Lab

Таблица 12.2 - Физико-механические свойства порошковых конструкционных материалов общего назначения без термической обработки

Марка	Предел прочно-	Относительное	Ударная	Твёрдость
материала	сти при растя-	удлинение по-	вязкость, КСV,	НВ
	жении δВ , МПа	сле разрыва, δ,	кДж/м2,
	не менее	%, не менее	не менее
СП10-1	100	6	200	50-70
СП10-2	120	8	350	70-80
СП10-3	150	12	500	80-90
СП10-4	250	18	700	90-130
СП30-1	120	6	200	50-70
СП30-2	160	8	350	70-80
СП30-3	200	12	500	80-90
СП30-4	250	18	700	90-130
СП70-1	120	5	150	50-70
СП70-2	200	8	300	70-90
СП70-3	280	10	400	90-110
СП70-4	350	15	600	110-150
СП30Д3-2	220	4	300	70-90
СП30Д3-3	280	6	400	90-100
СП30Д3-4	360	10	600	100-140
СП70Д3-2	260	3	200	80-100
СП70Д3-3	360	5	300	100-120
СП70Д3-4	450	8	450	120-160
СП30Д3П-2	300	3	200	90-110
СП30Д3П-3	360	4	300	110-130
СП30Д3П-4	450	6	400	130-180

12.5 Маркировка порошковых сталей

Марки порошковых сталей обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы «СП» указывают, что сталь получена методом порошковой металлургии. Число после букв «СП» показывает среднее содержание общего углерода в сотых долях процента (содержание свободного углерода при этом не превышает 0,2 %). Следующие за этим числом буквы обозначают легирующие элементы. Обозначение как в легированных сталях: Д – медь, Н – никель, С – кремний, Х – хром и т. д.

Цифра после дефиса указывает подгруппу плотности материала: 1 – пористость 26 – 16 %, плотность γ = 6,0 – 6,6 г/см3;

2– пористость 15 - 10 %, плотность γ = 6,7-7,1 г/см3;

3– пористость 9 – 12 %, плотность γ = 7,2-7,7 г/см3;

135

4 – пористость не более 2 %, плотность γ ≥ 7,7 г/см3.

12.5 Микроструктура порошковых сталей

Свойства порошковых сталей зависят от их макро- и микроструктуры. Структурными составляющими порошковых материалов являются металлические фазы, образующие основу материала и неметаллические включения (например, графит, оксиды, карбиды, нитриды и др.). Металлическая основа порошковых сталей, как и литых сталей – ферритная, феррито-перлитная или перлитно-цементитная, согласно диаграмме Fe – Fe3C.

Пористость может рассматриваться как совокупность сообщающихся протяжённых пор – каналов, которые могут быть тупиковыми, изолированными, а также выходить на поверхность и сообщаться между собой. Для определения формы пор и их распределения приготовляют шлифы по различным направлениям по отношению направления прессования и изучают пористость на непротравленных или слегка протравленных шлифах.

При травлении железографитовых сплавов 4 %-ным раствором азотной кислоты в спирте выявляются цементитные и ферритные составляющие. Перлит окрашивается в коричневый цвет, феррит остаётся светлым. Для выявления цементита проводят травление пикратом натрия. При травлении образец часто просто погружают в травитель, однако, если материал пористый, травитель проникает в поры и трудно из них вымывается, что приводит к коррозии шлифа. Для материалов с более 20 % пор целесообразно применять метод втирания. Распределение пористости и включений рекомендуется исследовать при 150–200-кратном увеличении. При исследовании пористых материалов на микрошлифах трудно отличить поры от включений графита. В этом случае следует обращать внимание на разность очертания границ. Границы пор очерчены более чётко, в то время как включения графита не имеют резких очертаний. Поры легко отличить от включений графита при изменении фокусировки микроскопа, так как при приближении к окуляру выявляется дно поры.

Из анализа микроструктур (рисунки 12.1, 12.2) следует, что если до спекания образец представляет собой конгломерат поверхностнодеформированных частиц, разделённых между собой межчастичными границами и порами различной формы (рисунок 12.1), то после спекания частицы приобретают более равновесную форму, межчастичные границы утончаются, а их сплошность нарушается, что приводит к возникновению качественно новых контактных участков с характерными металлическими свойствами

(рисунок 12.2).

Порошковые стали характеризуются значительной химической и структурной неоднородностью. Это определяется тем, что спекание выполняется при температурах ниже температуры плавления; скорости диффузии элементов, входящих в состав сплава, не обеспечивают полного растворения

(рисунок 12.3).

136

На нетравленых шлифах хорошо различимы некоторые металлические включения, например, меди (рисунок 12.4). Залегания видны в виде розовожёлтых включений, расположенных на стыках частиц, прилегающих к порам. После травления крупные включения графита хорошо заметны.

	х340		Феррит, перлит, свободный
			графит, поры х340
Рисунок 12.1- Микроструктура			Рисунок 12.2 - Микроструктура
спрессованного образца из			спеченной стали СП50-1
шихты СП50

				медь
Феррит, перлит, цементит,			Феррит, перлит, цементит,
графит, поры х340			выделения меди, поры х450
Рисунок 12.3 – Микроструктура			Рисунок 12.4 - Микроструктура
спеченной стали СП100-2			спечённой стали СП150Д2-1

12.6 Термическая обработка порошковых сталей

Для порошковых сталей возможно применение различных видов термической обработки. Наличие пористости в изделиях вызывает необходимость ряда условий: нагрев под закалку необходимо вести в защитных средах или вакууме время нагрева и время выдержки должно быть на 20-30 % больше, чем для литых сталей аналогичного состава, вследствие пониженной теплопроводности необходимы повышенные скорости охлаждения.

137

Принципиальное отличие закалённых порошковых сталей от беспористых состоит в том, что если твёрдость у порошковых сталей после закалки повышается (как в беспоритых сталях соответствующего химического состава), то прочность либо повышается несущественно по отношению к спечённому состоянию, либо даже несколько понижается. В порошковых сталях при закалке на величину и распределение закалочных напряжений будут оказывать влияние поры, межчастичные границы, химическая неоднородность. Это влияние проявляется в крайне неравномерном распределении в изделиях внутренних напряжений, появлении их пиков в устьях пор и других дефектах структуры, что снижает вязкость и способствует хрупкому разрушению.

Повышение прочности в закалённых сталях происходит только после отпуска с температур, обеспечивающих снятие закалочных напряжений. Установлено, что максимальная прочность закаленных порошковых сталей достигается после проведения отпуска в интервале температур 200-450 ºС.

Скорость охлаждения при термической обработке оказывает решающее влияние на структуру и свойства изделий, поэтому она строго устанавливается в зависимости от назначения обработки и требований, предъявляемых к термически обрабатываемым изделиям. При закалке в масле твёрдость ниже, чем при закалке в воде, но наблюдается повышение прочности. Объясняется это тем, что более «мягкая» закалка в масле снижает величину и неоднородность внутренних напряжений и обеспечивает более устойчивое состояние структуры по сравнению с закалкой в воде. Охлаждение в масле при закалке

вбольшинстве случаев не обеспечивает получение мартенситной структуры,

асоответственно высокой прочности и твёрдости.

Преимущество воды в качестве закалочной жидкости заключается в том, что она, обладая высокой охлаждающей способностью в интервале температур 650-550 ºС, подавляет диффузионное превращение аустенита в области его минимальной устойчивости.

Это свойство воды является особенно ценным для порошковых сталей в связи с пониженной устойчивостью аустенита. Одновременно повышенная охлаждающая способность воды в области температур 300-100 ºС не обеспечивает равномерного охлаждения, способствует появлению в закалённых изделиях внутренних трещин, а также трещин и «мягких» пятен на поверхности.

Температура нагрева при термической обработке оказывает большое влияние на структуру и свойства обрабатываемых порошковых сталей, поэтому она устанавливается в зависимости от состава стали, её пористости и назначения обработки. Температура нагрева под закалку для углеродистых и низколегированных сталей выше точки Ас3 на 60-80 ºС. Оптимальная температура отпуска связана также с пористостью, с увеличением пористости сталей температура отпуска повышается.

На кафедре МТМ ОГУ проведён большой объём работ по термической и химико-термической обработке порошковых сталей с нагревом в соляных ваннах.

138

Порошковые стали из-за наличия пор имеют повышенную склонность к коррозии по сравнению с литыми сталями. Снижение коррозии порошковых сталей достигается проведением термической обработки по предложенной нами технологии, а также за счёт введения операций пассивации и маслопропитки после термической обработки (таблица 12.3).

Таблица 12.3 - Технология термической обработки спечённых сталей

№	Наименование	Среда	Темпе-	Время,
	операций		ратура,	мин.
			ºС
1	Ванна нагрева	Соляная ванна состава	760-950	В зависимо-
	деталей	75-80 % BaCl2 + 25-20 % NaCl		сти от разме-
				ров и массы
2	Ванна закалки	Вода + 0,5 % NaCl или масло		1-2
3	Участок сушки	Сжатый подогретый воздух	70-100	3-6
	после закалки
4	Ванна отпуска	50 % KNO3 + 50 % NaNO2	160-500	9-18
5	Первая отмывка	Вода + 1 % Na2CO3	90-100	3-6
6	Вторая отмывка	Вода	90-100	3-6
7	Пассивация	Вода + 4-5 % NaNO2 + 1-1,5 % Na2CO3	90-100	3-6
8	Сушка		100-120	3-6
9	Ванна пропитки	Масло И-20	80-90	3-6

Примечание - Время 3-6 минут в зависимости от размеров деталей

Проведённые коррозионные испытания показали, что скорость коррозии порошковых изделий различной пористости при относительной влажности воздуха 90 % практически равна скорости коррозии аналогичных порошковых материалов после спекания. Установлено, что и после длительного хранения коррозионная стойкость термообработанных в соляных расплавах порошковых материалов сравнима с коррозией аналогичных материалов после спекания.

Сравнительные исследования различных защитных сред при термической обработке порошковых сталей позволяют сделать заключение, что при нагреве порошковых сталей в соляных ваннах свойства их выше и стабильнее, чем при применении газовых защитных атмосфер (рисунок 12.5).

Кроме того, время термической обработки с использованием соляных ванн в 4-6 раз меньше и операция выполнения термической обработки легко поддаётся автоматизации.

12.7 Порядок выполнения работы

12.7.1Ознакомиться с образцами деталей, изготовленных методом порошковой металлургии.

12.7.2По излому сделать выводы о равномерности спекания образца,

139

140

Сплошные линии - термообработка в соляных ваннах, штриховые линии – термообработка в среде водорода

Рисунок 12.5 – Влияние среды нагрева и температуры отпуска на механические свойства порошковой стали СП150Д2,5

наличии оплавления, окисления.

12.7.3Просмотреть под микроскопом микрошлифы порошковых сталей в нетравленом виде и травленные.

12.7.4Описать наличие пор, их форму, размеры, распределение по объёму изделия.

12.7.5Определить и записать микроструктуру стали, металлические фазы, наличие неметаллических включений.

12.7.6По маркировке определить химический состав порошковых

сталей.

12.7.7Определить массу и объём порошковой детали. Вычислить относительную плотность θ, % и пористость П, %.

Относительная плотность определяется отношением плотности спечённого изделия к плотности компактного сплава

θ= γ 100 ,

γк

где γ – плотность спрессованного или спечённого изделия, г/см3; γ к - плотность того же изделия в беспористом состоянии (компактного

сплава), г/см3.

П= 100 - θ

12.7.8Измерить твёрдость HB спечённых образцов порошковой

стали.

12.8 Содержание отчета

12.8.1Цель работы.

12.8.2Характеристика основных процессов порошковой металлургии.

12.8.3Описание микроструктуры образцов порошковой стали.

12.8.4Расчёт плотности и пористости спечённого образца.

12.8.5Результаты измерения твёрдости.

12.8.6Выводы.

12.9 Контрольные вопросы

12.9.1Что такое порошковая металлургия?

12.9.2Преимущества и недостатки метода порошковой металлургии.

12.9.3Технологическая схема получения изделий методом порошковой металлургии.

12.9.4Сущность процесса формообразования.

12.9.5Методы формования заготовок.

141

12.9.6Назначение процесса спекания. При каких температурах и в каких защитных средах ведётся спекание? Внешние признаки спекания.

12.9.7Какова структура порошковых сталей?

12.9.8Маркировка порошковых сталей.

12.9.9Классификация и области применения порошковых материалов.

142

13 Лабораторная работа № 13

Твёрдые сплавы

13.1 Цель работы

Ознакомиться с технологией изготовления твердых сплавов, их свойствами, микроструктурой и применением.

13.2 Основные сведения

Порошковые твердые сплавы впервые появились в 1923-1925 годах (изготовитель - германская фирма "Осрам"), что позволило увеличить скорости резания в 5-10 раз. При эксплуатации инструмента выяснилось, что дорогостоящий вольфрам, используемый при изготовлении твердых сплавов, даёт гораздо больший эффект, чем, например, в составе быстрорежущей стали. Так, инструментом с одной и той же массой вольфрама, в случае применения твердосплавного инструмента можно обработать в 6 раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали.

В нашей стране промышленное производство твердых сплавов было начато на Московском электрозаводе в 1929 году выпуском вольфрамокобальтового твердого сплава марки ВК10 ("Победит").

Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием различных материалов, в том числе чугунов, нержавеющих, жаропрочных и специальных сталей и сплавов. Важной областью применения твердых сплавов является их использование для волочения и калибрования проволоки, прутков, труб и т.д. Штамповый твердосплавный инструмент высокой прочности и износостойкости применяют для работы в условиях ударных нагрузок и для высокопроизводительного горного инструмента.

13.3 Классификация и маркировка твердых сплавов

Твердые сплавы представляют собой сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC) и металлической связки (кобальт или никель). Твердые сплавы обычно содержат 70-97 % тугоплавких карбидов. Они обладают высокой твердостью (86-92 HRA), красностойкостью (800-1000 °С) и износостойкостью при меньшей прочности по сравнению с быстрорежущей сталью (σ < 2500 МПа).

Твердые сплавы условно делят на 4 группы:

1) однокарбидные вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама

икобальта (WC – Co);

2)двухкарбидные титановольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама (основа), карбида титана и кобальта (WC - TiC - Co);

143

3)титанотанталовольфрамовые сплавы, в состав входят карбиды вольфрама (основа), титана, тантала и кобальт (WC – TiC – TaC – Co);

4)безвольфрамовые твёрдые сплавы, состоящие из карбида или карбонитрида титана, связки Ni или сплава Ni - Mo: TiC - Ni - Mo (сплавы ТН); TiC – TiN - Ni - Mo (сплавы КНТ).

Вольфрамовые сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, указывающей процентное содержание кобальта, например, сплав ВК6 содержит 6 % кобальта, остальное (94 %) - карбид вольфрама. К этой группе относятся сплавы ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, BKIO, BKI5, ВК20, ВК25. Чем больше кобальта

втвердом сплаве, тем выше прочность, но ниже твердость и износостойкость. Теплостойкость их - до 800 °С. Для сплава ВК8, например, предел

прочности при изгибе σu = 1717 МПа, твёрдость 87,5 НRА, а для сплава ВК25: σu = 2452 МПа, 83 HRA.

Буква М в марке сплава обозначает, что сплав мелкозернистый (ВК6 М), буква К – крупнозернистый (ВК20 – К), буква В указывает, что изделия спекались в атмосфере водорода (ВК6-В). Сплавы с крупным зерном отличаются повышенной ударной вязкостью. Чем меньше зерно карбидной фазы, тем выше износостойкость твёрдого сплава.

Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквами ТК и цифрами, стоящими после каждой цифры, которые указывают конкретное содержание карбида титана и кобальта. Так, Т15К6 содержит 15 % карбида титана, 6 % кобальта, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТК – до 900-1000 °С.

Титанотанталовольфрамовые сплавы обозначаются буквами ТТК и цифрами: ТТ7К12 - карбидов титана и тантала - 7 %, кобальта 12 %, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТТКдо 1000 °С.

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, отсутствием дефицитного вольфрама, вдвое меньшей плотностью по сравнению со сплавами группы ВК, однако уступают им по прочности, ударной вязкости и теплопроводности.

Химический состав безвольфрамовых твёрдых сплавов:

карбидотитановые – 70-80 % TiC, 20-40 % Ni-Mo (сплавы TH-20, TH30, TH-40);

карбидонитридотитановые – 25-45 % TiC, 25-45 % TiN, 30-35 % Ni-Mo (KHT16 и др.)

При обработке сталей используются сплавы группы ТК, а чугунов - группы ВК. Сплавы группы ТТК более универсальные, применяются как при обработке сталей, так и чугунов. Безвольфрамовые твердые сплавы рационально использовать при получистовой и чистовой обработке углеродистых сталей и цветных металлов.

144