» » Перспективы создания новых материалов и технологий с использованием быстрозакаленных порошков легированных сталей
18.01.2016

Рассматривается как перспективное применение легированных быстрозакаленных порошков хромистых сталей ферритного и мартенситного классов, полученных распылением расплава, для создания новых дисперсно-упрочненных материалов. Проводятся эксперименты по изготовлению методом механоактивации заготовок сталей типа МА957 (Fe—14 Сr—0,9 Ti—0,3 Mo—0,1 Al и 0,25 Y2О3, % мас.), упрочненных высокодисперсными частицами оксидов (дисперсно-упрочненные ДУ-, ODS-материалы — Oxide Dispersion Strengthened) с использованием быстрозакаленных порошков.
Быстрозакаленные порошки хромистых сталей, образующие матрицу ДУ-материала, характеризуются высокодисперсной структурой, однородностью химического состава, что способствует повышению однородности и дисперсности структуры ДУ-стали при механоактивации в высокоэнергетических шаровых мельницах (аттриторах).
Для использования в качестве конструкционных материалов для ядерной и термоядерной энергетики разрабатываются дисперсно-упрочненные стали типа 12YWT (Fe—12Cr—2,5W—0,4Ti—0,25Y,0,3 %), 14YWT (Fe—14,2 Cr—1,95W—0,22 Ti—0,25 Y2O3, % ).
При механическом легировании достигаются равномерное по объему распределение высокодисперсных частиц оксида, высокий уровень деформационного упрочнения частиц порошка, формирование однородной матрицы из исходных порошков сталей с высокой плотностью дислокаций и малым размером субзерен.
Повышение рабочей температуры до 650 °С обеспечивается наличием наноразмерных обогащенных иттрием, титаном оксидных частиц, диаметром 2—4 им и плотностью (1—2)10в23 м-3, характеризующихся высокой устойчивостью к росту в процессе ползучести и изотермического старения при 1300 °С.
Возврат, связанный с перестройкой дислокационной структуры. частично происходит при 1300 °С, однако сколь-либо существенного роста зерен при этом не наблюдается.
В исходном материале после механического легирования, после ползучести и старения установлено довольно высокое содержание кислорода в ферритной матрице, обусловленное растворением оксидных нанопорошков, а также образование сегрегации легирующих элементов на дислокациях и границах зерен.
Высокодисперсные частицы и сегрегации действуют как узлы закрепления дислокаций, высокая устойчивость которых определяет повышенный уровень механических свойств.
Наноразмерные частицы оксидной фазы устойчивы к радиационному воздействию, при этом ДУ-стали имеют более высокую стойкость к радиационному охрупчиванию в температурной области 300—500 °С при дозе облучения 15 сна (смещений на атом).
Полуфабрикаты ДУ-сталей 12YWT, 14YWT в опытно-экспериментальном объеме (- 50 кг) получали методом горячей экструзии при температуре 1150—1175 °С с вытяжкой 16 и при 850 °С (4), а также методом горячего изостатического прессования.
Структура заготовок ДУ-сталей после экструзии при температуре 1175 °С характеризуется наличием зерен размером 1—2 мкм и частиц оксидов размером 10—30 им. Экструзия при 850 °С приводит к образованию зерен двух типов — размером 1—2 мкм и 100—200 нм.
Дисперсно-упрочненные мартенситные хромистые стали рассматриваются как перспективные конструкционные материалы при изготовлении труб — оболочек твэлов для реакторов на быстрых нейтронах. Структура сталей этого типа состоит из мартенситных зерен и зерен остаточной а-фазы с нанодисперсными частицами оксидов.
Высокая прочность при повышенных температурах дисперсно-упрочненных ферритных сталей связана с наличием наночастиц оксидов в ферритной матрице. Дисперсно-упрочненные стали имеют высокую прочность — 400 М Па при 700 °С, что в два раза превышает прочность феррнтных сталей. По длительной прочности при 700 °С хромистые ДУ-стали приближаются к аустенитным сталям (предел длительной прочности на базе 10в5 ч составляет 100— 400 МПа), а их коррозионная стойкость в пароводяной среде при температуре выше 400 °С превосходит стойкость аустенитных сталей. При исследовании анодной поляризации установлены более низкие значения плотности тока пассивации по сравнению с обычными ферритными и мартенситными сталями, что также свидетельствуете повышенной коррозионной стойкости ДУ-сталей,
МIM-технология (Metal Injection Moulding) представляет собой современный метод изготовления изделий точной геометрии, сложной формы, миниатюрных размеров, переменного состава из высокодисперсных распыленных порошков легированных сталей. Данный метод позволяет получать высококачественные изделия при высокой производительности и низкой стоимости.
Эта технология дополняет существующие методы традиционной порошковой металлургии с использованием прессования, спекания, механической обработки и метод литья по выплавляемым моделям, MIM-технология позволяет конструировать изделия переменного состава, например для роторов измерителей скорости вращения, из аустенитной стали 316 L c элементами из магнитномягкой стали 17-4PH. Быстро развивающийся рынок ее применения охватывает такие направления, как автомобильная, часовая, ювелирная промышленность, медицина и др.
Сущность метода состоит в использовании высокодисперсных сферических порошков диаметром менее 20 мкм, получаемых распылением расплава, что, в частности, позволяет обеспечить высокую точность заполнения сложных форм при прессовании и, соответственно, точность изготовления изделий (табл. 15.4).
Перспективы создания новых материалов и технологий с использованием быстрозакаленных порошков легированных сталей

Наиболее эффективно применение MIM-технологии при серийном выпуске преимущественно миниатюрных изделий большими партиями. Например, стоимость изделия массой 4,5 г при увеличении объема выпуска от 250 тыс. до 3 млн. штук снижается почти в 10 раз и составляет 2,5 руб.
Возможности изготовления изделий сложной формы с использованием Ml М-технологии отражает табл. 15.5.
Перспективы создания новых материалов и технологий с использованием быстрозакаленных порошков легированных сталей

Для прессования методом выдавливания предварительно готовится смесь порошка с органической связкой — так называемый полупродукт. Свойства связки во многом определяют успех метода, поскольку операции ее удаления и спекания влияют существенным образом на точность геометрии изделия и его свойства. Сложные металлические детали из функционально различных частей (материалов) с полостями и тонкими стенками могут быть получены с минимальными допусками и свойствами, аналогичными деформированному металлу. MlM-технология сочетает преимущества технологии пластмасс с возможностью использования широкого спектра металлических сплавов.
Более широкий спектр материалов охватывает РIМ-технология (Powder Injection Moulding) как метод с использованием не только высокодисперсных металлических порошков, но и порошков керамик.
В настоящее время фирмами Osprey Powders — Sandvik, Carpenter Powder Products и др. освоен промышленный выпуск высокодисперсных металлических порошков для MIМ-технологии методом распыления расплава. В основном получают быстрозакаленные порошки нержавеющих сталей типа AIS1 316 L, 304 L, 410 L, 420, 430, I7-4PH, а также углеродистых и малолегированных сталей, жаропрочных сплавов: Udimet 700, стеллита, быстрорежущей стали, титанового сплава Ti—6А1—4V, сплавов на основе вольфрама.
Дисперсность MIM-порошков представлена на рис. 15.9 данными фракционного анализа порошка аустенитной стали 316 L, полученного распылением расплава.
Перспективы создания новых материалов и технологий с использованием быстрозакаленных порошков легированных сталей

Для МIM-технологии фирма Osprey Powders — Sandvik освоила производство еще более дисперсных порошков легированных сталей, в частности 316 L, 17-4РН, в которых доля частиц диаметром 5 мкм достигает 80 %.
Столь высокая дисперсность сферических микрослитков достигается высокоинтенсивным газовым распылением расплава, которое сопровождается значительным проявлением эффектов быстрой закалки расплава.
Важная роль в реализации преимуществ MIM-технологии отводится выбору органической связки на основе полимерных термопластов, полиацетатов и др. Однородность полупродукта, представляющего смесь МIМ-порошка со связкой, достигается применением специальных смесителей.
Оборудование для осуществления при MIM-технологии выдавливания полупродукта в пресс-форму выпускается рядом фирм (например, ARBURG, Austrian РIМ Group). Экструдирование осуществляется при некотором подогреве с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимую пластичность полупродукта.
Удаление органической связки ее разложением и последующим испарением — наиболее ответственный этап, который обычно осуществляется при тщательно контролируемом подогреве. В дальнейшем проводится спекание — операция порошковой металлургии, обеспечивающая высокую плотность и прочность изделия.
В связи с тем что в MIM-технологии применяются быстрозакаленные порошка, гораздо более дисперсные, чем обычные порошки, применяемые g традиционной порошковой и гранульной металлургии (ПМ ГИП-технология), а также за счет высокой неравновесности быстрозакаленного состояния процесс консолидации при спекании протекает существенно более интенсивно. Достигаемая плотность обычно превышает 95 %, а механические свойства соответствуют деформирован ному состоянию сплава.