CC BY
25
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621.762
СТРУКТУРА ОБРАЗОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВИСМУТСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ
© 2013 г. А.В. Скориков, Д.Н. Веропаха
Скориков Александр Валентинович - д-р техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-54-86.
Веропаха Дмитрий Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-54-86.
Skorikov Alexandr Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Tel. (8635) 25-54-86.
Veropakha Dmitriy Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Tel. (8635) 2554-86.
Рассмотрены порошковые стали, легированные висмутом. Приведены их технологические свойства, такие как обрабатываемость резанием, особенности получения и структурообразования.
Ключевые слова: порошковые материалы; порошковые стали; обрабатываемость резанием; легирование висмутом; структурообразование и свойства.
The powder steels alloying by bismuth is reviewed. His processing behavior, such as, workability by cutting, feature of know-how of its obtaining and gelation is adduced.
Keywords: powder materials; powder steels; workability by cutting; alloying bismuth; property.
Улучшение технологических свойств высокоплотных порошковых сталей, таких как обрабатываемость резанием, позволяет значительно расширить область их применения. С наибольшей эффективностью эта задача решается путем целенаправленного легирования различными химическими элементами в сочетании с оптимизационным подходом к технологическому процессу получения материала. Такой подход широко применяется в мировой практике и в полной мере позволяет использовать преимущества технологии порошковой металлургии.
Для улучшения обрабатываемости в качестве легирующей присадки был выбран висмут, так как он, не ухудшая физико-механических свойств сталей, позволяет значительно снизить износ режущего инструмента, способствует получению ломкой стружки, улучшает качество обработанной поверхности.
Кинетика структурообразования висмутсодержащих порошковых сталей имеет ряд существенных особенностей. В порошковой формовке, не подвергнутой нагреву, частицы висмута располагаются в зоне межчастичных контактов и имеют самую разнообразную форму: осколочную, чешуйчатую и т.п. В процессе спекания они расплавляются. При температурах ниже 800 - 850 °C угол смачивания висмута по железу больше 90 °. Это вызывает «выпотевание» висмута в поры, из которых он, в силу действия капиллярных и гравитационных сил, сначала перемещается к приповерхностным порам, а далее - выходит на поверхность образца. Частицы, попавшие в закрытые поры,
оказываются блокированными и принимают сферическую форму. Возможно «выпотевание» висмута из нескольких межчастичных участков, с образованием крупных включений. Их размеры больше размеров частиц висмута на стадии холодного прессования. С увеличением температуры выше 850 °С меняется характер смачиваемости висмутом железной основы, а угол смачивания становится меньше 90 Жидкий висмут при этом стремится занять энергетически более выгодное положение, в связи с чем он «втягивается» в более узкий капилляр с образованием вогнутого мениска. Растечься по всей свободной поверхности железных частиц он не может, так как нулевого значения угол смачивания достигает лишь при температуре 1260 °С.
Зафиксировать и изучить поведение частиц висмута достаточно сложно из-за того, что при охлаждении пористой формовки кинетические процессы протекают в обратном направлении. Жидкие включения кристаллизуются в порах и на межчастичных границах.
Висмут не образует карбида и не реагирует с железной матрицей, существует преимущественно в свободном виде. Это подтверждается результатами рентгенофазового анализа. В результате теплового травления микрошлифов удалось установить, что при одинаковых размерах частиц висмута и достаточно равномерном их распределении в материале появляются участки с повышенным содержанием висмута (СВ1). Кроме того, обнаружено повышенное СВ на
границе с крупными силикатными включениями. Последние являются наиболее опасными инициаторами хрупкого разрушения, так как обладают оскольчатой формой и создают растягивающие напряжения в окружающей их матричной основе. Кроме того, они способствуют увеличению абразивного износа при резании. По данным электронно-микроскопического анализа можно предположить, что в процессе высокотемпературного нагрева висмут взаимодействует с силикатами. При этом он частично диффундирует в кремний, а в дальнейшем сегрегирует на поверхность контакта оксидов кремния и матричной основы, образуя переходную зону.
Прямое взаимодействие между оксидами кремния и висмутом невозможно. Однако присутствующие в структуре холоднопрессованных висмутсодержащих порошковых заготовок оксиды висмута в процессе последующего спекания взаимодействуют с оксидами кремния, образуя более легкоплавкие висмутсиликат-ные стекловидные соединения типа пВ^03 ■ да$Ю2 по схеме:
пВ^03+ mSiO2 = ПВ^03 ■ mSiO2.
В процессе охлаждения материала Св снижается и на границе контакта силиката с железной основой, возрастает вероятность протекания реакции
пВ^03 ■ mSiO2+ Fe ^ nFeO ■ mSiO2+ Bi,
что приводит к образованию вокруг них переходной зоны, обогащенной висмутом.
Марганец образует твердый раствор с висмутом, однако находится в сталях преимущественно в виде стойкого оксида. Поэтому висмут лишь обволакивает эти включения, снижая их охрупчивающее влияние на стальную матрицу.
Как известно, сера может присутствовать на поверхностях частиц железного порошка в свободном виде. В этом случае протекает реакция:
4Biж + 3S2 = 2Bi2S3.
Образовавшиеся сульфиды в дальнейшем восстанавливаются в токе водорода до металлического висмута:
2Bi2S3 + 3Н2 = 2Bi + 3Н^.
При 900 - 1000 °С возможно одновременное восстановление сульфида и оксида висмута:
Bi2S3 + 2В^О3 = 6Bi + 3SO2.
Однако прямого взаимодействия висмута с включениями FeS и MnS не наблюдается. Таким образом, в спеченных сталях висмут присутствует в виде включений, не взаимодействующих с железной основой и основными постоянными примесями. Наблюдается его сегрегация вокруг крупных включений силикатного типа, что является результатом взаимодействия оксидов висмута и кремния в процессе спекания. Характер изменения дисперсности включений висмута и их отличие от дисперсности вводимого порошка объясняется, во-первых, коагуляцией его частиц при «вы-
потевании» в свободные объемы пористой формовки, а во-вторых - адсорбцией висмута из его паров на поверхности железных частиц в процессе спекания пористой формовки.
Перечисленные особенности структуры отражаются на свойствах материала. Так, висмутсодержащим сталям присуще некоторое повышение равномерности деформации, т.е. максимальное деформационное упрочнение железной матрицы в процессе испытания достигается при увеличенном значении относительного удлинения. Это может быть объяснено тем, что наличие на границах зерен феррита мелкодисперсных включений висмута облегчает аккомодационные процессы при эстафетной передаче деформаций.
Иными словами, при определенном Св разупроч-няющее действие его высокопластичных включений проявляется в меньшей степени, чем способность к зернограничной релаксации напряжений деформации в прилегающих ферритных зернах. Следует отметить также еще одно немаловажное обстоятельство, связанное с наличием висмута в составе материала. При достаточно низкой температуре плавления висмута (271 °С) все процессы структурообразования как при спекании, так и при последующей горячей штамповке, протекают с участием жидкой фазы. И хотя в данном случае компоненты системы взаимно нерастворимы, само наличие жидкой фазы способствует перемещению частиц и, следовательно, ускоряет межчастичное сращивание. Последнее же благоприятно сказывается на свойствах, особенно, на характеристиках пластичности, которые более чувствительны к качеству межчастичных контактов, чем показатели прочности.
В отличие от обычных сплавов на железной основе, для висмутсодержащих материалов характерно отсутствие существенного повышения сопротивления уплотнению в зоне температур а^-у превращения, что можно объяснить превалированием структурной деформации заготовок и преимущественным их уплотнением за счет взаимного перемещения частиц, облегчаемого наличием межчастичных прослоек жидкой фазы. Это позволяет снизить температуру горячей штамповки с 1100 - 1150 до 1000 - 1050 °С.
В результате исследования процессов структуро-образования висмутсодержащих углеродистых порошковых сталей предложены следующие технологические режимы их получения. Предварительное спекание следует проводить при 1000 - 1050 °С в течение 60 мин. Для последующего горячего деформирования оптимален тот же интервал температур. Содержание висмута в шихте должно быть в пределах 1 - 2 % по массе. Применительно к стали У8Ви1п после отжига указанные режимы обеспечивают получение материала с оВ = 650 - 700 МПа; 5 = 10 - 16 %; КС = 0,5 - 0,7 МДж/м2.
Отдельного рассмотрения требует технология введения висмута при производстве порошковых сталей.
Висмут вводился в шихту по трем технологическим схемам. Первая заключалась в засыпке порошка в конусный смеситель вместе с остальными компо-
нентами. Вторая - в предварительном смешивании порошка висмута со стеаратом цинка (~1 % по массе) в течение 10 мин и последующем смешивании с порошком железа. Третья - в механическом легировании железного порошка гранулами висмута в шаровой планетарной мельнице.
Применение третьей схемы обеспечивает лучшую равномерность распределения висмута в шихте. Увеличение количества висмута с 1 до 2 % по массе также способствует некоторому повышению равномерности его распределения. Смешиваемость В1 в восстановленном порошке за счет губчатой формы частиц гораздо лучше, чем в распыленном.
Установлено, что в первые 30 мин равномерность распределения улучшается, а в дальнейшем интенсивность этого процесса замедляется, причем для третьего варианта требуется меньшее время для достижения одинакового уровня равномерности. Кроме того, исключается операция получения порошка висмута, что само по себе немаловажно, так как в настоящее время он не производится.
Одной из основных целей введения висмута в высокоплотные порошковые стали было улучшение их обрабатываемости резанием.
Известно, что порошковые горячедеформирован-ные стали относятся к группе материалов, имеющих неудовлетворительную обрабатываемость резанием. Одним из радикальных методов улучшения обрабатываемости резанием этих материалов является их легирование как отдельными элементами, так и химическими соединениями. Выбор лигатур производился с учетом того, чтобы не допустить существенного ухудшения физико-механических свойств материала, а по возможности и улучшить некоторые из них.
Такой подход привел к разработке висмутсодержащих порошковых сталей с концентрацией висмута по массе в пределах 1 - 2 %. Висмутсодержащие стали значительно превзошли по показателям обрабатываемости нелегированные. В частности скорость резания возросла на 25 - 75 %, износ режущего инструмен-
Поступила в редакцию
та снизился в 2 - 5 раз, существенно улучшилось качество обработанной поверхности, на 30 - 40 % снизились энергозатраты процесса обработки. Было установлено, что висмут, не создавая каких-либо соединений с железной матрицей, активно взаимодействует с твердыми неметаллическими включениями, главным образом силикатного типа, существенно снижая при этом их абразивное воздействие на инструмент при резании. Часть висмута, выделяясь в виде жидкой фазы в зонах первичного и вторичного стружкообра-зования, снижает температуру и контактные напряжения в зоне резания и способствует тем самым уменьшению как адгезионной, так и диффузионной составляющей износа инструмента.
Исследования физико-механических свойств висмутсодержащих материалов показали, что их прочностные свойства ухудшились незначительно, не более чем на 10 %, в то время как пластические свойства не претерпели изменений в сторону уменьшения, что давало возможность применять эти стали для производства тяжелонагруженных деталей машин.
Можно сделать вывод, что порошковые горячеде-формированные стали с указанным содержанием висмута значительно превосходят по показателям обрабатываемости резанием не только все известные порошковые, а также литые и горячекатаные стали, в том числе и материалы улучшенной обрабатываемости.
Литература
1. Дорофеев Ю.Г., Устименко В.И. Обрабатываемость реза-
нием металлокерамических материалов, полученных динамическим горячим прессованием // Порошковая металлургия. 1971. № 5. С. 76 - 81.
2. А.С. 1786174 СССР, МКИ С 22С38/00, 33/02. Порошковая конструкционная сталь.
3. Скориков А.В. Теоретические предпосылки обеспечения заданного качества порошковых изделий и рекомендации по их практической реализации: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2003.
16 апреля 2013 г.
