MIM технология, режимы спекания, термообработка, механические свойства, структура, сталь 09Х16Н4Б, гомогенизирующий отжиг, порошковая металлургия

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО MIM ТЕХНОЛОГИИ ИЗ СТАЛИ 09Х16Н4Б

Порошковая металлургия и, в частности, MIM технология сегодня играет ключевую роль в современной промышленности. Поскольку эта технология, в отличие от традиционных технологий, таких как литье и механическая обработка, обеспечивает высокую ресурсоэффективность, стабильность качества и производительность обработки [1, с. 157].

Сегодня MIM технология в нашей стране успешно применяется при производстве деталей стрелкового и ракетно-артиллерийского вооружения, при производстве деталей медицинских приборов, радиочастотных и волоконно-оптических соединителей, а также деталей топливной аппаратуры автотранспорта. Однако наибольшую эффективность MIM технология показывает при изготовлении деталей из термоупрочняемых высокопрочных сталей. Наиболее распространенной высокопрочной сталью является сталь марки 09Х16Н4Б, сохраняющая свои высокие механические свойства при воздействии повышенных температур и слабоагрессивных сред. Несмотря на все преимущества, данная сталь обладает существенным недостатком — неоднородностью микроструктуры (наличие γ-фазы (аустенита)), ухудшающей обработку резанием деталей, изготовленных из этого материала [2, с. 25].

В настоящее время в литературе описывается ряд подходов к решению проблемы повышения однородности структуры деталей из стали 09Х16Н4Б. Однако все исследования в этой области касаются изделий, изготовленных традиционными технологиями [3, с. 37]. Работы, посвященные гомогенизации микроструктуры данной стали и улучшению обрабатываемости резанием деталей, полученных по технологии порошковой металлургии, в настоящее время отсутствуют.

В связи с этим, задача исследования влияния режимов спекания и последующей термической обработки на механические свойства и однородность микроструктуры деталей, изготовленных по MIM технологии из порошка стали 09Х16Н4Б, является актуальной.

Исследование режимов спекания

С целью определения рациональных режимов спекания деталей из стали 09Х16Н4Б проведены исследования влияния температуры и времени выдержки при спекании на прочность деталей. Прочность определялась на образцах для механических испытаний на разрыв согласно ГОСТ 59651-02021. Образцы изготавливались по MIM технологии из порошка марки ПР-09Х16Н4Б ТТ 08005-2021 фракции 0–20 мкм производства АО «Полема». Данный порошок изготовлен путем распыления расплава металла струей азота под давлением.

На рисунке 1 представлены графические зависимости прочности при разрыве спеченных деталей из порошка 09Х16Н4Б от режимов спекания (скорость нагрева при спекании V = 5 °С/мин).

Время выдержки при спекании является важным технологическим параметром, который определяет прочность деталей, изготовленных методом порошковой металлургии, поскольку в ходе спекания частицы порошка под действием температуры и давления соединяются друг с другом, образуя прочные связи.

Из графиков на рисунке 1 видно, что с увеличением времени выдержки при спекании прочность при разрыве спеченных деталей из порошка стали 09Х16Н4Б возрастает до максимального значения, а затем наблюдается её снижение. При этом увеличение температуры спекания приводит к резкому росту прочности и более быстрому её снижению с течением времени выдержки. Это объясняется тем, что увеличение времени выдержки позволяет частицам порошка лучше диффундировать друг в друга, что приводит к улучшению межчастичных связей и, как следствие, повышению прочности спеченной детали. Длительное время выдержки способствует снижению пористости в структуре материала и увеличению плотности детали, что положительно сказывается на её прочности.

Однако длительное время выдержки и повышенные температуры при спекании способствуют росту зерен в структуре спеченных деталей, а также возникновению дефектного слоя на поверхности деталей из-за испарения легирующих компонентов стали 09Х16Н4Б, что в свою очередь приводит к снижению прочности спеченных деталей.

Таким образом, наиболее оптимальным режимом является температура спекания 1330 °С при скорости нагрева 5 °С/мин и выдержке 2,5 часа. Данный режим обеспечивает равномерный температурный градиент при нагреве, не приводящий к возникновению внутренних напряжений, а также умеренный рост зерна в структуре материала спеченных образцов.

Исследование режимов термообработки

Сталь 09Х16Н4Б относится к коррозионностойким сталям мартенситного класса. Микроструктура стали после закалки и отпуска представляет собой мартенсит, карбиды и остаточный аустенит в количестве от 5 до 20 %, который негативно влияет на обработку материала резанием.

Для определения рациональных режимов термической обработки спеченных деталей из порошка 09Х16Н4Б, обеспечивающих однородность структуры и хорошую обрабатываемость деталей резанием, проведены экспериментальные исследования. Для этого изготовлены по MIM технологии из порошка стали 09Х16Н4Б цилиндрические образцы для исследования структуры Ø15×5 мм и образцы для механических испытаний на разрыв по ГОСТ 59651-02021.

Термическая обработка образцов выполнялась по стандартным режимам для отливок из стали 09Х16Н4Б (таблица 1), которые выбирались в соответствии с ОСТ 92.1311 [4, с. 10].

· Режим 1: закалка 1030 °С; отпуск 580 °С.

· Режим 2: закалка 1050 °С (выдержка 40 мин); обработка холодом −70 °С (120 мин); отпуск 500 °С (180 мин).

· Режим 3: закалка 1050 °С; отпуск (параметры не указаны в источнике).

Результаты испытаний физико-механических свойств образцов после термообработки представлены в таблице 2.

· Режим 1: временное сопротивление σв = 98 кгс/мм²; относительное удлинение δ = 11 %; твердость HRC 32; соответствие ГОСТ 59651 — не соответствует.

· Режим 2: σв = 116 кгс/мм²; δ = 9,6 %; HRC 35; соответствие ГОСТ 59651 — соответствует.

· Режим 3: σв = 124 кгс/мм²; δ = 7,8 %; HRC 34; соответствие ГОСТ 59651 — не соответствует.

Из таблицы 2 видно, что режимы термообработки № 1 и № 3 не обеспечивают значений механических свойств, указанных в ГОСТ 59651 (σв не менее 110 кгс/мм², δ не менее 8 %). Поэтому для дальнейших исследований выбраны образцы, термообработанные по режиму № 2.

Исследование микроструктуры поверхности образцов показало, что при стандартном режиме термообработки № 2 присутствует структурная неоднородность. На рисунке 2 приведен выявленный в структуре светлый не травящийся участок значительной протяженности (увеличение ×200, ×500, ×1000). При детальном исследовании в светлом участке по границам зерен и вблизи них наблюдаются скопления темных дисперсных частиц. В темных травящихся участках отпущенного мартенсита наблюдается присутствие светлых участков δ-феррита.

С целью разложения аустенита в структуре образцов дополнительно проведен гомогенизирующий отжиг при температуре 1150 °С в течение 5 часов в начале термообработки по режиму № 2 (таблица 1). На рисунке 3 приведено изображение микроструктуры образца, подвергнутого гомогенизирующему отжигу и термообработке (увеличение ×500).

Из рисунка 3 видно, что микроструктура исследуемого образца достаточно однородная, количество участков γ-фазы (аустенита) и их протяженность значительно снижены. Это свидетельствует о повышении обрабатываемости резанием материала.

Проведены исследования механических свойств (таблица 3) образцов, подвергнутых гомогенизирующему отжигу и термообработке по режиму № 2.

· σв = 114 кгс/мм²; δ = 10,2 %; твердость HRC 32; соответствие ГОСТ 59651 — соответствует.

Из таблицы видно, что механические свойства образцов полностью соответствуют нормативной документации.

Таким образом, проведение гомогенизирующего отжига при температуре 1150 °С в течение 5 часов и термообработка по режиму № 2 обеспечивают однородность структуры и, соответственно, хорошую обрабатываемость деталей резанием.