Влияние содержания никеля на твердость и пористость инфильтрованных бронзой порошковых материалов железо - никель Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.762

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НИКЕЛЯ НА ТВЕРДОСТЬ И ПОРИСТОСТЬ ИНФИЛЬТРОВАННЫХ БРОНЗОЙ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ЖЕЛЕЗО - НИКЕЛЬ

© 2011 г. О.Н. Гончарова

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Представлены результаты исследования влияния содержания никеля на твердость и пористость инфильтрованных бронзой порошковых материалов железо-никель. Проведена многокритериальная оптимизация технологических параметров инфильтрации, обеспечивающая повышенный комплекс механических свойств псевдосплавов железо-никель-бронза. Введение 2 - 4 % по массе никеля в шихту на основе восстановленного порошка железа (ПЖВ 3.160.26) обеспечивает снижение пористости ин-фильтрованного материала, повышение твердости поверхностных слоев и усадки порошковой формовки в процессе инфильтрации, совмещенной со спеканием.

Ключевые слова: порошковые материалы; железо; никель; бронза; инфильтрация; твердость; пористость.

The results of studying the effect of nickel content on the hardness and porosity of iron-nickel powder materials with bronze infiltration are presented. Multiobjective optimization of technological parameters of infiltration, providing the range of mechanical properties of iron-nickel-bronze pseudoalloys has been carried out. nIntroduction of 2-4 % wt. nickel in the powder mixture on the basis of restored iron powder provides decreasing of porosity of infiltrated material, increasing the surface layers' hardness and shrinkage of powder molding in the process of infiltration combined with sintering.

Keywords: powder materials; iron; nickel; bronze; infiltration; hardness; porosity.

Введение

Получение качественных конструкционных материалов с повышенной плотностью при снижении затрат на исходное сырье обеспечивается путем использования технологии инфильтрации. Повышенный интерес к методу пропитки в большой степени связан с тем, что он позволяет изготавливать композиции, получение которых другими методами либо невозможно, либо нерационально. Уникальность инфильт-рованых материалов заключается в возможности обеспечения широкого спектра свойств путем варьирования значениями технологических параметров при неизменном составе компонентов. Формирование свойств материалов обусловлено протеканием процессов взаимодействия между их составляющими [1].

Легирование порошковых сталей никелем и бронзой обеспечивает упрочнение металлической матрицы и повышает плотность при прессовании и спекании. Активация процессов уплотнения при спекании порошковых материалов обеспечивается при жидкофаз-ном спекании, а также при инфильтрации расплавами медных сплавов тугоплавких пористых основ. Псевдосплавы «железо - бронза» характеризуются повышенными антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью [2]. Никель образует с железом неограниченный ряд растворов в твердом и жидком состоянии, оказывая значительное влияние на все превращения, протекающие в процессе нагрева и

охлаждения. В присутствии меди, которая образует с никелем непрерывный ряд твердых растворов, значительно активируются диффузионные процессы и улучшаются условия гомогенизации сталей при спекании. Поэтому никель - медистые стали нашли большее распространение, чем никелевые.

Цель работы - установить влияние содержания никеля на твердость и пористость инфильтрованных бронзой порошковых материалов системы железо -никель.

Методики исследования

В качестве исходных материалов использовались металлические порошки железа: ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), ПЖР 2.200.26 (ГОСТ 9849-86) (табл. 1), АНС 100.29, АВС 100.30 (табл. 2), АпсоЫее1 1000С (табл. 3), бронзы - Бр010С1,5ЦФ (табл. 4) и никеля -ПНК-УТ1 (ГОСТ 9722-79) (табл. 5).

Таблица 1

Химический состав восстановленных и распыленных порошков на основе железа

Марка порошка Массовая доля, % не более

С Si Mn S P

ПЖВ 3.160.26 0,05 0,15 0,40 0,02 0,02

ПЖР 2.200.26 0,02 0,05 0,15 0,02 0,02

Таблица 2

Химический состав чистых железных порошков

Марка порошка Массовая доля, % не более

Кислород, общий Углерод Fe

Минимум Максимум Минимум Максимум

АВС 100.30 0,05 0,07 0,002 0,010 Основа

АНС 100.29 0,12 0,17 0,003 0,024 Основа

Таблица 3

Химический состав порошка Ancorsteel 1000 С

Марка порошка Массовая доля, % не более

C S Si P Mn O Cu

Ancorsteel 1000С 0,002-0,020 0,010-0,015 0,015-0,017 0,006-0,010 0,110-0,150 0,10 0,059-0,08

Таблица 4

Химический состав порошка бронзы

Марка порошка Массовая доля, % не более

Sb Ni Al Pb Zn Sn Cu

Бр010С1,5ЦФ 0,1 0,2 0,2 0,05 0,2 10 основа

Таблица 5

Химический состав порошка никеля

Марка порошка Массовая доля, % не более

C S Si P Mn Cu Ni

ПНК-УТ1 0,09 0,00007 0,001 0,0003 0,0003 0,0003 99,9

Технологический процесс изготовления образцов включал: приготовление шихты Fe—Ni, ее засыпку в металлическую матрицу, предварительную подпрес-совку (0,5 МПа), засыпку порошка инфильтрата БрО10С1,5ЦФ (10 % от массы порошка железа), окончательное доуплотнение (400 МПа) биметаллических заготовок, их спекание (СП) (1432К; 7,2 кс) совмещенное с инфильтрацией, в среде диссоциированного аммиака [3]. Пористость (Пипм) спеченного ин-фильтрованного образца: Пипм = (1 -9ипм)100%, где

Пипм - пористость инфильтрованного образца после СП, %; 9ипм - относительная плотность инфильтро-

ванного спеченного образца: 6ипм =

Ри

Рк

где Рипм -

плотность спеченного инфильтрованного образца, кг/м3; рк - компактная плотность образца, кг/м3.

Твердость по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) определяли после спекания образцов и измерения размеров на твердомере ТР5006 УХЛ = 1,588 мм, нагрузка 60 кг).

Степень неоднородности твердости оценивали ко-

тг hrbb

эффициентом: Кн =--

н ERB,,

где ERBB и HRBH - твер-

дость материала верхнего и нижнего торцов образца соответственно.

Микроструктуру образцов исследовали на металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1М.

Результаты экспериментальных исследований

В результате проведенных исследований установлено влияние содержания никеля на твердость и пористость инфильтрованных порошковых материалов (табл. 6).

Анализ полученных результатов показал, что повышенное значение пористости наблюдается при инфильтрации железного каркаса на основе порошка ПЖВ 3.160.26 (CNi = 0 % по массе), тогда как пониженное - при использовании ПЖР 2.200.26 (CNi = 6 % по массе). Зависимость пористости после спекания от содержания никеля для порошков марок ПЖВ 3.160.26, ПЖР 2.200.26, АНС 100.29 носит экстремальный характер. Минимальное значение пористости наблюдается при использовании ПЖВ 3.160.26, ABC 100.30, АНС 100.29 при 2 % по массе никеля, а для ПЖР 2.200.26 - 6 % по массе. Введение никеля в порошок марки Ancorsteel 1000С приводит к увеличению пористости при любом содержании Ni в исследуемом диапазоне.

Таблица 6

Твердость и пористость инфильтрованных материалов железо - никель - бронза

С Ni, % по массе Марка порошка

ПЖВ3.160.26 ABC100.30 ПЖР2.200.26 Ancorsteel 1000C AHC100.29

ERBB Пипм, % Кн ERBB Пипм, % Кн ERBB nEn^ % Кн ERBB Пипм, % Кн ERBB Пипм, % Кн

0 73 18 1,43 73 15 1,14 63 15 1,4 54 14 1,10 56 16 1,19

2 77 14 1,20 73 15 1,22 64 15 1,19 68 14 1,11 68 14 1,33

4 85 15 1,16 73 16 1,14 75 15 1,19 73 15 1,09 77 16 1,16

6 89 15 1,09 74 17 1,0 84 13 1,42 80 16 1,11 78 17 1,04

8 86 15 1,02 69 15 0,95 66 17 0,93 82 15 1,06 80 14 1,0

а б в

Микроструктура материала на основе порошка ПЖВ 3.160.26 с содержанием никеля 2 % по массе:

а - низ; б - середина; в - верх

Использование порошка ПЖВ 3.160.26 приводит к повышению неоднородности распределения твердости. Минимальное значение Кн при введении С^ = 8 % по массе. Увеличение содержания никеля до 8 % по массе в ПЖР 2.200.26 приводит к формированию материала с однородной твердостью как верхних, так и нижних слоев. Введение никеля больше 6 % по массе в порошок ABC 100.30 повышает однородность распределения твердости. Исходя из вышесказанного, можно выдвинуть гипотезу о том, что введение никеля повышает степень однородности структуры порошкового материала.

Инфильтрация тугоплавкого каркаса на основе порошка ПЖВ 3.160.26 и никеля (6 % по массе) формирует порошковые материалы с повышенной твердостью. Инфильтрованный материал на основе порошка Ancorsteel 1000С (С№ = 0 % по массе) характеризуется минимальной твердостью. Наибольшее значение твердости по сравнению с другими порошками наблюдается при использовании ПЖВ 3.160.26 во всем исследуемом диапазоне никеля. Увеличение содержания никеля до 8 % по массе приводит к повышению твердости за счет особенностей морфологии, технических и физических свойств железных порошков ПЖВ 3.160.26, AHC 100.30, Ancorsteel 1000 C.

Проведенный микроструктурный анализ образцов на основе порошка ПЖВ 3.160.26 с содержанием

никеля 2 % по массе показал, что в процессе инфильтрации формируется градиентный материал с неоднородной структурой и физико-механическими свойствами по высоте образца (табл. 6, рисунок).

Многокритериальная оптимизация процесса инфильтрации

Для обеспечения повышенного комплекса механических свойств псевдосплавов железо-бронза проведена оптимизация процесса инфильтрации (табл. 7). При многокритериальной оптимизации технологических параметров инфильтрации весьма перспективным является использование комплексного показателя качества. Количественной оценкой такого показателя может служить обобщенная функция желательности [3]. Оптимизацию технологии производили, используя следующую шкалу «желательности»: D = 0,7 - 1,0 -превосходный, D = 0,6 - 0,7 - хороший, D менее 0,5 -недопустимый уровень качества. Показатель D представляет собой среднее геометрическое желательно-стей содержания никеля пористости спеченной заготовки ^2), твердости нижнего и верхнего слоев ^з, d4), коэффициента Ки, равного отношению объемов пор до и после спекания ^5).

1

D = ^ • d2 • d3 • d4 • d5 )5 .

Таблица 7

Результаты многокритериальном оптимизации

Марка исходного порошка железа CNi, % по массе Пипм, % HRBH HRBB Ки D Уровень качества

ПЖВ 3.160.26 4 15 73 85 0,69 0,79

6 16 82 89 0,81 0,77

AHC 100.29 8 16 80 80 0,94 0,7

4 14 66 77 0,78 0,74 Превосходный

ПЖВ 3.160.26 8 17 84 86 0,86 0,73

ПЖР 2.200.26 4 13 63 75 0,82 0,73

AHC 100.29 6 16 75 78 0,81 0,72

ПЖВ 3.160.26 2 15 54 77 0,69 0,72

Ancorsteel 1000C 6 16 72 80 1,12 0,6

4 15 67 73 0,95 0,66

ABC 100.30 6 16 74 74 1,07 0,62

ABC 100.30 0 15 64 73 0,91 0,67

Ancorsteel 1000C 2 14 61 68 0,92 0,68

ABC 100.30 2 15 60 73 0,87 0,67

4 16 64 73 0,97 0,65 Хороший

ПЖР 2.200.26 6 17 59 84 0,98 0,65

AHC 100.29 2 14 51 68 0,78 0,67

ПЖР 2.200.26 15 54 64 0,85 0,66

ПЖВ 3.160.26 16 51 73 0,74 0,68

ПЖР 2.200.26 0 15 45 63 0,8 0,63

Ancorsteel 1000C 14 49 54 0,8 0,62

AHC 100.29 16 47 56 0,84 0,6

Ancorsteel 1000C 17 77 82 1,25 0,55

ПЖР 2.200.26 8 18 71 66 1,08 0,59 Недопустимый

ABC 100.30 19 73 69 1,16 0,52

Анализ полученных результатов (табл. 7) показал, что введение 4 % по массе никеля в шихту на основе порошка железа ПЖВ 3.160.26 обеспечивает минимальную пористость инфильтрованного материала, максимальные значения твердости поверхностных слоев и усадки в процессе инфильтрации, совмещенной со спеканием, при экономии легирующих элементов.

Выводы

Проведена многокритериальная оптимизация технологических параметров инфильтрации, обеспечивающая повышенный комплекс механических свойств псевдосплавов железо-никель-бронза. При введении 2-4 % по массе никеля в шихту на основе порошка железа ПЖВ 3.160.26 формируется инфильтрованный материал с превосходным уровнем качества.

Повышение содержания никеля в порошковой шихте на основе железа приводит к формированию градиентных инфильтрованных материалов железо -

Поступила в редакцию

никель-бронза с неоднородной структурой и физико-механическими свойствами по высоте образца.

Варьирование содержанием никеля и маркой железного порошка позволяет получать инфильтрован-ные бронзой материалы с заданными значениями пористости и твердости.

Литература

1. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М., 1986. 208 с.

2. Карпинос Д.М. Композиционные материалы. Киев, 1985. 383 с.

3. С1 2052322RU МПК6 B22F3/16. Способ изготовления газонепроницаемых низкопористых порошковых материалов / Ю.Г. Дорофеев, С.Н. Сергеенко. Заявка 93054977102, 10.12.1993. Опубл. 20.01.1996.

4. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М., 1980. 304 с.

24 июня 2011 г.

Гончарова Ольга Николаевна - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-4-09, 928-130-23-10. E-mail: [email protected], [email protected]

Goncharova Olga Nikolaevna - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-4-09, 928-130-23-10. E-mail: [email protected], Romanova_0lga_2000 @mail.ru