161 УДК 621.762 Влияние термической обработки на структуру и свойства инфильтрированных материалов на основе порошковых углеродистых сталей Дьячкова Л.Н.1, Керженцева Л.Ф.2 1ГНУ «Институт порошковой металлургии», 2Белорусский национальный технический университет Минск, Беларусь Быстрое развитие машиностроения потребовало создание новых антифрикционных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, низким значением коэффициента трения, спо- собностью работать при высоких скоростях и больших нагрузках, а также в различных активных средах. Важнейшей проблемой в авиа- и автомобилестроении для упрощения конструкции стала проблема антифрикционных материалов, способных работать без смазки. Этим требованиям более всего отвечают порошковые антифрикци- онные инфильтрированные материалы на основе железа, обладаю- щие уникальным комплексом триботехнических и механических свойств. Целесообразность применения спеченных антифрикцион- ных деталей определяется в основном тремя факторами себестоимо- стью изготовления, эффективностью в эксплуатации и экономией дефицитных цветных металлов. Перспективным направлением в разработке спеченных ан- тифрикционных материалов является создание материалов на осно- ве железа, как наиболее доступного и широко освоенного в практике порошковой металлургии. Известные методы получения антифрик- ционных материалов на основе железа [1-3] в значительной мере исчерпали ресурс упрочнения изделий. В этой связи необходима разработка новых подходов к проблеме повышения механических свойств данного класса материалов. Одним из таких решений явля- ется создание композиционных материалов на основе железа, про- 162 питанного медным сплавом, с «корковой» структурой железных частиц. Последняя может быть реализована при термической обработке путем перераспределения углерода внутри частиц с обра- зованием оболочек повышенной концентрации углерода в пригра- ничных областях. Межчастичная диффузия углерода должна быть подавлена барьерным слоем медной фазы. В качестве объекта исследований использовали композици- онные инфильтрированные медным сплавом материалы на основе порошковых композиций железо-графит с содержанием 0,5; 1; 2% графита. Шихту получали смешиванием в смесителе исходных со- ставляющих. Медь использовали в виде порошка марки ПМС-1, углерод в виде карандашного графита марки ГК-2. Образцы из ших- ты на основе железа прессовали до плотности 75 и спекали в защит но-восстановительной атмосфере эндогаза при температуре 1150°С. Потери углерода в процессе спекания составили около 0,2%. Про- питку проводили в атмосфере эндогаза при температуре 1120°. Тер- мическая обработка инфильтрированных материалов заключалась в закалке с температуры 850°С с охлаждением в воде и отпуске при температурах 200, 550, 700°С, 1 ч. Механические свойства оценива- ли по твердости, пределу упругости и относительной деформации при сжатии. Испытания на сжатие выполняли на испытательной машине «Инстрон» со скоростью нагружения 2мм/мин. Микротвер- дость фаз определяли на микротвердомере «Акаши» при нагрузке 10 г для медной фазы и 50 г фазы па основе железа, твердость - на твердомере Виккерса. Результаты исследований показали, что после насыщения углеродом в процессе спекания и инфильтрации композиционный материал состоит из частиц стальной основы и медной фазы, распо- ложенной дискретно по границам и в стыках частиц. Структура ос- новы зависит от содержания углерода и изменяется от феррито- перлитной (0,3% углерода) до перлито-цементитной (1,8% углеро- да). Термообработка приводит к преимущественной диффузии угле- рода от центра частиц по направлению к наиболее дефектным при- граничным областям, в которых образуется оторочка с повышенным содержанием углерода. При этом макропоток атомов углерода в объеме композиционною материала отсутствует благодаря барьер- 163 ному влиянию медной фазы. Структура оторочки определяется температурой отпуска и концентрацией углерода. В малоуглероди- стой стали упрочняющая оторочка формируется преимущественно при высоком отпуске 700°С (рис 1 а, б), что приводит к повышению твердости, прочности и снижению пластичности (таблица). Таблица Влияние режимов термической обработки на механические свой- ства инфильтрированных материалов на основе порошковых углеродистых сталей Содержа- ние углеро- да в желез- ной фазе,% Режим термической обработки Закалка, отпуск 200° С Закалка, отпуск 550° С Закалка, отпуск 700°С ÌÏà óïð ,σ НV, МПа ,%ε ÌÏà óïð ,σ НV, МПа ,%ε ÌÏà óïð ,σ НV, МПа ,%ε 0,3 2900 1350 15,2 5600 2910 7,2 6700 3560 5,7 0,8 5100 3100 11,0 7400 3780 11,0 8970 4980 6,2 1,8 10600 5710 2,2 7640 3900 10.3 4100 2370 15,8 С увеличением количества углерода до 0,8% эта оторочка образуется уже при температуре отпуска 550°С и наиболее выраже- на при 700°С (рис. 1 в, г). Микротвердость в центре частиц после отпуска 550°С составляет 3030 МПа, оторочки - 4120 МПа, после отпуска 700°С - 1480 и 4730 МПа, соответственно. Закономерности изменения свойств в инфильтрированных материалах на основе ста- ли с 0,8% углерода имеет аналогичный характер. Увеличение твердости и прочности с повышением темпера- туры отпуска связано, по-видимому, с карбидизацией приграничных участков стальных частиц, которая приводит к возрастанию жестко- сти и сопротивлению пластической деформации. В инфильтрированных материалах на основе высокоуглеро- дистой стали (1,8%) концентрационного расслоения по углероду внутри частиц не происходит. Микроструктура частиц однородная и изменяется с повышением температуры отпуска подобно литым сталям при низком отпуске - мартенсит отпущенный с избыточными карбидами, при среднем - троостит с избыточными карбидами, при высоком - сорбит с избыточными карбидами (рис 1 д,е). В соответ- 164 ствии со структурными превращениями изменяются свойства - по- нижается прочность, возрастает пластичность (таблица). Рис. 1 Микроструктуры инфильтрированного материала на основе порошковой углеродистой стали, содержащей 0,3 (а,б); 0,8 (в,г); 1,8 % С (д,е) после закалки и отпуска при 550 оС (а,в,д) и 700 °С (б,г,е). х500 Таким образом, предложен метод упрочнения антифрикци- онных материалов на основе железа, инфильтрированных медью. Эффект упрочнения реализуется при содержании углерода 0,3-0,8% и достигается путем перераспределения углерода внутри железных частиц в процессе термической обработки. Литература 1. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые мето- дом пропитки. М: Металлургия, 1986. 165 2. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. Л: Машиностроение, 1990.