Исследование структуры и свойств стали, полученной с применением технологии инжекционного формования

Ю.В.Мячин, Е.А.Даренская, О.Ю.Ваулина, С.П.Буякова, И.В.Турунтаев, С.Н.Кульков

 

В настоящей статье представлены результаты исследований аустенитной нержавеющей стали, полученной с использованием MIM-технологии (Metal Injection Moulding - инжекционное формование из металлических порошков). Исследована структура, фазовый состав, механические свойства исходного «фидстока» («Feedstock» - смесь мелкодисперсных металлических или керамических порошков с полимерной матрицей) и спеченного материала. Изготовленный фидсток представляет собой гранулы цилиндрической формы диаметром около 3,5 мм. Основой материал фидстока – смесь хромоникелевого и стального порошков. В качестве пластического связующего использовался полиацеталь (полиформальдеги́д, полиоксиметиле́н (ПОМ), англ. Polyoxymethylene (POM) (—Н2С—О—)n). При спекании полученного фидстока синтезируется материал по химическому составу, структуре и механическим свойствам относящийся к классу аустенитных нержавеющих сталей. Плотность материала после спекания составляет более 98 % от теоретической. Установлено, что при спекании происходит фазовое превращение – исходная ферритная фаза формовки при спекании превращается в аустенитную фазу. Фазовому превращению способствует никель, содержащийся в исходной порошковой смеси.  Микротвёрдость спеченного материала 1,6 ГПа, модуль упругости 115 ГПа.

Ключевые слова: аустенитная нержавеющая сталь, фидсток, инжекционное формование, структура, свойства.

Введение

MIM-технология объединяет в себе достоинства порошковой металлургии и технологии литья: технология порошковой металлургии позволяет очень точно задавать химический состав материала, а литейная технология позволяет получать изделия сложной формы и высокой плотности.

Сырьём для изготовления изделий с помощью MIM-технологии является так называемый фидсток – гранулированный материал, представляющий собой смесь мелкодисперсных металлических порошков с полимерным связующим [1].

При спекании фидстоков происходят фазовые и структурные превращения, формируется остаточная пористость и др., при этом для направленного варьирования свойств спечённого материала необходимо решать вопросы выбора химического состава, формы частиц порошков, гранулометрического состава порошковых смесей, а также технологии и параметров процесса спекания. Помимо этого, для каждой порошковой композиции необходимо учитывать физико-химические свойства материала связующего для изготовления фидстоков, а также свойства самого фидстока.

Цель настоящей работы – исследование структуры и свойств спеченного материала, полученного с применением технологии инжекционного формования.

Материал и методики

Для изготовления фидстока использовали хромоникелевый и стальной порошки, полученные методом распыления, в качестве связующего использовали полиацеталь. Удаление связующего производили в два этапа: первый этап заключался в разложении полиацеталя при температуре 110°С в среде HNO3; второй этап – в нагреве в печи от комнатной температуры до 600°С и выдержке при этой температуре в течение часа. Затем проводили спекание образцов в течение 3 ч при температуре 1380°С в атмосфере водорода аналогично [2].

Химический состав отдельных фаз спеченных образцов определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA Tescan. Анализ фазового состава проводили рентгенографическим методом. Для съёмки рентгенограмм использовали дифрактометр с фильтрованным кобальтовым излучением. Запись дифрактограмм производили в режиме сканирования по точкам, время экспозиции на каждой обеспечивало статистическую точность не менее 1%. Расшифровка дифрактограмм проводилась по разработанной программе аналогично [3]. Микроискажения кристаллической структуры и средний размер областей когерентного рассеивания рассчитывали по уширению дифракционных максимумов по методам Шеррера и Вильямсона-Холла [4]. Типы кристаллических решёток образцов и качественный фазовый состав образцов определяли по известным методикам [4].

Металлографический анализ проводили с использованием металлографического инвертированного микроскопа «ЛабоМет-И» с системой визуализации изображения на экране монитора компьютера. Обработку изображений производили с использованием системы автоматизированного анализа изображений SIAMS Photolab [5] с использованием технологии электронных таблиц.

Для выявления микроструктуры полированную поверхность образцов подвергали химическому травлению. В качестве травителя использовали 5 % раствор азотной кислоты и 5 % раствор смеси концентрированных азотной кислоты HNO3 (1 объём) и соляной кислоты HCl (3 объёма) в спирте.

Механические испытания состояли из измерения микротвёрдости и модуля упругости спечённых образцов. Измерения проводили по двум методикам – по ГОСТ 9450-76 с использованием микротвёрдомера ПМТ-3 и в автоматическом режиме по ГОСТ Р 8.748-2011(ИСО 14577-1:2002) с помощью системы Nano Indenter G200/XP, с одновременным измерением модуля упругости материала. При измерении микротвёрдости с использованием микротвёрдомера ПМТ-3 использовали индентор - четырехгранную алмазную пирамиду, количество отпечатков на образец составляло не менее 10, расстояние между отпечатками 300–500 мкм, нагрузка 50 г, время выдержки под нагрузкой 20 сек. При измерении микротвёрдости на Nano Indenter G200/XP использовали индентор Берковича, суммарный ход индентора 1,5 mm; максимальная глубина индентирования >500 µm; нагрузка 500 mN; шаг нагрузки 50 nN.

Результаты и обсуждение

Исходный фидсток.

На рисунке 1 представлено РЭМ изображение поверхности разрушения полученного фидстока, а на рисунке 2 – распределение частиц по размерам. Практически все частицы порошковой смеси, как крупные, так и мелкие, имеют округлую форму близкую к сферической, что является следствием метода их получения. Как видно из рисунка 2, основной объём частиц (около 80 %) имеет размеры от 2 до 6 мкм, при этом согласно EDAX-анализу они соответствуют частицам порошка на основе железа, таблица 1, а более крупные частицы, размером от 10 до 23 мкм, соответствуют частицам хромоникелевого порошка, таблица 2.

 

Рисунок 1 – Структура образца после MIM формованияРисунок 1 – Структура образца после MIM формования
Рисунок 2 – Распределение частиц порошка по размерамРисунок 2 – Распределение частиц порошка по размерам

 

На рисунке 1 пробы материала «Спектр 2» и «Спектр 4» получены в области мелких частиц порошка. Как показывает химический анализ (таблица 1) – это частицы железного порошка с относительно высоким содержанием углерода. Материал в области «Спектр 4» с высоким содержанием железа имеет более светлый оттенок по сравнению с материалом в области «Спектр 2» с относительно высоким содержанием углерода. Проба материала «Спектр 1» получена в области относительно крупной сферической частицы хромоникелевого порошка (таблица 1).

 

Таблица 1 – Химический состав порошковой смеси (спектры 1, 2 и 4 на рисунке 1), % вес.

 

Fe

C

Cr

О

Ni

Mo

Si

Спектр 1

1,40

13,77

48,44

-

30,34

5,50

0,54

Спектр 2

50,30

45,54

1,09

2,81

0,26

-

-

Спектр 4

82,39

14,89

1,51

1,21

-

-

-

 

Фидсток после спекания.

Рисунок 3 – Изображение полированной поверхности образцаРисунок 3 – Изображение полированной поверхности образца
Рисунок 4 – Распределение пор по размерам в спеченном образцеРисунок 4 – Распределение пор по размерам в спеченном образце

 

Рисунок 5 – Структура спеченного материалаРисунок 5 – Структура спеченного материала

Металлографические исследования нетравленой полированной поверхности спечённых образцов показали, что объёмное распределение пор в спечённых образцах неравномерное. На полированной поверхности шлифа (рисунок 3) можно выделить области с высокой концентрацией (высоким скоплением) пор и сопоставимые по размеру области, где поры совсем отсутствуют. Также в некоторых местах поры выстраиваются в ряды, образуя цепочки из пор. При построении распределения пор по внешнему диаметру (Рисунок 4) видно, что оно достаточно широкое – полидисперсное: более 50 % – это относительно мелкие поры диаметром 3–5 мкм, около 25 % – это поры размером 6–7 мкм и порядка 10–15 % – поры с размером около 9 мкм. Количество пор с размером свыше 10 мкм составляет менее 5 %. При этом остаточная пористость спечённых образцов составляет 1,4 %.

 

На рисунке 5 представлено РЭМ изображение полированной поверхности спечённого материала после травления. Видно, что внутри зёрен присутствуют хорошо различимые полосы – двойники. Помимо этого, видны включения угловатой формы и поры.

В таблице 2 представлены результаты химического анализа спечённого материала в областях «Спектр 1», «Спектр 2», «Спектр 3» и «Спектр 4», показанных на рисунке 5.

 

Таблица 2 – Химический состав спечённого образца (спектры 1 – 4 на рисунке 3), вес.%

 

Fe

C

Cr

Ni

Mo

Si

O

Cl

Спектр 1

66,22

-

18,19

12,80

2,45

0,34

-

-

Спектр 2

45,71

31,64

13,27

7,58

1,59

0,22

-

-

Спектр 3

54,38

-

15,96

9,60

2,15

12,01

5,67

0,17

Спектр 4

66,09

-

18,19

12,83

2,54

0,35

-

-

 

Из полученных данных видно, что материал в областях «Спектр 1» и «Спектр 4» имеет один и тот же химический состав. Материал в области  «Спектр 3» отличается повышенным содержанием Si и наличием O и Cl. Материал пробы взят в области скопления частиц внутри поры, в связи с этим, можно предположить, что Si, O и Cl попали в поры в процессе шлифовки образца. Материал в области «Спектр 2» отличается повышенной концентрацией углерода и, судя по всему, является карбидным включением. На основании этих данных полученный спечённый материал можно отнести к классу нержавеющих сталей [6].

 

Рисунок 6a – исходный фидсток Рисунок 6, – спеченный материал Рисунок 6 – Дифрактограммы, а) - исходный фидсток, б) - спеченный материал

 

На рисунке 6 представлены дифрактограммы, полученные в исходном фидстоке и после спекания. Анализ дифрактограмм исходного фидстока показалал, что это – ОЦК структура с параметром 0,286789 нм, близким к параметру ОЦК-решетки железа. Дифрактограмма спечённого материала (рисунок 6б) соответствует ГЦК решетке с параметром 0,359561 нм, близким к параметру ГЦК-решетки железа. Это свидетельствует об изменении кристаллической структуры материала в процессе спекания. Таким образом, в процессе спекания образцов происходит фазовое превращение – исходная ферритная фаза превращается в аустенитную вследствие легирования никелем.

В таблице 3 представлены размеры ОКР и микроискажения кристаллических решеток, полученные разными методами. Видно, что до спекания размеры ОКР, рассчитанные по обеим методикам примерно одинаковы, а после спекания значения ОКР увеличиваются вследствие укрупнения размеров кристаллитов.

Из таблицы видно, что средний размер ОКР после спекания увеличивается, а микродисторсия решетки уменьшается. В то же время определение этих величин величин по методу Холла – Вильямсона более адекватно отражают изменения, ОКР и микродисторсии поскольку при этом разделяются вклады в уширение линий за счет кристалличности и микроискажений.

В таблице 4 представлены результаты измерений микротвёрдости и модуля упругости спечённого материала. Видно, что значения микротвёрдости, полученные по разным методикам примерно одинаковые. Среднее значение микротвёрдости по двум методикам составляет 1.6 ГПа, а модуль упругости 115 ГПа.

 

Таблица 3 – Размеры ОКР и микроискажения кристаллических решеток

 

ОКР, нм

2>½⋅103

до спекания

после спекания

до спекания

после спекания

Метод Шеррера

80 ±5

115±5

5.0±0.5

3.6±0.5

Метод Вильямсона-Холла

65±5

365 ±10

0.1±0.05

0.6±0.05

 

Таблица 4 – Результаты измерений микротвёрдости (H) и модуля упругости (E)

H, МПа по ГОСТ 9450-76

H, МПа по ИСО 14577-1:2002

E, ГПа по ИСО 14577-1:2002

1.7 ± 0.2

1.6 ± 0.1

115.0 ± 3.5

 

Полученные данные хорошо согласуются с литературой [6]: значение микротвёрдости спечённого материала попадает в интервал значений микротвёрдости аустенитной структуры (~ 1600 – 2000 МПа).

Заключение

Таким образом, при спекании полученного фидстока синтезируется материал по химическому составу, структуре и механическим свойствам относящийся к классу аустенитных нержавеющих сталей. Полученные образцы после спекания имеют плотность более 98% от теоретической плотности. Показано, что при спекании образцов происходит фазовое превращение – исходная ферритная фаза формовки при спекании превращается в аустенитную фазу благодаря присутствию никеля в составе исходной порошковой смеси. Металлографические исследования показывают, что спечённые образцы имеют характерную аустенитную структуру с наличием большого количества двойников.

Механические свойства исследуемых спечённых образцов хорошо согласуются со структурой и данными рентгеноструктурного анализа. В результате механических испытаний спечённых образцов получены значение микротвёрдости 1,6 ГПа, значение модуля упругости 115 ГПа.

Работа проведена в рамках проекта ФЦП №14.578.21.0035-RFMEFI57814X0035. Исследования на растровом микроскопе проводили на оборудовании ЦКП «Аналитический центр геохимии природных систем».

 

ООО «Куранты» производит металлические порошковые композиции (фидстоки), изготавливает металлические и керамические изделия по PIM‑технологии (Powder Injection Moulding), льёт изделия из пластмасс (термопластов) в интересах российских потребителей.

Приглашаем к сотрудничеству заинтересованные организации в изготовлении пластмассовых, высокотемпературных композитных, керамических и сложных металлических изделий с заранее заданными свойствами в целях импортозамещения. Изготавливаем любые партии нестандартных металлических сплавов с повышенными характеристиками ударной вязкости и временным сопротивлением, с содержанием необходимого соотношения элементов. Принимаем заказы от заинтересованных организаций на литьё изделий из пластмасс или металлических сплавов. При необходимости изготовим пресс-формы для литья изделий. Ждём Вашу заявку с эскизами, чертежами, 3D-моделями и описанием задачи.

Авторы проведённых исследований:

Мячин Юрий Владимирович — Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, проспект Ленина, д. 30), программист, специалист в области материаловедения, композиционных материалов, порошковой металлургии. E-mail: yuriyvm4@tpu.ru.

Даренская Елена Анатольевна — Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, проспект Ленина, д. 30), кандидат технических наук, доцент, специалист в области материаловедения, термической обработки материалов и электронно-лучевой наплавки. E-mail: IvanovaEA@tpu.ru.

Ваулина Ольга Юрьевна — Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, проспект Ленина, д. 30), кандидат технических наук, доцент, специалист в области материаловедения и термообработки, усталости металлов, ионно-плазменных покрытий. E-mail: kolgay@tpu.ru.

Буякова Светлана Петровна — Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, проспект Ленина, д. 30), доктор технических наук, профессор, специалист в области материаловедения пористых керамических композитов. E-mail: sbuyakova@ispms.ru.

Турунтаев Игорь Владимирович — ООО «Куранты» (105066, г. Москва, ул. Новорязанская, 31/7, корп. 22), генеральный директор; Московский государственный технический университет им. Баумана (105005, г. Москва, 2-я Бауманская улица, д. 5, строение 1), научный сотрудник, специалист в области МИМ – технологий. E-mail: info@kuranty.pro.

Кульков Сергей Николаевич — Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, проспект Ленина, д. 30), доктор физико-математических наук, профессор, специалист в области материало-ведения металлических и керамических композитов со структурными превращениями. E-mail: kulkov@ispms.ru.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Е. Погодина. Литье порошковых смесей // Пластикс. 2013. №6.  С 34 – 46.
  2. A.Coleman, K. Murray, M. Kearns  “Effects of powder size and chemistry on densification and properties of 316L MIM parts made under different sintering atmospheres”, Powder Injection Moulding International, Vol. 7, No. 2 (2013) 67-72
  3. Sergey N. Kulkov, Elena S. Dedova and Fernando Pedraza The influence of temperature on the properties of ZrW2O8 Epitoanyag: Journ. of Silicate Based and Composite Materials, 2014, #2, pp.35-38.
  4. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: МИСиС, 1994. – 328 с.
  5. Системы анализа изображений и моделирования структур – http://www.siams.com
  6. Гуляев А.П. Металловедение. – Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

In manuscript there are shown results of austenitic stainless steel sintering using by metal injection molding (MIM) technology. It have been studied microstructure, phase composition, mechanical properties of feedstock and sintered material. It have been shown that feedstock has a pellet of cylindrical shape with a diameter of about 3,5 mm and consists of chromium and steel powders mixture. As a plastic binder was used polyacetal. After sintering the material has chemical composition, structure and mechanical properties closely related to the austenitic stainless steels because phase transformation of initial ferrite phase forming during sintering is transformed into austenitic phase due to nickel contained in the initial powder mixture. The density of the material after sintering is more than 98 % of theoretical. The microhardness of the sintered material of 1.6 GPa, a modulus of elasticity 115 GPa.

 

Austenitic stainless steel, feedstock, MIM-technology, microstructure, properties of steel.

 

Скачать статью, опубликованную в журнале «Перспективные материалы» 2016 №7

Сохранить страницу в PDFОтправить запрос

Напишите нам сообщение

Отправить

Дополнительная информация


3D/PIM-технология: Обзор
3D/PIM-технология: Характеристики