Влияние температуры прессования и относительной плотности прессовок из порошков диффузионно-легированных сталей на разрушающее напряжение при различных видах испытаний

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕССОВАНИЯ И
ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ПРЕССОВОК ИЗ
ПОРОШКОВ ДИФФУЗИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА РАЗРУШАЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ИСПЫТАНИЙ

ГОРОХОВ В.М., ПРОХОРОВ О.А., ТАРУСОВ И.Н.

Институт порошковой металлургии, г. Минск, Беларусь,
тел.: (+375 17) 293-98-42, e-mail: Gorokhov47@mail.ru

Мировой прогресс порошковой металлургии в области производства комплектующих для нужд автомобилестроения связывается сегодня с появлением на рынке широкой гаммы новых металлических порошков на основе черных и цветных металлов, а также новых способов и оборудования для их компактирования в изделия сложной формы, высокой плотности и размерной точности.
Современное оборудование позволяет осуществлять прессование разновысоких заготовок деталей сложной конфигурации с высокой точностью и плотностью. Одним из таких новых эффективных приемов формования металлических порошков явился разработанный фирмой «Höganäs» (Швеция) совместно с фирмой «Dorst» (Германия) способ компактирования пластифицированных порошков при температурах 120 – 150 °С (теплое прессование).
Процесс теплого прессования обеспечивает следующие ос-новные преимущества:
- существенное повышение прочности неспеченных прессо-вок, что позволяет исключить потери при складировании, транс-портировке и спекании в условиях крупносерийного автоматизи-рованного производства, а также проводить, при необходимости, их механическую доработку (сверление боковых отверстий, нарезку резьбы и т.д.) с минимальным расходом режущего инструмента;
- минимизацию уровня остаточной пористости и равномер-ное ее распределение по объему обеспечивает повышение всего комплекса механических характеристик спеченной детали.
В работе изучали сырую прочность порошковых смесей Densmix на основе диффузионно-легированных порошков сле-дующих составов: Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120, смазки для прессования легированныхж порошков на основе железа, которую можно использовать как при теплом, так и при холодном прессовании, и Distaloy DC + 0,3 % C + 0,6 % DN120 [1].
Существуют два основных метода определения напряжения разрушения (сырой прочности) прессовок: измерение прочности при поперечном изгибе и радиальное разрушение плоского дис-ка (бразильский тест). Рассмотрим применение этих методов для анализа сырой прочности прессовок из стальных порошков, получаемых методами холодного и теплого прессования.
Бразильский тест. Радиальное разрушение плоского дис-ка считается одним из надежных способов определения прочно-сти разрушения хрупких и непрочных материалов. Он применя-ется при определении прочности бетона, камня, угля, полиме-ров, керамических и других материалов. Для порошкового прес-сованного материала нет необходимости в существенной меха-нической обработке, так как при прессовании достигается фор-ма, близкая к окончательному изделию. При тестировании плос-кий диск нагружается вдоль его диаметра вплоть до разрушения. Сжатие диска приводит к возникновению растягивающего напряжения, перпендикулярного к диаметру, вдоль которого реализуется сжатие. Это напряжение является постоянным по величине в большой зоне вокруг центра диска. Наиболее интересным параметром прессуемого материала является величина растягивающего напряжения, при которой начинается возникновение трещины и последующее разрушение. Напряжение разрушение – это горизонтальное напряжение в центре диска, при котором в центре диска возникает трещина.
Для экспериментального исследования разрушения по пред-ложенному методу использовали порошок Distaloy AЕ c добав-ками 0,6% С и 0,6 % DN120 производства фирмы Хеганес (Шве-ция). Размер частиц порошка от20 до 180 мкм, насыпная плот-ность 3,1 г/см3, теоретическая плотность порошковой смеси 7,5 г/см3. Прессовались образцы диаметром 25 мм в интервале плотностей от 4,9 до 7,35 г/см3, толщина составляла от 5 до 10 мм. После прессования проводили измерения массы и плотно-сти образцов. Прессованные диски нагружали между плоскими плитами на испытательной машине, максимальной усилие нагружения составляло около 100 кН. После установки образца скорость перемещения верхней траверсы составляла около 0,004-0,005 мм/с, опыт проводился до появления трещины. В опытах регистрировались перемещение верхней траверсы и усилие. Изменение усилия от величины перемещения при нагружении диска происходит в несколько стадий (с незначи-тельными особенностями такая же зависимость регистрируется при нагружении образцов в опытах по поперечному изгибу).
На первом этапе регистрируется практически линейная упру-гая деформация образца без нарушения его сплошности. Затем на втором этапе происходит образование и распространение трещины, этот участок зависимости принимает нелинейный ха-рактер, тем не менее, наблюдается рост усилия деформирова-ния. Затем происходит раскрытие трещины, приводящее к ча-стичному сбросу усилия деформирования. Последующий рост усилия объясняется деформированием двух независимых поло-винок диска.
На рисунке 1 представлена зависимость напряжения разру-шения от плотности порошковой композиции. Видно, что напря-жение разрушения сильно зависит от плотности и изменяется в интервале от 0,35 МПа при самой низкой плотности (65 % от теоретической) до 17,5 МПа при высокой плотности (98 %), т.е. увеличивается практически в 50 раз. Близкие по значению ре-зультаты были получены также в работе [2].
Поперечный изгиб. Определение сырой прочности прессо-вок после холодного и теплого прессования при поперечном из-гибе проводили в соответствии с ГОСТ 25282-93 (ISO 3995-85). Прессовки имели длину 30 мм, ширину 12 мм и высоту около 6 мм. Прессованные при разных давлениях в интервале 400-800 МПа образцы имели разную плотность и разную сырую проч-ность при поперечном изгибе. Данные о результатах получены для порошковой смеси Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120 и в таблице 3 для порошковой смеси Distaloy DC + 0,3 % C + 0,6 % DN120.

Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения от плотности порошковых прессовок из композиции Distaloy AЕ + 0,6 % С + 0,6 % DN120 при нагружении плоского диска

На рисунке 2 представлены полученные экспериментальные данные по разрушающему напряжению при поперечном изгибе для исследуемых смесей, прессованных в теплом и холодном состоянии. Анализ зависимостей разрушающего напряжения от плотности порошковых прессовок позволяет сделать следующие выводы. Прочность порошковых прессовок после теплого прессования в среднем на 25-35 % выше прочности таких прессовок после холодного прессования для одной и той же плотности. Это факт объясняется частичной полимеризацией органической смазки, которой покрыты частицы порошка, при прессовании в диапазоне температур 120-150 С. Также следует отметить, что напряжение разрушения прессовое из порошковой смеси Distaloy DC + 0,3 % C + 0,6 % DN120 несколько меньше напряжения разрушения порошковой смеси Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120. Подобное поведение можно объяснить повышенным содержанием меди и никеля, улучшающим эффект холодной сварки частиц порошка при прессовании порошковой смеси Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120. Полученные данные по сырой прочности достаточно хорошо соответствуют данным фирмы Хеганес, опубликованными в [3].

1 - Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120 – теплое прессование;
2 - Distaloy AE + 0,6 % C + 0,6 % DN120 – холодное прессование;
3 - Distaloy DC + 0,3 % C + 0,6 % DN120 - теплое прессование;
4 - Distaloy DC + 0,3 % C + 0,6 % DN120 – холодное прессование
Рис. 2. Влияние плотности на разрушающее напряжение
порошковых прессовок при поперечном изгибе

Сравнивая результаты экспериментальных данных по раз-рушающему напряжению в опытах по поперечному изгибу пря-моугольного параллелепипеда и смятию диска вдоль его обра-зующей можно сделать вывод о том, что его численные значе-ния достаточно близки друг к другу.
Выводы. Экспериментально исследовано влияние плотности порошковых прессовок на напряжение разрушения при различ-ных видах испытаний: нагружение плоского диска вдоль его об-разующей и поперечный изгиб. Установлено, что прочность по-рошковых прессовок после теплого прессования в среднем на 25-35 % выше прочности после холодного прессования при оди-наковой плотности.
Установлено, что напряжение разрушения существенно за-висит от плотности и изменяется в интервале от 0,35 МПа при низкой плотности (65% от теоретической) до 17,5 МПа при высо-кой плотности (98 %), т.е. увеличивается практически в 50 раз.

Литература:

1. Железные и стальные порошки Хоганас [Текст]:[Справочник] = Höganäs Iron and Steel Powders for Sintered Components. – Copyright Höganäs AB, 2004. – 393 c.
2. Jonsen P. Fracture and Stress in Powder Compacts. [Text]/Doctoral Thesis. Lulea University of Technology, Sweden.- 2006.- 163 p.
3 Hoganas handbook for Sintered Components. Warm Compaction [Текст] – Höganäs AB - 2004. – Vol. 4. – 112 p.