Особенности формирования структуры и свойств порошковых сталей с добавками, активирующими диффузионные процессы при спекании

Effect of activating the sintering process of powder steel alloyed with nickel or chromium by grinding the initial powders and introducing alkali metal compounds was investigated. The kinetics of grinding the initial iron powders, Cr30, and a mixture of iron powders with 4 % nickel was studied. It is shown that, depending on the hardness of the powder, it is grinded in three or two stages. When grinding more hard powders, there is no stage of intensive deformation of particles and an increase in their size. Crystalline lattice defects resulting from grinding of powders accelerate diffusion processes. This reduces sintering temperature by 100–200 °С compared to the sintering temperature of steels from the initial powders, contributes to a homogeneous structure, reduces porosity by 4–17 %, and increase strength of powder steels by 1.5–1.6 times. The mechanism of the effect of sodium bicarbonate on the acceleration of diffusion of carbon, nickel and chromium into iron has been established. With the introduction of sodium bicarbonate under the action of water vapor, formed upon its decomposition to carbonate, thin oxide films are formed on iron particles, which are actively recovered in a protective-recovering atmosphere during sintering. This leads to formation of a metal contact between the particles, acceleration of the self-diffusion of iron atoms and the diffusion of alloying additives into iron by 5–7 times, depending on the sintering temperature and the amount of added additive. Sodium forms nanodispersed complex compounds of the ferritic type Na3Fe5O9 along the grain boundaries of the iron base, which provide grain refinement and the formation of a homogeneous structure. Changes in the structure of powder steel with the introduction of sodium bicarbonate cause an increase in its strength by 1.5–1.7 times. The results can be used to obtain structural products from alloyed powder steels.Исследовано влияние активирования процесса спекания порошковой стали, легированной никелем или хромом, за счет диспергирования исходных порошков и введения соединений щелочного металла. Изучена кинетика размола исходных порошков железа, Х30 и смеси порошков железа с 4 % никеля. Показано, что в зависимости от твердости порошка его измельчение происходит в три или две стадии. При размоле более твердых порошков отсутствует стадия интенсивной деформации частиц и увеличения их размера. Дефекты кристаллической решетки, образующиеся при размоле порошков, ускоряют диффузионные процессы, что способствует при температуре спекания на 100–200 °С ниже по сравнению с температурой спекания сталей из исходных порошков образованию однородной структуры, снижению на 4–17 % пористости, а также повышению прочности порошковых сталей в 1,5– 1,6 раза. Установлен механизм воздействия бикарбоната натрия на ускорение диффузии углерода, никеля и хрома в железо. При введении бикарбоната натрия под действием паров воды, образующихся при его разложении до карбоната, формируются тонкие оксидные пленки на железных частицах, активно восстанавливающиеся в защитно-восстановительной атмосфере при спекании. Это приводит к образованию металлического контакта между частицами, ускорению самодиффузии атомов железа и диффузии легирующих добавок в железо в 5–7 раз в зависимости от температуры спекания и количества вводимой добавки. Натрий образует по границам зерен железной основы нанодисперсные сложные соединения ферритного типа Na3Fe5O9, которые обеспечивают измельчение зерен и образование однородной структуры. Изменения в структуре порошковой стали при введении бикарбоната натрия обуславливают повышение ее прочности в 1,5–1,7 раза. Полученные результаты могут быть использованы при получении конструкционных изделий из легированных порошковых сталей

Влияние термической обработки на структуру и свойства псевдосплава порошковая углеродистая сталь – медный сплав, получаемого инфильтрацией

The paper presents the results of studies of the effect of heat treatment regimes on changes in the structure and properties of steel-copper alloy pseudo-alloys obtained by infiltration. It is shown that, depending on the composition and initial density of the steel skeleton, the strength of the material increases by 1.3–1.8 times, the hardening effect is realized when the carbon content in the steel skeleton is 0.3–1.5 % and is achieved due to changes in the structure and phase composition of the steel base and copper phase. It has been established that during heating for quenching and during tempering, redistribution of carbon occurs in the iron phase, which is more pronounced in the frame of the pseudo-alloy made of medium-carbon steel. The formation of a “crust” structure in the grains of the skeleton is noted, while in the skeleton made of medium-carbon steel this occurs at a tempering temperature of 200 °C, in low-carbon steel – at a temperature of 500–650 °C. In a high-carbon steel skeleton, carbon stratification in the grain body is less pronounced. An increase in the strength of pseudo-alloys at tempering temperatures of 500–650 °C is associated with the formation of the α′-phase, the precipitation of the Fe3C carbide phase and the metastable Fe2C phase in the iron phase, as well as the precipitation of dispersed phases Fe4Cu3, Fe4Cu3, η-Cu6Sn5 and δ-Cu3Sn8 in the copper phase. Due to the precipitation of phases, the microhardness of the infiltrate in the form of copper in pseudo-alloys after tempering at 550 °C increased from 820–880 to 950–980 MPa, in the form of tin bronze – from 1450 to 1750 MPa. The use of heat treatment leads to an increase not only in the strength, but also in the tribotechnical properties of the pseudo-alloy: the friction coefficient of the pseudo-alloy with a frame of 80 % density made of FeC0.8 steel decreases to 0.008–0.009, the seizure pressure doubles and the wear resistance increases by more than 2.5 times.Представлены результаты исследований влияния режимов термической обработки (ТО) на изменение структуры и свойств псевдосплавов сталь – медный сплав, получаемых инфильтрацией. Показано, что в зависимости от состава и исходной плотности стального каркаса прочность материала повышается в 1,3–1,8 раза. Эффект упрочнения реализуется при содержании углерода в стальном каркасе 0,3–1,5 % и достигается вследствие изменения структуры и фазового состава стальной основы и медной фазы. Установлено, что в процессе выдержки при нагреве под закалку и при отпуске происходит перераспределение углерода в железной фазе, которое более выражено в каркасе псевдосплава из среднеуглеродистой стали. Отмечено образование в зернах каркаса «корковой» структуры, при этом в каркасе из среднеуглеродистой стали это происходит при температуре отпуска 200 °С, из низкоуглеродистой – при 500–650 °С. В каркасе из высокоуглеродистой стали расслоение по углероду в теле зерна менее выражено. Повышение прочности псевдосплавов при температурах отпуска 500–650 °С связано с образованием α′-фазы, выпадением карбидной фазы Fe3C и метастабильной фазы Fe2C в железной фазе, а также с выделением дисперсных фаз Fe4Cu3, η-Cu6Sn5 и δ-Cu3Sn8 в медной фазе. Благодаря выделению фаз микротвердость инфильтрата в виде меди в псевдосплавах после отпуска при 550 °С повысилась с 820–880 по 950–980 МПа, в виде оловянной бронзы – с 1450 по 1750 МПа. Применение термической обработки приводит к повышению не только прочности, но и триботехнических свойств псевдосплава: коэффициент трения псевдосплава с каркасом плотностью 80 % из стали ПК80 снижается до 0,008–0,009, предельное давление схватывания возрастает в 2 раза и более чем в 2,5 раза повышается износостойкость

Закономерности упрочнения псевдосплавов сталь – медный сплав, получаемых инфильтрацией, при горячей пластической деформации

The influence of the regimes of plastic deformation of steel – copper alloy pseudo-alloys obtained by infiltration on their structure, mechanical properties and anisotropy of properties is investigated. It has been established that hot forging of pseudo-alloys at a temperature of 700–950 °C provides an increase in strength by 1.5–3 times, impact strength by 1.5–2.5 times, plasticity by 1.5–2 %, and at 1100–1150 °С (above the melting point of copper) – leads to cracking of the material. It is shown that the properties of pseudo-alloys based on steel alloyed with chromium are lower than those based on steel alloyed with nickel, which is associated with the formation of chromium oxides due to its increased affinity for oxygen. The formation of macro-texture in pseudo-alloys after hot stamping has been established, which leads to secondary anisotropy of properties, the level of which is determined by the degree of deformation and temperature, but does not exceed 15–20 %. The deformation curve of the pseudo-alloy during hot forging was constructed, which revealed the optimum temperature (700–900 °С) and the limiting degree of deformation (65 %) depending on the composition of the pseudo-alloy. With an increase in the degree of deformation, microcracks form at the interface between the iron and copper phases, which in turn leads to a decrease in strength, ductility, as well as a 1.5–2-fold decrease in the impact strength of pseudo-alloys with a copper phase content of 15 % and destruction of pseudo-alloys with a 25 % copper content phases, in which the length of interphase iron-copper boundaries is much greater. The achieved mechanical properties of hot-forged steel-copper alloy pseudo-alloys make it possible to use them for parts of heavily loaded friction units, as well as parts for structural purposes. Исследовано влияние режимов пластической деформации получаемых инфильтрацией псевдосплавов сталь – медный сплав на их структуру, механические свойства и анизотропию свойств. Установлено, что горячая штамповка псевдосплавов при температурах 700–950 °С обеспечивает повышение прочности в 1,5–3 раза, ударной вязкости – в 1,5–2,5 раза, пластичности – на 1,5–2 %, а при 1100–1150 °С (выше температуры плавления меди) – приводит к растрескиванию материала. Показано, что свойства псевдосплавов на основе стали, легированной хромом, ниже, чем на основе стали, легированной никелем, что связано с образованием оксидов хрома вследствие его повышенного сродства к кислороду. Установлено образование макротекстуры в псевдосплавах после горячей штамповки, что приводит к вторичной анизотропии свойств, уровень которой определяется степенью деформации и температурой и не превышает 15–20 %. Построена деформационная кривая псевдосплава при горячей штамповке, выявившая оптимальную температуру (700–900 °С) и предельную степень деформации (65 %) в зависимости от состава псевдосплава. При повышении степени деформации происходит образование микротрещин на границе железной и медной фаз, что в свою очередь приводит к снижению прочности, пластичности, а также в 1,5–2 раза ударной вязкости псевдосплавов с содержанием медной фазы 15 % и разрушению псевдосплавов с содержанием медной фазы 25 %, в которых протяженность межфазных железомедных границ значительно больше. Достигнутые механические свойства горячештампованных псевдосплавов сталь – медный сплав позволяют использовать их для деталей тяжелонагруженных узлов трения, а также деталей конструкционного назначения

Структура и свойства композиционных медно-графитовых материалов (Представлено академиком П.А. Витязем)

The research results of the influence of graphite content, type and dispersion on the structure, mechanical and physical properties of copper—graphite composite material are presented. It is shown that in the sintering process, when the content of grade GL graphite is 1, 5, 7 %, shrinkage is 5.7; 2.4 and 0.6 %, respectively, with 20 and 30 % — no volumetric changes. In copper—graphite material, when the content of grade MG graphite is less than 10 %, a growth of samples of 1—1.6 % is observed; when the graphite content is higher, the volume practically does not change. With a graphite content of more than 20 %, regardless of its grade and dispersion, the strength of copper—graphite material sharply decreases due to both a reduction of the metal contact area and a transition of the material structure from frame-metal to matrix. In a material with grade MG graphite with the dispersion of 140 and 65 µm, multiple microcracks are formed in the deformation process. When the content of grade MG graphite is 10 %, the electrical resistivity of copper-graphite material is equal to 11—13•108 Ohm•m, when it is 30 %, the electrical resistivity is equal to 136—140•108 Ohmrm; when the content of grade GL graphite — 8 and 18•108 Ohm•m, respectively.Представлены результаты исследований влияния содержания, вида и дисперсности графита на структуру, механические и электрофизические свойства композиционного медно-графитового материала. Показано, что в процессе спекания при содержании графита марки ГЛ 1, 5, 7 % усадка составляет 5,7; 2,4 и 0,6 % соответственно, при 20 и 30 % - объемные изменения отсутствуют. В медно-графитовом материале с графитом марки МГ менее 10 % наблюдается рост образцов 1-1,6 %, при большем содержании графита объемных изменений практически не происходит. При содержании графита более 20 %, независимо от его марки и дисперсности, происходит резкое снижение прочности медно-графитового материала вследствие уменьшения площади металлического контакта и перехода структуры материала из каркасно-металлической в матричную. В материале с графитом марки МГ дисперсностью 140 и 65 мкм в процессе деформации происходит множественное образование микротрещин. Удельное электросопротивление медно-графитового материала с содержанием графита марки МГ 10 % составляет 11—13-108 Ом•м, при 30 % — 136—140•108 Ом•м, графита марки ГЛ — 8 и 18•108 Ом•м соответственно

Достижения и перспективы теоретических и экспериментальных исследований в области наноматериалов и нанотехнологий (обзор материалов IV Международной научно-практической конференции «Наноструктурные материалы-2014: Беларусь - Россия - Украина»)

The analysis of the reports presented at the IV International scientific conference «Nanostructured materials-2014: Belarus - Russia - Ukraine» has been carried out by theoretical and experimental studies in the field of the methods of obtaining and properties of nanostructured alloys, ceramics, composite, magnetic and carbon materials and coatings from nanomaterials, methods of certification and application. The new directions in which nanomaterials and nanotechnologies will soon be demanded and the problems of serial use have been shown.Проведен анализ докладов, представленных на IV Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2014: Беларусь - Россия - Украина», по теоретическим и экспериментальным исследованиям в области методов получения и свойств наноструктурных сплавов, керамики, композиционных, магнитных, углеродных материалов и покрытий из наноматериалов, их аттестации и применения. Представлены новые направления, в которых будут востребованы наноматериалы и нанотехнолгии, и проблемы их серийного использования

Особенности структурообразования в антифрикционном композиционном порошковом инфильтрированном медным сплавом материале на основе железа (псевдосплаве) при высокотемпературной термомеханической обработке

The results of studies of the structure formation process in an iron-based antifriction composite powder material infiltrated with a copper alloy (pseudo-alloy) during thermal and high-temperature thermomechanical treatment (HTMT) are presented. It is shown that after infiltration the structure of the pseudo-alloy consists of sections of the steel skeleton with a perlite structure almost homogeneous in carbon and a small amount of cementite, sections of the copper phase located along the boundaries and at the joints of the particles of the steel skeleton, sulfide inclusions mainly in the copper phase. In the process of hardening, carbon is redistributed in the particles of the steel skeleton; a layer 2–5 µm thick with an increased carbon content is formed at the boundary with the copper phase. During HTMT, the structure is refined, a macrotexture is formed, and the thickness of the copper phase interlayers decreases, depending on the degree of deformation. The degree of deformation also affects the structure of the steel skeleton. After HTMT with a degree of deformation of 30 %, the structure consists of structureless martensite, troosto-martensite and residual austenite, and in the areas adjacent to the copper phase the carbon content is slightly lower, with a degree of deformation of 50 % – structureless martensite, 25 % more austenite content, more uniform distribution of carbon. It has been established that, due to the activation of diffusion processes during deformation during HTMT, molybdenum sulfides decompose and form iron and copper sulfides of various compositions; molybdenum alloys the iron base or forms carbide. The investigation results can be used in the development of high-strength antifriction materials for heavily loaded friction units.Представлены результаты исследований процесса структурообразования в антифрикционном композиционном порошковом инфильтрированном медным сплавом материале на основе железа (псевдосплаве) при термической и высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО). Показано, что после инфильтрации структура псевдосплава состоит из участков стального каркаса с практически однородной по углероду структурой перлита и небольшим количеством цементита, участков медной фазы, расположенных по границам и в стыках частиц стального каркаса, включений сульфидов преимущественно в медной фазе. В процессе закалки происходит перераспределение углерода в частицах стального каркаса, на границе с медной фазой образуется слой толщиной 2–5 мкм с повышенным содержанием углерода. При ВТМО происходит измельчение структуры, образование макротекстуры, уменьшение толщины прослоек медной фазы, зависящей от степени деформации. Степень деформации влияет также на структуру стального каркаса. После ВТМО со степенью деформации 30 % структура состоит из бесструктурного мартенсита, троосто-мартенсита и остаточного аустенита, при этом в приграничных с медной фазой участках содержание углерода несколько меньше; со степенью деформации 50 % – бесструктурного мартенсита и на 20–25 % большего содержания аустенита, при этом распределение углерода более однородное, а изменение содержания меди, олова и железа плавное. Установлено, что вследствие активации диффузионных процессов в процессе деформации при ВТМО сульфиды молибдена распадаются и образуют сульфиды железа и меди различного состава, молибден легирует железную основу или образует карбид. Полученные результаты могут быть использованы при разработке высокопрочных антифрикционных материалов для тяжелонагруженных узлов трения

Сложнопрофильные элементы аэрокосмической техники из реакционноспеченной карбидокремниевой керамики

The results of studying the process of obtaining complex-profile elements of the substrate of mirrors of optical telescopes from reaction-sintered silicon carbide ceramics are presented. It is shown that the strength of silicon carbide ceramics depends on the dispersion of the silicon carbide powder and on the temperature of reaction sintering. An increase in the sintering temperature from 1500 to 1650 °C leads to an increase in strength by 60 MPa, and to 1800 °C – to a decrease in strength by 40 MPa. An increase in strength is explained by a decrease in free silicon and an increase in the content of secondary silicon carbide, a decrease in strength is explained by an increase in the size of carbide grains. The study of the influence of the modes of soldering of hexagonal elements to obtain a complex-profile element of the substrate of the mirror of an optical telescope on the strength of the soldered seam showed that the introduction of silicon carbide powder 7 μm in size and amorphous boron in an amount of 6 % into the solder composition based on silicon carbide has a positive effect on the strength of the soldered seam. Tests of the brazed specimens at three-point bending showed that fracture occurs along the body of the specimens being brazed, and not the brazed seam. The structure of the brazed joint depends on the composition of the braze alloy and the gap between the samples to be brazed.Представлены результаты исследования процесса получения сложнопрофильных элементов подложки зеркал оптических телескопов из реакционноспеченной карбидокремниевой керамики. Показано, что прочность карбидокремниевой керамики зависит от дисперсности порошка карбида кремния и от температуры реакционного спекания. Повышение температуры спекания с 1500 до 1650 °С приводит к увеличению прочности на 60 МПа, а до 1800 °С – к снижению прочности на 40 МПа. Повышение прочности объясняется снижением свободного кремния и увеличением содержания вторичного карбида кремния, снижение прочности – ростом размера карбидных зерен. Исследование влияния режимов пайки шестигранных элементов для получения сложнопрофильного элемента подложки зеркала оптического телескопа на прочность паяного шва показало, что положительное влияние на прочность паяного шва оказывает введение в состав припоя на основе карбида кремния порошка карбида кремния дисперсностью 7 мкм и бора аморфного в количестве 6 %. Проведенные испытания паяных образцов при трехточечном изгибе выявили, что разрушение происходит по телу спаиваемых образцов, а не паяному шву. Структура паяного шва зависит от состава припоя и зазора между паяемыми образцами

Charge carrier concentration and structural transition temperatures in Heusler alloys Ni50Mn36Sb14-xZx (Z = Al, Ge; X = 0; 1; 2; 3; 4)

The temperature dependences of magnetization and electrical resistance of the Ni50Mn36Sb14-xZx (Z = Al, Ge; x = 0; 1; 2; 3; 4) alloys have been used to determine the structural transition temperatures (STT) such as: Ms, Mf, As and Af (temperatures of the start and finish of martensitic and austenitic transformations, respectively). Effect of various parameters (e/a, Vcell, n) on the STT was studied. Using Hall Effect the concentration of charge carriers n∗ was obtained and it was found that n∗ is not strongly correlated with a behaviour of STT, there is only a general trend with exceptions. © Published under licence by IOP Publishing Ltd.Russian Foundation for Basic Research, RFBR: 18-02-00739The results of this work were obtained within the state assignment of Minobrnauki of Russia (theme “Spin” No. АААА-А18-118020290104-2) and “New functional materials for promising technologies: synthesis, properties, spectroscopy and computer simulation” (No. AAAA-A19-119031890025-9), supported in part by RFBR grant (project No. 18-02-00739)

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СИЛУМИНОВ НАНОКОМПОЗИТНЫМИ ПОРОШКАМИ ИНТЕРМЕТАЛЛИД/ОКСИД, ПОЛУЧЕННЫМИ МАСВС

The process of silumin modifying by introducing nanodispersed powders of intermetalliсs NiAl, FeAl, and composite powders of NiAl / 15% Al2O3 and Si / Al2 O3 obtained by the method of mechanically activated self-propagating high-temperature synthesis (MASHS) with addition of 10% tungsten or copper to increase the density was studied. It is shown that the developed modifier compositions make it possible to increase mechanical properties of silumin and to obtain improved values as compared with standards. The effectiveness of introduction of nanocomposite MASHS powders is explained by their activity due to destruction of the oxide surface film and creation of nonequilibrium state in the surface region during mechanical activation. With the introduction of all modifiers, in addition to the composite powder NiAl / 15 % Al2O3 , ultimate tensile strength of silumin increases. Maximum strength, ductility and hardness are achieved with insertion of MASHS Si/Al2O3 powders and addition of tungsten or copper. The introduction of modifiers containing MASHS powders results in changing in distribution, size and amounts of primary and eutectic silicon and improves homogeneity of silumin metal matrix. The use of tungsten and copper improves assimilability of the introduced modifying powders. Исследован процесс модифицирования силуминов введением в расплав нанодисперсных порошков интерметаллидов NiAl, FeAl и композиционных порошков NiAl / 15 % Al2O3 и Si/Al2O3 , полученных методом механически активированного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (МАСВС), с добавкой 10 % вольфрама или меди для увеличения плотности. Показано, что разработанные составы модификаторов позволяют повысить механические свойства силумина и получить значения, превышающие требуемые по нормативам. Эффективность введения нанокомпозитных МАСВС порошков объясняется их активностью благодаря разрушению оксидной поверхностной пленки и созданию неравновесного состояния в поверхностной области в процессе механоактивации. При введении всех модификаторов, кроме композиционного порошка NiAl / 15 % Al2O3 , происходит повышение временного сопротивления силумина. Максимальные прочность, пластичность и твердость достигаются при введении МАСВС порошка Si/Al2O3 с добавкой вольфрама или меди. Введение модификаторов, содержащих МАСВС порошки, приводит к изменению характера распределения, размеров и количества первичного и эвтектического кремния и к повышению однородности металлической основы силуминов. Применение вольфрама и меди улучшает усвояемость вводимых модифицирующих порошков.

Влияние ультрадисперсной добавки алюминида железа на структуру и свойства порошковых материалов на основе железа и меди

The results on the effect of introduction of iron aluminide of various chemical and phase compositions on the structure and mechanical properties of powdered carbon steel and tin bronze are presented. It is shown that the introduction of 0.5 % single-phase iron aluminide Fe3Al leads to an increase in the strength of powdered carbon steel by 30–40 MPa, of biphase Fe2Al5 –FeAl3 – by 80–90 MPa, 1 % – to an insignificant decrease in strength. When a single-phase iron aluminide in the powder steel structure is introduced, a decrease in cementite, differentiation is observed, aluminum diffusion into the substrate occurs, and when two-phase aluminide is introduced, the structure griding occurs as well. It is established that the introduction of 0.5 % single-phase iron aluminide into powder bronzes makes it possible to increase its strength by 80– 100 MPa, two-phase – leads to a reduction in strength by 40–50 MPa. Introduction of 1 % single-phase iron aluminide and 0.2–1 % biphasic aluminide causes a change in the morphology of the structure of the powder bronze due to alloying the copper with aluminum and iron.Представлены результаты исследований влияния введения алюминида железа различного химического и фазового состава на структуру и механические свойства порошковой углеродистой стали и оловянистой бронзы. Показано, что введение 0,5 % однофазного алюминида железа Fe3Al приводит к повышению прочности порошковой углеродистой стали на 30–40 МПа, двухфазного Fe2Al5 – FeAl3 – на 80–90 МПа, 1 % – к незначительному снижению прочности. При введении однофазного алюминида железа в структуре порошковой стали наблюдается уменьшение цементита, разнозеренности, происходит диффузия алюминия в основу, при введении двухфазного алюминида – еще и измельчение зерна. Установлено, что введение 0,5 % однофазного алюминида железа в порошковую бронзу позволяет повысить ее прочность на 80–100 МПа, двухфазного – приводит к снижению прочности на 40–50 МПа. Введение 1 % однофазного алюминида железа и 0,2–1 % двухфазного алюминида вызывает изменение морфологии структуры порошковой бронзы вследствие легирования основы алюминием и железом