CC BY
16
УДК 621.762
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ЛЕГИРОВАННЫХ СВИНЦОМ
© 2013 г. А.В. Скориков
Скориков Александр Валентинович - д-р 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). Ph. (8635) 25-54-86.
Рассмотрен порошковый конструкционный материал на основе железа, легированный свинцом. Приведены его технологические свойства, такие как обрабатываемость резанием, особенности его получения и структурообразования.
Ключевые слова: порошковые материалы; порошковые стали; обрабатываемость резанием; легирование свинцом; структурообразование и свойства.
The powder construction material on the basis ferri lactas doped by lead is reviewed. His processing behavior, such as, workability by cutting, feature of know-how of his obtaining and gelation is adduced.
Keywords: powder materials; powder steels; workability by cutting; alloying by lead; property.
Проблема повышения эффективности и качества обработки резанием порошковых материалов стала актуальной практически сразу же, как только технологии порошковой металлургии вышли за рамки экспериментальных исследований и начали широко внедряться в серийное и массовое производство.
Некоторое время преобладало мнение, что получение изделий из порошковых материалов в производственных условиях можно обеспечить без применения механической обработки. Однако по мере освоения промышленностью сложных и высокоточных деталей несостоятельность такого подхода стала очевидной, и в настоящее время уже не подвергается сомнению тот факт, что обработка резанием отдельных поверхностей порошковых изделий, таких как посадочные поверхности высокой точности, пазы, резьбы, отверстия малого диаметра и ряд других подобных, является наиболее эффективным методом формообразования.
Вскоре выяснилось, что горячедеформированные порошковые стали гораздо хуже обрабатываются резанием, чем аналогичные по химическому составу горячекатаные и литые материалы [1]. Требовалось найти такой химический состав, который бы позволил значительно улучшить обрабатываемость материала, но при этом не только не ухудшить его физико-механические свойства, а даже повысить некоторые из них. Для этого могут быть использованы все возможности технологии порошковой металлургии по созданию материалов, состав и структура которых не обеспечиваются другими путями. Необходимо было также разработать технологии производства таких материалов, при этом существенно не изменяя режи-
мы операций, что гарантировало бы быстрое внедрение таких технологических процессов на уже существующих поточных линиях.
Поиск привел к разработке композиционных сви-нецсодержащих порошковых сталей с концентрацией свинца по массе в пределах 1 - 2 % [2]. В силу особенности физических свойств компонентов стали с таким содержанием свинца нельзя получить в литейном производстве, и только методы порошковой металлургии предоставили эту возможность. Свинецсо-держащие стали значительно превзошли по показателям обрабатываемости бессвинцовистые. В частности скорость резания возросла на 25 - 75 %, износ режущего инструмента снизился в 2 - 5 раза, существенно улучшилось качество обработанной поверхности, на 30 - 40 % снизились энергозатраты процесса обработки. Было установлено, что свинец, 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 свинца, выделяясь в виде жидкой фазы в зонах первичного и вторичного стружкообразования, снижает температуру и контактные напряжения в зоне резания и способствует тем самым уменьшению как адгезионной, так и диффузионной составляющей износа инструмента.
Была отлажена технология получения свинецсо-держащих сталей, предусматривающая введение его в шихту в виде предварительно полученной смеси компонентов, включающей порошки чистого металлического свинца и его стеарата, что обеспечивало равномерное распределение присадки по объему пористой
порошковой заготовки, а присутствие свинца в виде жидкой фазы при ее горячей деформации позволило снизить энергозатраты процесса уплотнения на 10 - 15 %.
Исследования физико-механических свойств сви-нецсодержащих 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. Выяснилось также, что свинецсодержащие стали обеспечивают высокое качество спая со стеклоизоляционными материалами, следствием чего было их успешное использование в электротехнической промышленности вместо горячекатаных материалов при изготовлении корпусов электрических разъемов.
Формирование структуры свинецсодержащих сталей происходит при отсутствии прямого взаимодействия свинца с основными компонентами сталей. В зависимости от дисперсности свинцового порошка при статическом холодном прессовании заготовок он может располагаться в виде отдельных частиц, находящихся в контакте с частицами железного порошка или в порах между ними. При губчатом строении частиц железного порошка не исключается попадание частиц свинца, имеющих самую разнообразную форму, во внутричастичные полости железа, а наличие поверхностных оксидных пленок, неметаллических включений и частиц графита неизбежно ведет к тому, что свинец контактирует с ними. Распределение свинцовых включений в структуре порошковой формовки, не подвергнутой нагреву, свидетельствует о том, что частицы свинца располагаются в зоне межчастичных контактов.
Нагрев перед горячей деформацией приводит к плавлению частиц свинца. До температуры 750 - 600 °С угол смачивания свинца по железу больше 90 что приводит к «выпотеванию» свинца в поры, а из приповерхностных слоев - на поверхность формовки. Частицы, попавшие в замкнутое пространство пор, не могут «выпотеть» и принимают шарообразную форму. Не исключается возможность «выпотевания» в общие поры свинцовых включений из нескольких межчастичных участков. В результате такого скопления появляются свинцовые включения с большими размерами, чем размеры вводимых частиц свинцового порошка. Вентиляция пористой формовки восстановительными газами ведет к восстановлению оксидов, одновременно протекают процессы сращивания частиц железной основы и сфероидизация пор. С повышением температуры выше 800 °С угол смачивания становится меньше 90 °. Согласно капиллярным представлениям о поведении жидкости в пористом объекте, она, в этом случае, будет стремиться в более узкий капилляр с образованием вогнутого мениска. Растечься по всей свободной поверхности железных частиц свинец не может потому, что даже при достижении температур 1200 - 1300 °С угол смачивания не достигает нулевого значения. При охлаждении пористой
формовки кинетические процессы протекают в обратном направлении и свинец сфероидизируется в порах.
Присутствие включений свинца на межчастичных границах в расплавленном состоянии приводит к их «захлопыванию» с одновременным «расплескиванием» под динамическим воздействием со стороны частиц железа. Переход свинца в твердофазное состояние происходит при значительной скорости охлаждения материала после окончания деформации. За счет изменения угла смачиваемости свинца по железу естественным является стремление его включений к сфе-роидизации. Высокотемпературный отжиг увеличивает средний размер зерен железной основы и снимает внутренние напряжения после горячей деформации. Повторный переход свинца в жидкофазное состояние и кинетика поведения его включений приводят к тому, что происходит их сфероидизация. В структуре материала они стремятся к приобретению правильной формы и принимают характерный вид овальных или слегка вытянутых включений с плавными границами. Их размеры зависят от дисперсности вводимого свинцового порошка, а также от равномерности его распределения в структуре.
В результате теплового травления микрошлифов удалось установить, что при одинаковых размерах частиц свинца и достаточной равномерности их распределения появляются отдельные участки с повышенным его содержанием. Обнаружено также повышенное содержание РЬ на границах с крупными силикатными включениями, что подтверждается микро-рентгеноспектральным анализом.
При изучении отдельных неметаллических включений и их скоплений методами рентгеноспектраль-ного анализа было установлено, что не существует определенной закономерности взаимодействия свинцовых включений с включениями на основе марганца, алюминия, хрома и кальция. Указанные элементы встречаются как в контакте со свинцовыми включениями, так и в виде самостоятельных включений и их скоплений.
Особый интерес представляет взаимодействие свинца с силикатными включениями, являющимися наиболее опасными инициаторами хрупкого разрушения. Интенсивное «выпотевание» свинца при тепловом травлении и повышенная концентрация свинца вокруг них, выявленная локальным микроанализом, свидетельствует о взаимодействии силикатов и свинца. В процессе отжига происходит коагуляция крупных оксидов кремния, свинец при этом сегрегирует на поверхность их контакта с матричной основой.
Прямое взаимодействие между оксидом кремния и свинцом невозможно, в то же время рентгенофазо-вый анализ показывает, что в сталях присутствуют оксиды свинца, которые могут взаимодействовать с силикатами. Присутствие свинцовых оксидов может быть следствием незавершенности восстановительных процессов на поверхности частиц свинцового порошка, а также результатом их дальнейшего окисления.
Оксиды свинца, контактируя с оксидом кремния, способны образовывать свинцовосиликатные стекловидные соединения типа: РЬО • SiO2; 2РЬ0 • 3SiO2; 2РЬ0 • SiO2 по реакциям, которые начинаются при температуре 690 - 760 °С и интенсифицируются с ее повышением. В результате возможен переход оксидов кремния в более легкоплавкую стекловидную массу при нагреве под горячую деформацию и при отжиге. В процессе охлаждения материала снижается концентрация свинца в получаемой смеси и на границе контакта силикатов с железной основой возрастает вероятность протекания реакции: 2РЬО • SiO2 + 2Fe = = 2FeO • SiO2 +2РЬ, что и приводит к образованию вокруг включений переходной зоны, обогащенной свинцом.
Изменение свойств сталей происходит в зависимости от соотношения ферритной и перлитной составляющих. Это позволяет, варьируя содержанием углерода, направленно изменять свойства. При введении углерода в виде графита он диффундирует в железную матрицу, а так как в процессе получения материала неизбежно контактирование частиц графита и свинца, то возможно изменение диффузионной активности углерода, которая определялась на образцах, как содержащих свинец, так и без него. Свинец фактически не оказал влияния на этот процесс, что объясняется, с одной стороны, малым его объемным содержанием, а с другой - отсутствием смачиваемости в
Поступила в редакцию
системе графит - свинец, что подтверждается отсутствием обособленных свинцово-графитовых образований.
Таким образом, свинец в структуре высокоплотных сталей представлен в виде включений, не взаимодействующих с железной основой и основными постоянными примесями. Наблюдается его сегрегация вокруг крупных включений силикатного типа, что, очевидно, является результатом взаимодействия оксидов свинца и кремния.
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.
