Колягин Е.Ю., Оноприенко В.Г.
ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р6М5-МП МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО СПЕКАНИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Публичное акционерное общество «НОРД»,
Донецкий национальный технический университет
Авторами предложен и апробирован способ получения порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП методом импульсного спекания под давлением, определены оптимальные режимы спекания, влияние параметров спекания на свойства стали Р6М5-МП.
Ключевые слова: быстрорежущая порошковая сталь, спекание, плотность, твердость.
By the authors is proposed and approved the method of obtaining by powder by that rapidly cutting they became Р6М5-МП by pulse sintering under the pressure, were determined the optimum regimes of sintering, the influence of the parameters of sintering on the properties of steel Р6М5-МП.
Key words: high-speed powder steel, sintering, density, hardness.
В качестве исходного материала для исследования использовали смесь порошков, которая по своему химическому составу соответствовала стали Р6М5 (ГОСТ 19265-73).
Для исследования брали две фракции порошков, которые выделяли путем рассева порошка на ротационном приборе в течение 10 мин. при определенном наборе сит. Первая фракция с размером частиц 60 мкм, вторая – с размером частиц 200 мкм.
Смесь порошков с фракцией 200 мкм состояла из: графита -0,042 кг; вольфрама- 0,252 кг; молибдена – 0,232 кг; ванадия – 0,084 кг; хрома – 0,147 кг; железо – 3,143 кг; лигатура стеарата цинка – 0,1 кг.
Смесь порошков фракции 60 мкм состояла из: графита – 0,0075 кг; вольфрама – 0,045 кг; молибдена – 0,0412 кг; ванадия – 0,015 кг; хрома – 0,02625 кг; железо – 0,52 кг; лигатура стеарата цинка – 0,0175.
Смешивание порошков производили в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 5 часов до получения однородной смеси.
Из полученной шихты методом одностороннего прессования в пресс-форме получали образцы цилиндрической формы. Усилие прессования составляло 0,5МН.
Спекание прессовок производили на установке с номинальным напряжением 380В, сила тока спекания 16 кА, мощность установки составляла 83 кВА. Использовали форму из диэлектрического материала. Варьировали величину тока спекания и усилия предварительного прессования (таблица 1).
Таблица 1
Параметры спекания порошков
Интервал варьирования и уровни |
Значения факторов |
||
Х1: Ток спекания, кА |
Х2: Длительность импульса, с |
Х3: Время спекания, с |
|
Нулевой уровень Х і =0 |
7 |
2 |
4,5 |
Интервал варьирования ðі |
2 |
1 |
1,5 |
Нижний уровеньХ і = -1 |
5 |
1 |
3,0 |
Верхний уровень Х і = +1 |
9 |
3 |
6,0 |
Нагрев до температуры спекания осуществляется за счет прохождения электрического тока через заготовку, которая в процессе нагрева подвергалась односторонней допрессовке электродами установки для спекания.
При проведении исследования применяли метод математического планирования эксперимента, который позволяет при минимальном числе опытов и варьировании одновременно несколькими факторами, определить область оптимальных значений параметра и построить ее математическую модель, выявить влияние на параметр оптимизации не только каждого фактора в отдельности, но их взаимное влияние.
Результаты экспериментов, полученные при реализации плана, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты реализации многофакторного эксперимента
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Результаты опытов |
|
Твердость, HRC |
Плотность, Θ % |
|||
-1 |
-1 |
-1 |
30 |
90 |
+1 |
-1 |
-1 |
47 |
91 |
-1 |
+1 |
-1 |
38 |
90 |
+1 |
+1 |
-1 |
51 |
94 |
-1 |
-1 |
+1 |
59 |
100 |
+1 |
-1 |
+1 |
53 |
98 |
-1 |
+1 |
+1 |
54 |
96 |
+1 |
+1 |
+1 |
58 |
99 |
Полученные результаты исследований позволяют определить зависимость твердости и относительной плотности спеченной порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП от параметров спекания.
Было установлено, что твердость и относительная плотность порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП, увеличиваются с ростом силы тока спекания и числа циклов спекания.
Анализ коэффициентов независимых переменных свидетельствует более сильном влиянии на твердость стали Р6М5-МП времени спекания по сравнению с длительностью цикла спекания.
После декодирования и исключения статистически незначимых коэффициентов были получены следующие адекватные для пяти процентного уровня значимости уравнения регрессии:
HRC = 8,26 + 0,9 і + 3,2 τ, + 6,85 t + 0,4 і τ, - τ t; (1)
Θ = 87,375 – 0,625 і + 2,875 τ + 2,3 t + 0,5 і τ. (2)
Вид уравнений регрессии указывает на то, что рост силы тока спекания приводит к повышению твердости порошковой стали Р6М5-МП вследствие роста температуры. Следует отметить и повышенную диффузионную подвижность атомов за счет структурных несовершенств спекаемых компонентов вакансий, большая внешняя граница, дислокации и т.п. Повышенная концентрация вакансий на поверхностях и большеугловых границах, нарушение периодичности расположения атомов увеличивают вероятность атомных переходов и уменьшают энергию активации диффузии почти вдвое. Поэтому, при многократном импульсном спекании: порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП преобладают поверхностная и граничная диффузии, которые реализуются тем интенсивнее, чем мельче зерно и выше степень пластической деформации. Вид уравнений регрессии указывает на то, что рост силы тока спекания приводит к повышению твердости порошковой стали Р6М5-МП вследствие роста температуры, ускорению диффузионных процессов спекания. Следует отметить и повышенную диффузионную подвижность атомов за счет структурных несовершенств спекаемых компонентов: вакансий, больших внешних границ, дислокаций и т.п. Повышенная концентрация вакансий на поверхностях и большеугловых границах, нарушение периодичности расположения атомов увеличивают вероятность атомных переходов и уменьшают энергию активации диффузии почти вдвое.
С физической точки зрения изменение объема, имеющее место при уплотнении порошковых прессовок при спекании, может вызываться только течением массы, начинающимся и заканчивающимся внутри частиц. Таким течением может быть объемная диффузия, зернограничная или поверхностная диффузии. При объемной диффузии, чтобы заполнить пору, вакансии должны двигаться внутрь нее. Каждый атом, поступающий в пору, оставляет позади себя вакансию, которая движется в противоположном направлении. Процесс рассматривается как растворение вакансии за вакансией объема поры в окружающем кристалле. Чтобы сократить объем системы все вакансии должны быть устранены либо диффузией их из системы, либо смещением их во внутренние места стоков. Первая возможность кажется не осуществимой из-за относительно больших расстояний до выхода из системы и небольшой скорости процесса диффузии в твердой фазе. Вторая требует наличия внутри кристаллов эффективных мест стоков вакансий, которыми являются границы зерен, поверхности частиц. Тем более, что энергия активации диффузии по границам зерен и поверхностям зерен и частиц составляет около 0,5…0,7 от энергии активации по объему зерна.
Было установлено, что плотность порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП зависит от величины силы тока спекания, количества импульсов спекания и времени спекания
Значительная температура на контактных границ частиц вызывает появление жидкой фазы, которая под действием капиллярных сил, сил поверхностного натяжения и специфического воздействия электромагнитных полей на жидкую фазу заполняет поры и способствует получению практически беспористой порошковой быстрорежущей стали. Увеличение трех параметров режима спекания многоимпульсного спекания под давлением оказывает позитивное влияние не только на плотность порошковой стали, но и на ее твердость, сдвигая ее в область больших значений. Это можно объяснить ускорением диффузионных процессов образования твердых растворов, которые в значительной степени зависят от температуры процесса.
Анализ уравнений регрессии показывает, что предварительное прессование не оказывает значительного влияния на относительную плотность и твердость спеченного материал. В процессе импульсного спекания определяющими факторами являются величина давления электродов на компактируемый материал и сила тока спекания.
С ростом силы тока спекания увеличивается относительная плотность стали Р6М5-МП. Однако рост силы тока спекания ограничен температурой плавления самого легкоплавкого компонента компактируемого материала.
Применение многоимпульсного спекания позволяет уменьшить силу тока спекания, и получать спеченную порошковую сталь с высоким комплексом свойств и практически беспористой структурой. Варьирование значениями силы тока спекания, длительности импульса спекания и общего времени спекания позволило определить оптимальные режимы импульсного спекания порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП. Твердость стали Р6М5-МП составляла 59 HRC при 100 % относительной плотности, спеченной при силе тока спекания 5кА, длительности импульса спекания 1 с, времени спекания 6 сек.