе исследований установлено, что увеличение содержания одних примесей - азота, кислорода обусловливало понижение других - водорода и хлора, и наоборот. Это связано с тем, что и азот, и кислород размещаются в одних и тех же октаэдрических порах кристаллической решетки
титана. Степень их воздействия на кристаллическую решетку зависит от разницы размеров атомов внедрения и поры. Однако величина искажения кристаллической решетки титана в дальнейшем по-разному влияет на технологические и механические свойства готовых изделий.
Увеличение количества примесей изменяло структуру частиц в пределах одного способа производства (рис. 4). Причем, частицы порошков с низкой твердостью (рис. 4, а) и малым количеством примесей имели структуру, близкую к компактному титану, и состояла она из крупных полиэдров с двойниками, растущими через все зерно. Частицы с высокой твердостью (рис. 4, б) были менее компактны, разветвлены, имели открытые и закрытые поры.
Как видно, основные технологические параметры при изготовлении компактных изделий из титановых порошков зависели от структуры частиц, способа производства и степени загрязненности. Поэтому, в зависимости от назначений и предъявляемых требований к готовым изделиям, полученным методом прессования, выбор вида порошка по способу производства и степени загрязненности, его структура, форма, гранулометрический и фазовый составы должны программироваться.
По результатам проведенных исследований химического, гранулометрического и фазового составов, а также микроструктуры частиц титановых порошков и для изготовления конструкционных деталей был использован метод прессования и спекания.
Рис. 4. Микроструктура частиц электролитического титанового порошка разной твердости:
а - НВ - 1000 МПа; б - НВ - 2390 МПа
Прессование титановых порошков проводили на прессе ПГ-250 при постоянном давлении 8 МПа без дополнительного применения смазки. При этом установлено:
- насыпная плотность титановых порошков зависела от степени загрязнения порошка примесями. Она увеличивалась с понижением степени загрязненности;
0
- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 1/т007 - 161 -
- плотность прессованных заготовок зависела от формы, разветвленности и размеров частиц порошка (рис. 5).
Рис. 5. Микроструктура прессованного образца из электролитического титанового порошка промышленного производства, х 300
Поскольку прессуемость обусловлена несколькими факторам: гранулометрическим составом, формой и степенью разветвленности частиц, их прочностью и пластичностью, - то связь между свойствами и прессуемостью была неоднозначной.
В микроструктуре прессованных заготовок из электролитических промышленных титановых порошков определены средние размеры зерен г = 0,20,4 мм. Поскольку порошки имели разную твердость и количество примесей, то при холодной деформации припасовка кристаллов происходила неодинаково. Там, где больше примесей - труднее, образовывались крупные поры по границам зерен. Кроме того, внутри зерен оставались мелкие округлые поры. С увеличением твердости порошка двойники, линии скольжения приобретали разную кристаллографическую ориентировку.
Образцы спекали в условиях вакуума с Рост = 136 Па по режиму: начало спекания - 890 °С, нагрев до 1250 °С с равномерной скоростью 0,025 град/с. Время полного цикла - 4 ч. В интервале температур 920......1250 °С выявлена наибольшая усадка образцов. При 1250 °С начинали активно развиваться процессы рекристаллизации.
Результаты механических испытаний образцов, спеченных из титановых порошков по указанным режимам, представлены в табл. 1.
Как видно, с ростом твердости исходного порошка прочностные характеристики готовых изделий повышались, а пластические характеристики, наоборот, понижались.
Спеченные образцы из электролитических промышленных порошков имели полиэдрическую структуру а-фазы с единичными выделениями гидридов у-титана (рис. 6, а). Вдоль границ зерен возникало множество линий скольжения и двойнико-вания, смешанных с гидридами титана. Поры располагались во всем объеме металла и имели округлую форму. На поверхности образцов можно обнаружить винтовые дислокации, миграцию границ зерен, что свидетельствовало о дислокацион-
Таблица 1 - Механические свойства деталей, спеченных из титановых порошков электролитического способа производства
Свойства Механические свойства
Проба порошков деталей
НВ, Р, о, НВ, 8,
МПа кг/м3 МПа МПа % %
1 1000 4270 329 595 10,4 14,2
2 1080 4250 348 608 9,8 14,3
3 1230 4210 354 615 9,0 13,9
4 1350 4170 380 639 9,0 13,0
5 1540 4140 484 648 7,7 13,2
6 1700 4130 512 655 4,0 13,0
ном механизме процессов диффузии при спекании (рис. 6, б).
б
Рис. 6. Микроструктура спеченного изделия из титанового порошка электролитического способа производства:
а - в сечении; б - на поверхности
Структура деталей, спеченных из электролитических титановых порошков промышленного производства, была полиэдрической. Средний размер зерен составлял 0,07 мм. Микропористость ниже, но более высокое содержание кислорода способствовало повышению микротвердости твердого раствора, торможению дислокаций на примесях, что видно из направленности в разные стороны групп следов скольжения и двойникования. Заметное увеличение пористости, размеров зерен и появление пластичности происходило при повышении степени загрязненности электролитических титановых порошков.
Таким образом, проведены последовательные, разносторонние исследования вдоль всей технологической цепочки (от способа производства до готового изделия). Изучены зависимости химического состава от способа производства и его влияние на пористость, плотность, микроструктуру порошков, прессуемость и спекаемость изделий. Доказано, что можно использовать электролитические титановые порошки для изготовления конструкционных изделий специального назначения. Для сочетания высокой прочности с пластичностью, необходимо учитывать содержание газовых примесей в порошке и фракционный состав его.
Перечень ссылок
1. Анциферов В.Н, Спеченные сплавы на основе титана / В.Н. Анциферов, В.С. Устинов, Ю.Г. Олесов. - М.: Металлургия, 1984. - 168 с.
2. Глазунов С.Г. Порошковая металлургия титановых сплавов / С.Г. Глазунов, К.М. Борзецов-ская. - М.: Металлургия, 1989. - 136 с.
3. Колачев Б.А. Механические свойства титана и
его сплавов / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, А.А. Буханова. - М: Металлургиздат, 1974. - 543 с.
4. Бабенко О. Склад, структура i властивосл ти-танових порошш рiзних способiв виробницт-ва / О. Бабенко, О. Шаповалов // Вюник Ака-демп митно'Г служби Укра'ни. - Д., 2004. - № 4 (24). - С. 65-77.
5. Шаповалова О.М. Система исследования порошковых материалов / О.М. Шаповалова, Е.П. Бабенко // Проблемы современного материаловедения. - Д., 2001. - С. 33-34.
6. Шаповалова О.М. Поглощение газовых примесей при производстве титановых порошков / О.М. Шаповалова, Е.П. Бабенко // Вюник ДНУ. -Д., 2003. - С. 23-26.
7. Шаповалова О. Дослщження структурних особ-ливостей композицмних виробiв з титанових порошюв / О. Шаповалова, О. Бабенко // Вюник Академп митно''' служби Укра'ни. - Д., 2005. -№ 1 (25). - С. 76-86.
Поступила в редакцию 12.03.2007
ypo6omi npedcmaBneHi daHi BUB^eHHH mexHonoai^Hux BnacmuBOcmeu, MiKpocmpyKmypu npecoBaHux ma cneveHux KOHcmpyKuiuHux Bupo6iB 3 mumaH0Bux nopouiKiB enemponumu^HO-ao 3aco6y Bupo6HuumBa, 3anponoHOBaHi peKOMeHdauii 3 ix BUKopucmaHHK).
Study of technological properties, microstructure of pressed and sintered structural products from titanium powders of electrolytic way of manufacture are submitted. Recommendations for their use are offered.
—0ml 9яшВестникя)вигателестроенияя1 1/mD07
- 163 -
