Preview

Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
№ 1 (2019)
Скачать выпуск PDF

К 85-летию со дня рождения акад. В.Н. Анциферова

8-13 99
Аннотация
Рассматриваются некоторые разработки акад. В.Н. Анциферова и созданной им научной школы в плане возможности дальнейшего их развития при получении конструкционных порошковых материалов и изделий. Отмечены перспективы работ по получению концентрационно-неоднородных и трип-сталей. Большой потенциал заключается в возможности управления толщиной и объемом зоны деформационного мартенситного превращения, протекающего при разрушении. Целесообразно продолжить работы по созданию фуллерен- и азотсодержащих порошковых композиций, а также по изучению структурной наследственности порошковых сталей. Заслуживает внимания возможность синтеза фуллеренсодержащих фаз при жидкофазном спекании композиций «железо–чугун» и «железо–графит» и последующего их перераспределения в объеме материала в процессе динамического горячего прессования. Метод получения азотсодержащих сталей механоактивацией порошков с последующим спеканием в диссоциированном аммиаке целесообразно использовать не только при создании износо- и коррозионно-стойких, но и жаропрочных материалов. Перспективны работы по изучению распада переохлажденного аустенита в порошковых сталях различных систем легирования, имеющих различную технологическую предысторию (спеченные, горячедеформированные, инфильтрованные и др.). Потенциал развития имеют работы по исследованию горячедеформированных концентрационно-неоднородных материалов, получаемых, в частности, на основе порошков типа Distaloy. Значимыми являются оригинальные методики, разработанные школой акад. В.Н. Анциферова, в частности методика определения коэффициента вариации концентрации, а также магнитометрический комплекс и математическая модель, обеспечивающая возможность прогнозирования распада переохлажденного аустенита. Работы В.Н. Анциферова могут быть востребованы при решении проблемы получения экономно-легированных порошковых сталей со структурой нижнего бейнита, обеспечивающей оптимальное сочетание прочности и вязкости.

Процессы получения и свойства порошков

14-21 107
Аннотация
Объектом исследования были порошки сплава ХН60М (ЭП367; 06Х15Н60М1). Приведен обзор методов изготовления изделий из жаропрочного сплава ХН60М с анализом их преимуществ и недостатков. Показано, что в сравнении с литьевой технологией и горячим прессованием порошков из высоколегированных специальных сталей и сплавов аддитивные технологии позволяют получать изделия сложной формы с высоким уровнем физико-механических свойств и коэффициента использования материала. Невысокие литейные свойства изучаемого сплава обусловливают проведение исследований процесса атомизации для удовлетворения требований к размерам, форме, морфологии и текучести порошков для аддитивных технологий. Цель работы состояла в изучении влияния давления аргона при газовой атомизации на физические, химические, технологические свойства порошков для лазерной наплавки, полученных из сплава ХН60М. Для изготовления металлического порошка марки ХН60М была использована технология газового распыления жидкого расплава аргоном на лабораторном атомайзере VIGA 2B при температуре 1560 °C и варьировании давления распыляющего газа в диапазоне 22–25 мбар. Для выбора параметров атомизации с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов «ProCAST» методом конечных элементов вычислены значения вязкости расплава и построена ее температурная зависимость. С помощью электронной и оптической микроскопии, лазерной седиментации исследованы форма и размеры частиц, гранулометрический состав. Данные количественной металлографии обрабатывали с помощью программы «ВидеоТест 4». Измерена текучесть порошков. Установлено, что при увеличении давления распыляющего газа повышалась доля сферических частиц и улучшалась текучесть порошков; значения диаметра Фере, среднего размера частиц и d50 изменялись незначительно. Получена экспериментальная зависимость повышения выхода порошка целевой фракции (40–80 мкм) при уменьшении объема подачи распыляющего газа. Установлена обратно пропорциональная зависимость доли сферических частиц от доли целевой фракции. Результаты исследования дают возможность прогнозировать величины выходных параметров порошков при атомизации стали ХН60М. Характеристики порошков фракции –80+40 мкм с коэффициентом формы 0,99 и текучестью 14–15 с позволяют использовать их для изготовления изделий с помощью аддитивных технологий.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

22-29 109
Аннотация
Исследована зависимость фазового состава и параметров тонкой структуры карбосилицида титана в порошках, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, от концентрации алюминия в реакционной смеси 5Ti/2SiC/1C. Содержание алюминия варьировали в диапазоне 0,1–0,4 мол. доли при сохранении общего содержания углерода. Установлено, что добавки алюминия не только влияют на выход карбосилицида титана, но и способствуют преимущественному формированию в продуктах синтеза Ti5Si3 вместо TiSi2, идентифицируемого в порошках, не содержащих алюминий. Введение небольшого количества алюминия (0,1 мол. доли) приводит к формированию твердого раствора Ti3Si1–xAlxC2 и позволяет снизить содержание примесных фаз в СВС-порошках на 6 %. При более высоком содержании алюминия в реакционной смеси концентрация карбосилицида в СВС-порошках уменьшается, а двойных соединений (TiC, Ti5Si3, TiAl) – соответственно растет. В пределах концентраций 0,1–0,25 мол. доли заметного эффекта от введения алюминия на параметры кристаллической решетки карбосилицида титана в СВС-порошках не обнаружено. Заметный рост параметров a и c Ti3Si1–xAlxC2 (от a = 3,067 Å, с = 17,67 Å до a = 3,07 Å, с = 17,73 Å) при сохранении соотношения с/a в пределах известных значений (с/a = 5,78) наблюдается лишь при концентрации алюминия 0,4 мол. доли. Размер кристаллитов карбосилицида титана зависит, в первую очередь, от параметров горения. В то же время деформация кристаллической решетки Ti3Si1–xAlxC2 в СВС-порошках монотонно растет с увеличением содержания алюминия в реакционной смеси в исследованном диапазоне концентраций.
30-41 141
Аннотация
Работа посвящена получению композиционной порошковой керамики на основе ZrB2–ZrSi2–MoSi2 методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по схеме магнийтермического восстановления из оксидного сырья, а также ее последующей консолидации методом горячего прессования (ГП). Процесс горения реакционных смесей характеризуется довольно высокими адиабатическими температурами в диапазоне 2060–2120 К и скоростями горения в интервале 8,3–9,4 г/с. Выход целевого продукта при магнийтермическом восстановлении составляет 34–38 %. Полученный порошок содержит в своем составе 13–47 % ZrB2, 21–70 % ZrSi2, 2–32 % ZrSi и 10–18 % MoSi2 в зависимости от состава исходной реакционной смеси, характеризуется высокой структурной однородностью и состоит из композиционных частиц полиэдрической формы со средним размером порядка 8 мкм. Структура керамики, консолидированной методом ГП из СВС-порошка, гомогенная и включает игольчатые зерна ZrB2, распределенные в матрице из ZrSi2, включения MoSi2 различной морфологии и силиката ZrSiO4, распределенные по границам зерен ZrSi2. Полученные ГП-образцы характеризуются высокой степенью однородности химического состава и остаточной пористостью 2,5–7,4 %.

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы

42-51 91
Аннотация
Методом химического соосаждения из неорганических прекурсоров получены порошки на основе ZrO2–7мас.%Y2O3, в которые вводили оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ) – La, Nd, Pr – в виде концентрата в количестве от 5 до 15 мас.%. С помощью дифференциально-термического анализа установлено, что увеличение содержания концентрата приводит к смещению температурных максимумов тепловых эффектов в область высоких температур c 450 до 505 °С. С использованием метода спектроскопии комбинационного рассеяния света проведены исследования влияния температуры отжига в интервале 600–1200 °С на фазовые превращения синтезированных порошков системы ZrO2–7%Y2O3–РЗЭ, которые показали, что их фазовый состав, вне зависимости от содержания концентрата, состоит из тетрагонального диоксида циркония ZrO2. Изучено влияние температуры спекания на процессы уплотнения синтезированных порошков, фазовый состав и микроструктуру керамики. Выявлено, что наибольшей скоростью уплотнения при спекании обладает керамика с 10 % концентрата РЗЭ, а повышение содержания концентрата до 15 % приводит к торможению процессов уплотнения при спекании. Наибольшие значения открытой пористости при всех температурах спекания имела керамика с 15 % РЗЭ. Отмечено, что для образцов с 10 и 15 % концентрата РЗЭ с ростом температуры спекания наблюдаются снижение интенсивности пиков КР-спектров и их уширение, что связано с формированием тетрагональной модификации другого типа. Результаты атомно-силовой микроскопии показали, что после спекания при температуре 1350 °С в структуре керамики, содержащей 15 % концентрата РЗЭ, в отличие от других составов, обнаружено выделение новой фазы, имеющей огранку и слоистое строение.
52-60 235
Аннотация
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.
61-71 124
Аннотация
При исследовании нанокерамики необходимо постоянно иметь в виду теснейшую взаимосвязь способа ее получения, структуры и свойств. Нанокерамические материалы находят применение в различных областях техники в качестве конструкционных и функциональных материалов. Также нанокерамика широко используется в медицине. Она безвредна, стабильна и имеет большое сродство с живыми организмами. Нанокерамика на основе ZrO2 имеет меньший модуль упругости, чем прочие оксидные материалы. Специфика ее применения заключается в высоком сопротивлении разрыву и тепловому удару, в химической стабильности при высоких температурах. Однако необходимо решить проблему увеличения вязкости разрушения керамических материалов на основе ZrO2. Комплексное легирование ZrO2 оксидами иттрия и церия и использование добавки Al2O3 приводит к повышению вязкости разрушения и снижению негативного воздействия материалов в биологической среде. В настоящей работе на основе научных данных и экспериментальных исследований рассматриваются основные физико-химические свойства керамических порошков и материалов системы ZrO2–2Y2O3–4CeO2–Al2O3, синтезированных методом химического осаждения неорганических прекурсоров с применением золь-гель-технологии. Легирование чистого оксида циркония стабилизирующими оксидами Y2O3, CeO2 и термическое упрочнение Al2O3 обеспечивают сохранение тетрагональной структуры при комнатной температуре, что позволяет замедлить и контролировать трещиностойкость материала под нагрузкой. Проведены исследования влияния температуры спекания и содержания оксида алюминия на микроструктуру и размер зерна, физико-механические свойства получаемого керамического материала составов ZrO2–2Y2O3–4CeO2+1мас.%Al2O3 и ZrO2–2Y2O3–4CeO2+3мас.%Al2O3.

Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия

72-81 86
Аннотация
Необходимым условием для обеспечения требуемых свойств алмазной пленки, полученной газофазным осаждением, является подготовка поверхности. В работе рассмотрено влияние температуры и концентрации травителя CuSO4 на структурный и фазовый составы поверхности твердосплавных материалов, а также изучены структурный и фазовый составы сплошной поликристаллической алмазной пленки на стадиях ее роста. Качественно определена адгезия полученных алмазных пленок к поверхности твердосплавных материалов. Установлено, что обработка поверхности твердого сплава в растворе CuSO4 при температуре t = 23 °С приводит к неравномерному удалению кобальтовой связки с выкрашиванием зерен WC и образованием пористой структуры в поверхностном слое сплава WC–6%Co. Обработка травителем CuSO4 при t = –2 °С обеспечивает равномерное вытравливание Co-связки по границам зерен WC и формирование химически однородной поверхности. Ориентационный рост и адгезия алмазной пленки зависят от элементного состава поверхности сплава WC–Co после обработки в растворе CuSO4. Если обработка осуществлялась при tр-ра = 23 °С, то в процессе синтеза алмазной пленки затруднено удаление меди из дефектного поверхностного слоя WC – это обуславливает разнонаправленный рост алмазных кристаллов в пленке по двум направлениям: <111> и <110>, что вызывает критические биаксиальные напряжения сжатия (2,5 ГПа) и приводит к низкой адгезии пленки к поверхности твердого сплава. Если обработку проводили при tр-ра = –2 °С, то ориентационный рост алмазных кристаллов в пленке происходит в одном преимущественном кристаллографическом направлении <111>, что снижает биаксиальные напряжения сжатия (1,7 ГПа) и увеличивает адгезионное сцепление пленки к поверхности твердого сплава. Дефектность структуры, рассчитанная по соотношению линий интегральных интенсивностей I1333 / I1580 с использованием метода Раман-спектроскопии, уменьшается с повышением концентрации для отрицательных температур и возрастает для положительных температур раствора CuSO4 при подготовке поверхности.
82-90 111
Аннотация
Исследованы фазовые и структурные превращения порошкового магнитотвердого сплава системы Fe–30%Cr–27%Co– 1%Si–0,07%B с метастабильным α1+α2-фазовым составом, повышенным содержанием кобальта и высоким уровнем магнитных свойств. Плотность и коэффициент вариации концентрации основных элементов спеченных заготовок на уровне деформируемых аналогов достигнуты спеканием в α-фазе с контактным плавлением в присутствии «исчезающей» жидкой фазы, образующейся за счет добавок ферросплавов кремния и бора. Предложен кинетический подход к созданию конкурентоспособного магнитотвердого сплава с высокой долей сильномагнитной фазы. Установлено влияние добавок бора на инкубационный период образования нежелательной σ-фазы и температурный интервал концентрационного расслоения α-твердого раствора на сильномагнитную α1-фазу и слабомагнитную α2-фазу. Методами оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии определены температурно-временные параметры термической обработки сплава, включающей закалку, термомагнитную обработку (ТМО) и окончательное старение, обеспечивающие требуемое сочетание Hc и Br за счет повышения устойчивости метастабильной α-фазы до 20 мин в интервале температур спинодального распада α → α1 + α2. Наибольшее повышение магнитных свойств после ТМО, наблюдаемое на 1-й и 2-й ступенях окончательного старения, связано с дораспадом α-твердого раствора и формированием субзеренных границ. Элементы полученной структуры характеризуются субмикронными и нанометрическими размерами, коррелирующими с результатами исследований деформируемых сплавов на основе системы Fe–Cr–Co. Анизотропное α1+α2-структурное состояние, достигнутое термомагнитной обработкой, обеспечивало повышение характеристик магнитных свойств исследованного порошкового сплава 30Х27КСРА до 30 % и коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса 0,82.

Материалы и покрытия, получаемые методами аддитивных технологий

91-97 122
Аннотация
Объектами исследования являлись порошок нержавеющий стали 12Х18Н10Т фракции 20–63 мкм и полученные на его основе методом селективного лазерного плавления (СЛП) экспериментальные образцы. Порошок получали распылением аргоном при температуре 1640 °С и давлении 27 бар. Структура частиц – дендритно-ячеистая, при этом с уменьшением их размера (<35 мкм) преобладает ячеистая структура, а дендритная практически исчезает. Характерный размер частиц – d50 = 37 мкм, d100 = 67 мкм. Дифференциальная кривая распределения близка к гауссову виду, а несимметричность связана с сателлитностью и присутствием в небольшом количестве частиц размером менее 20 мкм. Текучесть порошка составляла 3,27 г/с, а насыпная плотность – 4,41 г/см3. Плотность выращенных на установке «Concept Laser M2» при мощности лазера 180 Вт и скорости 700 мм/с образцов стали 12Х18Н10Т в среднем соответствовала 7,89 г/см3. Поскольку плотность компактной стали равна 7,95 г/см3, то полученный материал был достаточно высокоплотным. Микроструктура образца 12Х18Н10Т характеризовалась сплошностью, отсутствием пор и трещин и представляла собой твердый раствор аустенита. Средний размер областей когерентного рассеяния в объеме зерна составлял 19 нм. Наблюдаемые дугообразные границы раздела параллельных полукруглых треков обусловлены отводом тепла при кристаллизации в процессе СЛП. При этом удлиненные кристаллиты в треках ориентированы вовнутрь от дугообразной границы. Микротвердость образцов в поперечной плоскости шлифа выше микротвердости планарной плоскости. При этом микротвердость образцов, полученных из порошка методом СЛП, выше, чем у сплава стандартного компактного. Предел прочности и относительное удлинение составляют 651 МПа и 47 % соответственно. Повышение прочности обусловлено, вероятно, измельчением при СЛП структурных параметров. Поверхность изломов образцов характеризуется ярко выраженным вязким типом.

Применение порошковых материалов и функциональных покрытий

98-106 100
Аннотация
Проведен анализ тенденций и перспектив развития отрасли по материалам европейских и всемирных конгрессов порошковой металлургии, публикациям в ведущих специализированных зарубежных изданиях. Отмечены тенденции устойчивого роста в развитых странах мира производства порошковых конструкционных деталей для автомобилестроения, в том числе с использованием технологии сборки при совместном спекании. Непрерывно растет производство изделий методами MIM, причем в отдельную подотрасль выделилась технология micro MIM, позволяющая производить изделия массой от 0,1 г и менее. Второе дыхание получили методы HIP: ими стало возможным получать крупногабаритные заготовки из титановых и жаропрочных сплавов, коррозионно-стойких сталей массой до 1000 кг; применение технологии post HIPing все шире используется для повышения качества изделий, полученных аддитивными технологиями, и ответственных отливок. С помощью аддитивных технологий уже изготавливают изделия массой до 100 кг. Авторами также сформулировано и собственное субъективное мнение по поводу перспектив развития порошковой металлургии в Европе и в мире, определены направления развития отрасли в Беларуси, ее влияние на развитие мировой порошковой металлургии. В частности, разрабатываются новые марки экономно-легированных порошковых сталей, позволяющих снизить себестоимость массовых конструкционных деталей без ущерба их техническим характеристикам. С этой же целью оптимизируются процессы совмещенного с закалкой спекания, причем в отличие от зарубежных аналогов для охлаждения используется эндогаз, а не азот.


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)