Исследование влияния дисперсности и гомогенности структуры на свойства порошковых метастабильных аустенитных карбидосталей и алмазного инструмента

Исследованы процессы диффузии и гомогенизации в порошковых системах различной степени дисперсности «железо (5 мкм) – никель (5 мкм или 50 нм)» при спекании (900 и 1000 °С), а также искровом плазменном спекании с использованием метода Матано–Больцмана. Вычисленные коэффициенты диффузии в парах из микронных порошков, спеченных без приложения давления (900 °С, 6 ч) и искровым плазменным методом (900 °С, 5 мин), в этих системах были равны 7·10–10 см2/с. Показано, что в диффузионных парах на основе микродисперсного порошка железа использование нанодисперсного порошка никеля способствует повышению коэффициента диффузии при температуре 900 °С в 2 раза, в отличие от пары с микродисперсным порошком никеля. Рассчитаны константы в уравнении кинетики спекания В.А. Ивенсена для порошковых систем «железо–никель», по которым установлены факторы, активирующие спекание данных систем. Определены зависимости структурно-фазового состава и физико-механических свойств карбидосталей системы Fe(осн.)– 14мас.%Ni–8мас.%TiC от температуры спекания в интервале t = 900÷1200 °С, дисперсности и гомогенности структуры. Показаны зависимости размера зерна, пористости, твердости, микротвердости, ударной вязкости, предела прочности на изгиб от температуры спекания. Установленные зависимости триботехнических свойств от степени гомогенности твердого раствора и объема фазового превращения метастабильного аустенита в мартенсит деформации при трении по абразиву оказались аналогичны для карбидосталей и алмазного инструмента на основе карбидостали. Оптимальные значения коэффициента вариации концентрации никеля в аустените в карбидосталях одинакового химического состава, но различной степени дисперсности, обеспечивающие максимальный объем распада аустенита и высокие значения коэффициента шлифования алмазного инструмента, оказались равными 5 в обеих системах, но параметры спекания различались. Показано, что физико-механические свойства исследованных систем зависят от пористости и дисперсности структуры, а триботехнические – от гомогенности структуры сталей.

порошковые карбидостали, алмазный инструмент, микро- и нанодисперсные порошки, никель, карбид титана, коэффициент диффузии, энергия активации, концентрационная неоднородность, метастабильный аустенит, мартенсит деформации, структура, свойства, коэффициент шлифования

1. Schwartz M. Encyсlopedia of smart materials. N.Y.: Wiley, 2002.

2. Ponge D., MiUán J., Raabe D. Design of lean maraging TRIP steels. In: Advanced Steels. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. P. 199—208. https://doi.org/10.1007/9783-642-17665-4_21.

3. Raabe D., Ponge D, Dmitrieva O., Sander B. Nanoprecipitate-hardened 1.5 GPa steels with unexpected high ductility. Scr. Mater. 2009. Vol. 60. Iss. 12. P. 1141—1144. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2009.02.062.

4. Roebuck B., Almond E.A., Cottenden A.M. The influence of composition, phase transformation and varying the relative FCC and HCP phase contents on the properties of dilute Co—W—C alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1984. Vol. 66. Iss. 2. P. 179—194.

5. Konyashin I., Lachmann F., Ries B., Mazilkin A.A., Straumal B.B., Kübel Chr., Llanes L., Baretzky B. Strengthening zones in the Co matrix of WC—Co cemented carbides. Scr. Mater. 2014. Vol. 83. P. 17—20.

6. Konyashin I., Ries B. Wear damage of cemented carbides with different combinations of WC mean grain size and Co content. Part I. ASTM wear tests. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 46. P. 12—19.

7. Konyashin I., Ries B. Wear damage of cemented carbides with different combinations of WC mean grain size and Co content. Part II. Laboratory performance tests on rock cutting and drilling. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 45. P. 230—237.

8. Raabe D., Ponge D., Dmitrieva O., Sander B. Designing ultrahigh strength steels with good ductility by combining transformation induced plasticity and martensite aging. Adv. Eng. Mater. 2009. Vol. 11. No. 7. P. 547—555. DOI: 10.1002/adem.200900061.

9. Nambu S., Michiuchi M., Ishimoto Y., Asakura K., Inoue J., Koseki T. Transition in deformation behavior of martensitic steel during large deformation under uniaxial tensile loading . Scr. Mater. 2009. Vol. 4. No. 60. P. 221—224.

10. Анциферов В.Н., Боброва С.Н., Оглезнева С.А., Пещеренко С.Н., Тимохова А.П., Шацов А.А. Проблемы порошкового материаловедения. Ч. 1. Екатеринбург: УрО РАН, 2000.

11. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976.

12. Tunshoff H.K., Hillmann-Apmann H., Asche J. Diamond tools in stone and civil engineering industry: cutting principles, wear and applications. Diamond Relat. Mater. 2002. Vol. 11. No. 3—6. P. 736—741.

13. Konstanty J., Duk Yong Yoon, Suk-Joong L. Kang, Kwang Yong Eun, Yong-Seog Kim. Powder metallurgy diamond tools — A review of manufacturing routes. Mater. Sci. Forum. 2007. Vol. 534—536. P. 1121—1124. https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/MSF.534-536.1121.

14. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

15. Spriano S., Chen Q., Settineri L., Bugliosi S. Low content and free cobalt matrixes for diamond tools. Wear. 2005. Vol. 259. No. 7—12. P. 1190—1196.

16. Zaitsev A.A., Kurbatkina V.V., Levashov E.A. Features of the effect of nanodispersed additives on the sintering progress and properties of powdered cobalt alloys. Russ. J. NonFerr. Met. 2008. Vol. 49. No. 2. P. 120—125.

17. Konyashin I., Ries B., Hlawatschek D., Zhuk Y., Mazilkin A., Straumal B., Dorn F., Park D. Wear-resistance and hardness: are they directly related for nanostructured hard materials. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2015. Vol. 49. P. 203—211.

18. Konyashin I., Ries B., Lachmann F., Cooper R., Mazilkin A., Straumal B., Aretz A., Babaev V. Hardmetals with nano-grain reinforced binder: binder fine structure and hardness. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. P. 583—588.

19. Оглезнева С.А., Буланов В.Я., Концевой Ю.В., Игнатьев И.Э. Исследование процесса получения наноразмерных порошков никеля и железа методом восстановления водородом из солей. Металлы. 2012. No. 4. С. 115—120.

20. Анциферов В.Н., Мазеин С.А. Исследование влияния механохимической активации в системе титан— углерод. Физика и химия обраб. материалов. 1994. No. 4—5. C. 195—199.

21. Оглезнева С.А., Порталов М.Н. Исследование кинетики изотермического спекания измельченных и механически легированных порошков железа. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. No. 1. С. 9—16.

22. Оглезнева С.А. Экспресс-метод определения удельного расхода алмазов в лабораторных условиях. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2000. No. 5. С. 65—67.

23. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургиздат, 1962.

24. Матренин С.В., Ильин А.П., Слосман А.И., Толобанова Л.О. Спекание нанодисперсного порошка железа. Перспект. материалы. 2008. No. 4. С. 81—87.

25. Ивенсен В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. М.: Металлургия, 1985.