Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика
Акименко В.Б., Буланов В.Я. и др.
Наука, 1982 г.
1.2. ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ
Термодинамика и кинетика восстановления окислов легирующих в присутствии железа изложены в работах [76—86, 101—108].
При разработке технологических режимов получения легированных порошков восстановлением окислов значительный эффект дает использование математического планирования эксперимента [87-90, 92, 93, 109, 111].
Технологическая схема процесса. Проведенные исследования показывают, что легированные железные порошки могут быть получены методом восстановления [76, 90, 91]. Технологическая схема их получения из окалины проката легированных сталей или восстановлением распыленного порошка-сырца в общем виде представлена на схеме 6.
По указанным соображениям для производства легированных железных порошков может быть принят проверенный в промышленных условиях способ восстановления в муфельных печах или в электропечах, остальные агрегаты и аппаратура могут быть также взяты из применяемых на заводах, производящих железные порошки.
В настоящее время промышленность СССР осваивает несколько марок легированных железных порошков, но ввиду отсутствия в литературе данных по их составу, структуре и свойствам авторы приводят результаты собственных исследований по получению природно-легированных железных порошков, которые иллюстрируют преимущества легированных порошков в сравнении с нелегированными [76].
Для сравнения параллельно проводились те же анализы выпускаемого нашей промышленностью нелегированного железного порошка марки ПЖ4М, наиболее распространенного и получаемого тем же методом, что и порошок из окалины проката легированных сталей [76].
В тексте вводятся следующие сокращения маркировки порошков: ППЛ-18ХСНД — порошок природно-легированный из окалины стали ХСНД (0,18 мас.% С); ППЛ-15ГС —то же, из окалины стали ГС; ПВЛЖ-ОВ — порошок высоколегированный, железный, полученный из кека обжиговосстановительным методом.
Результаты химического анализа (мас.%) природно-легированных железных порошков приведены ниже [100—102, 106—108, 111].
Как видно, железные порошки, изготовленные из окалины проката природно-легированных сталей, имеют повышенное (до 4 мас.%) содержание легирующих элементов против нелегированного порошка ПЖ4М, что позволяет отнести их к низколегированным п ожидать от материалов, изготовленных на их основе, улучшенных свойств. Такой же состав должны иметь и порошки, полученные из распыленного сырца природно-легированных сталей.
Железные порошки, изготовленные из кека, имеют различное содержание легирующих элементов и дисперсных включений от 2—3 и до 25 мас.%, что позволяет считать их средне- и высоколегированными.
Структура нелегированного железного порошка. В настоящее время в литературе [20, 19, 94] имеется информация о структуре частиц железных порошков с точки зрения их формы, размеров, наличия пор и прочих микрохарактеристик.
Наиболее характерным нелегированным порошком с хорошо отработанной технологией его изготовления является железный порошок Броварского завода порошковой металлургии. Частицы подвергались исследованию с целью выявления их структурных несовершенств, с тем чтобы при проведении дальнейших испытаний частиц легированных железных порошков с нелегированными установить связь между структурой частиц железных порошков и получаемых из них спеченных материалов.
Для исследования структуры частиц железного порошка ГОК4М производился рентгено-структурный анализ. Препараты для исследований изготавливались методом порошка [95—99].
Определение различных параметров структурных составляющих α-Fe в частицах железного порошка ПЖ4М производилось на трех видах этого порошка: в состоянии поставки, в специально наклепанном и отожженном в водороде. Все результаты исследований приведены в табл. 3.
Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы [ 100]. В структуре частиц железного порошка ПЖ4М имеются следующие фазы: основа феррит, включения цементита и недовосстановленная закись железа. Постоянная кристаллической решетки в исходном порошке имеет отклонения от табличной из-за наличия дефектов и примесных элементов; в частицах наклепанного порошка искажение увеличивается, а в отожженном вновь уменьшается.
Напряжения II рода в частицах отожженного железного порошка приблизительно равны нулю, несколько увеличены в исходном порошке и значительно увеличиваются в результате наклепа.
Размер блоков мозаики имеет наибольший параметр в исходном порошке, уменьшается в результате наклепа и увеличивается в процессе отжига, по все же остается меньше, чем в исходном порошке.
Плотность дислокаций имеет наибольшее значение в частицах наклепанного порошка и минимальное в отожженном порошке.
Структура частиц железных порошков из природно-легированных сталей [101]. Ниже приводятся результаты исследования структуры частиц порошков природно-легированных сталей марок ГС, ХС, ΗД (табл.4).
Анализ результатов исследования показывает следующие особенности природно-легированных железных порошков. Порошок марки ППЛ-ГС во всех состояниях имеет фазовый состав, в основе которого альфа —железо с включениями цемептита (0,74 мас.%), закись железа (1,62 мас.%), FeO со следами окислов кремния (0,21 мас.%).
Постоянная решетки в исходном порошке увеличена в связи с наличием различного рода включении и уменьшается в результате процесса довосстановления, оставаясь аномальной в связи с ее легированностью. Соответственно изменению постоянной решетки изменяется и объем атомно-кристаллической ячейки. Напряжения II рода больше, чем в частицах нелегированного железного порошка. Размер зерен в частицах легированного железного порошка больше, чем в нелегированном. Размер блоков мозаики мельче. Плотность дислокаций в исходном порошке больше, чем в нелегировапном, но возрастает с наклепом и уменьшается в результате отжига частиц наклепанного порошка. Напряжение третьего рода больше, чем в нелегированном порошке. Динамические напряжения мепыпе в легированном по сравнению с нелегированным, что указывает на упрочняющую роль легирующих элементов.
Порошок марки ПЖПЛ-ХСНД во всех состояниях имеют фазовый состав, в основе которого α-Fe с включениями 0,51 мас.%, цементит (Fe3C) и закись железа (FeO) в количестве 1—2 мас.%. Постоянная решетки по сравнению с нелегированными частицами железных порошков увеличена и изменяется в зависимости от режимов обработки частиц порошков.
Объем кристаллической ячейки соответствует изменению постоянной решетки. Напряжения II рода в исходных порошках (легированном и нелегированном) равны, а в наклепанном состоянии увеличены. Размер зерен в частицах порошка изменяется в зависимости от его состояния. Размер блоков мозаики в исходном состоянии увеличен по сравнению с нелегированными частицами и изменяется в зависимости от состояния частиц порошка. Плотность дислокаций в исходном и наклепанном состояниях меньше, чем у нелегированных, а в отожженном больше, что объясняется наличием более крупных размеров блоков мозаики. Напряжения III рода в частицах легированного порошка больше, чем в нелегированном, а динамические искажения меньше.
Таким образом, при сравнении структурных свойств легированных и нелегированных частиц железных порошков установлено, что фазовый состав их имеет отличия, параметры атомно-кристаллической решетки искажены в большей степени, плотность дислокаций увеличивается, а общий характер изменения структуры легированных порошков, полученных непосредственно из руд, имеет те же тенденции, что и у легированных железных порошков, полученных из окалины проката легированных сталей, и отличается от нелегированных.
Форма частиц порошков. Является важной характеристикой, так как оказывает большое влияние на технологические свойства порошков и полученных из них материалов.
До настоящего времени форма частиц определяется в основном на оптических микроскопах, что дает возможность установить визуально форму восстановленных и размолотых в шаровых и вихревых мельницах частиц (губчатая, пористая, имеют на поверхности наибольшие выступы и впадины). Для исследования процессов прессования и спекания необходимы более точные сведения о форме и размерах выступов и впадин на их поверхности, их можно получить на электронном микроскопе путем съемки на просвет при различных увеличениях (от 800 до 75 000). Дальнейшее увеличение изображения не дает четкой картины состояния поверхности частицы.
Каждая неровность, наблюдаемая визуально как ровная поверхность, имеет свои выступы и впадины, наблюдаемые при увеличениях в 10000, 30000, 45 000, 55000 и 75 000 раз. Этим и объясняются колебании величины удельной поверхности железных порошков от 0,1 до нескольких десятков м2/г.
Поверхность частиц железных порошков сглаживаотся при отжиге и в результате поверхностной диффузии атомов, их испарения и конденсации, а также за счет частичной агломерации частиц. Но для легированных железных порошков сглаживание меньше, так как наличие легирующих элементов в виде твердых растворов и включений, оксидов в карбидов тормозит вышеуказанные процессы. Такое явление может благоприятствовать процессу спекания брикетов, спрессованных из частиц легированных железных порошков.