На правах рукописи

Ниткин Николай Михайлович

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ

И СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ, ЛЕГИРОВАННЫХ

НАНОРАЗМЕРНЫМИ УГЛЕРОДОМ И ХРОМОМ

Специальность:

05.16.09. Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете «МАМИ» на кафедре «Материаловедение»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Еремеева Жанна Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Латыпов Рашит Абдулхакович кандидат технических наук, доцент Лопатин Владимир Юрьевич

Ведущая организация:

- ФГУП Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина

Защита диссертации состоится 22 декабря 2011 г. в 14 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» по адресу:

115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16 ауд. С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке

ФГБОУ ВПО МГИУ и ФГБОУ ВПО МГТУ «МАМИ»

Автореферат разослан 17 ноября 2011 года и размещен на сайте www. msiu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.129. кандидат технических наук, доцент Иванов Ю.С.

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Материаловедение – это активно развивающаяся наука, которая в настоящее время ставит перед собой задачи повышения свойств материалов при применении новых продуктов. К таким продуктам относятся наноразмерные порошки. При работе с ними необходимо детально изучить их характеристики, свойства и строение. Порошковая металлургия (ПМ) обладает всесторонними возможностями по управлению процессами структурообразования в различных материалах, обеспечивает получение изделий с высоким комплексом свойств. Применение в промышленности порошковых сталей позволяет снизить расход материала, энергоемкость производства, автоматизировать технологический процесс.

В настоящее время железный порошок используется преимущественно для получения железографитовых материалов и порошковых сталей. Применение этих материалов для изготовления широкой номенклатуры деталей для различных отраслей машиностроения ограничено вследствие трудностей обеспечения высоких и стабильных механических свойств.

Форма, размеры и распределение легирующих элементов, и особенно углерода, оказывает существенное влияние на механические и технологические свойства таких материалов. Шихта для их получения методами порошковой металлургии представляет собой смесь железных порошков, легирующих и углеродсодержащих компонентов. Наиболее важным компонентом шихты, отвечающим за структуру и конечные свойства порошковых сталей, является углерод. В настоящее время при получении порошковых сталей применяют естественный графит в виде порошка с размерами частиц от 100 до 300 мкм.

Можно предположить, что применение наноразмерного углерода улучшит технологичность операций: смешивания, прессования, спекания, горячей штамповки и термической обработки, в результате улучшится комплекс физико-механических свойств получаемых изделий.

Наилучшие условия для получения высокоплотных порошковых материалов обеспечиваются при использовании различных методов горячей обработки давлением пористых порошковых заготовок. В этом отношении горячая штамповка (ГШ) один из перспективных методов получения беспористых материалов с повышенными физико-механическими свойствами.

Горячая штамповка обеспечивает получение практически готовых изделий с минимальным объемом последующей механической обработки.

Особенности процессов взаимодействия различных форм углерода с железным порошком привели к необходимости подробного изучения процессов структурообразования в этих материалах и оптимизации режимов термической обработки (ТО) с целью получения мелкозернистой структуры мартенсита и перлита в конечных изделиях.

В настоящее время в научной литературе практически отсутствуют сведения о применении наноразмерных добавок углерода и хрома в материаловедении и их влиянии на формирование структуры и свойств горячедеформированных порошковых материалов, обусловили необходимость проведения специальных исследований.

Цель и задачи исследования: Целью работы является изучение возможности получения порошковых сталей с повышенными физикомеханическими свойствами путем использования наноразмерных порошков углерода и хрома в порошковой шихте, совершенствования существующих процессов порошковой металлургии, а также применения горячей штамповки и оптимизации термической обработки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор и обоснование применения новых форм углерода при производстве порошковых сталей на основе отечественных железных порошков марок ПЖВ 2.160.26, ПЖВ 4.450.28, ПЖР 2.200.28.

2. Исследование процессов получения шихтовых смесей исходных материалов с учетом особенностей применения наноразмерных материалов.

3. Изучение процесса статического холодного прессования порошковых смесей с наноразмерными добавками углерода и хрома.

4. Исследование особенностей процесса спекания полученных порошковых заготовок, содержащих в исходной шихте наноразмерные порошки углерода и хрома.

5. Изучение механизма структурообразования горячештампованных сталей при введении в исходную шихту наноразмерных порошков углерода и хрома.

6. Исследование зависимостей структурообразования порошковых железоуглеродистых материалов с добавками наноразмерного углерода и хрома при различных видах термической обработки.

7. Разработка рекомендаций по промышленной реализации результатов исследований.

Научная новизна:

1. Изучена зависимость влияния добавок нанопорошков углерода и хрома на процессы смешивания, прессования и спекания при изготовлении порошковой стали. Установлено, что введение наноразмерных частиц углерода и хрома в количестве 0,05 и 0,1 % соответственно, увеличивает физикомеханические характеристики при снижении температуры спекания.

2. Установлен эффект обволакивания наноразмерных частиц углерода и хрома высокотемпературным пеком с последующим обволакиванием ими железного порошка на этапах их предварительного смешивания и получить их равномерное распределение по объему прессовки без потерь.

3. Установлено, что спекание порошковых формовок, содержащих высокотемпературный пек и наноразмерные порошки углерода и хрома, сопровождается интенсификацией диффузионных процессов, обеспечивающих гомогенизацию железографитовых композиций при меньшей длительности и температуре.

4. Установлено, что сформированная в процессе горячей штамповки порошковой стали с наноразмерными частицами углерода и хрома, субструктура аустенита при высокоскоростном охлаждении позволяет получать полигональную мелкоигольчатую структуру мартенсита. Определено, что использование таких частиц углерода и хрома позволяет в четыре раза сократить длительность диффузионного отжига и в три раза уменьшить количество циклов термоциклической обработки для получения в горячештампованных порошковых сталях структуры мелкозернистого перлита с включениями карбида хрома.

Практическая значимость:

1. Разработаны технологические рекомендации получения порошковых железоуглеродистых сталей при введении в исходную шихту наноразмерного углерода и хрома. Оптимизированы режимы смешивания, прессования, спекания, горячей штамповки и последующей термической обработки этих сталей, обеспечивающих получение изделий с оптимальным сочетанием прочности и пластичности.

2. Разработана технология изготовления конкретных изделий из порошковых сталей с наноразмерными углеродом и хромом с высокими эксплуатационными свойствами.

На защиту выносится:

- установленные зависимости добавок наноразмерных порошков углерода и хрома на структурообразование и технологические параметры спекания, горячей штамповки и термообработки.

- установленные зависимости влияния наноразмерных частиц углерода и хрома на структуру и свойства порошковых сталей, полученных методом горячей штамповки и дальнейшей термообработки.

Степень достоверности результатов гарантирована использованием современных методов и средств измерения и сочетанием взаимодополняющих исследовательских методик: рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, количественной металлографии, химических методов анализа, физико-механических испытаний и других методов;

статистической обработкой и удовлетворительным совпадением результатов моделирования и эксперимента.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Реализация результатов работы:

1. Результаты проведенных исследований использованы при изготовлении уплотняющего кольца и втулки гидрозатвора центробежного насоса для перекачки жидкости на совместном российско-германском предприятии ООО «ДОНКАРБ Графит». Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит 627100 рублей (в ценах 2011 г.).

2. Результаты исследований внедрены в учебный процесс.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы «Автотракторостроение 2009» г. Москва, Международная конференция «HighMatTech-2011», г. Киев, Третьем международном научно-практическом семинаре «Новые материалы и изделия из металлических порошков.

Технология. Производство. Применение». (ТПП-ПМ 2011), г. Йошкар-Ола, Третьей Международной научно-технической конференции «Современные автомобильные материалы и технологии» САМИТ-2011, г. Курск.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ из них 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Материалы диссертации изложены на 156 листах машинописного текста, содержат 48 рисунков, 15 таблиц, 3 приложения, включают список литературы из 121 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость выполненной работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, дано краткое описание структуры и объема диссрертации, приведены сведения об апробации и реализации результатов работы и степени их достоверности.

В первой главе приведен аналитический обзор опубликованных работ по теме диссертации. Проанализированы основные тенденции в материаловедении и достигнутые результаты в производстве порошковых сталей.

Проанализированы и сопоставлены результаты работ отечественных и зарубежных исследователей. Показано, что постоянно возрастающие требования в материаловедении к качеству порошковых сталей, стабильности их характеристик не могут быть удовлетворены без существенного совершенствования технологии их изготовления. Рассмотрены современные технологические приемы получения порошковых материалов с повышенными физико-механическими свойствами.

Природа углерода, его размеры и активность определяют возможности его использования при производстве порошковых материалов, а также эффективно управлять формированием структурой и свойствами получаемых изделий. На растворимость углерода в материале оказывает влияние температура, скорость протекания процессов, дефектность структуры материала. Введение хрома в порошковые стали положительно влияет на её свойства. С железом хром образует --твердые растворы. При этом структура спеченных сталей, содержащих в исходной шихте Cr, отличается повышенной гетерогенностью и наличием фаз, которые по среднему составу материала не отвечают равновесной диаграмме его состояния.

В настоящее время при получении порошковых сталей применяют естественный графит марки ГК-1. Этот графит имеет минимальную термодинамическую активность и слабо взаимодействует с порошками железа в процессе получения порошковых сталей, в результате этого получается недостаточно гомогенная структура, с нерастворившимся остаточным углеродом и неравномерной и слабоконтролируемой пористостью, что отрицательно сказывается на конечных свойствах изделий.

В предыдущих работах были попытки использовать для введения в шихту саж, которые были получены различными способами, имели неопределенную степень кристалличности структуры и произвольный химический состав. При их введении структура первично образующегося аустенита также была негомогенной, что приводило к недостаточно высоким свойствам конечного продукта.

В настоящей работе впервые предпринята попытка использовать наноразмерные углерод и хром, которые получаются путем применения различных технологий.

Проведенный анализ показал широкие возможности использования наноразмерного углерода искусственного происхождения и нанохрома для производства порошковой стали.

Во второй главе представлена характеристика используемых материалов и оборудования, на котором производились исследования, а также описаны методики проведения экспериментов.

В состав материала опытных образцов входили следующие компоненты:

железные порошки отечественного производства: ПЖВ 2.160.26;

ПЖВ 4.450.28; ПЖР 2.200.28 (ГОСТ 9849-86), получаемые на Сулинском металлургическом заводе.

Основным легирующим элементом исследуемых материалов является углерод, вводившийся в шихту в виде порошков следующих углеродсодержащих компонентов:

- высокотемпературный каменноугольный пек (ВП) ГОСТ 10200-83. Свойства каменноугольного высокотемпературного пека представлены в таблице 1;

- наноразмерный углерод марки «Таунит», получаемый в лаборатории центра ООО ЦентНаноТех, его основные параметры указаны в таблице 2.

Свойства каменноугольного высокотемпературного пека Наноразмерный углерод марки «Таунит» представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита в виде сыпучего порошка черного цвета, которые имеют структуру спутанных пучков многостенных трубок.

Параметры наноразмерного углерода марки «Таунит»

Наноразмерный порошок хрома изготавливается методом испаренияконденсации на лабораторной установке из порошка хрома электролитического с последующим дуговым испарением-конденсацией, размер получаемых частиц - 10 - 50 нм. Его химический состав приведен в таблице 3.

Исходные порошки железа использовались в состоянии поставки.

Приготовление шихты производилось в смесителе TURBULA T 50 A.

Прессование осуществлялось на гидравлических прессах 2ПГ-125, П-250 в лабораторных пресс-формах. Пористость холоднопрессованных заготовок составляла 8 - 60%.

Горячая штамповка (ГШ) осуществлялась на кривошипном прессе модели К-2232. Нагрев перед горячей штамповкой осуществляли в среде диссоциированного аммиака при температуре 1273 - 1473 К.

После проведения горячей штамповки осуществляли следующие виды термической обработки (ТО): охлаждение в воду после проведения ГШ, закалка с температуры 1023 К в воду, масло, отпуски - низко-, средне- и высокотемпературный, гомогенизирующий отжиг и термоциклическую обработку.

Химический состав материалов определялся на рентгеновском квантометре ARL-72000S, содержание углерода на автоматическом газоанализаторе IR- фирмы «LECO». Металлографические исследования выполнялись на оптическом микроскопе «NEOPHOT-21», «METAVERT», фирмы REICHTRT.

Тонкое строение структуры изучали с помощью угольных реплик на электронном микроскопе ЭВМ-100ЛМ. Микрорентгеноспектральный и фрактографический анализ проводился на растровом электронном микроскопемикроанализаторе «CAMEBAX MICRO», рентгеноструктурный – на рентгеновском дифрактометре общего назначения «ДРОН-2,0».

Исследование химической неоднородности порошковых сталей проводили методом спектроскопии Оже-электронов на электронном спектрометре «ЭСКАЛАБ-МК-2» английской фирмы «Вакуум-Дженерейтос».

Микрогеометрия поверхности образцов изучалась с использованием профилографа-профилометра модели 170311 с кратностью по вертикали и горизонтали соответственно 100000 и 2000 раз и оснащенного ПЭВМ.

Для изучения механических свойств полученных материалов изготавливались образцы призматической формы размерами 55х10х10 мм.

Механические характеристики определялись в соответствии с ГОСТ 1497-84 на электрогидравлической разрывной машине HUS-1010Z системы МFL в автоматическом режиме. Испытания на изгибную прочность проводились на машине «УМЭ-10ТМ», на ударную вязкость - на маятниковом копре модели КМ-30А с максимальной энергией удара 294 Дж. Микротвердость и трещиностойкость диффузионного слоя исследовалась с использованием микротвердомера ПМТ-3.

Трибологические испытания функциональных поверхностей по схеме «стержень – диск» проводят на автоматизированной машине трения TRIBOMETER, CSM Instr., как на воздухе, так и при погружении в жидкую среду. Эти испытания позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контртела. Непосредственно в процессе испытаний определяют коэффициент трения трущейся пары. Контртело в виде шарика изготавливают из сертифицированного материала. При испытании шарик фиксируют в держателе из нержавеющей стали, который передает ему заданную нагрузку и связан сдатчиком силы трения. Важную информацию о механизме разрушения покрытия дают анализ продуктов износа, строения бороздки износа (на образце) и пятна износа (на контртеле – шарике). Для этого применяют микроскопические наблюдения и измерения профиля бороздки износа. Строение бороздок износа (на дисках) и диаметр пятна износа (на шариках) наблюдают в оптический микроскоп AXIOVERT CA25 при увеличении х (100-500) и стереомикроскоп МБС-10 (ЛЗОС) при увеличении х (10-58). Измерения вертикального сечения бороздок износа проводят на профилометре SURFEST SJ-402 в четырех диаметрально и ортогонально противоположных областях и определяют среднее значение площади сечения и глубины бороздки.

Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ, статистические расчеты осуществляли при уровне значимости q = 0,95.

В третьей главе представлены результаты исследований закономерностей процессов смешивания, прессования, изотермического спекания и горячей штамповки.

В производственной технологии порошковых сталей используется «мокрое» смешивание порошка железа и естественного графита, марки ГК-1, при этом имеются большие потери графита из-за его пыления и оседания на стенках смесительных устройств. Для достижения гомогенной структуры материала и высоких механических свойств необходимо, чтобы распределение компонентов в порошковой шихте было равномерное. Равномерность распределения углерода в шихте на основе железного порошка ПЖВ.2.160. (ГОСТ 9849-86) определялась после её перемешивания в конусном смесителе.

Порошки ВП, наноразмерных углерода и хрома, вводились в шихту путем совместной засыпки компонентов в смеситель либо без добавки этилового спирта, либо с его добавкой в количестве 0,5 мас.% (1-ый и 2-ой варианты смешивания). Контроль содержания углерода производили химическим анализом по десяти пробам, коэффициент неоднородности шихты К определялся как отношение среднеарифметической суммы абсолютных отклонений содержания углерода в каждой пробе к его расчетному значению.

Определялись также потери углерода Q на всех стадиях технологии:

смешивания (1ч), спекания (1373 К, 1 ч), горячей штамповки (1373 К, 30 мин) и термической обработки (закалки). Результаты исследования приведены в таблице 4.

Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях более равномерное распределение углерода в шихте и наименьшие его потери наблюдаются при введении в шихту высокотемпературного пека, наноразмерных углерода и хрома. Наиболее существенно значения К снижаются, как правило, в первые 30 минут смешивания, а наибольшие потери Q наблюдаются на стадии спекания в связи с длительной высокотемпературной выдержкой и большой реакционной поверхностью. Минимальны потери для шихты, содержащей высокотемпературный пек и наноразмерные углерод и хром, при этом практически отсутствует разница в результатах 1-го и 2-го варианта смешивания, что позволяет не применять более дорогой «мокрый»

процесс смешивания.

Коэффициент неоднородности шихты по углероду (К) и его потери (Q, %) на разных стадиях технологического процесса наноС Прессование На операции прессования были экспериментально получены зависимости пористости прессовок от давления прессования при введении в шихту высокотемпературного пека и наноразмерных углерода и хрома, по сравнению с образцами содержащими карандашный графит (ГК) в концентрациях 1,0 %.

Результаты представлены на рис.1.

Рис. 1. Зависимость пористости от давления прессования при введении в Экспериментальные данные о зависимости плотности от давления прессования для 0,5 и 1,0 % углерода представлены на рис. 2 а, б при введении в шихту высокотемпературного пека и наноразмерных углерода и хрома, по сравнению с образцами содержащими карандашный графит.

Плотность,г/ см Рис. 2. Зависимость плотности от давления прессования при введении в шихту:

Видно, что наличие ВП и наноразмерного углерода улучшает условия прессования. Применение наноразмерного углерода и высокотемпературного пека позволило существенно улучшить формуемость.

Проведено сопоставление экспериментальных данных зависимости плотности от давления прессования с результатами расчётов по уравнению прессования Конопицкого. Выявлено, что при введении в шихту - 0,5 и 1,0 %, высокотемпературного пека и наноразмерных порошков углерода и хрома имеет место очень хорошее совпадение экспериментальных и теоретических кривых.

Спекание Ход процесса спекания в этом случае в значительной мере определяется характером диаграммы состояния основных компонентов шихты. В процессе спекания сложных систем образование сплава осуществляется диффузионным путем, поэтому большое значение имеет скорость и полнота протекания процесса гетеродиффузии. От этого зависит кинетика уплотнения спекаемого тела и изменение его физико-химических свойств. При спекании многокомпонентных систем взаимная диффузия разнородных компонентов может приводить к торможению процессов усадки. Это объясняется возможным изменением диффузионной подвижности атомов в местах контакта частиц при образовании новых фаз.

В случае спекания предварительно спрессованных железо-углеродных смесей имеет место процесс односторонней диффузии атомов углерода в железо. Обратная диффузия атомов железа в углеродные частицы практически отсутствует. Спекание в этом случае должно сопровождаться уменьшением или полным исчезновением частиц углерода и увеличением объема частиц железа.

Создание прочной связи на контактной поверхности в основном определяется контактом железо-железо. Наличие углерода тормозит перенос атомов на контактные участки и должно снижать скорость усадки при спекании. Однако присутствие углерода на межфазных границах способствует восстановлению оксидов, что приводит к появлению активных атомов железа и повышению скорости спекания.

Диффузия углерода в -железо приводит к возникновению твердых растворов и в ряде случаев карбида железа в исходных частицах. Кроме этого наличие частиц углерода в смеси железо-углерод серьезно уменьшает количество контактов железо-железо. Количество этих контактов сильно зависит от природы углеродосодержащих компонентов, размера и формы частиц углерода.

Экспериментальные исследования процессов объемной усадки в системах железо-высокотемпературный пек - наноуглерод - нанохром, железокарандашный графит проводили на образцах с размерами 10х10х55 мм с пористостью после прессования 20 % в атмосфере диссоциированного аммиака при температурах 1173, 1273, 1373 и 1473 К и времени выдержки от 5 до мин.

Установлено, что температура 1373 К является оптимальной, т.к. позволяет получать меньшую усадку в сталях содержащих 0,5 и 1,0 % углерода, в исследованном интервале времени спекания.

Содержание углерода в спекаемых образцах для всех углеродосодержащих компонентов составляло 0,5 и 1,0%.

Объемная усадка,% Рис. 3. Зависимость усадки порошковых сталей, содержащих а - 0,5; б -1,0 % углерода в шихте, от времени спекания при Т=1373 К Из полученных экспериментальных зависимостей видно, что во всех случаях наибольшая усадка наблюдается у образцов с карандашным графитом.

Это связано с тем, что карандашный графит, имея наибольший размер частиц (количество частиц меньше), слабо препятствует возникновению непосредственных межчастичных металлических контактов «железо-железо».

Уменьшение интенсивности усадки с течением времени можно объяснить приближением системы к равновесному состоянию. Можно предположить, что увеличение количества образующегося цементита тормозит усадку. Поэтому усадка оказывается наименьшей для шихты с высокотемпературным пеком и наноразмерным углеродом. Усадка снижается с увеличением содержания углерода в шихте. Механизм спекания зависит от вида вводимого углерода и его концентрации. Следы свободного углерода в образцах с карандашным графитом были выявлены даже при проведении спекания при температуре 1423-1473 К и времени выдержки 2 часа, при этом происходит интенсивное обезуглероживание и межзёренное растрескивание. Установлено также что даже при применении высокотемпературного пека и наноразмерных углерода и хрома при исследованных температурах спекания не удается достичь пористости ниже 14 %.

Горячая штамповка проводилась для получения высокоплотных заготовок, т.к. высокий комплекс свойств порошковых сталей может быть получен у материалов, имеющих беспористую структуру. Оптимальная приведенная работа уплотнения, обеспечивающая плотность образцов после горячей штамповки 99,2-99,5 % составляет 250 МДж/м3.

Установлено, что прочностные свойства достигают уровня свойств соответствующего компактного материала при температуре горячей штамповки 1273-1373 К для сталей, содержащих в исходной шихте высокотемпературный пек и наноразмерные углерод и хром.

Такие параметры горячей штамповки как время выдержки перед горячей штамповкой и степень деформации являются одними из основных факторов, влияющих на формирование структуры и конечные свойства материала.

Продолжительность выдержки прессовок в печи выбирается с учетом обеспечения их прогрева по всему сечению и необходимости гомогенизации материала. При введении в шихту углерода различной природы процессы гомогенизации могут протекать с разной скоростью. Время выдержки определяется опытным путем по наибольшей плотности после горячей штамповки при постоянной работе уплотнения. Зависимости плотности стали У10п и предела прочности на разрыв от времени выдержки при горячей штамповки представлены на рис. 4 и рис. 5.

плотность, кг/м Из рис. 4 и 5 видно, что в зависимости от вида вводимого углерода время выдержки перед горячей штамповкой варьируется для заготовок с ВП и наноразмерными углеродом и хромом в порошковой шихте - 15-25 мин, для заготовок с ГК время выдержки 25-35 мин.

Определяющее влияние пластической деформации при горячей штамповки на результаты процесса объясняется тем, что именно за счет нее происходит уплотнение заготовки, активация материала приконтактных участков частиц за счет выхода на них дислокаций и вакансий формообразования изделия.

Повышенная чувствительность порошковой заготовки к схеме напряжений, которые действуют на материал ее различных зон, приводит к наличию резкой разницы величины пластичности в продольном и поперечном направлении к давлению прессования.

На рис. 6 представлены свойства, полученные при различных значениях степени деформации. Анализ результатов исследований свидетельствует о преимущественном влиянии степени деформации при горячей штамповке на размеры зерен перлитных колоний, которые с ее увеличением измельчаются и при = 30 % в структуре появляется зернистый перлит. В свою очередь, изменение структуры приводит к значительному повышению свойств стали с увеличением степени деформации (рис. 6).

Н100, МПа Рис. 6. Влияние степени деформации на а - микротвердость и б - прочность на растяжение порошковой стали У10п, содержащей в шихте:

карандашный графит или ВП и наноразмерные углерод и хром.

В четвертой главе исследованы процессы термической обработки.

При ускоренном охлаждении горячештампованных сталей установлено наличие эффекта ВТМО, который в наибольшей мере проявляется для сталей содержащих в шихте высокотемпературный пек и наноразмерные углерод и хром. В результате такой обработки образуется субзёренная структура. При этом одновременно наблюдаются высокие прочностные и пластические свойства (табл. 5).

Свойства порошковых сталей, охлажденных после ГШ в различных средах * - В знаменателе приведены значения образцов, охлажденных в воде, по отношению к свойствам образцов, охлажденных на воздухе.

При проведении закалки порошковой стали в различных средах (вода, масло) позволило получить мартенсит во всех указанных средах. При этом во всех структурах наблюдался остаточный аустенит и мартенсит. Мелкие и равномерные пакеты игл мартенсита с небольшими зонами остаточного аустенита наблюдались у образцов с ВП и наноразмерными углеродом и хромом.

Были изучены структуры и свойства порошковых сталей, содержащих ВП и наноразмерные углерод и хром, а также порошковые стали в ГК после проведения отпуска высоко-, средне- и низкотемпературного. Особенности полученных структур проявляются в наследовании их характеристик, заложенных на предыдущих стадиях процесса.

С целью уменьшения неравновесности структуры и увеличению свойств проводился гомогенизирующий отжиг полученных горячештампованных порошковых сталей. Диффузионный отжиг проводили в атмосфере диссоциированного аммиака при температуре 1273 К и выдержке в течение 30, 60, 90 и 120 минут. Выбор такой сравнительно высокой температуры отжига обусловлен наличием наследственной мелкозернистости исследуемых материалов. Для образцов с ВП и наноразмерными углеродом и хромом достаточно 30-40 мин выдержки, чтобы их структура стала гомогенной и показатели ударной вязкости и пластичности стабилизировались.

Для того чтобы повысить свойства порошковых сталей за счет сфероидизации перлита и измельчения зерна проводилась термоциклическая обработка порошковых сталей (ТЦО). Она проводилась с использованием нагрева токами высокой частоты. В результате такой обработки в образцах с наноразмерными углеродом и хромом получена сверхмелкая структура, а в образцах с карандашным графитом произошла коагуляция цементита. После проведения ТЦО возросли значения прочности, пластичности и ударной вязкости.

В пятой главе представлены результаты по исследованию свойств порошковых сталей.

Порошковые стали с ВП и наноразмерными углеродом и хромом имеют повышенную ударную вязкость, а также высокие значения твердости и прочности на растяжение и изгиб, по сравнению со стандартными порошковыми сталями, содержащими в исходной шихте ГК (табл. 6) Свойства порошковых горячештампованных сталей горячештампованных порошковых сталей. Показано, что наилучшими трибологическими свойствами обладают горячештампованные стали с ВП и наноразмерными углеродом и хромом после закалки и среднетемпературного отпуска. Коэффициент трения образцов у сталей с нанодобавками углерода и хрома снижается до 0,177 по сравнению со сталями содержащими ГК - 0,473.

Исследование дорожек трения показало, что износ образцов, содержащих ГК, достиг 67 мкм, а при введении нанодобавок углерда и хрома износ уменьшился до 24 мкм.

В шестой главе проанализированы результаты экспериментов и разработаны рекомендации по применению полученных порошковых сталей с повышенными свойствами в различных отраслях техники, представлены примеры и технологии изготовления различных изделий из порошковых сталей с повышенными эксплуатационными характеристиками.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено оптимальное количество наноразмерного углерода и хрома в составе порошковой засыпки для получения порошковых сталей с высоким комплексом физико-механических свойств. Показано, что введение наноразмерных частиц углерода и хрома в количестве 0,05 мас.% и 0,1 мас.% соответственно в 2,0-2,5 раза повышает прочность порошковых сталей.

2. Изучено влияние введения наноразмерных углерода и хрома на приготовление шихты. Установлено, что введение в порошковую шихту высокотемпературного пека и наноразмерных углерода и хрома обеспечивает равномерное распределение частиц порошка железа, углерода и хрома по объему. Отмечено, что такое распределение частиц позволяет исключить из технологического цикла «мокрое» смешивание.

3. Установлено, что применение высокотемпературного пека и наноразмерных частиц углерода и хрома позволяет снизить на 15-20% давление прессования в результате исключения контакта между частицами порошка железа и стенками матрицы за счет их обволакивания высокотемпературным пеком при предварительном смешивании шихты.

высокотемпературный пек и наноразмерные частицы углерода и хрома, в 2,0-3,0 раза меньше, чем время спекание формовок, не содержащих наночастицы. При этом отмечено ускорение гомогенизации материала и повышение комплекса физико-механических свойств образцов. Показано, что такие образцы имеют структуру мелкозернистого перлита и аустенита с равномерными включениями карбида хрома.

5. Определены температура выдержки перед горячей штамповкой и степень деформации спеченных образцов, которые составляют 1373 К и 30-40% соответственно. Отмечено, что после горячей штамповки в образцах с наночастицами углерода и хрома структура мелкозернистого перлита и аустенита с включениями карбида хрома сохраняется. При этом предел прочности образцов из стали У10п составляет в=1110-1150 МПа, микротвердость Н100= 4100-4500 МПа при плотности 99,2-99,5 %.

6. Установлено, что охлаждение образцов после горячей штамповки в воде увеличивает прочность порошковой стали в 2,0-2,5 раза, ударная вязкость на 30%, прочность при изгибе в 1,3-1,5 раза и износостойкость в 3,0 раза.

7. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследования, которые положены в основу технологии получения деталей: «Кольцо уплотняющее 3МС-10-0115» и «Втулка гидрозатвора МС-30М-0121-1» на совместном российско-германском предприятии ООО «ДОНКАРБ Графит». Ожидаемый экономический эффект от внедрения этих деталей составит 627100 рублей в год в ценах 2011 г.

Разработана технология изготовления размольных тел из порошковой стали У10п с термообработкой – закалка для ОАО «НИИграфит», которая по предварительным лабораторным испытаниям снижает загрязненность кокса железом на 40%.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по курсу «Материаловедение» в ФГБОУ ВПО МГТУ «МАМИ».

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Еремеева Ж. В. Особенности применения наноразмерных порошков углерода и хрома на процессы подготовки шихты и прессования порошковых сталей [Текст] / Ж. В. Еремеева Н. М. Ниткин, Г. Х. Шарипзянова. // Известия МГТУ «МАМИ». – 2011. - № 2. - С. 139-144.

2. Еремеева Ж. В. Влияние параметров термоциклической обработки на механические свойства горячештампованных порошковых сталей, содержащих в исходной шихте наноразмерные углерод и хром [Текст] / Ж. В. Еремеева, Н.

М. Ниткин, Г. Х. Шарипзянова // Вестник МГАУ. – 2011. - № 2. – С. 64-69.

3. Ниткин Н. М. Исследование влияния углерода на свойства литых сталей с 3% хрома. [Текст] / Н. М. Ниткин, В. М. Зуев // Известия МГТУ «МАМИ». -2008. - № 1. - С. 181-183.

4. Ниткин Н. М. Исследование влияния хрома на свойства штампованных сталей для горячего деформирования [Текст] /Н. М. Ниткин, В. М. Зуев // Известия МГТУ «МАМИ». - 2007. - № 2. - С. 196-198.

5. Еремеева Ж. В. Особенности кинетики уплотнения порошковых сталей, содержащих в исходной шихте наноразмерные порошки углерода и хрома при электроконтактном спекании [Текст] // «Современные автомобильные материалы и технологии» САМИТ-2011 : сборник трудов Третьей Международной научно-технической конференции / Ж. В. Еремеева, Н. М.

Ниткин, Г. Х. Шарипзянова.- Курск, 2011. – С. 34-35.

6. Формирование структуры и свойств порошковых сталей при термообработке в зависимости от природы вводимого углерода [Текст] // «HighMatTech -2011» : сборник трудов Третьей Международной конференции / В. И. Костиков, Ж. В. Еремеева, С. И. Рупасов, Р. А. Скориков, В. Ю.

Дорофеев, Н. М. Ниткин, Г. Х. Шарипзянова.- Киев, 2011. – С. 222-223.

7. Формирование структуры и свойств порошковых сталей с различными углеродсодержащими компонентами при термообработке [Текст] // «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство.

Применение». (ТПП-ПМ 2011) : сборник трудов Третьего Международного научно-практического семинара г. Йошкар-Ола / Ж. В. Еремеева, Р. А.

Скориков, В. Ю. Дорофеев, Н. М. Ниткин, Г. Х. Шарипзянова. – Йошкар-Ола, 2011.– С. 52-56.

8. Ниткин Н. М. Механические свойства кованых сталей с 3% хрома для штампов горячего деформирования [Текст] // «Автотракторостроение 2009». – Международный научный симпозиум. Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров: материалы 65-ой Международной научно-технической конференции ААИ. Секция 2 / Н.

М. Ниткин, В. М. Зуев. – М., 2009. – С. 47-49.

9. Зуев В. М. Закалка и отпуск углеродистых сталей [Текст] // Термическая обработка сталей : методические указания / В. М. Зуев, Н. М. Ниткин, под ред.

Г. М. Волков ; МГТУ «МАМИ», каф. «Материаловедение».– М., 2008. – С. 4-12.

10. Зуев В. М. Углеродистые стали [Текст] // Теория сплавов: методические указания / В. М. Зуев, Н. М. Ниткин, под ред. Г. М. Волков; МГТУ «МАМИ», каф. «Материаловедение». – М., 2005. – С. 19-25.