Получение порошковых композиций спеченных сталей

При получении порошковых мартенситно-стареющих сталей введение легирующих элементов осуществляют различными способами. Известно, например, что введение легирующих элементов в виде гидридов или галоидных соединений с их последующим разложением при спекании обеспечивает получение более однородной структуры, чем при введении легирующих элементов в виде отдельных металлических порошков. Высокая гомогенность, отсутствие ликвации и дисперсная структура могут быть получены при спекании распыленного порошка мартенситно-стареющей стали. Однако наибольшее распространение получил способ поликомпонентного легирования, при котором легирующие элементы вводят в виде отдельных компонентов или лигатуры.

Этот способ отличается простотой, дешевизной технологии и позволяет получать стали практрически любого состава. При правильном выборе технологии получения спеченные мартенситно-стареющие стали, полученные поликомпонентным легированием, по своим свойствам практически не уступают литым.

При поликомпонентном легировании для смешивания композиций используют смесители различного типа. Причем из-за особенностей процесса смешивания даже для смесителей одного типа, но с различными технологическими характеристиками, в каждом конкретном случае необходимо подбирать режимы смешивания путем оценки степени однородности смесей. Для этих целей используют косвенную оценку качества смешивания по результатам микрорентгеноспектрального анализа и механических испытаний спеченных образцов.

Используют также химический анализ проб шихты, который позволил установить, что мокрое смешивание дает наилучшее распределение легирующих элементов в мартенситно-стареющей стали СПН14К7М5Т. Содержание компонентов в различных пробах шихты в среднем отличалось на 1,0-1,5 %. Смешивание проводили в спирте в течение 35-40 ч в смесителе со смещенной осью вращения. Отношение мелющих тел к массе порошковой смеси составляло 1:2. После смешивания шихту сушили при температуре 70-80 С на воздухе и проводили дополнительное сухое смешивание в течение 8-10 ч. При таком режиме смешивания прессуемость смесей была удовлетворительной и отжиг не требовался.

В работе при использовании той же методики оценки однородности для аналогичных смесей и аналогичного смесителя установлены несколько иные режимы: при сухом смешивании наиболее высокая однородность достигнута после 24-30 ч; неравномерность содержания компонентов в шихте не превышала 2-4 % от их содержания; мокрое смешивание уменьшило неравномерность содержания компонентов в шихте до 1,5-2 % и позволило сократить продолжительность смешивания до 16-20 ч.

Такое различие в результатах, полученных в работах, обусловлено, по-видимому, как отличиями в скорости вращения смесителей; соотношение масс мелющих тел и порошковой смеси, объеме смесителей, так и недостатками в оценке однородности смеси по данным химического анализа (произвольный метод отбора проб и их объема, недостаточный статистический объем выборок для получения достоверной оценки характеристик смешивания).

Во многом свободен от указанных недостатков метод оценки качества смешивания порошковых композиций с использованием электронного растрового устройства (ЭРУ) рентгеновского микроанализатора (МАР). ЭРУ МАР-2 позволяет наблюдать на экране электронно-лучевой трубки распределение отдельных химических элементов по поверхности исследуемого образца. Во время развертки электронного зонда на поверхности образца электрические импульсы с частотой следования, соответствующей концентрации элемента, на линию которого настроен спектрометр, формируют изображение сканирующего участка. Причем эти импульсы могут быть просуммированы на счетной стойке прибора, что позволяет при использовании эталона подсчитывать в облучаемом микрообъеме концентрацию компонента, исследуемого на неоднородность. Вариацию концентрации вычисляют по формуле (11).

Для оценки однородности на установке МАР-2 пробы порошковой шихты после смешивания прессовали в брикеты, которые спекали в течение времени, необходимого для достижения нужной механической прочности для шлифовки и полировки. Причем при спекании не должно происходить заметного диффузионного перераспределения легирующих элементов, т. е. должна сохраняться дискретность концентраций составляющих компонентов, благодаря чему сумма импульсов за один проход электронного луча по исследуемому полю пропорциональна площади, занимаемой на нем тестируемым элементом.

Предложенный метод оценки неоднородности в порошковых смесях использовали при выборе оптимального времени смешивания и построения кривой изменения однородности в зависимости от продолжительности смешивания шихты спеченной мартенситно-стареющей стали СПН14К7М5Т. На рис. 57, а, 6 представлены зависимости величины коэффициента вариации концентрации W от времени смешивания всухую, в спирте, в спирте + 4 ч всухую. Смешивание проводили в смесителе со смещенной осью вращения объемом 3 л со скоростью 0,75 с-1, с отношением масс мелющих тел и смеси 1:2. Неоднородность определяли по распределению наиболее тяжелого элемента смеси (молибдена) и наиболее легкого (титана).

Зависимости, представленные на рис. 57, а, б, позволяют сделать заключение о том, что при длительном смешивании как всухую, так и в спирте происходит образование "комков" частиц одного элемента и полученная ранее однородная структура становится менее однородной. Причем при смешивании в спирте образуются непрочные комки, которые легко разрушаются при непродолжительном смешивании всухую. При смешивании шихты в течение 12-15 ч величина неоднородности по молибдену достигает своего максимума и примерно одинакова для смешивания как всухую, так и в спирте. Однородность по титану достигается раньше (4-6 ч), а при смешивании в течение 15-20 ч процесс сегрегации частиц титана достигает предела. Из приведенных результатов следует, что для одновременного достижения минимума неоднородности как по легким, так и по тяжелым элементам необходимо последовательное введение в смеситель порошков в зависимости от плотности. Например, в анализируемом случае после смешивания порошков Ni, Co, Mo, Fe в течение 7-8 ч надо вводить порошок Ti в смеситель и продолжать смешивание еще 4-6 ч.

В работах для приготовления композиций мартенситно-стареющих сталей использовали как порошки чистых металлов, так и порошки сплавов легирующих элементов с железом, гидридов, боридов, галоидных соединений. В табл. 60 приведены некоторые характеристики используемых порошков. Наиболее важным критерием при выборе исходных порошков является их чистота по таким примесям, как азот, кислород и углерод. Например, известно, что содержание углерода в литых мартенситно-стареющих сталях свыше 0,03 % оказывает отрицательное влияние на механические свойства сталей. В работе исследовано влияние содержания углерода на механические свойства спеченной мартенситно-стареющей стали СПН18К9М5Т.

Различное содержание углерода в шихте получали путем использования для приготовления смесей порошков железа и никеля с различным содержанием углерода (табл. 60). Исследуемые стали, кроме традиционных технологических операций, подвергали высокоскоростной деформационной обработке на пороховых копрах, которая приводит к существенному изменению тонкой внутризеренной структуры. В частности, наблюдается повышенная плотность дефектов кристаллической решетки. Такая дефектность оказывает положительное влияние на упрочнение мартенситно-стареющей стали в результате старения. Поэтому предполагалось, что спеченная сталь после высокоскоростной деформации окажется менее чувствительной к повышенному содержанию углерода, чем компактная.

Результаты механических испытаний образцов с различным содержанием углерода представлены на рис. 58. Уменьшение прочности материала с увеличением содержания углерода объясняется образованием в структуре стали карбидов титана и молибдена (TiC и Mo2C). Твердый раствор обедняется молибденом и титаном, при этом резко уменьшается интенсивность старения. Однако наклеп в результате высокоскоростной пластической деформации несколько компенсирует падение прочности стали. Пластичность же в данном случае в связи с образованием карбидов титана и молибдена резко снижается. Ухудшение механических свойств незначительно, поэтому авторы считают возможным повышать содержание углерода в спеченных мартенситно-стареющих сталях, подвергнутых высокоскоростной деформации до 0,04-0,045 %.

Особый интерес представляет исследование влияния способа получения порошков, их физико-механических характеристик и технологических свойств на механические свойства спеченных мартенситно-стареющих сталей. В работе исследовано влияние карбонильного железа чистоты 13-2 и 6-2, шведского железа фирмы "Hoganas" и технического железа марки ПЖ2М2 на свойства спеченных, а также спеченных и состаренных сталей СПН14К7М5 и СПН14К7М5Т2 (табл. 61).

Наилучшим сочетанием свойств обладают стали на основе карбонильного железа 13-2. Высокая чистота железного порошка по содержанию углерода, азота, отсутствие в нем серы, фосфора и окислов обеспечило получение хорошего сочетания прочности, пластичности и вязкости спеченных сталей. Спеченные мартенситно-стареющие стали на основе карбонильного железа 6-2 по прочности не уступают сталям на основе железа 13-2, но имеют несколько меньшие значения пластичности и вязкости, особенно в состаренном состоянии. Такое отличие можно объяснить различием в содержании углерода, так как содержание других примесей в обеих марках железа одинаково.

Более низкие свойства имеют стали на основе технического железа и железа фирмы "Hoganas". В спеченном и состаренном состоянии стали на этой основе обладают невысокой прочностью и имеют низкую пластичность. На их свойства существенное влияние оказывают как повышенное содержание примесей (0,06 %С и 2 % других примесей), так и большой размер частиц порошка (50 мкм). Спеченные мартенситно-стареющие стали на основе железа и ПЖ2М и "Hoganas" не способны к холодной пластической деформации. Аналогичные результаты получены и в работе. Здесь изучено влияние среднего размера частиц порошка железа на свойства спеченных мартенситно-стареющих сталей различного состава. Результаты исследования, приведенные в табл. 62, позволяют сделать вывод о том, что использование крупных порошков приводит к ухудшению свойств материалов. Использование же смеси железа "Hoganas" (53 мкм) и карбонильного (7,2 мкм), а также карбонильного железа без добавления железа "Hoganas" позволяет получить высокую прочность и пластичность.

Исследование влияния типа порошка титана на свойства спеченных сталей проводили на стали СПН14К7М5Т с содержанием электролитического и кальциегидридного титана 0,5-2 % с размером частиц соответственно 47,3 и 0,8 мкм. Спекание проводили при температуре 1250 °C в течение 2-10 ч (табл. 63).

Стали, содержащие электролитический титан, даже после спекания при длительных изотермических выдержках (6-10 ч) имеют невысокую прочность и весьма низкую пластичность. Такое сочетание свойств объясняется отсутствием полной растворимости крупных частиц электролитического титана даже при 10-часовой изотермической выдержке. Повышения механических свойств в процессе старения не происходило.

Легирование стали СПН14К7М5 мелким кальцийгидридным титаном привело к резкому повышению плотности композиций. В процессе спекания композиции приобретают структуру однородного раствора, который обладает высокими прочностными и пластическими свойствами как после спекания, так и после старения.