Особенности формирования структуры и свойств порошковых сталей с добавками, активирующими диффузионные процессы при спекании

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.

1. Ермаков, С. С. Порошковые стали и изделия / С. С. Ермаков, Н. Ф. Вязников. – М.: Машиностроение, 1990. – 319 с.

2. 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.63.548

3. Hryha, 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.

4. Фиалков, А. С. Углерод, слоистые соединения и композиты на их основе / А. С. Фиалков. – М.: Аспект Пресс, 1997. – 718 с.

5. 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.

6. 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.

7. Влияние типа углеродсодержащего компонента и способа формования шихты на химический состав железоуглеродистых материалов / В. Ю. Дорофеев [и др.] // Металлург. – 2002. – № 8. – С. 45–47.

8. Еремеева, 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.

9. 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.

10. Дьячкова, 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.

11. Анциферов, В. Н. Порошковые легированные стали / В. Н. Анциферов, В. Б. Акименко, Л. М. Гревнов. – М.: Металлургия, 1991. – 318 с.

12. 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.000000000192

13. Мейлах, 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.

14. Ускокович, Д. П. Активированное спекание / Д. П. Ускокович, Г. В. Самсонов, М. М. Ристич. – Белград: Междунар. ин-т науки о спекании, 1974. – 374 с.

15. Либенсон, Г. А. Процессы порошковой металлургии / Г. А. Либенсон, В. Ю. Лопатин, Г. В. Комарницкий. – М.: МИСиС, 2001. – 367 с.

16. Авакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Авакумов. – Новосибирск: Наука, 1986. – 307 с.

17. Ермилов, А. Г. Интенсификация твердофазных взаимодействий с помощью предварительной механической активации / А. Г. Ермилов // Известия вузов. Цветная металлургия. – 1997. – № 1. – С. 53–61.

18. 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.

19. 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.

20. Браун, М. П. Физика металлов / М. П. Браун. – Киев: Наук. думка, 1986. – 343 с.

21. Райченко, А. И. Диффузионные расчеты для порошковых смесей / А. И. Райченко. – Киев: Наук. думка, 1969. – 102 с.

22. Герцрикен, С. Д. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе / С. Д. Герцрикен, И. Я. Дехтяр. – М.: Физматгиз, 1963. – 320 с.

23. Ивенсен, В. А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании / В. А. Ивенсен. – М.: Металлургия, 1971. – 269 с.

24. Крашенинников, С. А. Технология соды / С. А. Крашенинников. – М.: Химия, 1988. – 303 с.