Колягин Е.Ю., Оноприенко В.Г.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ   Р6М5-МП МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО СПЕКАНИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Публичное акционерное общество «НОРД»,

Донецкий национальный технический университет

Авторами предложен и апробирован способ получения порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП методом импульсного спекания под давлением, определены  оптимальные режимы спекания, влияние параметров спекания на свойства стали Р6М5-МП.

Ключевые слова: быстрорежущая порошковая сталь, спекание, плотность, твердость.

By the authors is proposed and approved the method of obtaining by powder by that rapidly cutting they became Р6М5-МП by pulse sintering under the pressure, were determined the optimum regimes of sintering, the influence of the parameters of sintering on the properties of steel Р6М5-МП.

Key words: high-speed powder steel, sintering, density, hardness.

В качестве исходного материала для исследования использовали смесь порошков, которая по своему химическому составу соответствовала стали Р6М5 (ГОСТ 19265-73).

Для исследования брали две фракции порошков, которые выделяли путем рассева порошка на ротационном приборе в течение 10 мин. при определенном наборе сит. Первая фракция с размером частиц 60 мкм, вторая – с размером частиц 200 мкм.

Смесь  порошков с фракцией  200 мкм состояла из: графита -0,042 кг; вольфрама- 0,252 кг; молибдена – 0,232 кг; ванадия – 0,084 кг; хрома – 0,147 кг; железо – 3,143 кг; лигатура стеарата цинка – 0,1 кг.

Смесь порошков фракции 60 мкм состояла из: графита – 0,0075 кг; вольфрама – 0,045 кг; молибдена – 0,0412 кг; ванадия – 0,015 кг; хрома – 0,02625 кг; железо – 0,52 кг; лигатура стеарата цинка – 0,0175.

Смешивание порошков производили в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 5 часов до получения однородной смеси.

Из полученной шихты методом одностороннего прессования  в пресс-форме получали образцы цилиндрической формы. Усилие прессования составляло 0,5МН.

 Спекание прессовок производили на установке с номинальным напряжением 380В, сила тока спекания 16 кА, мощность установки составляла 83 кВА. Использовали  форму из диэлектрического материала. Варьировали величину  тока спекания и усилия предварительного прессования (таблица 1).

 Таблица 1

Параметры спекания порошков

Нагрев до температуры спекания  осуществляется за счет прохождения электрического тока через заготовку,  которая в процессе нагрева подвергалась  односторонней  допрессовке электродами  установки для  спекания.

При проведении исследования применяли метод  математического планирования эксперимента, который  позволяет  при минимальном числе опытов и варьировании одновременно несколькими факторами, определить область оптимальных значений параметра и построить ее математическую модель, выявить  влияние на параметр оптимизации не только каждого фактора в отдельности, но их взаимное влияние.

Результаты экспериментов, полученные при реализации плана, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты реализации многофакторного эксперимента

Полученные результаты исследований позволяют определить зависимость твердости и относительной плотности спеченной порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП от параметров спекания.

Было установлено, что твердость и относительная плотность порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП,  увеличиваются с ростом силы тока спекания и числа циклов спекания.

Анализ коэффициентов независимых переменных свидетельствует более  сильном влиянии на твердость стали Р6М5-МП  времени спекания по сравнению с длительностью цикла спекания.

    После декодирования и исключения статистически незначимых коэффициентов были получены следующие адекватные для пяти процентного уровня значимости уравнения регрессии:

HRC = 8,26 + 0,9 і + 3,2 τ, + 6,85 t   + 0,4 і τ,  -  τ t;  (1)

   Θ = 87,375 – 0,625 і + 2,875 τ + 2,3 t + 0,5 і τ.   (2)

Вид уравнений регрессии указывает на то, что рост силы тока спекания приводит к повышению  твердости порошковой стали Р6М5-МП вследствие роста  температуры. Следует отметить и повышенную диффузионную подвижность атомов за счет структурных несовершенств спекаемых компонентов вакансий, большая внешняя граница, дислокации и т.п. Повышенная концентрация вакансий на поверхностях и большеугловых границах, нарушение периодичности расположения атомов увеличивают вероятность атомных переходов и уменьшают энергию активации диффузии почти вдвое. Поэтому, при многократном импульсном спекании: порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП преобладают поверхностная и граничная диффузии, которые реализуются тем интенсивнее, чем мельче зерно и выше степень пластической деформации. Вид уравнений регрессии указывает на то, что рост силы тока спекания приводит к повышению  твердости порошковой стали Р6М5-МП вследствие роста температуры, ускорению диффузионных процессов спекания. Следует отметить и повышенную диффузионную подвижность атомов за счет структурных несовершенств спекаемых компонентов: вакансий, больших внешних границ, дислокаций и т.п. Повышенная концентрация вакансий на поверхностях и большеугловых границах, нарушение периодичности расположения атомов увеличивают вероятность атомных переходов и уменьшают энергию активации диффузии почти вдвое.

С физической точки зрения изменение объема, имеющее место при уплотнении порошковых прессовок при  спекании, может вызываться только течением массы, начинающимся  и заканчивающимся внутри частиц. Таким течением может быть объемная диффузия,  зернограничная  или поверхностная диффузии. При объемной диффузии, чтобы заполнить  пору, вакансии должны двигаться внутрь нее. Каждый атом, поступающий в пору, оставляет позади себя вакансию, которая движется в противоположном направлении. Процесс рассматривается как растворение вакансии за вакансией объема поры в окружающем кристалле. Чтобы сократить объем системы все вакансии должны быть устранены либо диффузией их из системы, либо смещением их во внутренние места стоков. Первая возможность кажется не осуществимой из-за относительно больших расстояний до выхода из системы и небольшой скорости процесса диффузии в твердой фазе. Вторая требует наличия внутри кристаллов эффективных мест  стоков вакансий, которыми являются границы зерен, поверхности частиц. Тем более, что энергия активации диффузии по границам зерен и поверхностям зерен и частиц  составляет около 0,5…0,7 от энергии активации по объему зерна. 

Было установлено, что плотность порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП зависит от величины силы  тока спекания, количества импульсов спекания и времени спекания

Значительная температура на контактных  границ частиц вызывает появление жидкой фазы, которая под действием капиллярных сил, сил поверхностного натяжения и специфического воздействия электромагнитных полей на жидкую фазу заполняет поры и способствует получению практически беспористой  порошковой быстрорежущей стали. Увеличение трех параметров режима спекания многоимпульсного спекания под давлением оказывает позитивное влияние не только на плотность порошковой стали, но и на ее твердость, сдвигая ее в область больших значений. Это можно объяснить ускорением диффузионных процессов образования твердых растворов, которые в значительной степени зависят от температуры процесса.

 Анализ уравнений регрессии показывает, что предварительное прессование не оказывает значительного влияния на относительную плотность и твердость спеченного материал. В процессе импульсного спекания  определяющими факторами являются величина давления электродов на компактируемый материал и сила  тока спекания.

С ростом  силы тока спекания увеличивается относительная плотность  стали Р6М5-МП. Однако рост силы  тока спекания ограничен температурой плавления самого легкоплавкого  компонента компактируемого материала.

Применение многоимпульсного спекания позволяет   уменьшить силу  тока спекания, и получать спеченную порошковую сталь с высоким комплексом свойств и практически беспористой структурой. Варьирование значениями силы  тока спекания, длительности импульса спекания и общего времени спекания позволило определить оптимальные режимы импульсного спекания порошковой быстрорежущей стали Р6М5-МП. Твердость  стали Р6М5-МП составляла 59 HRC при 100 % относительной плотности, спеченной  при силе  тока спекания  5кА,  длительности импульса спекания 1 с, времени спекания 6 сек.