vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-1-43-53vestift-579Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYОсобенности формирования структуры и свойств порошковых сталей с добавками, активирующими диффузионные процессы при спеканииFeatures of the formation of the structure and properties of powder steels with additives that activate diffusion processes during sinteringhttps://orcid.org/0000-0003-1850-6221ДьячковаЛ. Н.DyachkovaL. N.

Дьячкова Лариса Николаевна – доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Платонова, 41, 220005, Минск

Larisa N. Dyachkova – D. Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory

41, Platonov Str., 220005, Minsk

dyachkova@tut.byИнститут порошковой металлургии имени академика О. В. РоманаO. V. Roman Powder Metallurgy Institute2020060420206514353Copyright © Дьячкова Л.Н., 20202020Дьячкова Л.Н.Dyachkova L.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/579

Исследовано влияние активирования процесса спекания порошковой стали, легированной никелем или хромом, за счет диспергирования исходных порошков и введения соединений щелочного металла. Изучена кинетика размола исходных порошков железа, Х30 и смеси порошков железа с 4 % никеля. Показано, что в зависимости от твердости порошка его измельчение происходит в три или две стадии. При размоле более твердых порошков отсутствует стадия интенсивной деформации частиц и увеличения их размера. Дефекты кристаллической решетки, образующиеся при размоле порошков, ускоряют диффузионные процессы, что способствует при температуре спекания на 100–200 °С ниже по сравнению с температурой спекания сталей из исходных порошков образованию однородной структуры, снижению на 4–17 % пористости, а также повышению прочности порошковых сталей в 1,5– 1,6 раза. Установлен механизм воздействия бикарбоната натрия на ускорение диффузии углерода, никеля и хрома в железо. При введении бикарбоната натрия под действием паров воды, образующихся при его разложении до карбоната, формируются тонкие оксидные пленки на железных частицах, активно восстанавливающиеся в защитно-восстановительной атмосфере при спекании. Это приводит к образованию металлического контакта между частицами, ускорению самодиффузии атомов железа и диффузии легирующих добавок в железо в 5–7 раз в зависимости от температуры спекания и количества вводимой добавки. Натрий образует по границам зерен железной основы нанодисперсные сложные соединения ферритного типа Na3Fe5O9, которые обеспечивают измельчение зерен и образование однородной структуры. Изменения в структуре порошковой стали при введении бикарбоната натрия обуславливают повышение ее прочности в 1,5–1,7 раза. Полученные результаты могут быть использованы при получении конструкционных изделий из легированных порошковых сталей.

Effect of activating the sintering process of powder steel alloyed with nickel or chromium by grinding the initial powders and introducing alkali metal compounds was investigated. The kinetics of grinding the initial iron powders, Cr30, and a mixture of iron powders with 4 % nickel was studied. It is shown that, depending on the hardness of the powder, it is grinded in three or two stages. When grinding more hard powders, there is no stage of intensive deformation of particles and an increase in their size. Crystalline lattice defects resulting from grinding of powders accelerate diffusion processes. This reduces sintering temperature by 100–200 °С compared to the sintering temperature of steels from the initial powders, contributes to a homogeneous structure, reduces porosity by 4–17 %, and increase strength of powder steels by 1.5–1.6 times. The mechanism of the effect of sodium bicarbonate on the acceleration of diffusion of carbon, nickel and chromium into iron has been established. With the introduction of sodium bicarbonate under the action of water vapor, formed upon its decomposition to carbonate, thin oxide films are formed on iron particles, which are actively recovered in a protective-recovering atmosphere during sintering. This leads to formation of a metal contact between the particles, acceleration of the self-diffusion of iron atoms and the diffusion of alloying additives into iron by 5–7 times, depending on the sintering temperature and the amount of added additive. Sodium forms nanodispersed complex compounds of the ferritic type Na3Fe5O9 along the grain boundaries of the iron base, which provide grain refinement and the formation of a homogeneous structure. Changes in the structure of powder steel with the introduction of sodium bicarbonate cause an increase in its strength by 1.5–1.7 times. The results can be used to obtain structural products from alloyed powder steels.

порошковая стальактивирующие добавкиспеканиедиффузиясвойстваpowder steelactivation additivessinteringdiffusionpropertiesReferencesЕрмаков, С. С. Порошковые стали и изделия / С. С. Ермаков, Н. Ф. Вязников. – М.: Машиностроение, 1990. – 319 с.Ermakov S. S. Powder Steels and Products. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990. 319 p. (in Russian).Reactivity of Carbon Based Materials for Powder Metallurgy Parts and Hard Metal Powders Manufacturing / R. Gilardi [et al.] // J. Jpn. Society of Powder and Powder Metallurgy. – 2016. – Vol. 63, № 7. – P. 548–554. https://doi.org/10.2497/jjspm.63.548Gilardi R., Alzati L., Oro R., Hryha E., Nyborg L., Berg S., Radicchi L. Reactivity of Carbon Based Materials for Powder Metallurgy Parts and Hard Metal Powders Manufacturing. Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 2016, vol. 63, no. 7, pp. 548–554. https://doi.org/10.2497/jjspm.63.548Hryha, E. Effect of Carbon Source on Oxide Reduction in Cr-Prealloyed PM Steels [Electronic resource] / E. Hryha, L. Nyborg, L. Alzati // Proceedings of the 2012 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, Yokohama, 2013/Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 16A-T9-11. – CD-ROM.Hryha E., Nyborg L., Alzati L. Effect of Carbon Source on Oxide Reduction in Cr-Prealloyed PM Steels. Proceedings of the 2012 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, Yokohama, 2013. Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 16A-T9-11 (CD-ROM).Фиалков, А. С. Углерод, слоистые соединения и композиты на их основе / А. С. Фиалков. – М.: Аспект Пресс, 1997. – 718 с.Fialkov A. S. Carbon, Interlayer Compounds and Composites Based on It. Moscow, Aspect Press Publ., 1997. 718 p. (in Russian).Влияние характеристик углеродосодержащих компонентов шихты на структурообразование и свойства порошковых горячедеформированных сталей. Сообщение 1 / Ю. Г. Дорофеев [и др.] // Порошковая металлургия. – 1994. – № 9–10. – С. 94–99.Dorofeev Yu. G., Dorofeev V. Yu., Eremeeva J. V., Goncharova T. V. Influence of the characteristics of carbon-containing components of the charge on the structure formation and properties of powder hot-deformed steels. Message 1. Poroshkovaya metallurgiya = Powder Metallurgy, 1994, no. 9–10, pp. 94–99 (in Russian).Влияние характеристик углеродосодержащих компонентов шихты на структурообразование и свойства порошковых горячедеформированных сталей. Сообщение 3 / Ю. Г. Дорофеев [и др.] // Порошковая металлургия. – 1995. – № 1–2. – С. 119–125.Dorofeev Yu. G., Dorofeev V. Yu., Eremeeva J. V., Goncharova T. V. Influence of the characteristics of carbon-containing components of the charge on the structure formation and properties of powder hot-deformed steels. Message 3. Poroshkovaya metallurgiya = Powder Metallurgy, 1995, no. 1–2, pp. 119–125 (in Russian).Влияние типа углеродсодержащего компонента и способа формования шихты на химический состав железоуглеродистых материалов / В. Ю. Дорофеев [и др.] // Металлург. – 2002. – № 8. – С. 45–47.Dorofeev V. Yu., Eremeeva J. V., Yaitskii D. L., Ul’anovskii A. P. Effect of the type of carbon-containing component and the method of forming the charge on the chemical composition of iron-carbon materials. Metallurgist, 2002, vol. 46, no. 7–8, pp. 241–243. https://doi.org/10.1023/a:1020919501675Еремеева, Ж. В. Особенности применения наноразмерных порошков углерода и хрома на процессы подготовки шихты и прессования порошковых сталей / Ж. В. Еремеева, Н. М. Ниткин, Г. Х. Шарипзянова // Изв. МГТУ МАМИ. – 2011. – № 2 (12). – С. 123–127.Eremeeva J. V., Nitkin N. M., Sharipzyanova G. Kh. Features of the use of nanosized carbon and chromium powders on the processes of preparing the charge and pressing powder steels. Izvestiya MGTU MAMI, 2011, no. 2 (12), pp. 123–127 (in Russian).Активирование процесса спекания железных порошков путем введения нанодисперсных добавок / С. В. Матренин [и др.] // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2009. – № 2. – С. 11–16.Matrenin S. V., Il’in A. P., Slosman A. I., Tolbanova L. O. Activation of the sintering process of iron powders by introducing nanodispersed additives. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2009, vol. 50, no. 5, pp. 513–517. https://doi.org/10.3103/s1067821209050149Дьячкова, Л. Н. Влияние микродобавок на структуру и свойства углеродистой порошковой стали / Л. Н. Дьячкова, Н. П. Глухова, Г. И. Самаль // Металловедение и терм. обработка металлов. – 1991. – № 1. – С. 37–39.D’yachkova L. N., Glukhova N. P., Zvonarev E. V., Samal’ G. I. Effect of microadditions on the structure and properties of powder carbon steel. Metal Science and Heat Treatment, 1991, vol. 33, no. 1, pp. 64–68. https://doi.org/10.1007/BF00775040Анциферов, В. Н. Порошковые легированные стали / В. Н. Анциферов, В. Б. Акименко, Л. М. Гревнов. – М.: Металлургия, 1991. – 318 с.Anciferov V. N., Akimenko V. B., Grevnov L. M. Alloyed Powder Steels. Moscow, Metallurgiya Publ., 1991. 318 p. (in Russian).Hryha, E. Effectiveness of reducing agents during sintering of Cr-prealloyed PM steels // E. Hryha, L. Nyborg // Powder Metallurgy. – 2014. – Vol. 57, № 4. – Р. 245–250. https://doi.org/10.1179/0032589914Z.000000000192Hryha E., Nyborg L. Effectiveness of reducing agents during sintering of Cr-prealloyed PM steels. Powder Metallurgy, 2014, vol. 57, no. 4, pp. 245–250. https://doi.org/10.1179/0032589914Z.000000000192Мейлах, А. Г. Влияние добавок оксалатов железа, кобальта и никеля на уплотнение при спекании и свойства порошковой меди / А. Г. Мейлах, Р. Ф. Рябова // Физика и химия обработки материалов. – 1998. – № 1. – С. 15–19.Meilakh A. G., Ryabova R. F. Influence of iron, cobalt and nickel oxalates additives on compaction during sintering and properties of powder copper. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 1998, no. 1, pp. 15–19 (in Russian).Ускокович, Д. П. Активированное спекание / Д. П. Ускокович, Г. В. Самсонов, М. М. Ристич. – Белград: Междунар. ин-т науки о спекании, 1974. – 374 с.Uskokovich D. P., Samsonov G. V., Ristic M. M. Activated Sintering. Belgrade, International Sintering Science Institute, 1974. 374 p. (in Russian).Либенсон, Г. А. Процессы порошковой металлургии / Г. А. Либенсон, В. Ю. Лопатин, Г. В. Комарницкий. – М.: МИСиС, 2001. – 367 с.Libenson G. A., Lopatin V. Yu., Komarnitsky G. V. Powder Metallurgy Processes. Moscow, Moscow Institute of Steel and Alloys, 2001. 367 p. (in Russian).Авакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Авакумов. – Новосибирск: Наука, 1986. – 307 с.Avakumov E. G. Mechanical Methods of Activation of Chemical Processes. Novosibirsk, Nauka Publ., 1986. 307 p. (in Russian).Ермилов, А. Г. Интенсификация твердофазных взаимодействий с помощью предварительной механической активации / А. Г. Ермилов // Известия вузов. Цветная металлургия. – 1997. – № 1. – С. 53–61.Ermilov A. G. Intensification of solid-phase interactions using preliminary mechanical activation. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya = Universities’ Proceedings. Nonferrous Metallurgy, 1997, no. 1, pp. 53–61 (in Russian).Мейлах, А. Г. Эффективность и механизм активирования спекания порошковой стали за счет добавок меди и углерода / А. Г. Мейлах, Р. Ф. Рябова // Физика и химия обработки материалов. – 2002. – № 4. – С. 73–78.Meilakh A. G., Ryabova R. F. Efficiency and activation mechanism of sintering of powder steel due to the addition of copper and carbon. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2002, no. 4, pp. 73–78 (in Russian).Мейлах, А. Г. Активирование спекания порошков Cr–Ni стали добавками порошка графита и ультрадисперсного никеля / А. Г. Мейлах, Р. Ф. Рябова // Физика и химия обработки материалов. – 2002. – № 5. – С. 44–49.Meilakh A. G., Ryabova R. F. Activation of sintering of Cr–Ni powders became additives of graphite powder and ultrafine nickel. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2002, no. 5, pp. 44–49 (in Russian).Браун, М. П. Физика металлов / М. П. Браун. – Киев: Наук. думка, 1986. – 343 с.Braun M. P. Physics of Metals. Kiev, Naukova dumka Publ., 1986. 343 p. (in Russian).Райченко, А. И. Диффузионные расчеты для порошковых смесей / А. И. Райченко. – Киев: Наук. думка, 1969. – 102 с.Raichenko A. I. Diffusion Calculations for Powder Mixtures. Kiev, Naukova dumka Publ., 1969. 102 p. (in Russian).Герцрикен, С. Д. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе / С. Д. Герцрикен, И. Я. Дехтяр. – М.: Физматгиз, 1963. – 320 с.Herzriken S. D., Dehtyar I. Ya. Diffusion in Metals and Alloys in the Solid Phase. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1963. 320 p. (in Russian).Ивенсен, В. А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании / В. А. Ивенсен. – М.: Металлургия, 1971. – 269 с.Ivensen V. A. Sintering Kinetics of Metal Powders during Sintering. Moscow, Metallurgiya Publ., 1971. 269 p. (in Russian).Крашенинников, С. А. Технология соды / С. А. Крашенинников. – М.: Химия, 1988. – 303 с.Krasheninnikov S. A. Soda Technology. Moscow, Khimiya Publ, 1988. 303 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.