Investigation of properties of metal-glass material based on carbonyl iron powder VK-1 T

A. A Khlybov; Хлыбов А. А; I. M Maltcev; Мальцев И. М; E. S Belyaev; Беляев Е. С; Y. A Getmanovskiy; Гетмановский Ю. А; S. S Belyaeva; Беляева С. С

doi:10.15593/2224-9877/2021.1.11

Исследование свойств металлостеклянного материала на основе порошка карбонильного железа ВК-1

Авторы: Хлыбов А.А¹, Мальцев И.М¹, Беляев Е.С¹, Гетмановский Ю.А¹, Беляева С.С¹
Учреждения:
1. Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Выпуск: Том 23, № 1 (2021)
Страницы: 82-89
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/2936
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2021.1.11
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Актуальность представленной работы обусловлена исследованием материалов с заданными свойствами. Это позволяет повысить эксплуатационные характеристики узлов механизмов. Рассмотрены процессы структурообразования в металлостеклянных материалах, получаемых методом порошковой металлургии. Для этого авторы применяют методику получения композиционного материала на основе порошка карбонильного железа ВК-1 и стекла. Рассмотрено получение стеклянного порошка путем размола, смешивания с порошком железа и последующего прессования полученного порошка при помощи гидравлического пресса и спекания в защитной атмосфере. В качестве стеклянного наполнителя представлен бой тарного стекла марки БТ-1. Рассмотрена методика и этапы получения металлостеклянных материалов. Дано обоснование выбора матрицы (порошок карбонильного железа) и армирующего компонента (порошок боя тарного стекла). Устанавливается связь между составом и структурой полученных композиционных материалов и их свойствами. В ходе исследования варьировались такие параметры, как концентрация стеклянного порошка и температура спекания. В качестве изучаемых свойств выступали твердость и пористость после спекания. Математическое моделирование и обработка полученных результатов выполнены при помощи программного комплекса STATISTIKA 10. Проведен микроструктурный анализ полученных образцов при помощи цифрового оптического микроскопа KEYENCE-VHX. Сформулированы основные выводы о причинах полученных зависимостей. Практическая значимость состоит в получении новых материалов с повышенными антифрикционными свойствами. Показано, что с повышением температуры спекания до 1100 оС наблюдается повышение твердости, снижение пористости и образование новой фазы фаялит (FeSiO4).

Ключевые слова

порошковая металлургия, антифрикционные материалы, композитные материалы, формование, спекание, твердость, пористость, металлостеклянные материалы, математическое моделирование, микроструктура, фаялит, износостойкость.

Полный текст

В случае сохранения конструкционной прочности на протяжении всего времени эксплуатации все механизмы, узлы и детали машин подвергаются разрушению под действием износа. Износостойкие материалы обычно получают методами порошковой металлургии [1]. Разработка и получение материалов с повышенной износостойкостью - одна из актуальных задач материаловедения [2-4]. Критериями оценки износостойкости являются коэффициент трения, твердость и другие механические свойства [5]. При этом износостойкие материалы должны обладать такими противоречивыми свойствами, как высокая твердость и пластичность [6]. Такого эффекта можно добиться, используя композиционные материалы, которые проектируются по принципам аддитивности [7, 8]. Все подобные материалы являются грубо гетерогенными, т.е. объединяют в себе химические элементы, обладающие разными свойствами (температура плавления) [9]. Представителем таких износостойких материалов являются металлостеклянные материалы (МСМ) [10]. При правильном выборе состава металлической составляющей и материала сопряженной детали МСМ могут обладать высокой износостойкостью, так как в этом случае можно легко выполнить основное правило создания износостойкого материала - сочетание мягкой металлической матрицы с твердыми стеклянными включениями [11]. В качестве объекта исследований был использован металлостеклянный материал. Исследовалось влияние температуры спекания и содержания стеклянной фазы на твердость и пористость полученного композиционного материала. Оба этих параметра влияют на эксплуатационные характеристики проектируемых изделий, с ростом твердости и снижением пористости возрастают эксплуатационные свойства [12, 13]. В качестве металлической основы был выбран порошок карбонильного железа ВК-1 (ТУ 2436-005-74439740-14). Выбор такой матрицы обусловлен тем, что железо является наиболее широко применяемый металлом, следовательно, созданный на его основе композит может иметь широкое применение [14, 15]. Микроструктура частиц порошка ВК-1 представлена на рис. 1. Фракция порошка карбонильного железа составляет 5-8 мкм. Рис. 1. Микроструктура частиц порошка ВК-1 В качестве стеклянного наполнителя был использован порошок тарного стекла БТ-1 (ГОСТ Р 52022-2003), полученный в результате размола в шаровой мельнице. Химический состав стеклянного порошка представлен в табл. 1. После размола частицы полученного порошка разделялись по фракциям, фракции порошка -200…+50 были получены с помощью сит по ГОСТ 3584-73. Дальнейший ситовой анализ был невозможен в связи с тем, что у порошков фракции -50 большая склонность к коагуляции и его рассев не возможен [16]. Фракция -50…+10 была разделена при помощи седиментационного анализа [17]. В результате разделения были получены следующие фракции: -200…+160, -160…+100, -100…+63, -63…+50, -50…+40, -40…+30 мкм. При изучении ряда работ [18-20] был сделан вывод, что фазы стекла больше 100 мкм плохо поддаются формованию. При изучении полученных фракций с помощью электронного микроскопа был сделан вывод, что оптимальной является фракция -63…+50 мкм, так как она является наиболее мелкой, содержащей в своем составе мало частиц других фракций. Фотография микроструктуры частиц порошка приведена на рис. 2. Таблица 1 Химический состав стеклянного порошка Группа стекла Марка стекла Содержание оксидов, мас. % SiO2 Al2O3 + Fe2O3 CaO + MgO Na2O3 Sp3 Бесцветное БТ-1 72 2,5 11 14 0,5 Рис. 2. Микроструктура порошка стекла (-60…+53 мкм) В исследовании использовался полный факторный эксперимент по плану 22 [21, 22]. При разработке матрицы планирования учитывались факторы, влияющие на процесс структурообразования, такие как содержание легирующего элемента (порошок стекла) и температура спекания композиционного материала. В табл. 2 представлены уровни факторов и интервалы их варьирования при исследовании композиционного материала. Методика изготовления композиционного материала включала в себя следующие этапы: 1. Смешивание исходной шихты. 2. Формование при помощи гидравлического пресса с усилием прессования 40 МПа и удельным давлением 7,56 кН/см2. 3. Спекание полученных прессовок при заданных значениях температуры в защитной атмосфере CO2. Параметры состава, формования и спекания были выбраны на основе работ [23-25]. Матрица планирования эксперимента, твердость и пористость приведены в табл. 3. Определение твердости проводилось при помощи твердомера Роквелла, определение пористости производилось методом гидростатического взвешивания на весах ВЛА-200М. После проведения эксперимента с помощью программного пакета STATISTIKA 10 были получены уравнения регрессии: - для параметра HRB где y1 - параметр оптимизации «твердость»; x1 - варьируемый фактор «температура»; x2 - варьируемый фактор «содержание стекла»; - для параметра «пористость»: где y2 - параметр оптимизации «пористость»; x1 - варьируемый фактор «температура». Таблица 2 Исходные данные для матрицы планирования Исходные данные Кодированное значение факторов xi Натуральные значения факторов Температура спекания, оС Содержание стекла, об. % x1 нат x2 нат Основной уровень xi 0 0 1000 2 Интервал изменения Δxi - 100 1 Верхний уровень xi 0 + Δxi +1 1100 1 Нижний уровень xi 0 - Δxi -1 900 3 Таблица 3 Матрица планирования эксперимента Номер опыта i Значения факторов Параметры оптимизации x1 x2 y1 y2 код. нат., % код. нат., % Твердость, HRB Пористость, % Опыты на верхнем и нижнем уровнях 1 +1 1100 +1 3 41 15 2 +1 1100 -1 1 61 15,5 3 -1 900 +1 3 34,0 20 4 -1 900 -1 1 33,5 20 Параллельные опыты на основном уровне 5-1 0 1000 0 2 39 16,5 6-2 0 1000 0 2 42 17,0 7-3 0 1000 0 2 40 17,5 Рис. 3. Диаграмма Парето для твердости Рис. 4. Диаграмма Парето для пористости В представленных уравнениях факторы даны в кодовом масштабе, формула перехода от кодированных величин к натуральным: , где X - натуральное значение фактора согласно табл. 3. Для полученных уравнений регрессий были построены диаграммы Парето, позволяющие визуализировать зависимость параметров оптимизации от варьируемых факторов (рис. 3, 4) [26]. На их основании можно сказать, что твердость полученного композита в большей степени зависит от температуры спекания, чем от концентрации стекла. Кроме того, стекло снижает твердость композита. Это объясняется тем, что с увеличением температуры спекания происходит процесс ситаллизации, в результате чего образуется твердая связка - фаялит. Снижение твердости с увеличением концентрации стеклянного наполнителя можно объяснить тем, что наравне с фаялитом (Fe2SiO4) начинает образовываться фаза SiO, составляющая до 30 % от общего объема композита и имеющая более низкую твердость. Как видно из уравнений регрессии для пористости, статистически значимым является только влияние температуры. С уменьшением температуры пористость возрастает. Это связно с тем, что при повышении температуры происходит более полное заполнение микропор твердой фазой, одновременно с этим освобождается межчастичное пространство, которое было заполнено частицами стекла. Микроструктура образцов после спекания представлена на рис. 5-9 (микроскоп KEYENCE-VHX, увеличение ×1000). На полученных изображениях микроструктуры образцов, спекаемых при температуре 900 оС, видны агломераты нерастворившегося стекла (Si2O), следовательно, пористость имеет меньшие значения по сравнению с остальными образцами, так как в объеме не высвобождаются поры и ситаллизация протекает не полностью. При температуре спекания 1000 оС увеличивается количество растворяемого стекла, но такая температура недостаточна для образования большого количества фаялита (Fe2SiO4), в связи с чем повышается пористость и незначительно возрастает твердость. Рис. 5. Микроструктура образца № 1 (1100 оС, 3 % стеклянной фазы) после спекания, ×1000 Рис. 6. Микроструктура образца № 2 (1100 оС, 2 % стеклянной фазы) после спекания, ×1000 Рис. 7. Микроструктура образца № 3 (900 оС, 3 % стеклянной фазы) после спекания, ×1000 Рис. 8. Микроструктура образца № 4 (900 оС, 2 % стеклянной фазы) после спекания, ×1000 Рис. 9. Микроструктура образцов № 5-7 (1000 оС, 2 % стеклянной фазы) после спекания, ×1000 При температуре спекания 1100 оС ситаллизация протекает полностью, из-за чего образуется наибольшее количество фаялита. Из-за высокой температуры спекания на месте агломератов Si2O образуются пустоты, заполняемые частицами железа, что снижает пористость. Заключение На основании проведенного исследования можно отметить, что с увеличением температуры спекания линейно увеличивается твердость композиционного материала, это обусловлено интенсивным образованием новой фазы фаялит (Fe2SiO4). Стекло, как хрупкий материал, с увеличением концентрации в композите снижает его твердость. Пористость возрастает с уменьшением температуры вследствие того, что освобождается межчастичное пространство вместе с растворением фазы Si2O, но из-за недостаточной температуры оно не успевает заполниться новой фазой.

Об авторах