powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-3-11-22powder-380Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsОсобенности контактного взаимодействия на границе слоев горячештампованного порошкового биметалла типа «конструкционная сталь – быстрорежущая сталь»Contact interaction peculiarities at the boundary of layers of «structural steel–high-speed steel» hot-forged powder bimetalДорофеевЮ. Г.DorofeyevYu. G.

Доктор технических наук, профессор

ДорофеевВ. Ю.DorofeyevV. Yu.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ЮРГПУ (НПИ).

346428, Ростовская обл., Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Mechanical engineering department PSRSPU (NPI).

346428, Rostov reg., Novocherkassk, Prosveshcheniya str., 132

dvyu56.56@mail.ruБабецА. В.BabetsA. V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ЮРГПУ (НПИ).

346428, Ростовская обл., Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Cand. Sci. (Tech.), Associate prof., Mechanical engineering department, PSRSPU (NPI).

346428, Rostov reg., Novocherkassk, Prosveshcheniya str., 132

babets@kompozite.ruБессарабовЕ. Н.BessarabovEu. N.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Международные логистические системы и комплексы» ЮРГПУ (НПИ).

346428, Ростовская обл., Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Cand. Sci. (Tech.), Associate prof., Department of international logistics systems and complexes, PSRSPU (NPI).

346428, Rostov reg., Novocherkassk, Prosveshcheniya str., 132

bess_555en@mail.ruРомановаО. Н.RomanovaO. N.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ЮРГПУ (НПИ).

346428, Ростовская обл., Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Cand. Sci. (Tech.), Associate prof., Mechanical engineering department, PSRSPU (NPI).

346428, Rostov reg., Novocherkassk, Prosveshcheniya str., 132

ron-post@mail.ruСвиридоваА. Н.SviridovaA. N.

Ассистент кафедры «Автомобили и транспортно-технологические комплексы» ЮРГПУ (НПИ).

346428, Ростовская обл., Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Assistant, Department of automobiles and transport-technological complexes, PSRSPU (NPI).

346428, Rostov reg., Novocherkassk, Prosveshcheniya str., 132

anysviridova@yandex.ruЮжно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ) (НПИ) им. М.И. ПлатоваРоссияPlatov South-Russian State Polytechnic UniversityRussian Federation201816092018031122Copyright © НИТУ "МИСИС", 20182018НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/380

Основная проблема при производстве биметаллов (БМ) заключается в необходимости обеспечения адгезионного взаимодействия на границе контакта слоев, предотвращающего их отслаивание в процессе эксплуатации. Горячая штамповка пористых заготовок обеспечивает возможность получения высокоплотных порошковых БМ с минимальным количеством пор как в объеме материала слоев, так и на границе между ними, что способствует повышению прочности сцепления. При изготовлении горячештампованных порошковых БМ существует вероятность смешивания материалов шихт рабочего слоя и подложки, что может привести к неконтролируемому «размыванию» границы раздела. В настоящей работе для получения пористых заготовок БМ типа «конструкционная сталь – быстрорежущая сталь» использован предложенный ранее способ, предусматривающий предварительную подпрессовку порошка труднодеформируемого материала. С целью определения механических свойств и проведения структурного анализа были приготовлены двухслойные цилиндрические образцы диаметром 20 мм, длиной 30 мм. Материал основы БМ – сталь ПК40, рабочего слоя – распыленный порошок быстрорежущей стали М2 с удовлетворительными характеристиками прессуемости. Пористые заготовки образцов БМ прессовали в специально сконструированной пресс-форме на гидравлическом прессе, позволяющей осуществлять двустороннее прессование двухслойных порошковых формовок с заданным распределением плотности и прочности слоев. Холоднопрессованные заготовки БМ спекали в защитной атмосфере, а затем подвергали горячей допрессовке на лабораторном копре. Часть заготовок изучали в спеченном состоянии. Кроме того, проводили горячую допрессовку неспеченных холоднопрессованных заготовок. Удовлетворительная технологическая прочность материала рабочего слоя наблюдалась при его пористости 34 % < Праб.сл < 45 %. При Праб.сл > 45 % порошок не формуется, а при Праб.сл < 34 % рабочий слой отслаивается. Установлено, что максимальную прочность соединения слоев и термостойкость БМ обеспечивает применение технологической схемы, предусматривающей предварительное спекание холоднопрессованных заготовок и последующую горячую штамповку. Оптимальное давление подпрессовки рабочего слоя составляет 145 МПа.

The main problem in the production of bimetals (BMs) is the need to ensure adhesive interaction at the contact boundary of layers to prevent their peeling during operation. Hot forging of porous preforms (HFPP) provides the possibility of obtaining high-density powder BMs with a minimum amount of pores both in the volume of the layer material and at the layer interface to increase adhesion strength. Production of hot-forged powder BMs may involve mixing of working layer and substrate charge materials, which can lead to uncontrolled interface «blurring». This study uses the previously proposed method for pre-pressing of hard-to-deform material powder to produce «structural steel – high-speed steel» porous BM preforms. Two-layer cylindrical ∅20×30 mm samples were obtained in order to determine mechanical properties and conduct structural analysis. The BM base material was PK40 steel, and the working layer was atomized powder of M2 high-speed steel featuring satisfactory compressibility properties. The porous preforms of BM samples were pressed in a specially designed mold at a hydraulic press enabling two-sided pressing of two-layer powder moldings with predetermined distribution of layer densities and strengths. Cold-pressed BM preforms were sintered in protective environment, and then subjected to hot repressing using a laboratory drop hammer. Some preforms were examined as sintered. In addition, hot repressing of cold-pressed green preforms was performed. Satisfactory process strength of the working layer material is observed at its porosity (Pwl) in the range from 34 to 45 %. When Pwl > 45 %, powder is not molded, and at Pwl < 34 % the working layer delaminates. The maximum layer bonding strength and thermal shock resistance of BM provides the use of a flow route that involves preliminary sintering of cold-pressed preforms and subsequent hot forging. The optimum pressure of working layer pre-pressing is 145 MPa.

горячая штамповкапористые заготовкибиметалладгезияхрупкое разрушениеконструкционная порошковая стальбыстрорежущая стальрабочий слойосноватермостойкостьповерхность частицокислениепрочность соединения слоев.hot forgingporous preformsbimetaladhesionbrittle fracturestructural powder steelhigh speed steelworking layersubstratethermal shock resistancepowder surfaceoxidationlayer bonding strengthReferencesNenbrand A., Rödel J. Gradient materials: An overview of a novel concept. Z. Metall. 1997. Bd. 88. No. 5. S. 308—321.Nenbrand A., Rödel J. Gradient materials: An overview of a novel concept. Z. Metall. 1997. Bd. 88. No. 5. S. 308—321.Роман О.В. Механизм взрывного прессования порошков. Докл. АН БССР. 1991. No. 1. С. 144—147.Roman O.V. Mekhanizm vzryvnogo pressovaniya poroshkov [Mechanism of explosive pressing of powders]. Doklady AN BSSR. 1991. No. 1. P. 144—147.Прюммер Р. Обработка порошкообразных материалов взрывом. Пер. с нем. М.: Мир, 1990.Prümmer R. Obrabotka poroshkoobraznykh materialov vzryvom [Mechanism of explosive pressing of powders. Trans. from German]. Moscow: Mir, 1990.Hammil J.A. What are the joining processes, materials and techniques for powder metal parts. Welding J. 1993. No. 2. P. 37—44.Hammil J.A. What are the joining processes, materials and techniques for powder metal parts. Welding J. 1993. No. 2. P. 37—44.Kurt A., Gülenç B., Türker M. Investigation of the weldability of PM parts by using MAG welding method. In: 1-st National PM Conference (Ankara, Turkey, Sept. 15—16, 1996). P. 595—602.Kurt A., Gülenç B., Türker M. Investigation of the weldability of PM parts by using MAG welding method. In: 1-st National PM Conference (Ankara, Turkey, Sept. 15—16, 1996). P. 595—602.Fitzpatric G.A., Broughton T. Diffusing bonding aeroengine components. Defense Sci. J. 1985. Vol. 38. P. 477—485.Fitzpatric G.A., Broughton T. Diffusing bonding aeroengine components. Defense Sci. J. 1985. Vol. 38. P. 477—485.Zhang Y.C., Nakagama H. Proposal of new bonding techniques: Instantaneous liquid phase bonding. Trans. of J. W. R. 1987. Vol. 16. P. 17—29.Zhang Y.C., Nakagama H. Proposal of new bonding techniques: Instantaneous liquid phase bonding. Trans. of J. W. R. 1987. Vol. 16. P. 17—29.Mahoney M.W., Bampton C.C. Fundamentals of diffusion bonding. ASM Handbook. 1984. Vol. 6. P. 156—159.Mahoney M.W., Bampton C.C. Fundamentals of diffusion bonding. ASM Handbook. 1984. Vol. 6. P. 156—159.Owczarsu W.A., Poulonis D.F. Application of diffusion welding in USA. Welding J. 1981. No. 2. P. 22—33.Owczarsu W.A., Poulonis D.F. Application of diffusion welding in USA. Welding J. 1981. No. 2. P. 22—33.Kurt A., Aksoy M., Saritas S. Investigation of diffusion welding parameters for welding of PM Bronze (10 % Sn) to a mild steel. Advances in Structural PM Component Production: Proc. Eur. Conf. ( Munich, Germany, Oct. 15—17, 1997). EPMA, 1997. P. 221—227.Kurt A., Aksoy M., Saritas S. Investigation of diffusion welding parameters for welding of PM Bronze (10 % Sn) to a mild steel. Advances in Structural PM Component Production: Proc. Eur. Conf. ( Munich, Germany, Oct. 15—17, 1997). EPMA, 1997. P. 221—227.Schwartz M.M., Poulonis D.F. Diffusion, welding and brazing. Welding Handbook. 1990. Vol. 3. P. 312—335.Schwartz M.M., Poulonis D.F. Diffusion, welding and brazing. Welding Handbook. 1990. Vol. 3. P. 312—335.Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наук. думка, 1980.Fedorchenko I.M., Pugina L.I. Kompozitsionnye spechennye antifriktsionye materialy [Sintered composite antifriction materials]. Kiev: Nauk. dumka, 1980.Selcuk C., Bond S., Woollin P. Critical review of joining processes for powder metallurgy parts. In: EURO PM2008: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Mannheim, Germany, 29 Sept. — 1 Oct., 2008). EPMA, 2008. Vol. 3. P. 255—260.Selcuk C., Bond S., Woollin P. Critical review of joining processes for powder metallurgy parts. In: EURO PM2008: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Mannheim, Germany, 29 Sept. — 1 Oct., 2008). EPMA, 2008. Vol. 3. P. 255—260.Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J.M., Kjellén L., Mårs O. The base material: A key factor in sinter-brazing. Metal Powder Report. 2017. Vol. 72. No. 5. P. 349—354.Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J.M., Kjellén L., Mårs O. The base material: A key factor in sinter-brazing. Metal Powder Report. 2017. Vol. 72. No. 5. P. 349—354.Nyborg L., Borgström H., Sotkovszki P., Krona Jan-Olof. Development and manufacture of brazed sintered part for wear resistant application. In: EURO PM2009: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Copenhagen, Denmark, 12—14 Oct., 2009). EPMA, 2009. Vol. 1. P. 163—168.Nyborg L., Borgström H., Sotkovszki P., Krona Jan-Olof. Development and manufacture of brazed sintered part for wear resistant application. In: EURO PM2009: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Copenhagen, Denmark, 12—14 Oct., 2009). EPMA, 2009. Vol. 1. P. 163—168.Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J.M., Kjellén L., Mårs O. Wettability for understanding the behaviour of new filler materials for sinter-brazing. Powder Metallurgy. 2017. Vol. 60. No. 2. P. 97—104.Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J.M., Kjellén L., Mårs O. Wettability for understanding the behaviour of new filler materials for sinter-brazing. Powder Metallurgy. 2017. Vol. 60. No. 2. P. 97—104.Семченков В.П. Разработка технологии горячей штамповки биметалла типа «сталь — бронза» с порошковым рабочим слоем: Автореф. дис. … Кандидат технических наук. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2000.Semchenkov V.P. Razrabotka tekhnologii goryachey shtampovki bimetalla «stal’ — bronza» s poroshkovym rabochim sloyem [Development of the technology of hot forging of bimetal «steel—bronze» type with a powder working layer]: Abstr. Diss. of PhD. Novocherkassk: SRSPU (NPI), 2000.Бессарабов Е.Н., Дорофеев Ю.Способ прессования двухслойных порошковых многофункциональных изделий с вертикальным расположением слоев: Пат. 2475335 (РФ). 2013.Bessarabov Eu.N., Dorofeyev Yu.G. A method for pressing double-layer powder multifunctional products with a vertical location of layers: Pat. 2475335 (RF). 2013.Бессарабов Е.Н., Яси М.К., Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю. Факторы, влияющие на качество горячештампованных порошковых биметаллических изделий. Металлур2014. No. 5. С. 88—91.Bessarabov Eu.N., Yasi M..K., Dorofeyev Yu.G., Dorofeyev V.Yu. Factors that affect the quality of hot-forged bimetallic powder products. Metallurgist. 2014. Vol. 58. No 5-6. P. 426—430.Ютишев А.С. Разработка технологии производства биметаллических дисковых фрез с рабочими элементами из порошковых быстрорежущих сталей: Автореф. дис. … Кандидат технических наук. Новочеркасск: НГТУ, 1994.Yutishev A.S. Razrabotka tekhnologii proizvodstva bimetallicheskikh diskovykh frez s rabochimi elementami iz poroshkovykh bystrorezhushchikh stalei [Development of production technology for bimetallic disk mills with working elements from powder high-speed steels]: Abstr. Diss. of PhD. Novocherkassk: NSPU, 1994.Didu M., Radu S., Ciupitu I., Ciobanu M. Effect of composition surface layer on some properties of the PM bicomponent parts In: EURO PM2007: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Toulouse, France, 15—17 October, 2007). EPMA, 2007. Vol. 1. P. 151—155.Didu M., Radu S., Ciupitu I., Ciobanu M. Effect of composition surface layer on some properties of the PM bicomponent parts In: EURO PM2007: Proc. Inter. Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Toulouse, France, 15—17 October, 2007). EPMA, 2007. Vol. 1. P. 151—155.Höganäs. Technical data sheet. M2: Water atomised high speed steel powder. M2 data — Iss. 05/07. P. 1—4.Höganäs. Technical data sheet. M2: Water atomised high speed steel powder. M2 data — Iss. 05/07. P. 1—4.Атапек З.Х., Полат З., Гюмюз С., Эризир Э., Алтуж Г.С. Выявление микроструктуры порошковых инструментальных сталей разными методами травления. Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. No. 3. С. 42—48.Atapek Ş.H., Polat Ş., Gümüş S., Erişir E., Altuğ G.S. Determination of the microstructure of powder tool steels by different etching techniques. Metal Sci. Heat Treatment. 2014. Vol. 56. No. 3-4. P. 152—158.Анциферов В.Н., Черепанова Т.Структура спеченных сталей. М.: Металлургия, 1981.Antsiferov V.N., Cherepanova T.G. Struktura spechennykh stalei [Structure of sintered steels]. Moscow: Metallurgiya, 1981.Витязь П.А., Керженцева Л.Ф., Дьячкова Л Н., Маркова Л.Ф. Порошковые материалы на основе железа и меди: Атлас структур. Минск: Белорус. наука, 2008.Vityaz P.A., Kerzhentseva L.F., D’yachkova L.N., Markova L.F. Poroshkovyie materialy na osnove zheleza i medi: Atlas struktur [Powder materials based on iron and copper: Atlas of structures]. Minsk: Belorus. nauka, 2008.Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. Киев: Наук. думка, 1975.Trefilov V.I., Mil’man Yu.V., Firstov S.A. Fizicheskiye osnovy prochnosti tugoplavkikh metallov [Physical basis of strength of refractory metals]. Kiev: Nauk. dumka, 1975.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.