» » Микрослитки-порошки быстрозакаленных сплавов: классификация, свойства и применение
15.01.2016

В зависимости от назначения, области применения, структурно-фазового состояния быстрозакаленных сплавов используются разнообразные методы закалки расплава и технологические схемы изготовления полуфабрикатов, изделий.
Опытно-промышленные методы обеспечивают значительные объемы производства порошков быстрозакаленных сплавов для изготовления изделий или массивных заготовок высокой степени однородности состава и структуры.
Технологические схемы получения изделий и полуфабрикатов из быстрозакаленных микрослитков включают в качестве основной операции компактирование, которое может осуществляться по различным режимам в зависимости от применяемой технологии: металлургии гранул, ВЗР, РИБЗ, RSR.
Это сопряжено, в частности, с влиянием морфологии порошков, получаемых высокоскоростным охлаждением расплава или закалкой из газовой фазы, их дисперсности, степени неравновесности и физико-механических свойств, определяемых достигаемой скоростью охлаждения, на выбор оптимального режима компактирования.
В гранульной металлургии получение конструкционных и функциональных металлических материалов осуществляется путем горячего изостатического прессования быстрозакаленных порошков в виде микрослитков сферической формы — гранул.
ВЗР-, РИБЗ-, RSR-технотгш основаны на использовании порошков быстрозакаленных чешуек или полученных размолом быстрозакаленных волокон и лент, для компактирования которых могут применяться методы холодного прессования.
В связи с этим проводятся различные операции по предварительной обработке исходных быстроpакаленных порошков различной морфологии — дробление, размол, сортировка, сепарации, нагартовка, дегазация,
При использовании порошков быстрозакаленных сплавов в виде микрослитков осколочной формы, чешуек или частиц, полученных размолом лент, волокон, насыпная плотность которых обычно низкая, а прессуемость хорошая, применяют операцию холодного прессования для изготовления полуфабриката цилиндрической формы по ВЗР-, РИБЗ-, RSR-технологиям. Дальнейшую обработку его с целью изготовления изделия проводят по традиционной для порошковой металлургии схеме с применением спекания и термомеханической обработки.
Быстрозакаленные сплавы, получаемые в виде гранул — микрослитков сферической формы, характеризуются существенно более высокой насыпной плотностью (до 65% от плотности монолитного металла при насыпной плотности чешуек 10%). Благодаря хорошей способности гранул к взаимному перемещению и высоким технологическим свойствам возможно получение изделий сложной формы при компактировании.
Изделия из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов с минимальными допусками на последующую обработку методом металлургии гранул изготовляются с использованием капсул (контейнеров). Компактирование в металлургии гранул (ПМ ГИП-технология) проводится в условиях всестороннего сжатия: изостатического прессования при одновременном нагреве (ГИП — горячее изостатическое прессование. Этот метод характеризуется высоким коэффициентом использования материала. Для его реализации применяется специально разработанное оборудование — газостаты, позволяющие осуществлять компактирование полуфабрикатов массой до нескольких тонн. Существуют варианты компактирования, реализующие изостатическую схему нагружении при операции прессования за счет использования «жидкой» среды,
Высокая твердость гранул, наличие в ряде случаев прочных оксидных пленок затрудняют образование межчастичных контактов, снижают прессуемость, обусловливают необходимость применения комбинированных схем компактирования, протекающего со сдвиговой деформацией металла в поверхностных слоях гранул.
Особый интерес представляет динамическое компактирование и его разновидность — электроимпульсное компактнрование, которое позволяет в максимальной степени сохранить исходное мета стабильное и высокодисперсное структурно-фазовое состояние быстрозакаленных сплавов, существенным образом определяющее уровень физико-механических свойств.
Знание физических, химических и технологических свойств металлических, в том числе быстрозакаленных, порошков необходимо для разработки оптимальных технологических процессов порошковой металлургии быстрозакаленных сплавов. Основные характеристики металлических порошков, наиболее важные для их последующего применения, регламентированы стандартами и техническими условиями.
Форма частиц существенно влияет на технологические свойства порошка и через них на плотность, прочность и однородность свойств заготовки из него. Прочные заготовки при прессовании порошков образуются в результате действия сил механического сцепления, заклинивания частиц, переплетения выступов и ответвлений. Шероховатость поверхности частиц увеличивает запас избыточной энергии, что ускоряет процессы, протекающие при последующем спекании.
В зависимости от размеров частиц порошки весьма условно подразделяют на следующие группы: нано- (размер частиц < 10 нм), ультра- (размер частиц 10—100 нм), высокодисперсные (размер частиц 0,1—10 мкм), мелкие (размер частиц 10—40 мкм), средние (размер частиц 40—250 мкм), крупные (размер частиц 250-1000 мкм).
Плотность частиц быстрозакаленных порошков, полученных различными методами, например закалкой из расплава или из газовой фазы, зависит от конкретного способа получения, состава сплава, дисперсности, совершенства внутренней макро- и микроструктуры, химической чистоты (наличия оксидов, нитридов и др.) и т.п.
Поэтому реальная (пикнометрическая) плотность порошка обычно отличается от теоретической плотности, определяемой рентгеноструктурным методом. Наибольшее отклонение плотности от теоретической наблюдается у порошков, полученных методом газового распыления, что объясняется присутствием закрытой газовой пористости и наличием остаточных оксидов.
Насыпная плотность является одной из важнейших технологических характеристик металлического порошка и определяется как масса единицы объема порошка при свободной насыпке. Насыпная плотность, представляющая собой его объемную характеристику, зависит от формы частиц, плотности порошка, которая для большинства металлических порошков составляет 25—70%. Она тем меньше, чем крупнее частицы порошка, больше их пикнометрическая плотность, а форма частиц симметричная и гладкая. Неровности на поверхности частиц, уменьшение размера частиц, а также увеличение суммарной поверхности повышают межчастичное трение, что затрудняет их перемещение друг относительно друга и приводит к снижению насыпной плотности порошка.
Большое значение при выборе технологии компактирования имеет гранулометрический состав порошка. Знание насыпной плотности порошка необходимо, например, для расчета высоты матрицы пресс-формы при ее конструировании. Увеличение содержания боле« дисперсных частиц, как правило, уменьшает насыпную плотность порошка, однако при большой разнице в размерах мелких и более крупных частиц (примерно в 7—10 раз) насыпная плотность порошка может возрасти из-за заполнения мелкими частицами промежутков между крупными частицами.
Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Она зависит в первую очередь от состава сплава и химической чистоты металла, а также от условий предварительной обработки порошка.
Деформируемость порошков важна для оценки технологических свойств, главным образом их прессуемости. Пластичность порошка в значительной степени определяет условия формирования и прочность заготовок, требуемую мощность прессового оборудования, стойкость пресс-формы и т.п.
Текучесть порошка представляет технологическое свойство, важное для быстрого и равномерного наполнения засыпной полости матрицы пресс-формы или капсулы. Она определяется как способность порошка протекать через калиброванное отверстие с определенной скоростью. Текучесть порошка — комплексная характеристика, зависящая от многих факторов: циклометрической плотности, размера, гранулометрического состава, формы и состояния поверхности частиц и др. Основным фактором является трение и сцепление частиц между собой, затрудняющее их взаимное перемещение при заполнении формы.
В быстрозакаленных металлических порошках может содержаться некоторое количество газов (кислорода, водорода, азота и др.), как адсорбированных на поверхности частиц, так и в виде выделений фаз внедрения.
Наличие растворенных газов повышает твердость порошков, снижает их пластичность, затрудняет формование заготовок, а газовыделение при спекании может привести к короблению заготовки. Обработка порошков, особенно высокодисперсных, в вакууме обеспечивает эффективное газоотделен не. Газосодержание порошков определяют методами, основанными на нагреве и плавлении анализируемых проб в вакууме.
Уплотняемость металлического порошка определяют как способность уменьшать занимаемый объем под воздействием давления или вибрации.
Прессуемость металлического порошке оценивают по способности образовывать под воздействием давления заготовку, имеющую заданные размеры, форму и плотность.
Формуемость металлического порошка — способность сохранить приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале значений пористости.
Основная цель процесса компактирования порошков заключается в устранении пористости. Это достигается за счет комбинированного воздействия на материал давления и температуры: холодным прессованием и спеканием или горячей деформацией. В традиционной порошковой металлургии материалов на основе железа широко применяется технология прессования-спекания как экономичный способ безотходного производства деталей сложной формы. К сожалению, эта технология не применима при компактировании быстрозакаленных гранул жаропрочных сплавов.
Различные схемы компактирования быстрозакаленных жаропрочных сплавов, применяемые на практике, определяются механизмами протекающих при этом процессов.
Выделяют следующие основные варианты технологии: холодное прессование — спекание (в твердой фазе и в присутствии жидкой фазы) и горячее прессование.