книги / Новые конструкционные материалы низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали

нетической энергией, о твердую поверхность освобождается большое ко­ личество теплоты и их температура может достигать 4000 °С.

Плазменный способ обеспечивает нагрев частиц до более высоких температур, чем детонационный. Ограничения по температуре при детона­ ционном способе нанесения покрытий компенсируются большей кинети­ ческой энергией частиц, что позволяет наносить покрытия и из тугоплав­ ких материалов. Благодаря высоким скоростям напыляемых частиц дето­ национные покрытия по сравнению с плазменными и тем более с обычны­ ми газопламенными имеют большие высокие плотность (98-99 %) и проч­ ность сцепления с основой. Существенным преимуществом детонационно­ го метода перед газопламенным и плазменным методами является его дис­ кретность, а вследствие этого и меньшая теплонапряженность. Нагрев об­ рабатываемой детали в процессе напыления может не превышать 200 °С.

Освоено нанесение детонационным методом покрытий самого разно­ образного состава: твердосплавных с использованием различных карби­ дов (вольфрама, хрома) и связок (Со, Ni, Ni + Сг); оксидных (из оксидов алюминия, титана и хрома); металлических. Это позволяет многократно повышать износостойкость деталей машин и инструмента.

6.3. Лазерные методы модифицирования и легирования поверхностных слоев, электроискровые и гальванические покрытия

Возможности значительного повышения износостойкости поверхно­ стей появились с разработкой промышленных лазеров. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера (до 109 Вт/см2) возможен быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя металла, вплоть до его расплавления. После­ дующий быстрый отвод теплоты в объем металла приводит к закалке по­ верхностного слоя с приданием ему высокой твердости и износостойкости. (Процессы, происходящие в поверхностном слое, а следовательно, и его свойства определяются мощностью и длительностью действия лазерного луча.) Можно также легировать поверхностный слой, предварительно на­ нося на него каким-либо способом слой легирующего компонента и затем расплавляя его лучом лазера, а также наносить покрытия лазерным лучом, вводя в него порошок напыляемого материала.

Метод электроискрового легирования основан на переносе материала электрода (преимущественно материала анода) при импульсном искровом разряде в газовой среде на обрабатываемую поверхность. Для нанесения электроискровых покрытий применяют вибрирующие электроды.

Нанесение металлических покрытий сохраняет в материале основы исходный фазовый состав. При легировании соединениями (метал­ лоподобными) происходит, как правило, их химическое взаимодействие с

материалом основы и образуются соединения элементов, входящих в на­ носимый материал, с элементам основы. Нанесение электроискровых по­ крытий существенно повышает износостойкость и антифрикционность по­ верхностей. Представление о возможности детанационных покрытий дает табл. 6.2 .

Таблица 6.2 Относительная износостойкость детонационных покрытий

(толщиной 150-200 мкм) из твердых сплавов

Дискретность и пористость покрытий, небольшая их толщина, низкая производительность процесса их нанесения, высокая шероховатость обра­ ботанных поверхностей, наличие остаточных напряжений растяжения пре­ пятствуют широкому внедрению этих покрытий.

Электроискровое легирование применяют для увеличения надежности деталей машин, приборов и механизмов, инструмента (режущего и дефор­ мирующего), кокилей для литья металлов, а также для размерного восста­ новления деталей машин.

Гальваническими методами можно наносить покрытия из металлов, сплавов и композиционных материалов. Введение в состав покрытий на основе хрома, железа и никеля частиц других материалов существенно по­ вышает триботехнические свойства этих покрытий. Введение порошков карбидов, оксидов, боридов, алмаза и т.п. позволяет существенно повысить износостойкость покрытий, а введение халькогенидов, графита, полиме­ ров - антифрикционность покрытий. Технология электролитического оса­ ждения дает возможность получать покрытия, содержащие до 40 % частиц

иимеющие толщину до 100 мкм.

Впокрытия вводят карбиды (WC, TiC, ZrC, HfC, SiC, B4C), бориды (ПВ2, ZrB2, HfB2, TaB2), силициды (TaSi2), нитриды (BN, SisN,*), оксиды

(А120 з, Sr2C>2, Si02, Zr0 2 , ТЮ 2), сульфиды (MoS2, WS2).

При одновременном введении в покрытие частиц с высокой твердо­ стью и частиц твердой смазки износостойкость и антифрикционные свой­ ства его повышаются. Наилучшими триботехническими свойствами обла­ дают композиционные покрытия на основе никеля.

Металлические и неметаллические коррозионно-стойкие покрытия являются распространенным средством повышения долговечности изделий при работе в коррозионной среде.

Металлические покрытия по механизму влияния делят на катодные и анодные.

Катодные покрытия изготовляют из более электроположительного металла. Они экранируют анодные участки металла и повышают электрод­ ный потенциал поверхности. Вследствие высокой коррозионной стойкости они долговечны, но не выносят механических повреждений. Если есть ца­ рапины, то основной металл при наличии покрытия - второго катода - корродирует быстрее, чем металл без покрытия.

Покрытия из свинца или олова (лужение) для железа и низкоуглеро­ дистой стали являются катодными. Свинец и олово - более электрополо­ жительные металлы, чем железо в атмосфере воздуха, неорганических и органических неокисляющих кислотах. Луженую сталь применяют в пи­ щевой промышленности, а покрытие свинцом - в химической.

Анодные покрытия изготовляют из более электроотрицательного ме­ талла. Разрушаясь, он предохраняет металл от коррозии. При механиче­ ских повреждениях такое покрытие играет роль дополнительного более электроотрицательного анода, который забирает большую долю коррози­ онного тока и тем самым защищает основной анод. Анодные покрытия применяют при атмосферной и морской коррозии. Анодными, например, для железа и углеродистых сталей являются покрытия из цинка или кад­ мия.

Неметаллические покрытия включают в себя вещества с ионным или молекулярным типом связи, являющиеся по своим электрическим свойст­ вам диэлектриками или полупроводниками. Из-за большого омического сопротивления коррозия в этих покрытиях не развивается. В качестве не­ металлических покрытии применяют оксиды, второпласты, краски, эмали, их основной недостаток - высокая хрупкость, т.е. они легко откалываются и ломаются.

6.4. Композиционные материалы

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорас­ творимые друг в друге компоненты, имеющие ярко выраженные границы раздела. Как видно из этого определения, большинство многокомпонент­ ных материалов являются композиционными.

Композиционные материалы (КМ) по удельным характеристикам прочности и жесткости, усталостной прочности, длительной прочности и другим свойствам превосходят все известные материалы. Принципы соз-

Дания КМ заимствованы у природы, а их свойства подчиняются общим за­ кономерностям, позволяющим проектировать изделия с заданными экс­ плуатационными характеристиками.

Всостав композиционного материала входят вязкие, пластичные фазы

иупрочнители. Упрочнитель обладает высокими прочностью, твердостью

имодулем упругости. Часто упрочнитель называют армирующим компо­ нентом или наполнителем. Наполнитель - более общее название, не кон­ кретизирующее целей его введения.

Формально композиционные материалы классифицируют в зависимо­ сти от схемы армирования. Существует три основные группы наполните­ лей. Нуль-мерные наполнители имеют в трех направлениях малые размеры одного порядка (частицы). Для одномерных наполнителей характерны ма­ лые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер

втретьем направлении (волокна); двумерные наполнители имеют один ма­ лый размер и два размера, значительно его превосходящие (ткани). Воз­ можности армирования не ограничены типом наполнителя. Например, из одномерных и двумерных наполнителей создают материалы с объемным, трехмерным расположением упрочняющего компонента.

Связь между составом и свойствам рассмотрим на примере волокни­ стых композиционных материалов (ВКМ) [2, 3]. Наибольшие свойства, достижимые для данного типа упрочнителя и матрицы подчиняются пра­ вилу аддитивности

где £ с, £ в, Ем- модули Юнга композиционного материала, волокон и мат­ рицы; VB- объемная доля волокон.

Эксперименты, выполненные для алюминиевой матрицы (Е = 70 ГПа) с 50 об. % волокон бора (Е = 420 ГПа), показывают (70*0,5 + 420*0,5 = = 245 ГПа), что расчетный модуль упругости (245 ГПа) хорошо согласо­ вать с реальным модулем упругости КМ (240 МПа).

Наибольшую величину временного сопротивления КМ можно вычис­ лить путем совместного решения уравнений напряжений и деформаций:

где ас, Ов, &м- предел прочности композиционного материала, волокон и матрицы и в момент разрушения волокон; 6С, ем, €в - деформация компози­ ционного материала, матрицы и волокон.

Из уравнений (6.2), (6.3) видно, что влияние волокон из-за их малой разрушающей деформации при относительно небольшой их доле (порядка 5-10 %) невелико, механические свойства у КМ могут быть даже ниже,

чем у матрицы. Затем прочность КМ линейно возрастает с увеличением содержания упрочнителя до 40-50 %. Стабилизация свойств КМ с 40-50 % упрочнителя и даже некоторое понижение характеристик прочности обу­ словлено повреждением волокон на стадии изготовления деталей. Количе­ ство поврежденных волокон тем выше, чем больше их объемная доля.

Особенно эффективно применение ВКМ для изготовления деталей, испытывающих усталостные нагрузки. Усталостная прочность ВКМ с алюминиевой матрицей, армированной борными волокнами, может втрое превосходить усталостную прочность матричного сплава. Но для реализа­ ции высоких свойств ВКМ необходимо добиться оптимальной связи меж­ ду компонентами. Поэтому КМ также классифицируют по характеру взаи­ модействия. По этому признаку ВКМ условно делят на три класса.

Первый класс - волокно и матрица взаимно не реакционноспособны и не растворимы. К этому классу относятся системы Си - AI2O3, Ag - AI2O3, А1 - В (покрытие BN), Mg - В, А1 - сталь (псевдопервый класс), А1 - В (псевдопервый класс), А1 - Si3N4 (псевдопервый класс). Композиты псев­ допервого класса способны к взаимодействию при изменении условий по­ лучения, например при повреждении окисной пленки.

Второй класс - компоненты взаимно не реакционноспособны, но рас­ творимы. Сюда относят ВКМ Си (Cr) - W, эвтектики, Nb - W, Ni - С, Ni - W (при низких температурах система реакционноспособна с образованием Ni4W).

Третий класс - волокно и матрица реагируют с образованием химиче­ ских соединений. Это самый обширный класс, к которому относят Ti - AI2O3, Ti - В, Ti - Si3N4, А1 - SiC>2 и А1 - С (при температуре выше 970 К).

Современный подход к разрушению КМ на первый план выдвигает взаимодействие на границе раздела и предполагает необходимым услови­ ем достижения оптимальных свойств КМ существование механического континуума, т.е. обеспечение хорошей механической связи между компо­ нентами, и химического дисконтинуума, прерывистого изменения состава за счет образования химических соединений на границе раздела. Но хими­ ческое соединение может вызвать катастрофическое разрушение, поэтому рассмотрим его роль на примере системы Ti - В.

Теоретическая прочность волокна в первом приближении равна £ в/10, где £в - модуль упругости волокна. Реальная прочность зависит от дефек­ тов волокна, влияние которых можно оценить с помощью коэффициента концентрации напряжений

где SB- прочность волокна.

Типичные значения Къборных волокон - от 10 до 20, что соответству­ ет прочности 4200-2100 МПа. Наиболее значительными в данном случае являются внутренние дефекты, получаемые при выращивании волокон.

Меткалф [2] предположил, что химическое взаимодействие компо­ нентов, в результате которого формируется поверхностный слой из про­ дуктов реакции, приводит к образованию трещин в зоне этого взаимодей­

где Si - прочность; £/ - модуль упругости вещества зоны взаимодействия. Разрушающая деформация диборида титана равна 0,25 %, а волокон

бора - 0,6 %. Соответствующий коэффициент концентрации напряжений

где В - коэффициент, определяемый распределением напряжений вокруг трещины. (В своих расчетах Меткалф принял В = 1); х - глубина трещи­ ны; г - радиус вершины трещины.

Первого критического значения зона взаимодействия достигает при

К, = КВ:

Если толщина слоя продуктов взаимодействия превосходит (лгкр)ь то разрушение начинает определяться трещиной в этой зоне. При разрушении

Путем подстановки уравнения (6.5) в уравнение (6.8) несложно найти вторую критическую величину зоны взаимодействия, при которой волок­ но, а следовательно и ВКМ, разрушается в момент растрескивания боридного слоя:

Минимальное значение г не может быть меньше радиуса диборида ти­ тана (0,0003 мкм), но практически г находится в пределах от 0,001 до 0,0015 мкм. Если толщина диборида меньше критического размера (поряд­ ка 0,4 мкм), то трещина в боридном слое не влияет на характер разрушения волокон.

Итак, по критическому размеру зоны взаимодействия можно опреде­ лить максимально допустимые параметры технологического процесса по­ лучения КМ. Минимальную же величину определяет ее способность зоны взаимодействия перераспределять напряжения между компонентами КМ без разрушения [4].

Контрольные вопросы к главе 6

1.Технология получения газофазных покрытий и их свойства.

2.Технология получения, структура и свойства ионно-плазменных и детонационных покрытий.

3.Структура и свойства слоев, полученных лазерными методами.

4.Получение и свойства электроискровых покрытий.

5.Получение и свойства гальванических покрытий.

6. Принципы классификации композиционных материалов.

7. Связь между составом и свойствами.

8. Роль границ раздела между фазами.

Список литературы к главе 6

1. Конструкционные материалы: Справочник / Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

2.Композиционные материалы: В 8 т.: Пер. с англ. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. М.: Мир, 1978. Т.1. Композиционные материалы с ме­ таллической матрицей / Под ред. А. Меткалфа. 1978. 438 с.

3.Композиционные материалы: В 8 т.: Пер. с англ./Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. М.: Машиностроение, 1978. Т.4. Композиционные ма­ териалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. 1978. 503 с.

4.Шацов А.А. Оценка прочности продуктов взаимодействия в компо­ зиционных материалах Ti - В, А1 - В // Вестник ПГТУ. Порошковая метал­ лургия. Вып. 5. Пермь, 2001. С.85-86.

7.СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ

Ограниченность природных ресурсов, повышение цен на стратегиче­ ские материалы, с одной стороны, и необходимость поддержания темпов экономического развития и роста производительности труда, с другой - обусловили рост производства порошковых материалов в последние годы в Европейских странах и Северной Америке на уровне 7-10 % в год. Даль­ нейшие высокие темпы развития отрасли будут возможны, если одновре­ менно с повышением прочности, трещиностойкости, износостойкости и размерной точности сохранится низкая себестоимость производства. Для наиболее распространенных конструкционных сталей, применяемых для изготовления массовых деталей, следует в ближайшие годы ожидать дос­ тижения сочетания прочности на уровне 1,0-2,0 ГПа и трещиностойкости

40-50 МН/м3/2 Основными направлениями улучшения эксплуатационных характеристик деталей из спеченных сталей являются: повышение плотно­ сти изделий, упрочнение их за счет легирования металлической матрицы, термообработка.

Следует заметить, что каждый из приведенных методов имеет свои недостатки: в промышленных условиях не достижимы высокие давления прессования; использование легирующих добавок уже в количестве не­ скольких процентов часто приводит к снижению точности конечных раз­ меров изделий и к увеличению стоимости продукции; термообработка по­ ка не нашла широкого применения из-за несовпадения оптимальных ре­ жимов для традиционных и порошковых сталей и невысокой ее эффектив­ ности при повышенной пористости стали.

Принятые методы улучшения плотности на практике сводят к двум подходам: механическому и химическому. Самым простым является по­ вышение давления прессования, но в промышленных масштабах оно огра­ ничено и не превышает 800 МПа, при этом плотность составляет примерно 7,1 г/см3 [1]. Порошки высокой прессуемости, например марки АВС 100.30 [2], не нашли широкого применения из-за их высокой стоимости (для рос­ сийских потребителей на уровне 1050 USD за тонну). При повышении давления прессования плотность возрастает незначительно, поэтому ис­ пользуют доуплотнение. Себестоимость продукции, изготовленной по технологии, включающей допрессовку, примерно на 40 % выше. Однако при получении изделий с повышенной прочностью двойное прессование и спекание оправдывают себя.

Конкурирующее направление повышения механических свойств кон­ струкционных порошковых сталей - горячая штамповка (или динамиче­ ское горячее прессование - ДТП) пористых заготовок с последующей их термической обработкой. Горячештампованная термообработанная никельмолибденовая сталь (ПК60Н2М) характеризуется высоким уровнем прочностных свойств: прочность при испытании на растяжение а в = = 1300 1400 МПа, при испытании на изгиб а изг = 2200 2300 МПа, ударная вязкость ан = 185 кДж/м2 [3]. Применение горячей штамповки по­ зволяет повысить относительную плотность пористых заготовок, на при­ мере стали ПК40Н4Д2М, по сравнению с однократным прессованием с 85,9 до 98,9 %, двукратным - с 93,8 до 99,5 %.По механическим свойствам горячештампованные образцы мало отличаются от компактных: предел прочности (ав) - 1300 МПа, твердость (HRC) - 40, ударная вязкость (KCV) - 500 кДж/м2 [4]. Использование карбонильных порошков в неко­ торых случаях способствует улучшению механических характеристик и при ДТП. Карбонильные порошки активируют спекание, уменьшают сред­ ний размер пор, интенсифицируют диффузионные процессы. Оптимальное

сочетание механических свойств обеспечивает добавка 20 % карбонильно­ го порошка [5], но технологические характеристики шихты при этом ухудшаются. США является лидером по внедрению штамповки в техноло­ гии порошковой металлургии, и, хотя уровень в 90-х годах был невелик, оценки [6] показывают, что в начале следующего века в США, Японии и Западной Европе этим методом будут производить 30 % конструкционных порошковых изделий.

Внедрение динамического прессования сдерживается тем, что это на­ правление во многом лишает порошковую металлургию ее преимуществ, связанных с низкой себестоимостью продукции и высоким коэффициен­ том использования металла.

Одним из методов получения беспористых материалов является экс­ трузия. В работе [7] описаны результаты исследований, выполненных с целью определения оптимальных параметров экструзии мартенситностареющих сталей. Образцы изготавливали из порошка стали Н18М5К10, полученного восстановлением оксидов [8]. Опытные партии изделий име­

дартным, а в некоторых случаях превосходили их. Ранее порошковые мар- тенситно-стареющие стали (ПМСС) производили только из особо чистых компонентов [9]. Оптимальные свойства ПМСС получены при содержании титана 2 %, причина повышенной концентрации титана состоит в непол­ ном растворении дисперсных порошков Ti при аустенизации (часть титана расходуется на образование устойчивых химических соединений). Пере­ ход к оксидной технологии означает несомненный прогресс, но количест­ во операций и параметры технологических процессов указывают на то, что по соображениям экономической целесообразности в ближайшее время в промышленности эти технологии реализованы не будут.

Особый интерес представляет высокотемпературная термомеханиче­ ская обработка (ВТМО), которая способствует повышению прочности при сохранении пластичности. Основными параметрами, определяющими «эффект» ВТМО, являются степень, скорость и температура деформации, а также последеформационная выдержка, за которой следует закалка (если выдержка исключается, закалка - немедленная). С помощью этих парамет­ ров подавляется (или частично задерживается) процесс рекристализации, так как ВТМО осуществляется в высокотемпературной области. Влияние этих параметров на возврат, полигонизацию, рекристаллизацию и фазовые превращения сталей детально описано в работах М.Л. Бернштейна. В табл. 7.1 сопоставлены результаты ВТМО порошковых сталей гомоген­ ного состава и аналогичных стандартных. Различие в степени деформации