Механические и трибологические свойства компактов, полученных импульсным прессованием из смеси микропорошка железа и нанопорошка молибдена

Характерной тенденцией современного промышленного производства является создание новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами на основе использования деталей с необходимым уровнем технологических и эксплуатационных свойств. Это определяет потребность в улучшении качества и надежности материалов, в том числе и материалов, полученных из металлических порошков. Развитие порошковой металлургии основывается в значительной мере на разработке и использовании передовых технологий консолидации порошков, направленных на существенное сведение к минимуму остаточной пористости и формированию материала с высокой степенью структурной однородности [1]. Детали конструкционного назначения являются наиболее распространенным видом продукции порошковой металлургии. Основными этапами получения порошковых материалов являются: подготовка порошковой смеси, прессование и спекание [2]. Формование качественных прессовок заданной формы из порошков различного гранулометрического состава – крупнокристаллических порошков, нанопорошков и их композиций – имеет большое значение в технологиях производства компактных материалов. Наличие нанометровых и субмикронных частиц в крупнокристаллическом порошке может повлечь за собой повышение износостойкости и прочностных свойств материала [3]. В процессе формования необходимо обеспечить равномерное распределение плотности в компактах, химическую чистоту и требуемый фазовый состав. В современных технологиях производства компактных материалов процессы ком-пактирования происходят как при статических, так и при динамических нагрузках [4, 5]. Наиболее распространенными методами статического прессования являются холодное изостатическое прессование [6], горячее изостатическое прессование [7] и прокатка порошков [8]. Среди известных технологий динамического прессования наибольшее распространение приобрели магнитно-импульсное прессование [9], взрывное прессование, вибрационное уплотнение и ультразвуковое прессование [10]. В 2004 авторы работы [11] предложили новую модификацию метода Кольского для импульсного компактирования порошковых материалов. Применение этой методики позволяет контролировались параметры нагружения, выбирать оптимальные режимы прессования и проводить исследования механики процесса динамического уплотнения порошковых материалов.

Известно [12], что одним из перспективных направлений создания новых высокоэффективных производств деталей и элементов для микромашин и микромеханизмов является порошковая металлургия. Методами порошковой металлургии производятся композиционные материалы триботехнического назначения (подшипники скольжения, фрикционные диски, накладки для тормозных систем и устройств систем стабилизации скорости вращения), конструкционные детали (втулки, кольца, крышки подшипников, кулачки и т. п.). Для работы в сложных условиях эксплуатации (трение без смазки) часто применяют по- рошковые фрикционные материалы на железной основе [13].

Целью настоящей работы является определение оптимальных режимов прессования и изучение влияния массовой доли нанопорошка молибдена в матрице железного микропорошка на микроструктуру, плотность, твердость и износостойкость компактов, полученных импульсным прессованием.

Материалы и методы исследования

Порошок молибдена используется во многих отраслях промышленности в качестве основного материала и добавки для улучшения физико-механических свойств порошковых смесей. Его можно прессовать и спекать или использовать в порошкообразном виде в зависимости от области применения. Во многих отраслях промышленности высоко ценятся характеристики порошка молибдена – малый размер частиц, высокая чистота и стабильные свойства [14, 15]. С развитием современного машиностроения возрастают требования к основным эксплуатационным характеристикам фрикционных материалов [16]. В настоящей работе изучается влияние добавления нанопорошка Mo в матрицу порошока Fe на твердость и износостойкость полученных компактов. Для исследования были взяты восстановленный порошок железа (со средним размером частиц 8–10 мкм) и нанопорошок Mo (средний размер частиц 25–30 нм) (рис. 1). Массовая доля молибдена составляла 10 и 15 % от общей массы. Теоретическая плотность порошковой смеси определялась по правилу смеси. Плотность железа ρ Fe = 7,874 г/см³, плотность молибдена ρ Мо = 10,22 г/см³. Плотность порошковой смеси определяется по формуле

ρ_смеси = ρ_Mo· X + ρ_Fe(1 – X ),                 (1)

где ρ Mo – плотность молибдена, г/см³; ρ Fe – плотность железа, г/см³; X – долевое содержание молибдена в смеси.

ρ смеси (Fe + 10 % Mo) = 10,22 · 0,1 + 7,8(1 – 0,1) = = 8,042 г/см³;

ρ смеси (Fe + 15 % Mo) = 10,22 · 0,15 +

+ 7,8(1 – 0,15) = 8,163 г/см3.

Таким образом, теоретические плотности порошковых смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo составили 8,042 г/см3 и 8,163 г/см3 соответственно. Перед проведением экспериментов были получены порошковые смеси (Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo). Вначале производили взвешивание компонентов.

а)

b)

Рис. 1. Частицы железного порошка (а) и молибдена (b) Fig. 1. Particles of iron powder (a) and molybdenum (b)

Суммарный вес смеси порошков составил 40–50 г. Затем добавили к исходной смеси индифферентную жидкость – около 80 г химически чистого ацетона. Далее суспензию обрабатывали в ультразвуковой ванне в течение 20 мин. Ацетон испаряли при температуре 50–60 °С. Перед импульсным прессованием порошковый материал подвергали предварительному статическому сжатию. Динамическое уплотнение порошковых материалов в настоящей работе осуществлялось с использованием модифицированной методики Кольского, позволяющей контролировать кинематические параметры нагружения и подбирать рациональные режимы прессования порошковых материалов с длительностью импульса нагружения в диапазоне 100–400 мкс и амплитудами давления до 2000 МПа. Установка для проведения экспериментов, представленная на рис. 2, состояла из пневматического нагружающего устройства, двух измерительных стержней диаметром 20 мм каждый и комплекса регистрирующей и синхронизирующей аппаратуры. В качестве нагружающего устройства использовалась газовая пушка, работающая на воздухе [17]. Исследуемая порошковая смесь помещалась в специальный высокопрочный цилиндр (внутренний диа-

Порошковый материал в обойме

Опорный стержень

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для импульсного прессования порошковых материалов Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup for pulse pressing of powder materials

метр 7 мм, толщина стенки 4 мм), расположенный между концами измерительных стержней. Деформация измерялась с помощью тензодатчиков, наклеенных на боковую поверхность стержней. Сигналы от тензодатчиков регистрировались цифровым осциллографом TDS 2003B. Для передачи усилия от нагружающего стержня диаметром 20 мм к компактному образцу диаметром 7 мм использовались пуансоны, изготовленные из высокопрочной мартенситностареющей высоколегированной стали 03Н18К9М5Т с σ в ≥ 1950 МПа.

Разогнанный до необходимой скорости соударения V боек приходит в соприкосновение с нагружающим стержнем и возбуждает в нем одномерную упругую волну сжатия sI (t), которая распространяется в стержне со скоростью С. Когда волна достигает образца, она разделяется на две из-за их разного поперечного сечения. Первая волна sR (t) отражается обратно в нагружающий стержень, а вторая волна sT (t) проходит через образец в передающий стержень. Образец испытывает упругопластическую деформацию, в то время как стержни испытывают упругую деформацию. Амплитуды и формы волн sR (t) и sT (t) за- висят от соотношения между акустическими сопротивлениями стержня и образца и от реакции материала образца на приложенную динамическую нагрузку. Эти импульсы деформации измерялись с помощью тензодатчиков, наклеенных на боковую поверхность стержней.

На основе данных о зарегистрированных упругих импульсах деформации в обоих стержнях были установлены временные диаграммы напряжения aS (t), деформации sS (t) и скорости деформации sS (t) в образце по- рошкового материала в процессе уплотнения следующим образом [18]:

aS(t) = EA sT ( t) ;

AS

s s (t ) = - 2C J s R (t) dt;                  (2)

L s 0

.    2C R, .

^s( t ⁾ = —r^s- ⁽ t ) ,

LS где s1 (t), sR (t) и sT (t) - падающие, отра- женные и прошедшие импульсы деформации в измерительных стержнях соответственно. Иначе говоря, sI (t) - падающий импульс деформации в нагружающем стержне, sT (t) -импульс деформации в опорном стержне, а sR (t) - отраженный импульс в нагружающем стержне [18]. Кроме того, С – это скорость упругих волн в стержнях, E и A – модуль Юнга и площадь поперечного сечения измерительных стержней соответственно, LS – начальная длина образца, AS – площадь поперечного сечения образца. Зная высоту образца, заданную выражением hs (t) = CJt [EI (t) - sR (t) - sT (t )]dt, (3) можно получить диаграмму изменения плотности порошковой смеси во время прессования следующим образом:

, . 4 mhe(t}

p(' ) = Po + —-S^ • (4) nd Ls

Здесь m и p ₀ - начальная масса и плотность образца соответственно, а d – его диаметр. В экспериментах использовались бойки диаметром 20 мм, длиной 200–400 мм из стали 40Х. Для оценки структуры полученных прессовок проводился металлографический анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) на электронном микроскопе TESCAN VEGA II с увеличением от х 100 до х 20 000. Кроме того, проводился рентгеноспектральный микроанализ с помощью энергодисперсионного спектрометра INCA Energy 250 в режиме сканирования по линии поверхности и поперечным шлифам полученных прессовок, что позволяло наблюдать изменения относительной концентрации отдельных элементов (Fe, Mo, O) вдоль выбранной линии сканирования. Микротвердость прессовок измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3. Трибологические испытания на износ полученных прессовок проводили при температуре 20 °С по схеме «контртело (вращающийся диск) – неподвижный образец» в режиме сухого трения (рис. 3). Контртело (вращающийся диск толщиной 4 мм и диаметром 40 мм) изготавливали из инструментальной быстрорежущей стали Р6М5. После закалки и отпуска твердость стали составила 63 HRC. Шероховатость боковой поверхности диска составляла R a = 1,6 мкм.

Рис. 3. Вид установки для испытаний по схеме нагружения «контртело (вращающийся диск) – неподвижный образец» в режиме сухого трения: 1 – вращающийся центр; 2 – контртело; 3 – образец; 4 – рычаг Fig. 3. View of the test setup for the loading scheme “counterbody (rotating disk) – stationary sample” in the dry friction mode: 1 – rotating center; 2 – counterbody; 3 – sample; 4 – lever

Результаты и обсуждение

Импульсное прессование порошковых смесей проводилось в одинаковых условиях нагружения (длительность импульса давления находилась в пределах от 100 до 350 мкс, амплитуда достигала величины 1800–1900 МПа). Температура прессования 20 °С. В каждом эксперименте регистрировались параметры нагружения (амплитуда и длительность волны нагружения, которые определялись скоростью и длиной ударника), а также импульсы деформации в мерных стержнях, которые использовались для построения динамических диаграмм прессования порошковых смесей. В результате экспериментов были получены цилиндрические прессовки диаметром 7 мм и высотой от ~ 3,1 мм до ~ 3,5 мм (рис. 4). Шероховатость торцевых поверхностей полученных прессовок определялась шероховатостью торцевых поверхностей пуансонов и была не хуже Ra ~ 0,1 мкм.

Проведенные исследования показали, что плотность полученных прессовок увеличивалась с ростом массовой доли нанопорошка молибдена. Плотность определялась путем измерения массы и объема прессовки. Объем

Рис. 4. Компакт порошковой смеси (Fe + 10 % Mo), полученный в эксперименте

Fig. 4. Compact powder mixture (Fe + 10 % Mo) obtained in the experiment

находился методом гидростатического взвешивания. Относительная плотность компактов определялась как отношение полученной плотности компакта к теоретической плотности исходной порошковой смеси, заданной ранее по соотношению (1). В таблице обобщены основные характеристики компактов, полученных из смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo при температуре испытания 20 °С.

Для детального анализа механизма уплотнения порошковых смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo во время прессования были построены диаграммы уплотнения (временные зависимости осевого напряжения и плотности в процессе прессования) (рис. 5 и 6). Как видно из диаграмм, определенный вклад в процесс уплотнения вносит исходная плотность порошковых смесей. Очевидно, что уплотнение порошка происходит не только при достижении максимального значения импульса давления, но и при его затухании. Уплотнение порошка под действием приложенной нагрузки происходит как за счет относительного движения частиц порошковой смеси, так и за счет пластической деформации отдельных частиц порошка [19]. В начальной стадии процесса прессования существенный вклад в уплотнение вносит относительное движение частиц порошка и заполнение пустот между более крупными частицами более мелкими. На заключительном этапе стадии прессования уплотнение реализуется в основном за счет пластической деформации крупных частиц. Электронно-микроскопические исследования показали, что полученные компакты имеют достаточно однородную мелкозернистую структуру.

Распределение пор равномерное, формы пор многообразны и представляет собой в основном искаженные полуправильные сферические формы. По результатам рентгеноспектрального микроанализа полученных прессовок установлено, что динамическое прессование не вызывает выраженной неоднородности в распределении элементов Fe, Mo и O в образцах. На рис. 7 представлены фотографии поверхности прессовок с увеличением х 5000, полученные при различных массовых долях

Основные характеристики компактов, полученных из смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo при температуре испытания 20 °С

Main characteristics of compacts obtained from mixtures of Fe + 10 % Mo and Fe + 15 % Mo at a test temperature of 20 °С

№ Масса, г Высота засыпки H1, мм Высота компакта H2, мм Диаметр образца D, мм Начальная плотность, кг/м3 Плотность, % (кг/м3) Деформация, % Fe + 10 % Mo 1 0,75 4,89 3,51 7 4856,2 85,04 (6835,8) 28,22 2 0,65 4,21 3,09 7 4862,2 86,32 (6941,83) 26,60 3 0,71 4,66 3,20 7 4864,2 85,12 (6845,34) 28,33 4 0,70 4,59 3,31 7 4859,2 85,47 (6873,49) 28,19 5 0,68 4,29 3,08 7 4858,4 85,21 (6852,52) 28,20 Fe + 15 % Mo 1 0,78 4,67 3,15 7 5,124 89,25 (7285,47) 31,35 2 0,81 4,83 3,28 7 5,112 88,68 (7238,94) 30,19 3 0,79 4,82 3,33 7 5,119 89,13 (7275,68) 30,91 4 0,76 4,65 3,19 7 5,127 89,22 (7283,03) 31,31 5 0,78 4,82 3,37 7 5,117 88,78 (7247,11) 30,28 молибдена. В процессе прессования порошковой смеси вначале происходит переупаковка частиц: частицы перемещаются одновременно. Мелкие частицы заполняют пространство между крупными частицами. Далее уплотнение частиц происходит в основном за счет пластической деформации до тех пор, пока не исчерпываются пластические свойства частиц порошка. Дальнейшее увеличение приложенной нагрузки не может приводить к дальнейшему увеличению плотности, поскольку для этого необходимо заметное изменение пластических свойств частиц порошковой среды, например, предварительный нагрев порошко- вой смеси до температур, связанных, с одной стороны, со свойствами порошка, с другой стороны, с технологическими особенностями метода прессования.

Результаты рентгеновского микроанализа полученных компактов (рис. 8) показали, что динамическое компактирование не приводит к заметному изменению распределения элементов Fe и Mo по объему компактов.

На графике рис. 8b показано изменение интенсивности характеристического рентгеновского излучения ( I , имп./с · 10^–3) вдоль линии ( L , мкм), показанной и на графике на микрофотографии рис. 8a. На рис. 8a пред-

а)

b)

а)

Рис. 6. Диаграммы процесса уплотнения «напряжение – время» (a) и «плотность – время» (b) для порошковой смеси Fe + 15 % Mo при температуре 20 °С

Fig. 6. Stress-time (a) and density-time (b) diagrams of the compaction process for a powder mixture of Fe + 15 % Mo at a temperature of 20 °С

Рис. 5. Диаграммы процесса уплотнения «напряжение – время» (a) и «плотность – время» (b) для порошковой смеси Fe + 10 % Mo при температуре 20 °C

Fig. 5. Stress-time (a) and density-time (b) diagrams of the compaction process for a powder mixture of Fe + 10 % Mo at a temperature of 20 °C

b)

а)                                                                    b)

Рис. 7. Структура компактов Fe + 10 % Mo (а) и Fe + 15 % Mo (b) Fig. 7. Structure of Fe + 10 % Mo (a) and Fe + 15 % Mo (b) compacts

а)                                                               b)

Рис. 8. Распределение элементов Mo, Fe, O в тонком поверхностном слое компакта Fe + 10 % Mo Fig. 8. Distribution of elements Mo, Fe, O in a thin surface layer of Fe + 10 % Mo compact

ставлена микрофотография поверхности компакта. Поскольку в качестве детектора РЭМ в данном случае использовался детектор обратно рассеянных электронов (BSE), области изображения, обогащённые повышенным содержанием молибдена (Mo) как более тяжёлого атома по сравнению с железом (Fe), проявляются как более светлые. Это подтверждается и на графике рис. 8b, где представлен спектр рентгеноспектрального микроанализа в виде изменения интенсивности характеристического спектра элементов вдоль линии. Видно, что когда линия анализа проходит через светлую область, происходит всплеск ин- тенсивности характеристического излучения молибдена. Таких светлых участков немного, а их присутствие говорит об ограниченном наличии непромешанных мест, когда склонные к агломерации частицы молибденового порошка недостаточно перемешаны с частицами железа, и это не смотря на тщательное перемешивание. В основном же поверхность однородно серая и рентгеновский спектр подтверждает однородность состава на прочих участках.

Микротвердость поверхности прессовок измерялась стандартным микротвердомером по диаметру прессовок с шагом 0,5 мм. Для

Рис. 9. Распределение микротвердости на поверхности компактов Fe + 10 % Mo (а) и Fe + 15 % Mo (b) Fig. 9. Distribution of microhardness on the surface of Fe + 10 % Mo (a) and Fe + 15 % Mo (b) compacts

Рис. 10. Зависимость потери массы компактов Fe + 10 % Mo (а) и компактов Fe + 15 % Mo (b) от времени испытания

Fig. 10. Dependence of mass loss of Fe + 10 % Mo compacts (a) and Fe + 15 % Mo compacts (b) on test time

каждого образца проводилось 5 серий измерений, результаты которых усреднялись. Исследования показали, что плотность всех полученных прессовок и их микротвердость увеличиваются с ростом массовой доли нанопорошка молибдена (рис. 9). Также установлено, что микротвердость прессовок из смеси Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo в центральной части выше, чем на периферии образцов, возможно, это явление связано с наличием трения между порошковым материалом и материалом обоймы.

Для оценки износостойкости полученных компактов были проведены исследования на испытательном стенде в режиме сухого трения по схеме «вращающийся диск - неподвижный образец» при комнатной температуре [20]. Вращающийся диск толщиной 4 мм и диаметром 40 мм был изготовлен из стали ХВГ, подвергнутой неполной закалке и низкому отпуску.

Полученная структура мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) обеспечила ей высокую твёрдость (62–65 HRC) и высокую износостойкость. Шероховатость боковой поверхности диска составляла Ra = 1,6 мкм. Фиксированная нормальная нагрузка в зоне контакта составляла 25 Н. Продолжительность испытания – 2 ч при постоянной частоте вращения диска, равной 50 об/мин, и соответствующей скорости скольжения 0,146 м/с. Суммарный путь трения составил 1051,2 м. Измерение потери массы образцов в процессе износа проводилось с интервалом 30 мин путем их взвешивания с точностью 0,001 г на аналитических ве- сах Sartorius Cubis II. Перед каждым взвешиванием компакты тщательно промывались химически чистым ацетоном. Результаты исследования износостойкости полученных компактов представлены на рис. 10.

Представленные на рис. 10 экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что износостойкость компактов Fe + 10 % Mo выше чем у компактов Fe + 15 % Mo в ~ 1,3 раза, что связано с более высоким содержанием нанопорошка молибдена в железной матрице.

Заключение

Рассмотрена удобная для практического использования схема импульсного прессования порошковых материалов по модифицированной методике Г. Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона, позволяющая получать компакты из различных порошковых композиций с однородной структурой, высокой плотностью и изучать механику динамического процесса уплотнения. Применение этой методики в работе обеспечило получение качественных компактов порошковых смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo. Экспериментально установлено, что импульсное прессование указанных порошковых смесей приводит к достижению относительной плотности компактов 85 и 89 % при температуре прессования 20 °С.

Экспериментально определены оптимальные кинематические параметры прессования порошковых смесей, в которых длительность импульса давления составила ~ 200 мкс, амплитуда импульса давления ~ 1600 МПа для смеси Fe + 10 % Mo и ~ 1750 МПа для Fe + 15 % Mo.

Проведенные металлографические исследования структуры полученных компактов показали, что импульсное прессование приводит к формированию совершенной мелкозернистой структуры за счет увеличения площади ювенильной поверхности, а также способствует активации этих поверхностей и формированию устойчивой металлической связи в зоне контакта частиц порошка железа, что приводит к росту плотности и микротвердости компактов. Применение импульсного прессования порошковых смесей Fe + 10 % Mo и Fe + 15 % Mo позволяет достичь достаточно высокую микротвердость и плотность образцов уже после однократного нагружения. Проведенные исследования износостойкости компактов показали, что максимальная износостойкость компактов Fe + 15 % Mo превышает аналогичный параметр компактов Fe + 10 % Mo в ~ 1,3 раза.