Доклад/ Технические науки – Металлургия и энергетика

УДК:               

Каверинский В. В. Пашинский В. В.

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИСТЫКОВОЙ ЗОНЫ ТВЁРДОГО СПЛАВА И ЖЕЛЕЗОГРАФИТОВОГО МАТЕРИАЛА

Донецкий национальный технический университет

 

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

         В настоящие время достаточно широкое применение находят методы порошковой металлургии и, в частности методы с применением технологий горячего прессования и жидкофазного спекания.

         Известно, что путём применения жидкофазного спекания под давлением можно получить материалы с беспористой структурой близкой к литому материалу, но всё же несколько отличающейся. Подобные технологии применялись в производстве порошковых бронз и железографитовых сплавов с добавкой меди, переходившей в жидкую фазу в процессе спекания.

         Методы порошковой металлургии применяются для изготовления железографитовых сплавов. При этом обычно используются технологии твердофазного спекания для получения пористых антифрикционных материалов, применяемых для изготовления подшипников скольжения.

         Встречаются описания методов изготовления железографитовых материалов с применением добавки 10 и 20 %  порошка чугуна.

         Используя методы горячего жидкофазного прессования, применяемого в изготовлении твёрдых сплавов, в производстве железографитовых материалов можно получить структуры близкие к серому чугуну. Материал, полученный подобным образом, не имеет пор и по структуре  напоминает обычный литой чугун, но всё же имеют некоторые особенности. Перспективным представляется изготовление изделий (например, прокатных валков), состоящих из железографитового материала, полученного вышеуказанным способом и приваренного к нему твёрдого сплава. Это позволило бы существенно удешевить валковую продукцию в сравнении с полностью твердосплавными валками.

 

2 МАТЕРИАЛЛЫ И МЕТОДИКА

 

         Были изучены микроструктура и свойства образцов из железографитового материала, полученного методом жидкофазного горячего прессования из порошков железа и графита. Изучалась микроструктура двухслойного образца из сваренных давлением слоёв из вышеуказанного материала и твёрдого сплава ВК25. Кроме того, была изучена микроструктура, возникших в процессе прессования закристаллизовавшихся потёков жидкой фазы. Рассмотренные образцы железографитового материала несколько отличались по составу и режиму спекания. Были сделаны фотографии микроструктур при увеличениях 100× и 250× в случае однослойных образцов и в случае двухслойного образца при увеличениях 200×, 400×, 500× и 1000×; съёмка велась на микроскопе “Neophot” при помощи цифрового фотоаппарата “Kodak C743”. Полировка шлифов из железографита велась при помощи порошка зелёной окиси хрома, для полировки двухслойного образца использовалась алмазная паста. Для проявления микроструктуры образцы подвергались травлению в 5% растворе азотной кислоты в этиловом спирте, двухслойный образец подвергался термическому травлению при ~320°С в течении 5, 10 и 15 минут, а также в 5% растворе азотной кислоты в этиловом спирте исследовались и образцы не подвергавшиеся травлению. Двухслойный образец подвергался термоциклированию с нагревом до температур красного свечения (~500 – 600°С) и охлаждением в воде. Нагрев образца при термоциклировании осуществлялся при помощи газовой горелки. Определение количественных характеристик микроструктур осуществлялось при помощи ЭВМ в программе “ImageTool”. Твёрдость железографитовых образцов измерялась на  приборе  Роквелла по шкале В.

 

3 ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

 

         Микроструктура образцов из вышеуказанных материалов напоминает структуру серых чугунов с шаровидным или хлопьевидным графитом на феррито-перлитной основе, однако, с некоторыми особенностями. Потёки, полученные при прессовании железографитовых материалов, имели структуру серого чугуна с пластинчатым графитом на перлитной или феррито-перлитной основе. Потёки,  полученные при прессовании твёрдых сплава на железоникелевой связке, имели структуру серого, иногда половинчатого(?) чугуна  с пластинчатым графитом на перлитной или феррито-перлитной основе с включениями кристаллов карбида вольфрама.  Структур, соответствующих белым чугунам выявлено небыло.

         Образец №1 имеет структуру серого чугуна на феррито-перлитной основе. Содержание структурных составляющих в образце: феррит – 23,9%; перлит – 63,88%; графит – 12,22%. Графит представлен частицами близкой к шаровидной, хлопьевидной и вытянутой формы. Средний диаметр округлых и хлопьевидных графитовых включений составил 33,8мкм; средняя длина вытянутых частиц – 86,43мкм. Различие в форме частиц графита видимо связанно с формой частиц исходного порошка, кроме того, возможно, имело место выделение пластинчатого графита при кристаллизации жидкой фазы. Частицы графита окружены участками феррита, средний размер зерна этого феррита 38,55мкм. Пористость полностью отсутствует. Наличие жидкой фазы в процессе спекания подтверждается отсутствием пористости, наличием феррита вокруг графитовых включений и наличием потеков. Твёрдость материала образца составила 81,07±4,24 HRB (153 НВ).

         Образец №2 также имеет структуру серого чугуна на феррито-перлитной основе. Содержание структурных составляющих в образце: феррит – 34,58%; перлит – 52,26%; графит – 13,16%. Можно отметить, что материал второго образца содержит больше феррита и, соответственно меньше перлита, очевидно, в связи с этим образец №2 имел значительно более низкую твёрдость – 76±1,95 HRB (140 НВ). Графит имел осколочную, вытянутую либо близкую к шаровидной форму. Надо сказать, что в структуре в пределах одного участка феррита можно наблюдать несколько осколочных графитовых частиц различного размера и формы. Наблюдаются так же достаточно большие участки с малым количеством частиц графита небольшого размера. Средний размер осколочных графитовых включений составил 32,28мкм; средняя длина вытянутых частиц – 62,19мкм при средней ширине 12,2мкм. Пористость в материале отсутствует, как и в первом случае.

         Структура образца №4 немного отличается от структур образцов №1 и №2. Это так же серый чугун на феррито-перлитной основе. Содержание структурных составляющих в образце: феррит – 23,53%; перлит – 68,61%; графит – 7,86. Этот образец среди всех исследованных содержит наименьшее количество феррита и графита. О также имеет наибольшую твёрдость – 82,29±2,5 HRB (156 НВ). Отличительной особенностью структуры материала образца №4 является отсутствие вытянутых графитных частиц. Графит представлен осколочными скоплениями преимущественно округлой формы, которые окружены участками феррита. Интересной особенностью является наличие феррита в центральной части осколочных графитных скоплений – они выглядят как бы разорванными изнутри. Средний диаметр скоплений графита 66,97мкм, что значительно крупнее, чем в образцах №1 и№2. Размеры частиц (осколков) графита, входящих в скопление изменяются от очень мелких – в середине до более крупных – по краям, средний размер мелких частиц составляет 6,3мкм, крупных – 17,7мкм и доходит до 50 – 60мкм. Возможно, более крупные графитные частицы или, по крайней мере, некоторые из них представляют собой участки более плотного скопления мелких частиц графита. Границы зерна феррита на микрофотографиях не разрешались. Пористость отсутствует.

         Микроструктура образца №6 заметно отличается от структуры образцов №1, №2 и №4. Характерной особенностью структуры образца №6 является наличие сильной пористости и малое содержание перлита. Эта структура чем-то напоминает микроструктуру пористых железографитовых антифрикционных сплавов, но имеет ряд особенностей из-за наличия в процессе спекания жидкой фазы. Так как целью являлось получение беспористого материала со структурой серого чугуна, полученная структура является браком – образец был недопрессован вследствие просыпания части шихты, что привело к сохранению пористости в конечном материале. Твёрдость материала образца составила 78,1%±2,43 HRB (146 НВ). Содержание структурных составляющих в образце: феррит – 24,6%; перлит – 37,43; графит и поры – 37,97%. Средний размер пор – 35,16мкм. Можно отметить такую особенность структуры – участки перлита находятся внутри участков феррита, то есть перлит со всех сторон окружён ферритом.

         В двухслойном образце исследовалась микроструктура места стыка (сварки) твёрдого сплава и железографитового материала. При этом последний имел структуру серого чугуна на феррито-перлитной основе, однако, с крайне малым содержанием графита. Вдоль всего места стыка со стороны железографита наблюдалась светлая полоса, видимо свидетельствующая о наличии обезуглероженного слоя. В отдельных участках стыка имелись небольшие поры. Трещин вдоль границы раздела замечено не было даже в месте излома образца. На отдельных участках отмечалась некоторая размытость границы, что может свидетельствовать как о взаимной диффузии, так и о простом механическом «зализывании» в процессе шлифования. Испытание на термоциклирование не привело к разрушению двухслойного образца на макроуровне. Было осуществлено 20 циклов. При изучении микроструктуры стыка и прилежащего к нему материалов после первых десяти циклов было замечено образование микротрещины по стыку, а также образование цепочек графитных частиц и, возможно, микротрещин в пристыковой области железографитового материала. После 20 циклов на железографитовом материале были замечены трещины, видимые невооружённым глазом. Изучение микроструктуры показало, что трещины, очевидно образовывались на местах графитных цепочек.

         Таблица 1 – Количественные характеристики одинарных образцов

№ образца	Объёмная доля структурных составляющих, %			Наличие пористости	Средний размер пор, мкм	Средний размер скоплений графита, мкм	Средний размер графитных частиц, мкм	Средний размер зерна феррита, мкм	Твёрдость, НВ
	Феррит	Перлит	Графит
1	23,9	63,88	12,22	Отсутствует	—	—	33,8; 86,43*	38,55	153
2	34,58	52,26	13,16	Отсутствует	—	—	32,28 62,19×12,2*	—	140
4	23,53	68,61	7,86	Отсутствует	—	66,97	6,3 – 17,7 (до 60)	—	156
6	24,6	37,43	37,97 **	Имеется	35,16	—	—	—	146

         Примечания: * – размеры вытянутых частиц;

                               ** – графит + поры.

 

4 ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

 

            Проведенные исследования подтверждают возможность изготовления беспористых железографитовых материалов методом горячего прессования или спекания под давлением в присутствии жидкой фазы. Структура этих материалов близка к структуре чугуна на феррито-перлитной основе с глобулярной или хлопьевидной формой графита. Форма графитных частиц материала может быть сходна с формой частиц исходного порошка, следовательно, более желательным является порошок графита со сферическими частицами. Особенностью структуры является осколочная форма участков графита как бы взорванных изнутри.

         Твёрдость полученных вышеуказанным методом железографитовых материалов составляет 140 – 156 НВ. Наибольшее значение твёрдости (156 НВ) показал образец №4, в структуре этого образца было выявлено максимальное среди остальных содержание перлита, участки скоплений графита были достаточно правильно оформлены и отсутствовали вытянутые частицы, но именно в этом образце наиболее проявился осколочный характер графитных скоплений. Очевидно, среди использованных режимов и составов наилучшими являются соответствующие именно четвёртому образцу.

         Железографитовые материалы, полученные по данной технологии, могут являться заменителями обычных литых серых и ковких чугунов. Подобная методика получения чугуна может быть применена на производственных предприятиях имеющих возможность изготавливать горячепрессованные порошковые изделия. Перспективным является изготовление прокатных валков, внутренняя часть которых состоит из вышеуказанного железографитового материала, а внешняя – из горячепрессованного твёрдого сплава.

 

образец 1 100х	образец 1 250х
образец 2 100х	образец 2 250х
образец 4 100х	образец 4 250х
образец 6 100х	образец 6 250х
потёк чугуна 100х	Потёк твёрдого сплава 500х
Потёк твёрдого сплава 200х

 

         Литература:

1.     Либензон Г. А. – Производство порошковых изделий. – М.: Металлургия, 1990. – 237 с.

2.     Киффер Р.  Бенезовский Ф. – Твёрдые сплавы. – М.: Металлургия, 1971. – 391 с.

3.     Панов В. С. Чувилин А. М. – Технология и свойства спечённых твёрдых сплавов и изделий из них. – М. «МИСИС», 2001. – 428 с.

4.     Колесниченко Л. Ф., Юга А. И., Игнатенко Л. Д. Влияние метода получения подшипникового материала на его служебные свойства // Порошковая металлургия. – 1979, №1. – С. 65 – 70.

5.     Никитин Ю. П., Беляева Е. В., Третьяков С. В. Контактное взаимодействие расплавленных металлов группы железы с графитом. // Порошковая  металлургия. – 1979,  №1. – С.72 – 74.

6.     Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах, К.:, «Наук. думка», 1972. – 231 с.

7.     Мамедов А. Т., Гулиев А. А. Получение порошков из чугунной стружки и особенности изготовления из них изделий // Порошковая  металлургия. – 1990, №1. – С. 47 – 53.