Влияние природы углеродных материалов на структуру и свойства порошковых сталей - Автореферат

Исследован широкий круг УСК, отличающихся друг от друга степенью графитации, типом кристаллической решетки, морфологией частиц, гранулометрическим и химическим составом, которые оказывают определяющее влияние на процессы формирования структуры и свойств нелегированных порошковых сталей в процессе их получения. Показано, что применение ГИСМ, ВП и ПУ для приготовления шихты порошковых сталей, приводит к повышению ее однородности при меньшем времени смешивания. Считая что кинетика спекания порошковых сталей с точностью до геометрического коэффициента соответствует кинетике массопереноса атомов на контактные участки, можно утверждать, что в присутствии на межчастичных границах ВП и ГИСМ реализуется механизм переноса атомов через газовую фазу и путем поверхностной диффузии, а в случае ПУ и ГК имеет место объемная диффузия и даже вязкое течение. Показано, что во всех температурных интервалах и для всех порошковых сталей коэффициент диффузии выше, чем коэффициент диффузии в литую сталь 45, что свидетельствует о большей неравновесности их структуры. Проведенные исследования износостойкости и коэффициента трения, жаростойкости, коррозионной стойкости во многих средах полученных сталей с диффузионным покрытием вышеуказанного состава толщиной до 900 мкм на поверхности показало, что трибологические характеристики соответствуют стали ШХ15СГ, а коррозионная стойкость и жаростойкость находится на уровне свойств стали 12Х18Н10Т.

1. Сформулированы основные требования к углеродсодержащим компонентам (УСК), вводимым в состав порошковой шихты при производстве порошковых сталей. Исследован широкий круг УСК, отличающихся друг от друга степенью графитации, типом кристаллической решетки, морфологией частиц, гранулометрическим и химическим составом, которые оказывают определяющее влияние на процессы формирования структуры и свойств нелегированных порошковых сталей в процессе их получения. Показано, что по большинству показателей высокотемпературный каменноугольный пек (ВП), искусственный графит (ГИСМ) и пироуглерод (ПУ) превосходят карандашный графит (ГК), наиболее широко применяемый в современной промышленности.

2. Показано, что применение ГИСМ, ВП и ПУ для приготовления шихты порошковых сталей, приводит к повышению ее однородности при меньшем времени смешивания. Установлено существование эффекта «обволакивания» частиц железа частицами УСК, что предотвращает сегрегацию УСК и положительно сказывается на последующих этапах технологического цикла. Показано, что эти факторы препятствуют возникновению металлического контакта между частицами и стенками матрицы при прессовании. В свою очередь последнее позволяет на 15-30% снизить давление прессования, что существенно улучшает качество прессовок и снижает износ прессовой оснастки.

3. Изучены основные закономерности спекания прессованных заготовок, содержащих УСК различной природы в исходной шихте. Показано, что применение УСК различной природы в исследуемых количествах от 0,3 до 1,2% С затрудняют процесс спекания железных порошков, причем менее всего замедляет ГК, а наиболее сильно затрудняет процесс спекания ВП, что объясняется существованием наибольшего числа контактов Fe-Fe в первом случае и их полным отсутствием во втором.

4. Установлено, что при всех температурах и количествах УСК различной степени графитации и природы кривые зависимости объемной усадки от времени имели параболических характер. Математическая обработка экспериментальных кривых позволила установить величину показателя при ?, которая изменяется от 0,054 до 0,405. В соответствии с теорией припекания Кучинского величина этого показателя свидетельствует о различных механизмах массопереноса атомов спекающихся систем к контактной поверхности (перенос через газовую фазу, поверхностная диффузия, объемная диффузия, вязкое течение). Считая что кинетика спекания порошковых сталей с точностью до геометрического коэффициента соответствует кинетике массопереноса атомов на контактные участки, можно утверждать, что в присутствии на межчастичных границах ВП и ГИСМ реализуется механизм переноса атомов через газовую фазу и путем поверхностной диффузии, а в случае ПУ и ГК имеет место объемная диффузия и даже вязкое течение.

5. Показано, что при применении ПУ и ГК в структуре порошковой стали после спекания остаются нерастворившиеся включения углерода. Это приводит к возникновению повышенной остаточной пористости, большой неоднородности структуры стали и низким механическим свойствам. (410 МПА для ПУ и 315 ГК) Применение ГИСМ и ВП позволяет в большей степени устранить эти недостатки (ВП 510 МПА и 480 МПА для ГИСМ). Однако получить остаточную пористость ниже 20% не удается.

6. Применение электроконтактного спекания (ЭКС) позволило уменьшить время спекания до 20 с, остаточную пористость до 5-6%, что повышает прочность на растяжение порошковых сталей до 580 МПА. Изучение кинетики и механизма спекания в процессе ЭКС показало, что сначала имеет место спекание с участием жидкой фазы, т.е. реализуется зависимость V=k·?1. Это объясняется наличием жидкой фазы на контактных участках в процессе ЭКС.

7. Применение горячей штамповки (ГШ) различных видов термической обработки, термоциклической термообработки позволило снизить пористость до 0,5% получить структуру мелкозернистого перлита и повысить прочность стали до 1150 МПА, относительное удлинение 16% при использовании ВП, что соответствует свойствам соответствующих компактных материалов.

8. Разработаны процессы многокомпонентного диффузионного насыщения порошковых сталей в порошковой засыпке с активаторами NH4Cl и NAF и в расплаве солей с индукционном нагревом в интервале температур Т=1100-1200°С. Получаемые диффузионные слои имеют толщину 800-900 мкм и состоят из карбидов хрома, смеси карбидов хрома и ферросиликохрома, твердого раствора хрома в ?-железе.

9. Рассчитаны коэффициенты коллективной диффузии атомов Cr, Si, Al в порошковые стали и литую сталь 45. Показано, что во всех температурных интервалах и для всех порошковых сталей коэффициент диффузии выше, чем коэффициент диффузии в литую сталь 45, что свидетельствует о большей неравновесности их структуры. Наибольшее различие имеет место при насыщении из расплавов солей с нагревом ТВЧ. Энергии активации при диффузии в сталь 45 в четыре раза выше, чем при диффузии в порошковые стали. Коэффициент монодиффузии атомов Cr, Si, Al в эти стали на порядок ниже, чем в случае коллективной диффузии.

10. Проведенные исследования износостойкости и коэффициента трения, жаростойкости, коррозионной стойкости во многих средах полученных сталей с диффузионным покрытием вышеуказанного состава толщиной до 900 мкм на поверхности показало, что трибологические характеристики соответствуют стали ШХ15СГ, а коррозионная стойкость и жаростойкость находится на уровне свойств стали 12Х18Н10Т.

11. Разработана усовершенствованная технология порошковых сталей и создание на их поверхности диффузионных слоев с участием Cr, Si, Al позволила создать комплекс технологической оснастки и деталей основного оборудования, используемых в углеродной промышленности России. В соответствие с о актами внедрения основных электродных заводов РФ суммарных экономический эффект от использования разработанной технологии получения порошковых сталей составляет свыше 50 млн. руб. в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

1. В.И. Малеванный, А.В. Скориков, Е.В. Козлов, Ж.В. Еремеева Влияние свинца на структуру и свойства высокоплотных порошковых материалов. // Изв. Сев. Кавк. науч. Центра высшей школы Технические науки - 1990 - №4 - С. 110-111

2. А.В. Скориков, В.Г. Шишка, Ж.В. Еремеева Влияние количества циклов при термоциклической обработке на механические свойства горячештампованных порошковых сталей. // Изв. Сев. Кавк.науч. центра высш. шк. Технические науки. - 1992. - №1-2.-С. 28-30

3. В.Ю. Дорофеев, А.В. Скориков, В.Г. Шишка, Ж.В. Еремеева Влияние лигатур на основе высокотемпературных органических соединений на основе порошковых сталей. // Теория и технология производства порошковых материалов и изделий: Сборник научных трудов-Новочеркасск, 1993-С. 31-33

4. Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова Влияние характеристик углеродосодержащих компонентов шихты на структурообразование и свойства порошковых горячедеформированных сталей. Сообщение 1. // Порошковая металлургия - Киев, 1994 г. №10 С. 94-99.

5. Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова Влияние характеристик углеродосодержащих компонентов шихты на структурообразование и свойства порошковых горячедеформированных сталей. Сообщение 2. // Порошковая металлургия - Киев, 1994 г. №12 С. 88-94

6. Скориков А.В. Жердицкая Н.Н. Шишка В.Г. Еремеева Ж.В., Яицкий Д.Л. Особенности термоциклической обработки горячедеформированных порошковых сталей. // Термическая обработка сталей - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1994. - С. 104-107

7. Ю.Г. Дорофеев, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Т.В. Гончарова Влияние характеристик углеродосодержащих компонентов шихты на структурообразование и свойства порошковых горячедеформированных сталей. Сообщение 3. // Порошковая металлургия - Киев, 1995 г. №2 С. 119-125

8. Н.Н. Жердицкая, Ж.В. Еремеева Роль зернограничного проскальзывания в уплотнении порошковых материалов // Автосервис, машины и агрегаты, механика. Сборник научных Трудов Донская гос. Академия сервиса. - Шахты. - 1996. - Вып.20 - С. 13-15

9. Н.Т. Жердицкий, Н.Н. Жердицкая, Ж.В. Еремеева Новые фрикционные материалы для автомобилей. // Исследование проблем совершенствования автомобильного транспорта Сборник научных трудов посвященный 50-летию кафедры «АИАХ» - Новочеркасск: НТГУ, -1996-С. 15-18

10. Дорофеев В.Ю., Еремеева Ж.В., Ульяновский А.П., Яицкий Д.Л. Прессование порошков с нагревом прямым пропусканием электрического тока // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки. - Ростов-на-Дону-1998 С. 98-101

11. В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, Д.Л. Яицкий, А.П. Ульяновкий Влияние типа углеродсодержащего компонента и способа формования шихты на химический состав железоуглеродистых материалов. // Металлург - №8-2002-С. 45-47

12. Ж.В. Еремеева, А.П. Еремкин, М.Ю. Викко Кинетика диффузионного силицирования порошковых материалов // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №4 - М. - 2004-С. 180-182

13. Ж.В. Еремеева, А.П. Ульяновский Влияние углеродсодержащих компонентов на структуру и свойства порошковых горячештампованных сталей // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №4 - М. - 2004 - С. 183-184

14. Ж.В. Еремеева, А.А. Капустина, Е.В. Максименко Исследование применения нефтяных коксов в порошковой металлургии // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №4 - М. - 2004-С. 221-222

15. В.И. Костиков, Ж.В. Еремеева, Н.В. Митяева Влияние смачивания каменноугольным пеком графитизированного наполнителя в композиционных материалах // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №4 - М. - 2004 - С. 223-224

16. Ж.В. Еремеева, В.А. Агеев, И.Ю. Лихачев Получение диффузионных хромоалюмосилицированных покрытий на порошковых // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №5 - М. - 2005-С. 375-377

17. Ж.В. Еремеева. В.А. Агеев Определение влияния технологических параметров диффузионного хромоалюмосилицирования на толщину диффузионного слоя // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №5-2005-С. 377-379

18. Ж.В. Еремеева, Н.Н. Жердицкая, В.А. Агеев, И.Ю. Лихачев Роль зернограничного проскальзывания в уплотнении порошковых материалов с покрытием Cr-Si // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №5 - М. - 2005-С. 382-384

19.Ж.В. Еремеева, Г.Х. Шарипзянова Состав диффузионных слоев и влияние типа активатора на структуру получаемых при диффузионном хромосилицировании порошковых материалов // Технология металлов. - 2007. - №7. - С. 31-34

20.В.И. Костиков, В.Ю. Дорофеев, Ж.В. Еремеева, А.П. Ульяновский Защитные атмосферы в порошковой металлургии. // Технология металлов. - 2007- №12. - С. 30-33.

21.Ж.В. Еремеева, Э.В Кучнова., Г.Х. Шарипзянова Состав диффузионных слоев, получаемых при диффузионном алитировании порошковых материалов // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сборник научных трудов МГВМИ и Союза кузнецов. Вып. №7. - М. - 2007. - С. 180-182.

22.Ж.В. Еремеева, Г.Х. Шарипзянова Диффузионное хромоалюмосилицирование порошковых материалов // Сборник трудов МГВМИ к 70-летию вуза.-М. - 2007 - С. 232-235.

23. V.I. Kostikov, Yu.G. Dorofeev, Zh.V. Eremeeva Specific features of application of nonconventional carbon-containing components in technology of powder steels. Report 1 //Russian Journal of Non-Ferrous Metals - Allerton Press, Inc. distributed exclusively by Springer Science Business Media LLC ISSN1067-8212 (Print) 1934-970X - Volume 49 - Number 4 - Август 2008 г. - рр. 280-282

24. Костиков В.И., Дорофеев В.Ю., Еремеева Ж.В. Восстановление оксидных пленок в процессе консолидации шихты порошковых заготовок // Металлург - 2008 - №7 - С. 56-58

25. Коростелев А.Б., Еремеева Ж.В. Повышение эксплуатационных свойств порошковых стальных деталей путем многокомпонентного насыщения рабочих поверхностей // Металлург -2008- №4-С. 55-57

26. Коростелев А.Б., Еремеева Ж.В., Чумак-Жунь Д.А., Ульяновский А.П., Молчанов Термическая обработка порошковых сталей после многокомпонентного диффузионного насыщения // Технология металлов -2008- №9 - С. 15-18

27. Замулаева Е.И., Еремеева Ж.В., Кудряшов А.Е. Углеродсодержащие и наноструктурные WC-Co электроды для электроискрового модифицирования поверхности сплавов // Технология металлов - 2008 - №11-С. 24-28

28. Еремеева Ж.В., Костиков В.И., Дорофеев Ю.Г., Жердицкая Н.Н., Ульяновский А.П., Шарипзянова Г.Х. Особенности применения нетрадиционных углеродсодержащих компонентов в технологии порошковых сталей. Сообщение 1. Влияние нетрадиционных углеродсодержаших компонентов на процессы подготовки шихты и прессования заготовок порошковых сталей. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия - 2008 - №1 - С. 6-9

29. Костиков В.И., Дорофеев В.Ю., Еремеева Ж.В., Жердицкая Н.Н., Ульяновский А.П. Влияние параметров термоциклической обработки на механические свойства горячештампованной порошковой стали. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2008 - №3-С. 10-13

30. В.И. Костиков Ю.Г. Дорофеев Ж.В. Еремеева Н.Н. Жердицкая А.П. Ульяновский Г.Х. Шарипзянова Особенности применения нетрадиционных углеродсодержащих компонентов в технологии порошковых сталей. Сообщение 2 // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. -2008,- №4 - ЙС.5-9

31. В.И. Костиков, Ж.В. Еремеева Д.Л. Яицкий, Д.А. Слюта Г.Х. Шарипзянова Фрикционные свойства углерод-углеродных композиционных материалов. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия-2008 - №3 - С. 52-56

32. Еремеева Ж.В., Костиков В.И., Дорофеев Ю.Г.; Жердицкая Н.Н., Ульяновский А.П., Шарипзянова Г.Х. Особенности применения нетрадиционных углеродсодержащих компонентов в технологии порошковых сталей. Сообщение 3. Влияние технологических факторов на структурообразование и свойства горячедеформированных порошковых сталей // Порошковая металлургия и функциональные покрытия - 2009 - №1 - С. 17-22

33. Замулаева Е.И., Еремеева Ж.В., Кудряшов А.Е. Углеродсодержащие и наноструктурные WC-Co электроды для электроискрового модифицирования поверхности титановых сплавов // Технология металлов - 2009- №11-С. 24-31

34. V.I. Kostikov, Yu.G. Dorofeev, Zh.V. Eremeeva N.N. Zherditskaya Specific features of application of nonconventional carbon-containing components in technology of powder steels. Report 2 The Influence of Unconventional Carbn-Coataining Components on the Sintering Processes in the Technology of Powder Steel //Russian Journal of Non-Ferrous Metals 2009 - Allerton Press, Inc. distributed exclusively by Springer Science Business Media LLC ISSN1067-8212 (Print) 1934-970X (Online) - Volume 50 - Number 3-pp 266-269

35. A.E. Kudryashov, E.I. Zamulaeva, Zh.V. Eremeeva Pulsed electropark deposition of low friction coating -2009-Moskau - p. 55-57

36. Стрелец А.В., Коломиец И.А., Кудряшов А.Е., Еремеева Ж.В. Влияние вторичной электроискровой обработки углеродсодержащими материалами на свойства титановых сплавов // Металлург - 2009 - №9-С. 77-79

37. V.I. Kostikov, Yu.G. Dorofeev, Zh.V. Eremeeva N Specific features of application of nonconventional carbon-containing components in technology of powder steels. Report 3 The Effect of Technology cal Factors on the Structure Formation and Prorerties on Hot-Deformed Powder Steels // Russian Journal of Non-Ferrous Metals -2009 - Allerton Press, Inc. distributed exclusively by Springer Science Business Media LLC ISSN1067-8212 (Print) 1934-970X (Online) - Volume 50-Number 4 - pp 395-399

38. Кудряшов А.Е., Еремеева Ж.В, Замулаева Е.И., Стрелец А.В., Свиридова Т.А. Влияние вторичной электроискровой обработки углеродсодержащими материалами на свойства сплавов. // Упрочняющие технологии и покрытия - №5 - 2010-С. 17 -21.

39. Костиков В.И., Еремеева Ж.В. Влияние нетрадиционных углеродсодержащих компонентов на процессы спекания на процессы спекания в технологии порошковой стали // Сборник трудов 2-ой международной конференции Материаловедение тугоплавких соединений - Киев - май 2010 - С. 67-68

40. Еремеева Ж.В., Дорофеев В.Ю., Батиенков Р.В. Горячая штамповка изделий на основе железа в присутствие жидкой фазы. // Сборник трудов 2-ой международной конференции Материаловедение тугоплавких соединений - Киев - май 2010 - С. 104

Размещено на .ru