Порошковые материалы на основе железа

 

83 % общего объема производства составляют порошки на основе железа. Из них 80 % расходуется на производство изделий, 20 % – на обмазку электродов для сварки.

Технологии железных порошков:

· восстановление (из руды, прокатной окалины, железорудного концентрата); марки порошков – ПЖВ3.315.15, NC 100.24, ПЖВ2.160.24;

· распыление чугуна сжатым воздухом; марки порошка – ПЖРВ3.200.26, ПЖРВ4.200.26, ПЖРВ2.200.26;

· распыление стали водой высокого давления; порошки марок WPL200, ПЖР3.200.28, ASC 100.29, ABC 100.30.

Гомогеннолегированные порошки, получаемые распылением, применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей методом горячей штамповки. Ввиду низкой уплотняемости и прочности поковок порошки этого типа редко используют для получения деталей методом прессования с последующим спеканием. Потребление таких порошков за рубежом составляет ~5, 5 тыс. т/год, что связано с их высокой стоимостью. Наибольший спрос на гомогеннолегированные порошки конструкционных сталей отмечается в США, где метод горячей ковки пористых заготовок получил широкое распространение в автомобильной промышленности.

Большинство промышленных процессов получения гомогеннолегированных порошков основано на использовании в качестве распыляющей среды воды высокого давления.

Частичнолегированные порошки предназначены для изготовления конструкционных средненагруженных деталей традиционным и наиболее широко используемым методом порошковой металлургии: прессованием деталей необходимой конфигурации с последующим спеканием. Частичнолегированные порошки сохраняют хорошую технологичность исходного железного порошка (высокую уплотняемость и прочность прессовок) и не склонны к макросегрегации легирующих добавок в процессе транспортировки и переработки, что обеспечивает получение высокоточных порошковых изделий со стабильными размерами и эксплуатационными свойствами в условиях крупносерийного производства.

В связи с высокой технологичностью частичнолегированных порошков их потребление непрерывно растет. Проводятся работы по расширению их марочного состава. В качестве легирующих добавок в них вводят никель, медь, молибден и фосфор.

Существенным резервом повышения эксплуатационных характеристики порошковых деталей из частичнолегированных порошков являются термическая и химико-термическая обработки. Так, применение закалки и отпуска приводит к повышению прочности в 1,5…2 раза при сохранении удовлетворительного уровня пластичности и ударной вязкости.

Перспективное направление в порошковой металлургии – разработка азотсодержащих коррозионностойких сталей. Преимуществом этих материалов является легирование азотом, что позволяет снизить содержание металлических легирующих элементов. Азот в качестве упрочнителя сталей и сплавов эффективен как в твердом растворе, так и в виде нитридов.

Порошковые стали. Основные направления улучшения эксплуатационных характеристик деталей из порошковых сталей – повышение плотности изделий за счет легирования металлической матрицы, термообработка.

Каждый из этих методов имеет недостатки:

· в промышленных условиях недостижимы высокие давления прессования;

· использование легирующих добавок часто приводит к снижению точности конечных размеров изделий и увеличению стоимости продукции;

· термообработка не нашла широкого распространения из-за несовпадения оптимальных режимов для традиционных и порошковых сталей и невысокой ее эффективности при повышенной пористости.

В принятых методах повышения плотности на практике используют два подхода: механический и химический. Наиболее просто повысить давление прессования, но в промышленности оно ограничено и не превышает 800 МПа, при этом плотность составляет порядка 7,1 г/см³. Порошки улучшенной прессуемости, например, марки АВС100.30, не нашли широкого применения из-за высокой стоимости. Себестоимость продукции, изготовленной по технологии, включающей допрессовку, увеличивается примерно на 40 %. Однако при получении изделий с повышенной прочностью двойное прессование и спекание оправдывают себя.

Конкурирующее направление повышения механических свойств конструкционных порошковых сталей – горячая штамповка или динамическое горячее прессование ДГП пористых заготовок с последующей их термической обработкой. Горячештампованная термообработанная никельмолибденовая сталь ПК60Н2М имеет высокие механические свойства: прочность при испытании на растяжение , при испытаниях на изгиб , ударная вязкость .

Внедрение горячей штамповки сдерживается тем, что применение этого процесса во многом лишает порошковую металлургию ее преимуществ: низкой себестоимости продукции и высокого коэффициента использования металла.

Особый интерес представляет высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), которая способствует повышению прочности при сохранении пластичности материала. Основными параметрами, определяющими эффективность ВТМО, являются степень, скорость и температура деформации, а также последеформационная выдержка, за которой следует закалка (если выдержка исключается, закалка – немедленно). При такой обработке подавляется или частично задерживается процесс рекристаллизации, так как ВТМО осуществляется в высокотемпературной области. Существенное повышение механических свойств сталей в результате ВТМО связано с изменениями тонкой структуры. При обычной закалке формируется игольчатый мартенсит, а при ВТМО – бесструктурный, измельчаются и карбиды.

Современным направлением порошковой металлургии является также ROC- процесс (Rapid Omni-versional Compaction – быстрое направленное компактирование), когда толстостенная пресс-форма, наполненная предварительно нагретой шихтой, подвергается одноосному сжатию под высоким давлением. В результате заполненный порошком внутренний объем находится под квазиизостатическим давлением. ROC- процесс, так же как и САР -процесс, не направлены на решение задач массового производства. Отметим, что при САР -процессе (Cosolidation by Atmospheric Pressure) спекание осуществляют при нормальном атмосферном давлении и температуре несколько выше солидуса.

Одним из вариантов процесса высокотемпературного компактирования является горячее изостатическое прессование (ГИП), которое предусматривает использование при спекании внешнего давления. В этом случае пористость изделия незначительна. ГИП применяют для изготовления деталей из низкоуглеродистых, жаропрочных, нержавеющих и инструментальных сталей. При этом прочностные характеристики повышаются на 5…10 %, а пластические – в несколько раз.

Весьма эффективно повышает плотность жидкофазное спекание (ЖФС). Для низколегированных сталей применение ЖФС сопряжено с необходимостью использования более высокой температуры, но пропитка спеченных сталей медными сплавами является хорошо известным способом повышения плотности и прочности. Перспективы существенного повышения свойств псевдосплавов сталь-медь связаны с определением оптимальных режимов термообработки, при которых упрочнение происходит за счет дисперсионного твердения. Именно у дисперсионно-твердеющих материалов (мартенситно-стареющих сталей и псевдосплавов сталь-медь) достигнута наибольшая конструктивная прочность.

Порошковая сталь 10Р6М5 из водораспыленного порошка, полученная ЖФС, после закалки с 1180 ⁰С и трехкратного отпуска при 550 ⁰С имеет прочность при изгибе 1700…2300 МПа, ударную вязкость 40…80 кДж/м², сталь из газораспыленного порошка аналогичного состава – соответственно 3300…3500 МПа и 250…300 кДж/м². Стойкость режущих инструментов при обработке однотипных деталей в первом случае на 10…25 %, а во втором – в 2…3 раза выше по сравнению с инструментом из литого металла.

Активированное спекание предусматривает использование либо химических добавок, либо специальной атмосферы (например,1 % HCl), позволяющих уменьшить энергию активации и повысить активность процесса спекания. Его существенный недостаток – значительные изменения геометрии и формы изделия. Активирование спекания можно обеспечить механически легированием.

Перспективным направлением создания конструкционных порошковых сталей является использование структурной неоднородности. Для практической реализации представляют интерес три структуры: мартенситно-бей-нитная, в которой увеличение конструкционной прочности может быть достигнуто за счет усложнения траектории движения трещины; аустенито-мартенситная, в которой повышение свойств сопряжено с реализацией трип-эффекта; структура сталей, повышение свойств прочности которых можно обеспечить через дисперсионное твердение и дисперсное упрочнение.

Для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного износа, применяются порошковые карбидостали. Для получения карбидосталей методом порошковой металлургии используют карбид титана со средней крупностью до 3 мм, а в качестве матриц – легированные стали различного состава. Для интенсификации спекания применяют введение карбонильных порошков, легирование фосфор- и борсодержащими соединениями, использование легковосстанавливающихся оксидов, механическое легирование поликомпонентной смеси, ГИП, самораспространяющийся высокотемпературный синтез для композиций с высоким содержанием TiC.

Тенденции развития производства порошковых сталей:

· увеличение объемов производства порошковой продукции;

· повышение механических и эксплуатационных характеристик;

· усложнение конструкции деталей.

Методами ГИП и ХИП производят детали с закрытой внутренней полостью, внутренней резьбой и шпоночными пазами. Разработаны способы получения биметаллических горячедеформированных порошков на основе железа с поверхностным слоем из меди плюс окись алюминия путем нанесения окиси на медь-порошок, смешивание и доуплонение биметаллического материала. В автомобилестроении из порошковых сталей изготавливают зубчатые колеса, корпуса двигателей, вкладыши, кривошипы, коробки, полые вставки, кольца.