Структура и свойства порошковой композиции Fe – P – С полученной горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОРОШКОВОЙ
КОМПОЗИЦИИ Fe – P – С ПОЛУЧЕННОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКОВЙ ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ

БАТИЕНКОВ Р. В.1, ДОРОФЕЕВ В. Ю.2, ЕРЕМЕЕВА Ж. В.2

1ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, г. Москва, Россия,
тел.: (+7 495) 777-93-56, e-mail: ugich@bk.ru
2Южно-Российский государственный технический
университет, г. Новочеркасск, Россия
3 НИТУ «Московский институт стали и сплавов»,
г. Москва, Россия, тел.: (+7 495) 638-44-09

Расширение номенклатуры деталей, получаемых горячей штамповкой (ГШ) пористых порошковых заготовок тесно связано с проблемой повышения их качества. Для повышения качества горячештампованных материалов необходимо оптимизировать условия структурообразования. До настоящего времени оптимизация технологических режимов ГШ осуществлялась, в основном, варьированием температурно-силовых параметров уплотнения заготовок, осуществлявшегося в твёрдой фазе. Следует отметить, что были проведены работы[1] в которых показан позитивный характер влияния жидкой фазы при горячей допрессовке, но её количество было ограничено и сосредоточено в поверхностном слое. В ранее выполненной работе [2] была показана возможность проведения ГШ в присутствии жидкой фазы, которая равномерно распределена в объёме пористой заготовки. С учётом выводов, сделанных в [2], нами были оптимизирован состав шихт.
В традиционной металлургии фосфор является нежелательным элементом, так как вызывает сильную первичную ликвацию[3].
В качестве исходного основы мы использовали восстанов-ленный железный порошок ПЖВ 2.160.26 (ГОСТ 9849–86), кото-рый смешивали с феррофосфором ФФ16. Состав порошковых шихт представлен в таблице.
Таблица
Состав порошковых шихт
Номер шихты Содержание компонентов, мас.%
Р С Fe
1 0,2 1,0 ост.
2 0,4 1,0 ост.
3 0,6 1,0 ост.
4 0,8 1,0 ост.
5 1,0 1,0 ост.

Следует отметить, что оптимизация составов шихт с учётом выводов [2] обусловила необходимость предварительного при-готовления лигатуры, т.к. количество вводимого феррофосфора уменьшилось. Предварительное смешивание должно позитивно сказаться на распределении легирующей добавки по объёму заготовки[4] и тем самым на эксплуатационных и прочностных характеристиках горячештампованных материалов. Дальнейшее смешивание осуществлялось в 2-х конусном смесителе в течение 4 ч. Технология получения образцов для механических испытаний (размерами 10×10×55 мм) была аналогично технологии в [2] и включала следующие основные операции: статическое холодное прессование, нагрев и горячая штамповка пористых заготовок.
Механические характеристики полученных образцов оказа-лись на относительно высоком уровне. Показатели σв у образцов из материалов 2 и 3 оказались в 2,2–1,5 раза выше, чем у спечённых низколегированных порошковых сталей на основе готовых композиций Fe–P фирмы Höganäs (PNC60 и PASC60)[5]. Это связано с тем, что применение ГШ позволило получить практически беспористые материалы со специфичной структурой (остаточная пористость образцов менее 1%), а так же большим содержанием углерода в наших исследованиях. Увеличение плотности материалов сказалось на повышении прочностных характеристик. Жидкая фаза при допрессовке облегчила протекание сдвиговых деформаций внутри объёма порошкового тела и тем самым улучшила условия уплотнения. Кроме того, жидкая фаза, в которой растворяется вещество твёрдой фазы интенсифицирует его перенос[6]. По нашему мнению это способствовало более равномерному распределению легирующих элементов по объёму порошковой заготовки и сказалось на увеличении прочностных характеристик исследованных материалов. Прочностные показатели в наших исследованиях оказались выше, чем у горячештампованных железоуглеродистых материалов без добавления фосфора, но сопоставимых по содержанию углерода[7]. Согласно [7] материал на основе композиции Fe – C обладает следующими свойствами: σв =630МПа, δ=6,2%, КС=2,8 кгс×м/см2. В наших исследованиях наблюдается рост значений σв при повышении СР в интервале 0–0,8 мас. % (с 630 до 1024 МПа рис.1). Наибольшее увеличение прочности получено при 0,8 мас.% фосфора, что составляет примерно половину содержания фосфора рекомендованного в [8,9]. Другим фактором обусловившим по-вышение прочности является легирование фосфором, за счет упрочнения твердого раствора феррита и образования в структуре твёрдых и прочных составляющих, таких как фосфидная эвтектика по механизму описанному в [3,10,11].
Структура исследуемых материалов представляет собой сочетание участков феррита, перлита и эвтектики (см. рис.2). Перлитные области имеют округлую форму, что свидетельствует о наличии жидкой фазы уже при нагреве образцов. Участки расплавленной эвтектики обладают рафинирующим действием и способствуют очищению границ зёрен от примесей, которые растворяются в жидкой фазе[6], что сказывается на улучшении качества межчастичного сращивания. Показатели пластичности и ударной вязкости исследованных материалов несколько уступают материалам в [5,7].


Рис.1. Влияние содержания фосфора на прочность горячештампованных порошковых материалов


Рис.2. Микроструктура образца 4 ( × 600)

Образцы с максимальными прочностными характеристиками были испытаны на износ. Результаты испытаний представлены на рис.3 Образцы полученные по исследованной технологи обладают повышенной износостойкостью в сравнении с литой сталью 60 и образцами свидетелями без добавки феррофосфора. Что обусловлено мелкозернистой структурой, минимальной пористостью, а так же наличием и равномерным распределением твёрдых включений Fe3P, которые входят в состав эвтектики.


Рис.3. Результаты испытаний на износостойкость: 1 – сталь 60 (литая),
2 – образцы свидетели, 3 – ГДПМ с добавкой 0,8мас.% Р и 1мас.%С

Следует отметить, что значения приведённой работы уплот-нения материалов легированных феррофосфором ниже, чем у материалов из железного порошка. Это подтверждает обнару-женный в [2] эффект снижения энергетических затрат на уплот-нение в присутствии жидкой фазы.
В дальнейших исследованиях необходимо установить влия-ние жидкой фазы при допрессовке на формирование физических свойств порошковых материалов легированных фосфором. Та-кой вывод можно сделать с учётом положительных результатов достигнутых авторами [12], которые такой механизм структуро-образования не рассматривали.
Мы предполагаем, что исследованные нами материалы могут успешно заменить литые детали от которых требуется по-вышенная износостойкость и прочность. Внедрение технологии предполагается на предприятиях автомо- и сельскохозяйствен-ного машиностроения.
Заключение.
1. Разработана и исследована технология горячей штам-повки в присутствии жидкой фазы порошковых низколегирован-ных фосфористых сталей.
2. Полученные материалы имеют специфическую мелко-зернистую структуру, что благоприятно сказывается на показа-телях эксплуатационных и механических свойств.
3. Горячая штамповка в присутствии жидкой фазы позволя-ет снизить энергетические затраты на уплотнение и облегчить протекание сдвиговых деформаций.
4. Внедрение исследованной технологии и материалов на предприятиях машиностроения позволит заменить литые детали с повышенной прочностью и износостойкостью.
Литература:

1. Дорофеев Ю.Г., Сергиенко С.Н. Закономерности уплотнения при жидкофазной горячей штамповке порошковых материалов//Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.– Спец. выпуск. Композиционные и порошковые материалы. –2005.–С. 4–5.
2. Дорофеев В.Ю., Батиенков Р.В., Водолаженко Р.А. Особенности структуры и свойств порошковых материалов на основе железа, полученных горячей штамповкой в присутствии жидкой фазы// Порошковая металлургия. Республиканский межведомственный сборник научных трудов. – Минск: ГНПО порошковой металлургии, ГНУ «Институт порошковой металлургии», РУП «Издательский дом «Белорусская наука», 2007. – Вып.30. – С.30 – 34.
3. Э. Гудремон. Специальные стали. – М.: Металлургиздат 1959.
4. И.М. Федорченко, Р.А. Андриевский. Основы порошковой металлургии..– Киев: АН УССР, 1963. – 420с.
5. Дьячкова Л.Н., Керженцева Л.В., Маркова Л.В. Порошковые материалы на основе железа. – Минск: «Тонпик», 2004. – 228с.: - ISBN 985-6760-36-4.
6. В.Н. Еременко, Ю.В. Найдич, И.А. Лавриненко. Спекание в присутствии жидкой металлической фазы. – Киев: Наукова думка, 1968. – 123 с.
7. Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование порошковых заготовок. – М.: Металлургия, 1977. – 216 с.
8. Lenel F.V. – Österr. Chem. Ztg, 1948, Bd 49, S. 190 – 91.
9. Lenel F.V. In: Proc. Of the Fifth Annual Metting, Metal
10. Eisenkolb F. – Wiss. Z.T.H. Dresden, 1952/1953, Bd2, Helf2, S. 215 – 55.
11.Eisenkolb F. Arh. Eisnhüttenwesen, 1953, Bd 24, S. 257 – 66. Powder Assoc., Chicago, April 5 – 6, 1949, p. 21 – 28.
12. Тунг Ч.М. Особенности формирования комплекса магнитных свойств порошкового Fe-P материала – аналога технического железа, полученного горячей объёмной штамповкой пористой заготовки. Автореф. дис. к.т.н. – Ростов-на-Дону 2010. – 27с.