CC BY
103
УДК 669.295: 621.762
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА
О.М. Шаповалова, профессор, д.т.н., Е.П. Бабенко, ст.научн.сотр., к.т.н., Днепропетровский национальный университет
Аннотация. Представлены данные изучения технологических свойств, микроструктуры прессованных и спеченных изделий из титановых порошков электролитического способа производства, предложены рекомендации по их использованию.
Ключевые слова: титановые порошки, электролитический способ производства, прессование, спекание, микроструктура, свойства изделий.
Введение
Современное машиностроение предусматривает развитие ресурсосберегающих технологий в получении изделий из порошков. Порошковая металлургия дает возможность экономить металлы и существенно уменьшать себестоимость продукции [1], благодаря исключению такой операции как плавка. Изделия из порошков имеют некоторые отличительные особенности по сравнению с компактными литыми изделиями: пористость и неполный локальный контакт между частицами. 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.
Анализ публикаций
В литературе [1-3] отсутствуют данные по влиянию структуры порошков на свойства спеченных изделий из титановых порошков. Вместе с тем эти данные представляют как научный, так и практический интерес [4-5].
Цель и постановка задачи
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 изготовле-
ния порошка, прессование, спекание) оказывает существенное влияние на структуру и свойства готового изделия.
Целью настоящей работы является установление зависимости свойств и структуры готовых спеченных изделий от состава и структуры порошков электролитического способа производства, как способа, получившего промышленное применение.
Исследование свойств титановых порошков
электролитического способа производства и спеченных изделий из них
Нашими исследованиями [6-7] показано, что титановые порошки разных способов производства неоднородны по химическому, гранулометрическому, фазовому составу. Установлено, что твердость, микротвердость, которые являются основными характеристиками порошков, зависят от химического состава и особенно от содержания газовых примесей (рис. 1, 2). Показано, что способ производства порошков (и - иодидный, п/ч - электролитическое рафинирование для получения порошков повышенной чистоты, э/л -электролитический, н/т - натриетермический, м/т
- магниетермический), гранулометрический и фазовый составы, структура поверхности и в объеме частиц влияют на твердость и последующие технологические и механические свойства готовых изделий.
Из анализа приведенных на рис. 1, 2 гистограмм следует, что порошки магниетермического способа производства содержат наибольшее количество газовых примесей и имеют наименьший размер частиц.
Установлено, что во всех титановых порошках 0,01% кислорода повышает твердость на 5-25 МПа в зависимости от способа их производства (рис. 3).
Рис. 1. Изменение содержания газовых примесей в титановых порошках в зависимости от способа производства
Рис. 2. Изменение гранулометрического состава порошков в зависимости от способа производства
0 0,1 0,2 Содержание О, %
Рис. 3. Изменение твердости титановых порошков от содержания кислорода
Показано, 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. Причем, частицы порошков с низкой твердостью и малым количеством примесей
имели структуру, близкую к компактному титану, и состояла она из крупных полиэдров с двойниками, растущими через все зерно.
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 разных способов производства и для последующего изготовления конструкционных деталей методом прессования и спекания были выбраны промышленные порошки электролитического способа производства.
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;
- плотность прессованных заготовок зависела от формы, разветвленности и размеров частиц порошка.
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 = 0,2-0,4 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 наи-
большая 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.
Таблица 1 М еханические свойства деталей, спеченных из титановых порошков электролитического способа производства
Проба Свойства порошков Механические свойства деталей
НВ, Р, а, HB, 5,
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
Как следует из табл. 1, 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 %-титана. Вдоль границ зерен возникало множество линий скольжения и двойникования, смешанных с гидридами титана (рис. 4). Поры располагались во всем объеме металла и имели округлую форму. На поверхности образцов можно обнаружить винтовые дислокации, миграцию границ зерен, что свидетельствовало о дислокационном механизме процессов диффузии при спекании.
а
Рис. 4. Микроструктура спеченного изделия из титанового порошка электролитического способа производства: а - на поверхности; б - в сечении
Микроструктура прессованных деталей электролитических промышленных порошков отличалась меньшими размерами зерен, хотя по абсолютной величине они оставались довольно большими. Поскольку исходный электролитический порошок имел повышенное количество примесей по сравнению с рафинированным титаном, то при холодной деформации припасовка кристаллов происходила труднее, образовывались крупные поры по границам зерен. Кроме того, внутри зерен оставались округлые поры. С увеличением твердости порошка двойники, линии скольжения приобретали разную кристаллографическую ориентировку.
Выводы
Таким образом, проведенными исследованиями в изучении пористости, плотности, микроструктуры, механических свойств спеченных изделий из титановых порошков показано, 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, а также его фракционный состав.
Литература
1. Анциферов В.Н., Устинов В.С., Олесов Ю.Г. Спеченные сплавы на основе титана. - М.: Металлургия, 1984. - 168 с.
2 Глазунов С.Г., Борзецовская К.М. Порошковая металлургия титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1989. - 136 с.
3. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Ме-
ханические свойства титана и его сплавов. -М: Металлургиздат, 1974. - 543 с.
4. Бабенко О., Шаповалов О. Склад, структура i
властивосл титанових порошюв рiзних способiв виробництва // Вюник Академй’ митно1 служби Укра'ши. - 2004. - № 4 (24). -С. 65-77.
5. Шаповалова О.М., Бабенко Е.П. Система ис-
следования порошковых материалов // Проблемы современного материаловедения.
- Д. - 2001. - С. 33-34.
6. Шаповалова О.М., Бабенко Е.П. Поглощение
газовых примесей при производстве титановых порошков // Вюник ДНУ. - 2003. -С. 23-26.
7. Шаповалова О., Бабенко О. Дослщження
структурних особливостей композицшних виробiв з титанових порошюв // Вюник Академй' митно1 служби Укра'ши. - 2005. -№ 1 (25). - С. 76-86.
Рецензент:
Статья поступила в редакцию
