Л А Сосновский - Исследование влияния силицида марганца на процесс спекания исвойства порошковых сталей - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621.762

Сосновский Л.А., Власова О.В., Баглюк Г.А., Головкова М.Е.

г. Киев, Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛИЦИДА МАРГАНЦА НА ПРОЦЕСС СПЕКАНИЯ И

СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ

Исследован процесс спекания прессовок из смеси порошков железа и силицида марганца, содержащих 0-2,1 (мас.) % графита в неполностью герметизированном контейнере. Установлено, что введение силицида марганца способствует повышению твердости закаленных образцов, содержащих графит, а также существенно ускоряет науглероживание в процессе спекания в песчано-графитовой засыпке прессовок, не содержащих графит.

Ключевые слова: порошки, железо, графит, силицид марганца, спекание, закалка.

Введение. Украина располагает значительными запасами марганцевой руды, кварцитов и графита. Эта ресурсная ситуация предполагает принципиальную возможность замены многих порошковых сталей [1], содержащих дефицитные легирующие элементы, немногими марками кремнемарганцовистых сплавов и закаленных сталей. За прошедшие четверть века ресурсно-энергетическая ситуация в общем мире и в частности в Украине радикально изменилась к худшему, в соответствии с прогнозом [2] следует ожидать ее дальнейшего обострения. В настоящее время ресурсные реалии Украины обусловливают экономическую нецелесообразность использования дефицитных легирующих (Ni, Mo, Cu, W, Co) и дорогих процессов спекания. Кроме таких доступных и дешевых легирующих элементов как, углерод и кремний, Украина располагает большими запасами марганца. Следует также отметить наличие больших общемировых запасов марганца в виде железомарганцевых конкреций [3]. Поэтому производство как литых, так и порошковых кремнемарганцовистых сталей, имеющих высокую прокаливаемость [4-6], является ресурснообусловленным и соответственно по-прежнему перспективным. Можно предположить, что эти благоприятные частные ресурсные обстоятельства обусловливают целесообразность замены многих рецептур известных порошковых сталей сравнительно малым количеством марок кремнемарганцовистых сталей. Несмотря на очевидную перспективность кремнемарганцовистых порошковых сталей, процессы их изготовления [6] изучены недостаточно.

Целью настоящей работы было исследование влияния силицида марганца на процесс спекания, проводимого без использования проточных защитных газовых сред, и свойства порошковых кремнемарганцовистых сталей.

Материалы и результаты исследования. В работе исследовали смеси, содержащие 2 (мас.) % силицида марганца (MnSi177), 0,6 (мас.) % стеарата цинка и 0-2,1 (мас.) % графита.

Выбор высшего силицида марганца (MnSi1,77) в качестве комплексной кремнемарганцовистой порошковой лигатуры был обусловлен его хрупкостью, способствующей эффективному измельчению, пониженной окисляемостью, а также высокой реакционной способностью в области обычных температур спекания прессовок на основе порошка железа.

В качестве исходных использовали: порошок железа марки ПЖР 3.200.28, порошок фтористого алюминия AlF3 (ТУ 6-09-1122-84 марки "ч"), силицид марганца MnSi177 (марка "ч", ТУ 6-09-03-417-76), графит и стеарат цинка. Фтористый алюминий использовали с целью ускорения массопереноса марганца и кремния к поверхности частиц железа. Порошок силицида марганца подвергали дополнительному размолу в планетарной мельнице в течение 5 мин., и его дисперсность составила менее 10 мкм.

Прессование проводили при давлении 700 МПа. Полученные прессовки спекали при 1000 и 11000 С в неполностью герметизированном стальном контейнере с крышкой, нагреваемом в термической печи с воздушной атмосферой. Для реализации безокислительных условий спекания контейнер заполняли порошковой засыпкой - смесью прокаленного песка с 2 (мас.) % графита, в которой размещали образцы. Спекание при 12000С проводили в двойном контейнере - образцы размещали в отдельном тигле с крышкой, заполненном прокаленными: песком, глиноземом или крупкой CaF2. Затем тигель упаковывали в стальной контейнер с крышкой. Перед упаковкой контейнера на его дно помещали стружку парафина, а в состав образцов вводили стеарат цинка; продукты их газификации при нагреве вытесняли воздух из объема спекания (объема контейнера). В качестве засыпки использовали смесь песка с графитом.

С целью исследования влияния добавки силицида марганца на свойства спеченных образцов были приготовлены следующие составы (мас. %):

1. Fe - 98,6, графит - 0,7, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

2. Fe - 96,6, графит - 0,7, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6, MnSi177 - 2,0;

3. Fe - 97,8, графит - 1,5, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

4. Fe - 95,8, графит - 1,5, AlF3-0,1, Zn стеар. - 0,6, MnSi177 - 2,0.

Стеарат цинка добавлялся в смеси с целью повышения технологических свойств порошка при прессовании, которое проводили при 700 МПа в неразъемной пресс-форме. В таблице 1 представлены свойства образцов, спеченных при 1200 0С в течение 1 час и содержащих 0,7 и 1,5 (мас.) % углерода. Спеченные образцы затем закаливали от 8500 С в воду.

Таблица 1

Свойства образцов, спеченных при 1200 0С с использованием разных засыпок и тиглей, и подвергнутых закалке в

воду.

Номер смеси

Мате-риал тигля

Материал засыпки

Исходная смесь

После спекания

 

 

 

Т' 3 г/см3

П, %

Y 3 г/см3

HRB

после закалки HRC

1

сталь

глинозем

6,53

12,5

6,46

71

33

 

графит

 

 

 

6,42

 

6-20

2

сталь

 

6,46

11,8

6,59

91

48

 

графит

 

 

 

6,72

 

47

3

сталь

песок

6,56

9,7

6,79

86

45

4

 

 

6,45

10,3

7,16

106

56

Y - плотность образцов, П - пористость образцов

Полученные данные показали, что добавление MnSi177 приводит к повышению плотности и твердости спеченных прессовок. Значения твердости образцов после закалки свидетельствуют о том, что использованный вариант легирования марганцем и кремнием приводит к ожидаемому результату - более равномерному распределению твердости и более высокому ее значению. Для определения влияния содержания углерода были приготовлены следующие смеси:

5. Fe - 97,3, MnSiU7- 2,0, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

6. Fe - 96,5, MnSi1,77- 2,0, графит - 0,8, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

7. Fe - 96,1, MnSi1,77 - 2,0, графит - 1,2, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

8. Fe - 95,7, MnSi1,77 - 2,0, графит - 1,6, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6;

9. Fe - 95,2, MnSi1,77 - 2,0, графит - 2,1, AlF3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6.

Их прессование проводили при 700 МПа в неразъемной пресс-форме. Для отгонки стеарата цинка из полученных прессовок их нагревали следующим образом: а) отжиг при 850 0С в течение 0,5 час; б) предварительное спекание при 1100 0С в течение 1,0 час в смеси песок-графит с использованием одинарной упаковки контейнера. После этого образцы подвергали вакуумному спеканию и последующей закалке в воду от 850 0С (табл. 2).

Как следует из табл. 2, повышение содержания графита в базовой смеси приводит к некоторому снижению пористости неспеченных прессовок. Результаты спекания образцов группы "а" показали, что введение 0,8 (мас.) % графита приводит к существенному повышению твердости, особенно после закалки, что при практически неизмененной плотности может быть обусловлено только растворением углерода в железе. Дальнейшее повышение содержания графита не вызывает существенного повышения твердости. Состав 9 спекается жидкофазно, повышение плотности приводит к увеличению твердости, однако образцы содержат дефекты. Образцы группы "б" дали идентичные результаты, однако состав 9 не показал скачка плотности и соответственно твердости.

Таблица 2

Свойства исходных и спеченных из смесей, содержащих разное количество графита

Номер смеси

Исходная смесь

Предварительное спекание 800 оС (а)

Предварительное спекание 1100оС

(б) о

 

 

Спекание 1200 оС

Спекание 1250 оС

Спекание 1250 оС

 

Y 3 г/см3

П,%

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

5

6,84

8,1

6,88

28

0

6,76

29

0

6,59

30

0

6

6,81

6,8

6,81

69

41

6,75

68

42

6,53

82

44

7

6,75

6,8

6,84

91

51

6,71

82

47

6,53

80

47

8

6,66

7,2

7,02

102

56

6,69

82

49

6,63

88

49

9

6,55

7,6

7,10

105

62

7,30

102

63

6,57

95

57

Для сравнения со спеканием при нормальном давлении газовой фазы в объеме спекания было проведено спекание в вакууме. Его проводили в песке с упаковкой в графитовый тигель с крышкой, в свою очередь помещаемый в стальной контейнер с крышкой и песчано-графитовую засыпку. Полученные результаты, представленны в табл. 3.

Таблица 3

Свойства образцов, спеченных в вакууме и засыпке из песка

 

Спекание 1100оС, 1час

Спекание 1147оС, 1час

Спекание 1200оС, 1час

Номер смеси

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

Y 3 г/см3

HRB

после закалки ЖС

5

6,63

76

28

6,71

79

40

6,61

79

44


6

6,81

82

37

6,58

90

41

6,52

90

46

7

6,31

80

40

6,37

90

42

6,47

88

48

8

6,33

76

41

6,32

91

43

6,63

103

54

9

6,14

71

42

6,35

98

49

6,43

101

56

Полученные данные свидетельствуют о том, что зависимость твердости спеченных незакаленных и закаленных образцов от содержания углерода является сглаженной, поскольку образцы состава 5 также являются сравнительно твердыми. Сравнение с данными по вакуумному спеканию (табл. 2) свидетельствует о протекании науглероживания образцов, не содержащих графита.

Сравнение значений твердости образцов состава 5, спеченных в вакууме (табл. 2) и спеченных в контейнере с крышкой (табл. 3) свидетельствует о том, что при спекании в контейнере, т.е. при спекании при давлении газовой фазы равном 1 ата, протекает науглероживание этих образцов. Науглероживание протекает газофазно по реакции диспропорционирования монооксида углерода. Источником диффузанта (углерода), по-видимому, являлись образцы, содержащие графит, графитовый тигель и углерод песчано-графитовой засыпки. Вероятно, наличие кислородсодержащей восстановительной атмосферы в объеме спекания должно всегда способствовать перераспределению углерода между составляющими закрытой системы, содержащими углерод в различных концентрациях. Наоборот, спекание в открытой, постоянно вакуумируемой системе, должно подавлять обмен между спекаемыми объектами (табл. 2). Это обстоятельство, по-видимому, должно быть учтено при разработке новых процессов, совмещающих спекание и науглероживание.

Сравнение плотности и твердости образцов составов 6-9, спеченных в вакууме и в контейнере с крышкой, свидетельствует об отсутствии видимых преимуществ спекания в вакууме, негативно отличающегося по сложности и стоимости. Сравнение результатов спекания при 1100-12000С свидетельствует о предпочтительности проведения спекания при температурах, близких к эвтектической. В этом случае сохраняется хорошее качество образцов во всем диапазоне содержаний в них графита при вполне удовлетворительной твердости закаленных образцов.

Микрорентгеноспектральный анализ проводили на установке Supperrprobe 737 на образцах с 5 (мас.) % MnSi177, спеченных при 1000-12000С (рис.1).

м

з

ж

и

к

л

Рис. 1. Структура (а, г, ж, к) и распределение марганца (б, д, з, л) и хрома (в, е, и, м) образцов с 5 (мас.) % MnSi 177, спеченных при разных температурах: а - исходный образец; г - 1000 0С; ж - 1100 0С; к - 1200 0С

Структурные исследования показали, что при повышении температуры спекания наблюдается закономерный рост зерна, а также сравнительно равномерное распределение марганца в материале. Распределение кремния не является равномерным, его повышенная концентрация на границах зерен, по-видимому, отражает исходное распределение оксидной пленки на частицах железа, с которым взаимодействует кремний с образованием оксида кремния. Связывание кислорода кремнием обеспечивает беспрепятственную диффузию марганца в частицы железа.

Поскольку спекание в крупке CaF2 при 1200 и 11470С привело к получению идентичных результатов, было проведено контрольное спекание в течение 1,5 часа при 11470С с одинарной упаковкой двух серий спекаемых образцов непосредственно в смесь песок-графит. Полученные данные представлены в табл. 4.

Таблица 4

Плотность и твердость образцов, спеченных при 1147 0С в засыпке песок-графит

Свойства образцов

Номер смеси

 

5

6

Плотность (г/см3) исходных прессовок

6,59

6,56

Плотность (г/см3) спеченных прессовок

6,52

6,48

Твердость (HRB) спеченных прессовок

80

84

Твердость спеченных и закаленных прессовок

49

46

Представленные данные свидетельствуют о близких значениях твердости закаленных образцов, содержавших и не имевших в своем составе графита. Наиболее вероятной причиной сходства результатов спекания и закалки могло быть науглероживание образцов, обеспечиваемое графитом, входящим в состав засыпки. Для проверки этого предположения прессовали при 700 МПа образцы из двух смесей, не содержащих графита: состав 5 и состав 10 - Fe - 99,3, AlF 3 - 0,1, Zn стеар. - 0,6. Прессовки спекали при 1147 0С в течение 1,5 часа в смеси песок-графит (одинарная упаковка) или в прокаленном глиноземе (упаковка в промежуточный тигель), результаты прессования спекания и закалка представлены в табл. 5.

Таблица 5

Плотность и твердость образцов, спеченных при 1147 0С в течение 1,5 часа в смеси песок-графит и в глиноземе

Свойства образцов

Номер смеси

 

10

5

Спекание в смеси песок-графит

Плотность (г/см3) исходных прессовок

6,69

6,66

Плотность (г/см3) спеченных прессовок

6,65

6,53

Твердость (HRB) спеченных прессовок

42

86

Твердость (HRB) спеченных и закаленных прессовок

81

-

Твердость (НШС) спеченных и закаленных прессовок

0-12

47

Спекание в глиноземе

Плотность (г/см3) исходных прессовок

6,69

6,66

Плотность (г/см3) спеченных прессовок

6,45

6,79

Твердость (HRB) спеченных прессовок

32

82

Твердость (HRB) спеченных и закаленных прессовок

46

-

Твердость (Ш1С) спеченных и закаленных прессовок

0

44

Представленные данные свидетельствуют о том, что прессовки, спекавшиеся непосредственно в смеси песок - графит, подвергались науглероживанию более интенсивному, чем упакованные в глинозем (двойная упаковка не привела к полному предотвращению науглероживания). Различная степень науглероживания обусловила их различную способность к закалке. Образцы, изготовленные из смеси, содержащей MnSi1,77, имеют значительно большую твердость. Это свидетельствует о том, что марганец, имеющий повышенное сравнительно железом сродство к углероду, в исследуемой ситуации играет роль акцептора углерода.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Л А Сосновский - Исследование влияния силицида марганца на процесс спекания исвойства порошковых сталей