Влияние водорода на структуру порошков железа при термоциклировании

25/04/2014 2:02pm

Автор: Карпов В.Ю.

Исследовано взаимодействие Н-слоев с порошковым железом при термоциклическом спекании в атмосфере водорода. Обработке подвергались образцы из порошков различных фракций и различной исходной пористости. Показано, что значительную роль в процессе термоциклического спекания играет крупность порошка, а параметры термоциклирования сильно влияют на конечную структуру и плотность спеченного образца. Структура образцов, спеченных при термоциклировании,  коренным образом отлична от структуры образцов, спеченных традиционным способом. Полученная структура приближается к волокнообразной, имеет большую пористость и прочность по сравнению с традиционной. Показана возможность управления конечной пористостью образца с помощью параметров процесса.
Ключевые слова: термические циклы; структура спеченного порошка; водород; механизм распухания; уплотнение; спекание.

УДК 621.762:669.788

Влияние водорода на структуру порошков железа при термоциклировании

Karpov
Карпов Владимир Юрьевич
Доктор технических наук, профессор.
Национальная металлургическая академия Украины,
Днепропетровск

 

Обнаруженное явление возникновения водород насыщенных метастабильных подвижных зон (Н-слои) в полиморфных металлах (Открытие №313) дало стимул к исследованиям взаимодействия водорода с различными металлами при циклическом изменении температуры (термоциклическая обработка – ТЦО) металла вблизи его критических точек [1]. Водород насыщенные зоны (Н-слои) представляют собой слои металла на границе двух фаз при полиморфном превращении. За счет различия в растворимости водорода в фазах (для железа это a- и g-фазы), эта зона насыщается водородом до очень высоких концентраций (до 10 и более ат.%). В результате этого свойства металла в Н-слое  приближаются к свойствам вязкой жидкости и приводит к его самопроизвольной деформации. Также было выяснено, что Н-слои активно взаимодействуют с дефектами кристаллической структуры металла. При их движении по металлу происходит захват и перенос дислокаций и вакансий. При этом наблюдается увеличение дефектности металла в зоне распада Н-слоя и она растет вплоть до образования макро пустот [2, 3].  В связи с требованиями современной техники по созданию новых пористых материалов существует значительный интерес к взаимодействию Н-слоев с порошковыми металлами.
Образцы для экспериментов приготавливались из порошкового железа  марок  ПЖ-3, ПЖ-4 с фракциями различной крупности. Первоначально предполагалось, что ТЦО порошковых образцов в водороде ускорит процессы их спекания при более низких температурах (до 10000С) и увеличит прочность изделий.
Исследования показали, что для увеличения плотности и прочности пористого образца после спекания необходимо: смещать интервал  термоциклирования в  высокотемпературную область; увеличивать давление водорода; снижать скорость охлаждения во время ТЦО.
Тенденция к снижению скорости охлаждения образца непонятна, так как для формирования Н-слоя в мелких частицах порошка необходимо увеличение скорости движения межфазной границы a - g превращения. Получается, что для увеличения плотности спеченных порошков необходимо снижать возможность зарождения Н-слоев. С другой точки зрения это вполне логично, ведь при образовании и движении Н-слоев образуются высоко дефектные области в образце, особенно в центральной его части. Из этих рассуждений следует, что если стремиться сформировать Н—слой в порошковом материале, то это  приведет  к  росту  его  пористости. Поэтому часть экспериментов была скорректирована так, чтобы все параметры режима ТЦО порошкового образца вели к получению максимальной пористости образца.  Было установлено, что существует область параметров ТЦО, в которой происходит интенсивное увеличение пористости металла. Образец буквально распухает, увеличивая свой объем в 1,5-2,5 раза (рис.1). При этом распухании форма частиц металла трансформируется из сферической и дискообразной в волокнообразную (рис.2). Подобная форма частиц (четкой границы частиц уже нет) прослеживается по всему объему металла образца и резко отлична от традиционной структуры спеченных изделий.
Нам представляется следующий ход процесса формоизменения при спекании. С  началом    ТЦО,  когда  частицы  порошка  связаны  между  собой чисто механически  (спрессованы), образующиеся Н-слои практически не оказывают влияния на процесс спекания, и он идет традиционным путем.
Через некоторое время, когда произойдет взаимное частичное спекание частиц по точкам контактов, картина взаимодействия Н-слоев с частицами

Изменение вида порошковых образцов до и после ТЦО в водороде

Рис.1.  Изменение вида порошковых образцов до и после ТЦО в водороде (100 термо циклов). Исходная структура порошка            Исходная структура порошка           
а                                                         б     
Исходная структура порошка           Исходная структура порошка
в                                                           г 
Рис.2. Исходная структура порошка (а), после 10 термоциклов (б), после 50 термоциклов (в), после 100 термоциклов в водороде (г) (х150)

 

изменится (рис.3). Образование Н-слоев пойдет интенсивнее за счет уменьшения поверхности частиц и увеличения их объема. Н-слой, подходя к границе частицы, распадется там, а   по   точкам контакта, где произошло спекание частиц, он пройдет в следующее зерно и так далее. Время жизни Н—слоев заметно увеличится, что приведет к более интенсивному деформированию частиц металла. Поскольку на этой стадии частицы (в нашем случае при пористости 30%) соизмеримы с порами по размерам, деформация частиц по объему достаточно равномерна. Учитывая хаотичное расположение  пор  и  межзеренных  контактов, деформация каждой частицы идет в своем направлении, что в сумме приводит к равномерному распуханию образца.  

Вид порошкового брикета (фракция 400 – 800мкм) после ТЦО в водороде; 100 циклов  

Рис.3. Вероятный механизм  деформации частиц порошка под действием Н – слоя, идущего в одном направлении.

 
Образование  волокнообразной структуры частиц порошка образцов так же связано   с   процессом  спекания  их  между  собой.  Частица получается  закрепленной  в нескольких точках контактов с другими частицами  и  может  деформироваться только между ними. При этом любой вид деформации  -  сжатие или растяжение приведет к вытягиванию одних частиц  и  сжатию  других.  Поскольку направления движения Н-слоев различны, то и изменение структуры идет в разных направлениях.
Вероятно, существует некоторый оптимальный размер частиц, изделия из которых будут равномерно деформироваться - распухать при оптимальных параметрах процесса и их конечная структура будет достаточно однородна.
Это предположение хорошо согласуется с расчетами размерного фактора образца при самопроизвольной   деформации  железа,  сделанными Я.Е. Гегузиным с сотрудниками [3]. По их расчетам, критический размер частиц, в которых возможна деформация за счет образования Н-слоя, равен:
L =  Tf x VT / bq (DТ)2  ,           (1)
где L – критический размер, определяющий необходимую для формоизменения фазовую поверхность, Tf – температура фазового превращения, VT – скорость нагрева, охлаждения образца, b – эффективная подвижность фазовой границы, q – тепловой эффект фазового превращения, DТ – градиент температуры в образце.
Для    условий  наших экспериментов:   VT = 2К/с; Tf = 1200К;  q = 1,5x10-21 Дж; b = 8x1019 м/с • Дж; DТ =  6x103 К/м. Расчеты дали критический размер частицы – L =5,5x10-4м = 550 мкм. Следовательно, минимальный размер сферической  частицы, в которой возможно зарождение Н-слоя при данных условиях, должен быть порядка 550мкм. Эти данные хорошо согласуется с нашими  экспериментальными результатами. Для мелкой фракции порошка (до  200  мкм) необходимо некоторое время для их спекания в более массивные образования, которые затем начнут деформироваться под действием Н-слоя.  Естественно, что за это время связь между отдельными частицами порошка  станет  достаточно  прочной за счет спекания. Порошки же крупной фракции (500-700 мкм) начинают деформироваться сразу с началом  термоциклирования, когда взаимное спекание частиц еще не произошло  или  только  началось.  Это  и  приводит  к  нарушению однородности  межфазной границы превращения и равномерности процесса распухания (рис.4).
Эксперименты  на монолитных образцах показали, что Н-слои  очищают  металл  от  дефектов по  пути  своего  движения [2]. Для проверки этого эффекта также подверглись ТЦО и образцы из порошка железа. В тигель засыпался  порошок  железа  (насыпная   пористость  порошка составляла 51-52%). После   спекания (при ТЦО в водороде)  в образце образовалась зона   с  пористостью 5-10%

Вид порошкового брикета (фракция 400 – 800мкм) после ТЦО в водороде; 100 циклов

Рис.4. Вид порошкового брикета (фракция 400 – 800мкм) после ТЦО в водороде; 100 циклов

(рис.5а).  Анализ  условий ТЦО показал,   что   эта   зона   образуется  в  месте  зарождения  и максимальной  скорости движения Н-слоев. Увеличение скорости  охлаждения образца приводило к увеличению размеров  этой  зоны,  а  снижение  к  уменьшению и даже к ее исчезновению. Эти эксперименты  подтверждают возможность захвата и переноса Н-слоем дефектов в порошке металла. На этот процесс указывают и эксперименты, при которых внутри  порошкового образца образовывались макропустоты (рис.5б).
Исследование   механических   свойств спеченных   брикетов показали,  что  образцы, термоциклированные в водороде, имеют более высокую   (на  10-30%)  пластичность  по сравнению  с  образцами, спеченными   при  изотермической  выдержке и более высоких температурах [4]. Это связано с их более «рыхлой» структурой. Время спекания образцов в 1,5-2 раза меньше, а температура на 250-400К ниже, чем традиционные режимы. Остальные  параметры образцов практически одинаковы.

   Вид (а) макро- пустоты в монолитном образце, (б) уплотненного слоя и пустоты в порошковых образцах железа после ТЦО в водороде; 100циклов           Вид (а) макро- пустоты в монолитном образце, (б) уплотненного слоя и пустоты в порошковых образцах железа после ТЦО в водороде; 100циклов
                   а                                                               б
Рис.5. Вид (а) макро- пустоты в монолитном образце, (б) уплотненного слоя и пустоты в порошковых образцах железа после ТЦО в водороде; 100циклов

Обнаруженный эффект «распухания» порошковых материалов из железа может служить основой для технологии получения изделий с заданной пористостью без усадки в процессе спекания (рис.6). Материалы с высокой   пористостью  и  волокнообразной  структурой   могут  найти   свое  применение в качестве нетканых фильтров для фильтрации не агрессивных по отношению к железу газов и жидкостей. При проведении химико-термической обработки полученных изделий или заготовок из порошков возможно преобразование их в обычные или легированные стали и сплавы. В этом случае материал приобретает более высокие эксплуатационные свойства и уже может найти применение в качестве фильтров для очистки более агрессивных газов и жидкостей.

Вид изделий полученных из цилиндрической заготовки порошка  Вид изделий полученных из цилиндрической заготовки порошка

Рис.6. Вид изделий полученных из цилиндрической заготовки порошка

Выводы


1. Доказана возможность образования Н-слоев в порошковых материалах низкой плотности и их активное взаимодействие с макро дефектами структуры;
2. Изменяя параметры спекания можно  влиять на конечную пористость изделия. Возможно как снижение  до 5-7%, так и  увеличение пористости образца  до 60-70%.
3. Использование термоциклирования в водороде заметно сокращает время и снижает температуру спекания при обработке порошковых материалов;
4. Термоциклирование порошковых заготовок изменяет структуру спеченных изделий из сферической и дискообразной в волокнообразную, поликристаллическую.

Список использованных источников

  • Явление возникновения подвижных водородонасыщенных зон при полиморфном превращении металлов  // Карпов В.Ю., Шаповалов В.И. // Опуб. - Б.И. – 1986. -№31. –С.1.
  • Карпов В. Ю.  Особенности образования водородонасыщенных зон в железе и железоуглеродистых сплавах/ В. Ю. Карпов,  А.В. Толстенко//  Физика металлов и металловедение, 1990. №7. С. 94-99.
  • Гегузин Я.Е. Влияние направления α – γ превращения на ползучесть поликристаллического железа./Я.Е. Гегузин, В.И. Кибец, М.И. Чеканов // Физика металлов и металловедение. 1980. т.49,- вып.5, С. 1088 – 1092.
  • Карпов В.Ю.     Взаимодействие      Н-слоев    с    порошками   железа  /
  • В.Ю. Карпов, А.В. Толстенко, В.В. Карпов//Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: Стародубовские чтения 2012, выпуск 64. / ПДАБА. Дн-вск. -2012, С.329-335.


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры