ИЗМЕНЕНИЕ ПОРИСТОСТИ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА ПРИ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА

 

CHANGE OF POROSITY OF IRON POWDER DURING OF POLYMORPHIC TRANSFORMATIONS IN THE ATMOSPERE OF HYDROGEN

 

Толстенко A.В. (ДГАУ, г.Днепропетровск, Украина)

 

Исследовано влияние водорода на плотность порошков железа при полиморфных α-γ  превращениях.

The effect of hydrogen and α-γ transformationson on the density of iron powders.

 

Ключевые слова: водород, полиморфные превращения, Н-слой, пористость.

Key words: hydrogen, polymorphic transformation,  H- layer, porosity.

 

Водородонасыщенные зоны (Н-слои) возникают за счет разной растворимости водорода в фазах (для железа - γ и α фазы) , при определенных условиях, насыщаются до очень высоких концентра­ций водорода (10 и более ат.%). Такое пресыщение водородом существует только при движении границы фронта превращения. При остановке превраще­ния эта зона рассасывается ввиду высокой подвижности водорода. Свойства металла в Н-слое изменяются и приближаются к свой­ствам вязкой жидкости, что приводит к проявлению эффекта самопроизволь­ной деформации.

Ранее исследования проводились на плотном металле [1]. В связи с этим было изучено взаимодействие Н-слоев с порошковыми металлами, которые представляют собой заведомо высоко дефектные материалы.

Образцы для экспериментов готовились в виде брикетов из по­рошкового железа марок ПЖ-3, ПЖ-4. Порошки рассеивались на две фракции 0-200 мкм и 300-700 мкм. Исходная пористость образцов нахо­дилась в пределах 20 - 35%. Образцы предварительному спеканию не подвер­гались. Для части экспериментов образцы из порошка не прессовались, ис­пользовалась их свободная засыпка в керамическую форму. Пористость образ­ца при этом составляла 55-60%.

Эксперименты проводились по трем основным параметрам: скорость охлаждения (интервал 0,5-5К/с), давление водорода (диапазон 0,1-5 МПа), интервал температур термоциклирования (1000 -1300 К). Функцией отзыва служила конечная пористость образца.

Существует область параметров ТЦО, при которых происходит интенсивное увеличение пористости металла. Образец  «распухает», увеличивая свой объем в 1,5-2,5 раза. Подобная форма частиц без четких границ прослеживается по всему объему образца и отличается от его традиционной структуры.

Когда частицы порошка спрессованы, образующиеся Н-слои практически не оказывают влияния на процесс спекания. После взаимного спекания частиц по точкам контактов, взаимодействие Н-слоев с частицами порошка меняется.

При этом время жизни Н-слоев увеличивается, что приведет к более интенсивному деформированию частиц металла. Поскольку на этой ста­дии размер частиц соизмерим с размером пор, то деформация частиц по объе­му идет более равномерно.

После первых термоциклов наблюдается некоторая усадка образца (до 1-1,5%), а затем брикет начинает увеличиваться в размерах практически прямо пропорционально числу термоциклов. При этом пустоты между порами увеличиваются, а частицы порошка трансформируются в волокнообразные.

Эксперименты были проведены с порошками фракцией 300- 700 мкм при тех же условиях. Процесс их распухания идет не­стабильно, часто образцы имеют разрывы на поверхности, внутренняя макро­структура неоднородна.

Существует некоторый оптимальный размер частиц, изделия из которых будут равномерно деформироваться – распухать при оптимальных параметрах процессов и их структура будет достаточно однородна.

Этот вывод хорошо согласуется с расчетами размерного фактора образца при самопроизвольной деформации железа, сделанными Я.Е. Гегузиным с сотрудниками [2]. Согласно их расчетам, критический размер частиц, в которых возможна деформация за счет образования Н-слоя, равен:

                                         (1)

где L – критический размер, определяющий необходимую для формоизменения фазовую поверхность, Т_f – температура фазового превращения, V_Т – скорость нагрева, охлаждения образца, b – эффективная подвижность фазовой границы, q – тепловой эффект фазового превращения,  - градиент температуры в образце.

Для условий наших экспериментов: V_Т = 2К/с; Т_f = 1200К;

q = 1,5х10^-21Дж; b = 8х10¹⁹м/с·Дж;  = 6х10³ К/м. Расчеты дали критический размер частицы – L = 5,5х10^-4м = 550 мкм.

Для мелкой фракции порошка (до 200 мкм) необходимо время для спекания в более массивные образования, которые начнут деформироваться под действием Н-слоя.

Порошки крупной фракции (300-700 мкм) начинают деформироваться сразу с началом термоциклирования, когда взаимное спекание частиц еще не произошло или только началось.

Эффект «распухания» порошковых материалов из железа может служить основой для технологии получения изделий с заданной пористостью.

 

Список  использованных источников

1.  Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства Fe-C сплавов [Текст] / В.И.Шаповалов.- М.: Металлургия, 1982.-232 с.

2.  Гегузин Я.Е. Влияние направления α-γ превращения на ползучесть поликристаллического железа [Текст] / Я.Е.Гегузин , В.И.Кибец, М.И.Чеканов // Физика металлов и металловедение.- 1989.- т68, вып.2.- С.375-381.