Структура и свойства порошковых углеродистых сталей общемашиностроительного назначения, упрочненных наноразмерными добавками Скориков, Роман Александрович

Введение к работе

Актуальность работы: Материаловедение – это активно развивающаяся наука, которая в настоящее время ставит перед собой задачи повышения свойств изделий при применении новых материалов. К таким материалам относятся нанодисперсные порошки. При работе с ними необходимо детально изучить их характеристики, свойства и строение. Порошковая металлургия (ПМ) обладает большими возможностями по управлению процессами структурообразования в различных материалах, обеспечивает получение изделий с высоким комплексом свойств. Применение в промышленности порошковых сталей позволяет снизить расход материала, энергоемкость производства, автоматизировать технологический процесс.

Отличительная черта порошковых сталей – наличие неравенства концентраций компонентов в различных точках порошкового тела, которое может иметь место либо только в исходном состоянии и на промежуточных этапах, либо сохраняться до конца спекания. Применение этих материалов для изготовления широкой номенклатуры деталей для различных отраслей машиностроения ограничено вследствие трудностей обеспечения высоких и стабильных механических свойств.

Поскольку шихта для получения стальных деталей методами порошковой металлургии чаще всего представляет собой смесь железных порошков, легирующих и углеродсодержащих компонентов, форма, размеры и распределение легирующих элементов, а также пор, оказывает существенное влияние на механические и технологические свойства таких материалов. В пористых порошковых телах, где кроме поверхностей непосредственного контакта между частицами разнородных и взаиморастворимых металлов имеются еще и свободные поверхности, кинетика диффузионной гомогенизации усложняется одновременным переносом массы по разным механизмам.

Добавление в шихту различных нанодисперсных порошков позволит существенно повысить механические свойства порошковых сталей за счет следующих явлений:

1. Активация процесса спекания. Нанодисперсные порошки обладают большой удельной поверхностью, а соответственно и большой поверхностной энергией, что способствует активизации процесса спекания. При диаметре частицы 10 нм (0,01мкм) около 30% атомов находятся на ее поверхности, что нарушает симметрию в распределении сил и масс по сравнению с объемом частиц. В частности, за счет этого механизма должна ускоряться диффузия углерода в зерно железа.

2. Получение мелкозернистой структуры. Наноразмерные частицы, равномерно распределенные по поверхности частиц железа, будут препятствовать росту зерна.

3. Дисперсное упрочнение. Наноразмерные частицы, попав внутрь зерна, будут являться препятствием для перемещения дислокаций.

4. Измельчение структуры перлита. Наноразмерные частицы, попав внутрь зерна, будут препятствовать образованию грубой пластинчатой структуры перлита, становясь препятствием для роста кристаллов цементита.

В настоящее время в научной литературе имеются сведения о положительном влиянии добавок нанодисперсных частиц в различные порошковые материалы. Однако подобные исследования на сплавах железо-углерод еще не проводились. Учитывая, что такие сплавы являются одними из самых распространенных, работа в этом направлении представляется актуальной и перспективной.

В работе были использованы нанодисперсные порошки с различной формой частиц – шаровидные (Al₂O₃), оскольчатые и игольчатые (Si₃N₄), нитевидные (углеродный наноматериал «Таунит»).

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ №13-08-00257 «Комплексный подход к изучению закономерностей формирования структуры и свойств порошковых сталей с наноразмерными добавками для эффективного применения деталей в экстремальных условиях»

Цель работы: Разработка состава и технологических режимов получения порошковых сталей с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами за счет использования наноразмерных добавок в порошковой шихте, а также совершенствования существующих процессов порошковой металлургии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор и обоснование применения наноразмерных добавок при производстве порошковых сталей на основе отечественного железного порошка марки ПЖР 2.200.28.

2. Исследование процессов получения шихтовых смесей исходных материалов с учетом особенностей применения наноразмерных добавок.

3. Изучение процесса статического холодного прессования порошковых смесей с наноразмерными добавками.

4. Исследование особенностей процесса спекания полученных порошковых заготовок, содержащих в исходной шихте наноразмерные добавки.

5. Изучение механических свойств спеченных порошковых сталей, содержащих в исходной шихте наноразмерные добавки.

6. Разработка рекомендаций по промышленной реализации результатов исследований.

Научная новизна:

1. Впервые получены закономерности влияния добавок нанодисперсных порошков оксида алюминия, нитрида кремния и углеродного наноматериала «Таунит» в исходную порошковую смесь на процессы смешивания, прессования и спекания при изготовлении порошковой стали. Установлен факт активации процесса спекания порошковых сталей наноразмерными частицами.

2. Экспериментально установлены рациональные способы смешивания, позволяющие добиться для каждой нанодисперсной добавки равномерного распределения по всему объему металлической матрицы.

3. Экспериментально установлены закономерности получения мелкозернистой структуры и высоких механических свойств порошковых сталей при введении в шихту наноразмерных частиц оксида алюминия, нитрида кремния или углеродного наноматериала «Таунит». Выявлены рациональные концентрации этих добавок, позволяющие увеличить для порошковой стали твердость по Бринеллю до 145-165HB, предел прочности при поперечном изгибе до 380-400 МПа при снижении температуры спекания до 1273К и времени спекания до 120 мин.

4. Экспериментально установлено увеличение износостойкости порошковых сталей в 1,5-2 раза при введении в шихту наноразмерных частиц оксида алюминия, нитрида кремния или углеродного наноматериала «Таунит».

Практическая значимость:

1. Разработаны технологические рекомендации получения порошковых железоуглеродистых сталей при введении в исходную шихту наноразмерных порошков оксида алюминия, нитрида кремния или углеродного наноматериала «Таунит». Определены рациональные режимы смешивания, прессования и спекания, обеспечивающих получение изделий с наилучшим сочетанием прочности и пластичности.

2. Разработана технология изготовления изделий общемашиностроительного назначения из порошковой стали с высокими механическими и эксплуатационными свойствами, легированной наноразмерным порошком нитрида кремния в количестве 0,1%.

Научные положения, выносимые на защиту:

2. 1. Разработанная раздельная двухступенчатая технология смешивания (ультразвук + «Турбула») позволяет получить более равномерное распределение графита и легирующих нанодисперсных добавок по сравнению со смешиванием в двухконусным смесителе.

   2. Зависимость прочностных свойств порошковой стали, легированной наноразмерными частицами, от концентрации этих частиц носит экстремальный характер.

   3. Экстремальный характер зависимостей прочностных свойств порошковой стали, легированных наноразмерными частицами, от концентрации этих частиц объясняется наличием как положительного их влияния (активация спекания, дисперсное упрочнение, измельчение структуры перлита, препятствование укрупнению зерна), так и отрицательного (препятствование образованию контакта металл-металл между частицами железа).

   Степень достоверности результатов гарантирована использованием современных методов и средств измерения и сочетанием взаимодополняющих исследовательских методик: рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов, сканирующей электронной микроскопии, химических методов анализа, физико-механических испытаний и других методов; статистической обработкой и удовлетворительным совпадением результатов моделирования и эксперимента.

   Личный вклад автора: Соискатель принимал непосредственное участие в обсуждении и постановке задач исследования и анализе результатов. Все экспериментальные результаты и исследовательские работы включенные в диссертацию, получены либо самим соискателем либо при его непосредственном участии. Анализ полученных результатов и подготовка публикаций выполнена при участии соавторов.

   Реализация результатов работы:

   1. Разработаны и испытаны в опытно-промышленном масштабе:

   - технология изготовления детали «втулка уплотняющая» на предприятии ОАО «Теплообменник», г. Нижний Новгород;

   - технология изготовления детали «кольцо упорное» на предприятии ООО «Уралметаллграфит» г. Екатеринбург;

   - технология изготовления деталей «втулка 8ТС.210.477» и «втулка 8ТС.211.081» на предприятии ООО «ПК «НЭВЗ» г. Новочеркасск.

   2. Результаты исследований внедрены в учебный процесс.

   Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всероссийской молодежной конференции, посвященной 80-летию Московского государственного открытого университета имени В.С. Черномырдина 2012, г Москва, Международной конференции «HighMatTech-2011», г. Киев, Третьем международном научно-практическом семинаре «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение». (ТПП-ПМ 2011), г. Йошкар-Ола, Пятой всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2013», г. Звенигород.

   Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов конференций и семинаров, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

   Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Материалы диссертации изложены на 151 листах машинописного текста, содержат 55 рисунков, 10 таблиц, 3 приложения, включают список литературы из 112 наименования.

   Похожие диссертации на Структура и свойства порошковых углеродистых сталей общемашиностроительного назначения, упрочненных наноразмерными добавками

   Исследование влияния химического состава и термической обработки на структуру и свойства метастабильных аустенитных сталей криогенного назначенияВологжанина, Светлана Антониновна

   Исследование состава, структуры и свойств покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкостиСтручков Николай Федорович

   

   Влияние структуры и свойств на износостойкость покрытий из порошковых проволок с тугоплавками добавками, полученных при электродуговой металлизацииСтручков Николай Федорович

   

   Формирование структуры и свойств контактной поверхности порошковых покрытий системы Ni-Cr-B-Si с ультрадисперсными добавкамиЛебедев Дмитрий Иосифович

   Управление структурой и свойствами сталей 110г13л, 38хс, 45хн, используемых для изготовления деталей специальных машинЦуркан Денис Александрович

   Прогнозирование структуры и свойств сталей в объеме изделия при закалке и отпускеАмпилогов Алексей Юрьевич

   

   Прогнозирование структуры и свойств сталей и сварных соединений при управлении ресурсом оборудования установок вторичной переработки нефтиКабанов Борис Сергеевич

   Формирование мелкозернистой структуры и свойств нержавеющих сталейЗарипова, Рида Гарифьяновна

   Структура и свойства низколегированных сталей при термодеформационных циклахФедотова, Марина Алексеевна

   Структура и свойства конструкционных сталей после плазменного поверхностного упрочненияБровер, Андрей Владимирович