УДК 621.762
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕССОВОК ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ УПЛОТНЕНИИ
© Литвинова Татьяна Анатольевна1, 2, канд. техн. наук, e-mail: talitvinova@mephi.ru; Егоров Сергей Николаевич3, д-р техн.наук 1Волгодонский инженерно-технический институт — филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Россия, г. Волгодонск
2 ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Россия, Москва
3 Филиал Донского государственного технического университета в г. Волгодонске. Россия, г. Волгодонск
Статья поступила 21.03.2014 г.
Представлена зависимость пористости железного порошка и железографитовой композиции на основе распыленного и восстановленного порошков от различных режимов электроконтактного уплотнения. Определена зависимость количества связанного углерода от режимов процесса. Установлены лимитирующие процессы при формировании порошковой стали способом электроконтактного уплотнения.
Ключевые слова: железографитовая композиция; уплотняемость; гомогенизация; микропора; пористость.
ческих служб промышленных предприятий при технологической подготовке производства порошковых стальных изделий методом ЭКУ.
В настоящее время в промышленности применяются железные порошки, полученные методами восстановления окалины и распыления расплава. Для исследования в качестве исходных материалов использовали порошки железа ПЖР 3.200.28 и ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86) и графита карандашного ГК-1 (ГОСТ 4404-78). Содержание углерода в исходных железных порошках составляло 0,05%. В дальнейших исследованиях будут использованы железные порошки производства фирм Hoganas (Швеция) и Quebec Metal Powder (Канада).
Исследования проводили на лабораторной установке ЭКУ (рис. 1) следующим порядком. Навеску порошка массой 1,6 г взвешивали с точностью ±0,1 г
Развитие порошковой металлургии предполагает разработку методов получения изделий, основанных на совмещении различных видов воздействия на уплотняемую шихту. Одним из таких методов является электроконтактное уплотнение (ЭКУ), при котором приложение
8
уплотняющего усилия сопровождается пропусканием электрического тока через уплотняемую шихту [1].
Основополагающие процессы формирования порошковой стали при ЭКУ - уплотнение шихты и гомогенизация материала [2-5]. Цель настоящей работы - исследование влияния состояния поверхности частиц порошка, зависящего от способа его получения, на кинетику этих процессов. Результаты работы могут служить ориентиром для технологи-
/ ' '
U = 220 В
Аргон
Рис. 1. Схема лабораторной установки ЭКУ
4
и засыпали в матрицу с установленным в исходное положение нижним пуансоном 1. Стенки матрицы обрабатывали фторидом кальция СаБ2, а торцы пуансонов, контактирующие с шихтой, - графитом ГК-1. Затем в камеру 2 помещали матрицу и продували аргоном, после чего в полость матрицы устанавливали верхний пуансон 1. Герметичность камеры обеспечивалась резиновыми уплотнениями 3.
Диэлектрические пластины 6 служат для предотвращения появления на корпусе лабораторной установки поражающего напряжения. Редуктор 7 предназначен для регулирования подачи аргона в камеру. Амперметром 8 контролируют силу тока, подаваемого от источника 9.
Подготовленную к прессованию камеру устанавливали на стол пресса. Образцы получали методом двустороннего прессования на лабораторном гидравлическом прессе 4 (максимальное усилие 7600 Н), позволяющем регулировать усилие прессования как по величине, так и по продолжительности его приложения при спекании порошкового материала 5 прямым пропусканием электрического тока.
Варьирование давления прессования осуществляли путем регулирования положения специального винта обратного клапана распределителя, тем самым увеличивая или уменьшая сечение его пропускного отверстия. Величину силы тока изменяли с помощью рукояток источника электрического тока 9 (см. рис. 1). По окончании процесса ЭКУ образцы извлекали из лабораторной установки для последующего исследования.
Общее содержание углерода в стали определяли кулонометрическим методом (ГОСТ 22536.1-88), содержание свободного углерода - потециоме-
30
20
10
О - ПЖР 3.200.28 □ - ПЖВ 3.160.26 + Гр - Гр
ПЖР 3.200.28
трическим методом (ГОСТ 25599.2-83). Зависимости пористости уплотняемой шихты от технологических режимов ЭКУ (плотности тока /, продолжительности пропускания тока Ь и приложенного давления р) приведены на рис. 2.
При сравнении уплотняемости железогра-фитовой шихты из железного порошка ПЖР 3.200.28 и ПЖВ 3.160.26 видно, что при рассматриваемых значениях давления прессования и длительности пропускания электрического тока наблюдается монотонное снижение пористости при увеличении давления прессования, плотности тока и длительности его пропускания. Следует отметить, что уплотняемость железографитовой композиции выше уплотняемости железного порошка. Это явление можно объяснить антифрикционными свойствами графита, что проявляется на стадии структурной деформации. Стадии уплотнения шихты и роль пластификатора при уплотнении рассматривались, в частности, в [6, 7]. Во всем рассматриваемом диапазоне технологических режимов сохраняется различие в пористости прессовок, полученных на основе восстановленного (ПЖВ3.160.26) и распыленного (ПЖР3.200.28) порошков. Так как это различие сохраняется и на стадии уплотнения, происходящего по механизму пластического течения материала частиц в поры, то очевидно, что это обстоятельство можно объяснить различной пористостью прессовок после окончания структурной стадии уплотнения. Прессовки, изготовленные на основе распыленного порошка, имеют большую плотность, чем прессовки, полученные из восстановленного порошка. Это связано с тем, что при уплотнении железогра-фитовой композиции на основе восстановленного порошка создаются дискретные межчастичные перешейки. Фрактограммы излома порошковой стали позволяют различить особенности формирования зоны сращивания при уплотнении порошковой шихты (рис. 3).
120
200 280 р, МПа
360
380
Рис. 2. Зависимости пористости прессовок из железного порошка и железографитовой шихты от режимов ЭКУ: 1 - / = 24 мА/м2, Ь = 10 с; 2 - / = 24 мА/м2, Ь = 70 с; 3 - / = 36 мА/м2, Ь = 710 с
Рис. 3. Фрактограммы излома порошковой стали (х3000):
а - на основе порошка ПЖВ 2.160.26; б - на основе порошка ПЖР 3.200.28
0
и
0,5 -| 0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -0
□ - ПЖВ 3.160.26 + Гр V - ПЖР 3.200.28 + Гр
10 20 30 40 50 60 70 с
Рис. 4. Зависимость содержания связанного углерода в железографитовой композиции от технологических режимов ЭКУ (р = 380 МПа): 1 - J = 36 мА/м2; 2 - J = 24 мА/м2
При уплотнении шихты на основе восстановленного порошка на поверхности излома выделяются зоны с развитым рельефом, свидетельствующим о развитии микропластической деформации, предшествующей разрушению. При использовании распыленного порошка преобладает более гладкая поверхность излома, характерная для разрушения материала по механизму интеркристаллитного скола.
Формирование порошковой стали с высоким уровнем функциональных свойств достигается при условии полного растворения структурно свободного графита в железной основе. Кинетика гомогенизации порошковой стали приведена на рис. 4. Так как наибольший интерес представляют стали с пористостью в пределах 15%, то на рис. 4 показаны результаты исследования железографитовых композиций на основе как восстановленного, так и распыленного порошков при давлении прессования 380 МПа (см. рис. 1).
Полученные результаты показывают, что на этот процесс существенное влияние оказывает плотность тока: при / = 24 мА/м2 растворение
Рис. 5. Контур поверхности частиц железных порошков:
а - ПЖВ 3.160.26; б - ПЖР 3.200.28
углерода происходит с минимальной интенсивностью. При такой плотности тока заметного влияния продолжительности пропускания электрического тока и марки используемого железного порошка не наблюдается (см. рис. 4).
Для ЭКУ при / = 36 мА/м2 наблюдается несколько иная зависимость. При продолжительности пропускания электрического тока до 40 с происходит наиболее интенсивное растворение углерода. При увеличении временного фактора (40-80 с) процесс растворения углерода в железной основе протекает с меньшей интенсивностью. Содержание связанного углерода достигает своего максимума (0,42-0,45%) для прессовок из распыленного порошка при ЭКУ длительностью 70-80 с, для прессовок из восстановленного порошка - 50-60 с. Достижение такого химического состава порошковой стали удовлетворяет поставленной цели исследования.
Для объяснения различий в уплотняемости и гомогенизации порошковых шихт, изготовленных из железных порошков, полученных различными методами, рассмотрим профилограммы поверхности порошковых частиц (рис. 5) [8].
Представленные контуры поверхности частиц позволяют объяснить различия в кинетике уплотнения и гомогенизации исследованных порошковых шихт. Выявленную закономерность уплотнения при ЭКУ можно объяснить следующим. Первичное формирование макроструктуры прессовки происходит на стадии структурной деформации. В случае применения восстановленного порошка на образующихся многочисленных контактных межчастичных участках происходит формирование микроконсолидированных зон, которые при приложении давления разрушаются и вновь образуются. При использовании распыленного порошка образуются межчастичные области большей площади, которые при приложении давления увеличивают контактную площадь и способствуют повышению температуры.
Гомогенизация порошковой стали осуществляется в несколько стадий: образование физического контакта между металлической основой и порошком графита, взаимодействие поверхностных атомов железа и углерода, поверхностная и объемная диффузия ионов углерода. Морфология поверхности частиц железного порошка оказывает влияние на формирование контактной межфазной поверхности Бе-С. Средние значения выступов шероховатости поверхности железных порошков составляют для ПЖВ 3.160.26 - 6 мкм, для
ПЖР 3.200.28 - 3 мкм; средний размер частиц порошка графита ГК-1 - 5 мкм. При уплотнении восстановленного железного порошка с частицами непр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.