CC BY
28
УДК 621.762.8
В. А. Довыденков, Е. В. Соловьева, О. С. Зверева,
Н. А. Кузина
ОСОБЕННОСТИ ИНФИЛЬТРАЦИИ ЛАТУНЬЮ ПОРИСТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ЗАГОТОВОК
С ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
Ключевые слова: композиции, порошки железа, связующее, восстановленные, инфильтрация, псевдосплав.
Дается описание новой технологии производства стальных деталей конструкционного назначения путем формования смесей порошков железа и его оксидов со связующим, вакуумного восстановления оксидов нанодисперсным продуктом пиролиза связующего при спекании и инфильтрации. Показана эволюция структуры и механических свойств полученных псведосплавов в зависимости от степени инфильтрации. Результаты показывают, что данная технология имеет преимущества как по сравнению с традиционной технологией прессования и спекания, так и по сравнению с МИМ - технологией. Эти преимущества выражаются как в расширении технологических возможностей по получению деталей сложной формы, так и в снижении стоимости изделий.
Keywords: song, iron powder, a binder, restored, an infiltration, a pseudo-alloy.
The description of the new production technology of steel details of constructional appointment by formation of mixes of powders of iron and its oxides with binding, vacuum restoration of oxides a nanodisperse product of pyrolysis binding is given at agglomeration and an infiltration. Evolution of structure and mechanical properties of the received psvedosplav depending on hold time at an infiltration is shown. Results show that this technology has advantages as in comparison with traditional technology of pressing and agglomeration, and in comparison with the MIME -technology. These advantages are expressed as in expansion of technological capabilities on receiving details of a difficult form, and in depreciation ofproducts.
В машиностроении находят применение композиционные материалы на основе железа, полученные инфильтрацией медными сплавами заготовок, изготовленных путем прессования и спекания смесей железных порошков и легирующих элементов (Mo, Ni и других) [1-3]. Развитие этого направления обусловлено новыми возможностями управления составом, структурой и формой изделий, которых не имеется в традиционных технологиях прессования и спекания. Так, например, путем формования отдельных элементов деталей и последующей их инфильтрацией и пайкой в сборе, можно получить изделия очень сложной формы. Поскольку процессы структурообразования во многих случаях протекают в присутствии жидкой фазы, расширяются возможности создания структур с заданными свойствами (триботехническими, виброгасящими, прочностными, декоративными и другими) [3-10].
Следует отметить, что в большинстве публикаций инфильтрации подвергают заготовки, изготовленные из порошков средней дисперсности с размером частиц 50-150 мкм. Также материалы достаточно полно исследованы, теоретически и экспериментально определены параметры технологии и состава для производства изделий широкой номенклатуры с заданными свойствами [2,3,11-13,18,19]. Вместе с тем, по мнению авторов настоящей статьи новые технологические и эксплуатационные свойства изделий могут быть получены, если использовать инфильтруемые заготовки с размером пор в 10 и более раз меньше размеров пор материалов, полученных из порошков средней дисперсности. Такие материалы могут быть получены по технологии, описанной в работе [13], в которых железо присутствует в двух видах:
а) спеченный каркас из порошков средней дисперсности (50-150 мкм);
б) губчатое железо, полученное восстановлением оксидов углеродом - продуктом пиролиза термореактивной смолы - связующего.
При этом губчатое железо расположено в промежутках, между частицами железа средней дисперсности. Инфильтрация таких материалов до сих пор не исследована.
Цель настоящей работы: исследование особенностей процесса инфильтрации материалов, полученных путем формования и спекания композиций из порошков железа, оксида и связующего.
В качестве исходных материалов для получения заготовок использовались:
- порошок железа марки A100S; изготовитель «Hóganas», Швеция
- порошок оксида железа (II, III) окись Electr Oxide 20 (Fe3O4), изготовитель «Hóganas», Швеция;
- смола фенолформальдегидная жидкая, марка СФЖ-301Б.
В качестве материала для инфильтрации выступает латунь Л63 с плотностью р = 8,44г/см3.
Композиции формовались прямым
компрессионным прессованием в бруски размерами 10х10х55 мм. Полученные бруски подвергались термической обработке в три стадии:
- на I-й стадии образцы нагревались без доступа воздуха.
- на II-й стадии образцы нагревались в вакууме.
- на Ш-й стадии образцы спекались в среде эндогаза.
Технология изготовления образцов описана в работе [14].
В соответствии с целью работы в качестве материала пористого каркаса для исследования
особенностей процесса инфильтрации, размерной точности, структуры и физико-механических показателей была принята композиция с фазовым составом, представленным в таблице 1.
Таблица 1 - Фазовый состав пористого каркаса
№ Наименование фазы Массовая доля, % Объемная доля, %
1 Порошок железный, марка A100S ^е) 73,62 52,1
2 Порошок железа (II, III) окись, марка Electr0xide20 ^е304) 20,25 20,9
3 Смола фенолформальдегид ная жидкая, марка СФЖ-031Б + (С17Н35СОО)22п 6,13 27,0
Плотность образцов до инфильтрации составляла 5,23 г/см3. перед инфильтрацией определяли объем открытой пористости методом гидростатического взвешивания и рассчитывали объем инфильтрата.
Структура образца состоит из исходных компонентов состоящая из частиц железа A100S и высокодисперсного губчатого железа - продукта восстановления оксида. Размер частиц 5-30 мкм, размер губчатого железа 3-5 мкм и размер пор 1-5 мкм.
Описание механизма процесса инфильтрации тесно связано с определением структуры образца, информации о размере, форме и распределении частиц по всему объему структуры образца. Для этого проводились исследования микроструктуры образца на зондовом микроскопе. Частицы железа размером ~ 20 мкм и их спекшиеся агломераты. Между частицами - губчатое железо.
Для исследования процесса инфильтрации была проведена серия опытов по инфильтрации заготовок с различным процентным содержанием материала инфильтрата. Процесс инфильтрации проводился при температуре 950оС, в качестве материала инфильтрата использовалась латунь Л63. Количество материала инфильтрата составляло 25, 50, 75 и 100% от общего объема пор в деталях (рис. 1-4).
инфильтрацией 25% пор х200
Микроструктура образца с инфильтрацией 25% пор (рис. 1) состоит из железного каркаса и пор. При этом часть пор заполнена инфильтратом. Характерно, что наблюдается тенденция заполнения инфильтратом более мелких пор. Это может быть объяснено тем, что мелкие поры обладают большей поверхностностью и капиллярные силы в данном случае больше. Существует много пор, в которые инфильтрат не попал совсем. Таким образом, можно предположить, что при инфильтрации в условиях большого недостатка инфильтрата, он распространяется в первую очередь по порам наименьшего диаметра. Для заполнения крупных пор инфильтрата не хватает.
Рис. 2 - Микроструктура образца с инфильтрацией 50 % х200
При пропитке инфильтратом, объемное количество, которого составляет 50% от объема открытых пор (рис.2), на фотографии шлифа видно, что количество заполненных пор увеличивается, появляются полностью заполненные крупные поры, вместе с тем имеется большое количество незаполненных пор.
инфильтрацией 75% х200
На образце с инфильтрацией 75% объема пор (рис. 3) сохраняются установленные ранее тенденции (при инфильтрации 25% и 50% объема пор). Вместе с тем появляются новые структурные образования в пространстве между крупными частицами - сферические частицы железа малого диаметра (около 5 мкм). Можно предположить, что такие частицы выделяются из расплава инфильтрата, пересыщенного железом при кристаллизации инфильтрата.
Рис. 4 - Микроструктура образца с инфильтрацией 100% пор х200
При 100% инфильтрации (рис. 4) все поры заполнены инфильтратом, присутствуют частицы, образовавшиеся в результате перекристаллизации твердого раствора.
Анализ структур показал, что инфильтрация латуни в области губчатого железа заканчивается в течение 15 секунд, что вызывает вопросы, поскольку поры губчатого железа более чем на порядок меньше усадочных пор и скорость их заполнения должна быть также на порядок меньше, согласно уравнению Уошберна [15]. Однако это не происходит. В структуре полностью инфильтрованных образцов не проявляются области, образовавшиеся при инфильтрации губчатого железа. Между частицами железа средней дисперсности наблюдается фаза на основе меди с выделениями сферических частиц на основе железа. Высокодисперсное губчатое железо растворяется в инфильтрате, а при охлаждении из раствора выделяется фаза богатая железом. Для растворения губчатого железа меди недостаточно. Фактором, повышающим долю растворенного железа, может быть локальное повышение температуры за счет превращения в теплоту энергии равной разнице между поверхностной энергией высокодисперсного губчатого железа и энергией межфазных границ железо-инфильтрат. Плотность губчатого железа равна 3280 кг/м3, что соответствует пористости 58%. Площадь поверхности частиц S в случае, если бы они не были спечены,
составляет:
5 = т}2N = 3.142•Ю"12 • 803.52-1015 = 2,5246-106 м2/м3
Площади контактных поверхностей частиц после их спекания не превышает 50% площади поверхности всех частиц, что при такой пористости вполне реально. За нижнюю границу удельной поверхности губчатого железа можно принять
2524 6-5
величину: =—• 103 = 1262,3 • 103 м2/м3
В работе [17] показано, что удельная поверхность спеченных металлов может составлять (Н2)106 Дж/м3. Соответственно энергия этой поверхности для железа
составляет: Q = 1,95 • 1262,3 • 103 = 2461,5 • 103 Дж/м3 .
Примем, что энергия межфазной границы
железо-латунь будет больше величин EFe -ел .
2
Тогда, учитывая что, ЕРе = 1,95 Дж/м2 [10], ЕЛ = 1,22
Дж/м2 [15],при инфильтрации железного образца латунью на 1м2 поверхности пор будет выделяться более 0,365 Дж энергии [17]. Учитывая, что удельная поверхность пор принята 1262,3 • 103 м2/кг на 1 м3 губчатого железа при инфильтрации будет выделяться: 0,365 -1262,3 -103 = 0,46 -106 Дж. На 1 кг губчатого железа будет выделяться:
Г\ Л 1 А 6
0—•— = 014 • 103Д/. 1 кг губчатого железа имеет 3280
объем у = 1 = 0 0003м 3при объеме пор 58%. Для 3280 '
заполнения этих пор необходимо: 0,0003 0,58 8440=1,468 кг латуни. Для увеличения температуры на 1°инфильтрованного губчатого железа общей массой 1 кг + 1,468 кг =2,468 кг необходимо 0,465+1,468 0,375=1,015 Дж [17]. На 1кг губчатого железа при инфильтрации выделяется 140 Дж и приводит к увеличению температуры на 137,9 К.
Это тепло выделяется за несколько секунд в начале процесса инфильтрации. Очевидно, что часть этой теплоты будет затрачена на нагрев железа средней крупности, однако столь значительное выделение тепла будет интенсифицировать процессы растворения губчатого железа. Результатом чего и является окончательная структура псевдосплава.
В таблице 2 приведены результаты измерения механических свойств пропитанных материалов.
Таблица 2 - Полученные результаты
Расчетное количество пропиточного материала в порах, % Твердость, НВ Предел прочности при изгибе 5и, кг/мм2 Угол изгиба,°
25 58,7 25,95 162
50 76 34,35 160
75 113 60,41 148
100 119 75,11 154
Заключение
Анализируя полученные экспериментальные данные установлены особенности протекания процесса инфильтрации и структуры материалов, полученных из композиций оксид железа - порошок железа - ФФС, заключающиеся в том, что:
Губчатое железо, полученное в результате восстановления оксида железа, в процессе инфильтрации растворяется в инфильтрате с последующей кристаллизацией при охлаждении в виде сферических частиц железа.
Растворение губчатого железа активизируется за счет выделения тепла в количестве равном разности между поверхностной энергией железа и энергией межфазных границ железо-латунь.
Литература
1. Дьячкова Л.Н., Витязь П.А., Воронецкая Л.Я. Псевдосплавы сталь-медный сплава антифрикционного назначения // Новые материалы и технологии:
порошковая металлургия, композиционное материалы, защитные покрытия, сварка. Материалы докладов 10-й международной шауч.-техш. кошф. Минск, 12-14 сентября 2012 г., Минск, 2012 - с.52-54.
2. Звонарев Е.В. Инфильтрованные материалы и их применение / Е.В. Звонарев, Л.Н. Дьячкова, В.М. Шенхина, Г.А. Миронович // Порошковая металлургия. Минск, 2004, № 27, с. 95-99.
3. L.N. Dyachkova. Effect of Steel Skeleton composition on the triboenginering properties of steel copper pseudo alloys produced by infiltration / L.N. Dyachkova, L.F. Kerzentseva, P.A. Vityaz //Jornal of Friction and wear. 2010, Vol 31, №4, - р. 270-275.
4. Головин С.А., Зуев В.С. Проблемы прочности, 1976, №1, с. 23-26.
5. Спеченные материалы для электротехники и электроники: Справочник под ред. Гнесина Г.Г. / М. Металлургия, 1981, с. 344.
6. Kleffer K., Jangg G., Crosz F. Powder Metallurge International, 1971, V. 3, №4, р. 179-183.
7. J.P. Kruth. S. Kumar // Bronze infiltration into laser sintered metal parts. Intermetallics, Vol 15, №2, 2007, р. 400-407.
8. M. Hebda, J. Kazior / The influence of compaction pressures on the mechanical properties of infiltrated sintered austenitic stainless steel AISI 316 L.// Proc. of the PM. 2007 Euro Congress, Toulouse, 2007 - Vol.1, p. 79-84.Radu L. Orban, Roxana M. Piticescu, Radu R Piticesku, Mariana Lucaci/ Al2O3 - NiAl Composites processed by reactive infiltration // proc. of the pm 2007 Euro Congress. Toulouse, 2007 - Vol.1, p. 79-84.
9. Metal powder report print your own prototype. 2006. №5 р. 28-30.
10. Францевич И.Н., Бойко Е.Б. Порошковая металлургия, 1964, № 1, с. 44-45.
11. Теодорович О. Х., Францевич И. М. Порошковая металлургия, 1961, № 6, с. 35-43.
12. Теодорович О.К., Францевич И.Н. Порошковая металлургия, 1961,№6, с. 63-69.
13. Довыденков В.А., Зверева О.С. Технология изготовления деталей сложной формы путем формования и спекания композиций из порошков железа, его оксидов и связующего / В.А. Довыденков, О.С. Зверева // Порошковая металлургия, 2013, № 9/10 с. 137-143.
14. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения / Г. Готтштайн пер. с англ. К.Н. Золотовой, Д.О. Чаркина, под ред. В.П. Зломакова. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009, 400 с.
15. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки.- М.: Металлургия, 1986, 208 с.
16. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди/Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. - Челябинск: Металлургия Челябинское отделение, 1991. -168 с.
17. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди / Урвачев В.П. Кочетков В.В. Горина Н.В. - Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1991, 168
18. Довыденков В.А., Соловьева Е.В., Зверева О.С., Сальманов Р.С. Эволюция структуры и механических свойств псевдосплава, полученного из композиций на основе порошков железа, его оксидов и связующего после инфильтрации. Вестник КГТУ, №1, 2015 г. с.128-130.
19. Крашенинникова Н.Г., Капранова В.И., Алибеков С. Я., Сальманов Р.С. Некоторые особенности термической обработки порошковых материалов на основе железа. Вестник КГТУ, №21, 2013 г. с.138-140.
© В. А. Довыденков - д.т.н., профессор кафедры МиМ ПГТУ; Е. В. Соловьева - аспирант каф. МиМ, ПГТУ; О. С. Зверева -аспирант каф. МиМ, ПГТУ; Н. А. Кузина - к.п.н.. ассистент кафедры физики КНИТУ, [email protected].
© V. A. Dovydenkov - Dr.Sci.Tech., professor of PGTU MIM chair; E. V. Solovyova - graduate student MIM chair, PGTU; O. S. Zvereva - graduate student MIM chair, PGTU; N. A. Kuzina - Ph.D. assistant professor of physics KNRTU.
