CC BY
20
The review of materials and manufacturing techniques of metal pipes used in water supply and drainage systems is given. The main advantages and disadvantages of various methods for the production of steel pipes by pressure treatment and casting are listed.
Key words: pipes, manufacturing, casting, pressure treatment, water supply, water
disposal.
Vaitsel Angelina Alexandrovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Gavryukhina Anna Vladislavovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Sirenko Elizaveta Romanovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.762
ВЛИЯНИЕ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ 30Х3М
М.В. Честнейшин, И.В. Тихонова, А. А. Яровицкая
Разработан состав и апробирована технология получения порошковой стали для детали "рассекатель " камер внутреннего сгорания импульсных устройств. На полученных образцах были проведены механические испытания и металлографический анализ. Показано, что порошковая сталь 30Х3М, полученная на основе чистых порошков Сг, Мо и С, имеет более низкие механические свойства, чем сталь 30Х3М, полученная с применением ферросплавов ЕеСгС и ¥еМо. Структура стали 30Х3М на основе ферросплавов отличается от структуры стали 30Х3М на основе чистых компонентов однородностью строения.
Ключевые слова: деталь рассекатель, порошковая сталь 30Х3М, чистые порошки, ферросплавы, структура, свойства.
Выбор материала определяется особенностью детали, для которой он будет использоваться, а именно, ее геометрией и условиями эксплуатации, а также технологиями получения и упрочнения детали.
Изделие, для которого проводилась работа по выбору материала и способу получения, - рассекатель. Оно применяется в ракетных двигателях импульсных блоков коррекции, имеет сложную конфигурацию и осесим-метричную форму. Рассекатель, изготовленный методом порошковой металлургии, представлен на рис. 1.
Штатный метод изготовления указанных деталей заключается в лазерной резке и последующей механической обработке. Данный метод изготовления имеет большие трудозатраты и низкий КИМ (коэффициент использования материала), вследствие чего является довольно дорогостоящим. Однако осесимметричность деталей для "рассекателя" позволяет применить для их изготовления метод порошковой металлургии.
370
а б в
Рис. 1. "Рассекательизготовленный методом порошковой металлургии: а - втулка; б - пластина; в - изделие в сборке
Температурный диапазон хранения детали находится в пределах от - 50 до + 60 оС. Окружающая среда не является агрессивной. В момент работы двигателя изделие испытывает динамическую, разовые сжимающую и последующую растягивающую нагрузки. Основные требования, предъявляемые к материалу деталей: предел прочности ов > 1000 МПа, относительное удлинение 5 не менее 4 %.
Учитывая, что при реальных условиях работы рассекатель воспринимает динамическое нагружение, а испытание в лабораторных условиях подразумевает статические нагружения, на предприятии АО «НПО «Сплав» были разработаны специальные методики пересчета, схема и условия статических испытаний. По данной схеме рассекатель должен воспринимать нагрузку не менее 500 кг до разрушения.
Для изготовления таких деталей необходимо разработать новый состав конструкционной порошковой стали типа 30Н4Х3Д2М, не существующий в действующих нормативных документах. Выбор был сделан на том основании, что никель и хром обеспечивают высокую прочность и пластичность; молибден повышает упругость, предел прочности на растяжение и препятствует появлению отпускной хрупкости второго рода.
Для получения конечной стали необходимо было рассмотреть промежуточные варианты. Итоговый результат достигался в несколько этапов.
Первоначально в работе [1] рассматривали взаимодействия в порошковых композициях Fe-FeCrC, Fe-FeMo в модельных образцах. Модельные образцы изготавливали двумя методами:
- поликомпонентным смешиванием чистых порошков;
- применением мелкодисперсных порошков углеродистого феррохрома и ферромолибдена.
Как показали исследования [1], использование дисперсных порошков ферромолибдена и углеродистого феррохрома в смеси с порошком распыленного железа позволяет после спекания получить более равномерное распределения молибдена, хрома и углерода по объему материала.
Результаты химического анализа показали, что наличие углерода в смесях порошков железа с дисперсными ферросплавами при спекании в вакууме (1250 °С) способствует протеканию процесса рафинирования -очистке по содержанию кислорода до сотых и тысячных долей процента.
Целью настоящей работы явилось исследование микроструктуры и механических свойств порошковой стали 30Х3М как промежуточного варианта для получения требуемого состава конечного материала.
Порошковые смеси для образцов изготовлены двумя методами: поликомпонентным методом и с применением ферросплавов. В качестве исходных материалов использовали смеси железного порошка (ПЖРВУ ГОСТ 9849-86 ТУ 14-1-5365-98) с дисперсными порошками высокоуглеродистого феррохрома (FeCr70C70LS ГОСТ 4757-91), порошка хрома (Х99Н1 ГОСТ 5905-2004), ферромолибдена (ФМо60 (нк) ГОСТ 4759-91), молибдена (ПМ99,95 ТУ 14-22-160-2002) и карандашного графита (ГК-3 ГОСТ 4404-78).
Изготовление образцов проводили по схеме: прессование в стальной пресс-форме - отгонка пластификатора из прессовок - допрессовка в стальной пресс-форме - спекание в вакууме. Образцы для определения механических свойств методом растяжения изготовлены в соответствии с ГОСТ 18277-98, образцы для определения ударной вязкости изготовлены в соответствии с ГОСТ 9454-78, тип образца №13.
Первое прессование образцов проводили в стальной пресс-форме при давлении 600-640 МПа. Для повышения прочности прессовок и улучшения прессуемости в качестве пластификатора в смеси добавляли стеариновую кислоту С17Н35СООН, в состав которой входит 76,5 % С, 12,68 % Н2 и 11,28 % О2, в количестве 0,8 % по массе. Так как стеариновая кислота имеет вид гранул диаметром около 0,2-0,4 мм, введение пластификатора в смесь проводили в расплавленном состоянии с постоянным перемешиванием для равномерного распределения по объему смеси. Удаление пластификатора проводили с помощью отжига в муфельной горизонтальной печи при 700 °С в атмосфере аргона в течение 30 мин. По данным термогравиметрического анализа при нагреве начиная с 300 °С идет деструкция и унос продуктов разложения стеариновой кислоты.
После отгонки пластификатора образцы допресовывали в стальной пресс-форме при давлении 1170-1200 МПа. Спекание осуществляли в вакуумной печи типа СНВЭ с разряжением порядка 1,3х10"2...10"3 Па при температуре 1250 °С в течение 2 ч.
Механические свойства определяли методом растяжения образцов, изготовленных по ГОСТ 18277-98, и методом разрушением образца с концентратором (образец №13) на маятниковом копре в соответствии с ГОСТ 9454-78.
Для выявления структуры исходных порошков и спеченных образцов использовали металлографический анализ. Приготовление шлифов спеченных образцов включало операции шлифования и полирования. Для выявления структуры спеченных образцов применяли реактивы следующих составов: хлорное железо - 25 г, соляная кислота - 50 мл, вода - 220 мл; хлорное железо - 25 г, соляная кислота - 50 мл, вода - 230 мл; 4% азотной кислоты в спирте; азотная кислота - 3 мл, соляная кислота - 1 мл. Микроанализ шлифов проводили на оптическом микроскопе "Observer.D1m" фирмы Zeiss при увеличениях х 50 - х 1000.
В табл. 1 приведены химические составы исходных смесей после отгонки пластификатора и после спекания, плотность и пористость спеченных образцов.
Таблица 1
Основной химический состав, плотность _и пористость образцов __
№ образца Марка порошковой стали Содержание легирующих элементов, % Плотность Пористость, %
Ге С Сг Мо p, г/см3 Общая Открытая/ закрытая
30Х3МФ ГОСТ 4543-2016 Осн. 0,270,34 2,32,7 0,20,3 - - -
30Х3М с применением ферросплавов ГеСгС и ГеМо
Исходная смесь Осн. 0,58 0,59 2,78 2,64 0,25 0,26 3,12 - -
Прессование 600 МПа (~ 40 т. с.) Осн. - - - 6,26 6,34 12,79 6,10/ 6,69
2-9 Отгонка пластификатора 700 оС 0,5 ч Осн. 0,59 2,67 0,26 6,19 6,08 19,73 10,69/ 9,04
2-10 2-11 2-13 2-14 Допрессовка 1200 МПа (~ 80 т.с.) Осн. - - - 7,24 6,11 1,85/ 4,26
Спекание в вакууме 1250 оС 2,0 ч Осн. 0,33 2,69 0,27 7,21 7,15 < 0,6/ 6,55
30Х3М с применением чистых порошков Сг, Мо и С
Исходная смесь Осн. 0,64 0,59 2,61 2,55 0,25 0,24 3,00 - -
Прессование 600 МПа (~ 40 т.с.) Осн. - - - 6,52 6,42 10,25 4,61/ 5,64
1-8 Отгонка пластификатора 700 оС 0,5 ч Осн. 0,62 2,64 0,26 6,46 6,23 16,16 8,91/ 7,25
1-9 1-11 1-12 1-13 1-14 Допрессовка 1200 МПа (~ 80 т.с.) Осн. - - - 7,25 5,91 1,77/ 4,14
Спекание в вакууме 1250 оС 2,0 ч Осн. 0,34 2,45 0,22 7,41 4,52 < 0,6/ 3,92
Химический состав смесей и полуфабрикатов на разных стадиях их обработки различается. Содержание углерода после спекания по сравнению с исходной смесью снижается более чем в 1,5 раза, вследствие того что вакуум обладает обезуглероживающим действием и в процессе спекания происходит рафинирование по кислороду, в котором активное участие принимает углерод [1].
В табл. 2 представлены данные по механическим свойствам образцов.
Как видно из табл. 2, при одинаковых усилиях прессования и режимах спекания плотность образцов, изготовленных поликомпонентным методом, выше плотности образцов, изготовленных с применением порошков ферросплавов. Однако, несмотря на более высокую плотность, предел прочности образцов, изготовленных с применением порошков ферросплавов, выше более чем в 1,7 раз.
Таблица 2
Механические свойства образцов_
№ п/п Марка порошковой стали Плотность образца, г/см3 Механические свойства
Ge, МПа 5, % V, % KCV + 20 оС, Дж/см2
1 30Х3М с применением ферросплавов БеСгС и БеМо 7,12 844 6,1 3,2 4,0
7,21 1001 6,8 3,7 4,9
2 30Х3М с применением чистых порошков Сг, Мо и С 7,14 471 7,9 3,2 4,0
7,41 549 9,0 3,9 4,9
На не травленом шлифе образца (рис. 2) видна пористость как мелких, так и крупных размеров. Распределение пор неравномерное, иногда встречаются строчки. На большей площади шлифа структура достаточно однородная, однако встречаются участки, резко отличающиеся по своему строению. Чисто ферритные участки расположены вокруг крупных пор. Структура представлена преимущественно мартенситоподобной фазой с небольшими участками, имеющими перлитоподобное строение.
Не травленый, х 50 х 100 х 200
Рис. 2. Микроструктуры порошковой стали 30Х3М, изготовленной с применением порошков ферросплавов
Пористость образца стали 30Х3М, полученной методом поликомпонентного смешивания (рис. 3), схожа с пористостью предыдущего. Однако на протравленном шлифе отражена структура, которая отличается ярко выраженной неоднородностью. Это видно и в процессе травления при образовании рельефа на поверхности шлифа. По всей видимости, гомогенизация при спекании в течение 2 ч при использовании в качестве шихтовых материалов смеси чистых компонентов не происходит. Структура отдельных областей состоит из участков мартенситоподобных, перлитопо-добных и ферритных фаз.
Порошковая сталь 30Х3М имеет аналоги в литом состоянии, например, стали 20ХМ и 50ХМ [2, 3]. Структуры сталей 20ХМ (термообработка - улучшение) и 30Х3М с добавлением ферросплавов идентичны (рис. 4) - структура мартенсита с различной ориентацией игл.
Не травленый, х 50 х 100 х 200
Рис. 3. Микроструктуры порошковой стали 30Х3М, изготовленной методом поликомпонентного смешивания
Рис. 4. Микроструктуры литой стали 20ХМ (а) [2] и порошковой стали 30Х3М, изготовленной с применением порошков
ферросплавов (б)
Для сталей 50ХМ (изотермическая обработка) и 30Х3М из смеси чистых компонентов характерна крайне неоднородная структура: чередование светлых и темных участков (рис. 5). Неполная гомогенизация при спекании стали с использованием чистых компонентов способствует образованию такой неоднородности структуры, которая напоминает ликвацию в литых аналогах.
х 500 х 500
а б
Рис. 5. Микроструктуры литой стали 50ХМ (а) [3] и порошковой стали 30Х3М, изготовленной методом поликомпонентного смешивания (б) 375
Анализируя результаты определения характеристик механических свойств на растяжение спеченных образцов, можно сказать, что образец стали 30Х3М с использованием ферросплавов имеет ов и 5, соответствующие основным требованиям, предъявляемым к материалу деталей "рассекателя", даже без термообработки.
Выводы:
1. при спекании в вакууме при температуре 1250 оС в течение 2 ч происходит обезуглероживание, поэтому исходные смеси должны содержать повышенное содержание углерода.
2. после спекания стали 30Х3М, полученной из ферросплавов, микроструктура отличается однородностью строения.
3. микроструктура спеченной порошковой стали на основе ферросплавов идентична со структурой литых термообработанных аналогов.
4. предел прочности и относительное удлинение порошковой стали 30Х3М с добавлением ферросплавов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу деталей "рассекателя".
Список литературы
1. Гринберг Е.М. Исследование взаимодействия в порошковых композициях Fe-FeCrC, Fe-FeMo // Многомасштабное моделирование структур, строение вещества, наноматериалы и нанотехнологии. 2017. С.43 - 48.
2. Металлография железа. "Структура сталей" (с атласом микрофотографий) / пер. с англ. Изд-во "Металлургия", 1972. Том II. 284 с.
3. Арбузов М.П., Голуб С.Я., Карпец М.В. Структура упорядоченного аустенита хромистой стали // Физика металлов и металловедение. 1986. №62-1. С.108-111.
Честнейшин Михаил Викторович, аспирант, ches88@1ist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Тихонова Ирина Васильевна, канд. техн. наук, доцент, info atsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яровицкая Алина Александровна, студентка, infoatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF CHARGE MATERIALS ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF POWDER STEEL 30Cr3Mo
M. V. Chestneyshin, I. V. Tihonova, A.A. Yarovickaya
The composition has been developed and the technology of powder steel production has been approved for the "Divider "of part of the internal combustion chambers of impulse devices.Mechanical tests and metallographic analysis were carried out on the obtained sam-
376
ples. Powder steel 30X3M, obtained on the basis of pure powders Cr, Mo and C, has lower mechanical properties than steel 30X3M, obtained using ferroalloys FeCrC and FeMo. Structure of steel 30Х3М on the basis of ferroalloys differ from structure of 30Х3М based on pure components to homogeneity of construction.
Key words: detail "Divider ", powder steel 30Х3М, pure powders, ferroalloys, structure, properties.
Chestneyshin Mikhail Viktorovich, postgraduate, ches88@list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tihonova Irina Vasilevna, candidate of technical sciences, docent, info@,tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yarovickaya Alina Aleksandrovna, student, info@,tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
