ПРОГРЕССИВНЫЕ СПОСОБЫ ИХ ПРОИЗВОДСТВА ИЗ ПОРОШКОВ

Качество машиностроительных деталей, определяемое эксплуатационными характеристиками, в значительной степени зависит от структуры исходной заготовки и термомеханических режимов штамповки. При правильно выбранном термомеханическом режиме штамповки и последующей термической обработке можно добиться весьма существенного улучшения качества в результате направленного формирования внутреннего строения поковки. Однако полностью исключить химическую неоднородность внутреннего строения поковки и достичь однородного кристаллического строения удается не всегда.

С целью повышения качества деталей проводится их изготовление из порошков, поскольку химическую однородность отдельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить значительно проще. Кроме этого, преимущество применения порошковой металлургии для изготовления металлических деталей заключается в том, что оказывается возможным получать новые технические материалы, которые нельзя или невыгодно получать другими способами. Таковы, например, тугоплавкие и твердые металлы и сплавы, композиции из металлов, не смешивающихся в жидком состоянии и не образующих твердых растворов (железо - свинец и др.) или неметаллических соединений. Другим достоинством порошковой металлургии является близость штампованной заготовки к размерам детали и сокращение операций обработки заготовки резанием. К числу преимуществ порошковой металлургии так же относится возможность использования отходов (окалина, стружка) для получения порошков.

В порошковых деталях, изготовленных холодным формованием и спеканием, величина остаточной пористости составляет 13 ... 15 %. В горячештампованных порошковых заготовках остаточная пористость практически отсутствует; но, поскольку частицы порошка покрыты оксидной пленкой, затрудняющей диффузионные процессы, практически невозможно достичь высоких значений прочности и ударной вязкости. Кроме того, при горячей штамповке увеличиваются по сравнению с холодным формованием и спеканием припуски на наружных поверхностях поковки, удаляемые последующей обработкой резанием.

Если остаточная пористость материала играет положительную роль (как, например, в подшипниковых материалах), то порошковая металлургия имеет несомненное преимущество в их производстве. Однако, пористость является недостатком, когда новый материал должен иметь комплекс механических характеристик, сочетающих высокие прочность и ударную вязкость.

Указанные недостатки в сочетании с большой стоимостью железных порошков сдерживали использование технологии порошковой металлургии в машиностроении. Расширить производство деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности и одновременно высокой ударной вязкости, можно в результате разработки новых методов уплотнения порошков без нагрева, позволяющих обеспечить высокую плотность деталей. Например, требуемый комплекс механических характеристик можно получить, если изготовить холодной штамповкой детали с остаточной пористостью менее 5 % и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере.

При изготовлении порошковых деталей из железа, легированного другими материалами, применяют два способа: один - перемешивание различных порошковых компонентов (железной основы и легирующих элементов), уплотнение - смеси и превращение смеси в сталь в результате металлургических процессов, протекающих при ее спекании; другой - использование порошков, полученных размельчением заготовок из легированной стали, их уплотнение и спекание. В первом случае сплав называют негомогенно-легированным, во втором случае - гомогенно-легированным.

Обозначение железного порошка (ГОСТ 9849-86) включает указание на способ его изготовления, например, "В" -восстановленный; марку по химическому составу, например, 2; предельную крупность частиц в микрометрах, например, 160; и среднюю насыпную плотность, например, 2,4 г/см³; обозначение такого порошка - ПЖВ2.160.24. Марка ПЖР - это распыленный воздухом железный порошок, ПЖРВ - распыленный водой. Последующие цифры в марке - аналогично восстановленным порошкам.

Порошковые конструкционные детали из легированных материалов на железной основе - порошковые стали - являются основным видом продукции порошковой металлургии. Свойства порошковых сталей, как и сталей, получаемых традиционным металлургическим переделом, определяются составом, технологией получения и структурой. Причем для порошковых сталей структурными факторами являются не только фазовый состав, размер зерна и параметры субструктуры, но и пористость, а также строение межчастичных контактов. Порошковые стали могут быть углеродистые (в зависимости от содержания углерода - низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые) или легированные (низколегированные, легированные или сложнолегированные).

Наиболее распространенным для железных порошков является легирование углеродом, под действием которого изделие приобретает способность закаливаться. Изделия из легированных порошков имеют следующие механические характеристики. При добавлении не более 0,2 % углерода от массы порошка, временное сопротивление σ_B = 120 МПа, относительное удлинение при испытании образца на разрыв δ = 8 %, ударная вязкость КС = 350 кДж/м². При добавлении 0,8 ... 1,1 % углерода σ_в = 200 МПа, δ = 4 %, КС = 220 кДж/м².

У спеченного брикета путем закалки можно повысить σ_в до 350 МПа, но при этом δ снижается до 2 %. Указанные характеристики относятся к образцам, имеющим остаточную пористость 10 ... 15 %.

При уплотнении до пористости 2 ... 4 % спеченный порошок имеет σ_в = 450 МПа, δ = 10%, КС = 450 кДж/м².

Введение меди в порошковое железо повышает прочность, но снижает пластичность и ударную вязкость. Наиболее интенсивное возрастание прочности наблюдается при совместном введении меди (до 5 ... 6 %) и углерода (до 0,3 ... 0,6 %). Кроме того, медь повышает обрабатываемость порошкового материала резанием и сопротивление коррозии.

Легирование порошкового железа одним никелем применяется редко. При этом для существенного повышения механических характеристик необходимо спекание при высокой температуре. При введении в порошковую смесь никеля с графитом повышаются пластичность и ударная вязкость железографитовой композиции.

При легировании медью и никелем медь обеспечивает повышение прочности изделия, а никель - пластичности и ударной вязкости. Установлено, что если прочность на разрыв железомедных образцов с пористостью 10 % при содержании меди 2 % составляет 260 ... 300 МПа, то при одновременном легировании железа 2 % меди и 4 % никеля прочность на разрыв достигает 400 ... 420 МПа, удлинение составляет 7 ... 8 %, твердость НВ 120... 127.

Молибден при введении его в порошковую шихту является сильным карбидо-образующим элементом. Он повышает прочность стали, но снижает ее пластичность. В сочетании с другими элементами молибден обеспечивает существенное улучшение механических характеристик стали. Наиболее эффективное влияние молибдена на механические характеристики проявляется при его совместном введении с никелем и другими элементами, особенно если изделия подвергаются термообработке.

Высокий уровень прочностных свойств порошковых сталей наблюдается при легировании никелем и молибденом. Так, стали, содержащие 1 ... 3 % никеля, 0,25 ...

1 % молибдена, 0,4 ... 0,8 % углерода, имеющие незначительную остаточную пористость до термообработки, обладают следующим комплексом механических характеристик: σ_в = 600 МПа, δ = 10 %, КС = 150 кДж/м², а после закалки приобретают σ_в = 1200 МПа, δ = 5 %, КС = 120кДж/м².

Введение хрома в порошковую смесь положительно влияет на структуру изделия. Совместное легирование хромом и никелем, хромом и молибденом позволяет изготавливать изделия с однородной структурой, ударная вязкость которых КС превышает 600 кДж/м².

Ограниченное применение марганца в качестве легирующего элемента в порошковой металлургии связано с большой трудностью восстановления его из оксидов. Спекание содержащих марганец порошковых композиций требуется проводить при температурах 1200 ... 1300 °С. Совместное легирование марганцем и хромом существенно изменяет механические характеристики детали. Сталь, содержащая 0,6 % углерода, 2 % марганца и 2 % хрома, имеет σ_в = 780 МПа, δ = 12 %, КС = 700 кДж/м².

Для обозначения марок порошковых сталей разработана система, в которой использованы принципы действующей маркировки сталей, производимых традиционными методами. В то же время введены обозначения, характерные только для порошковых сталей (метод производства изделий и их плотность).

Марку порошковой стали характеризуют буквенные индексы и цифры. Первая буква "С" указывает на класс материала (сталь), вторая буква "П" - на метод производства (порошковая). После буквы "П" записывается среднее содержание углерода в сотых долях процента. Как и в случае сталей, производимых традиционными методами, легирующим элементам присвоены символы. Наиболее часто в качестве легирующих элементов в порошковых сталях используются следующие: Г -марганец, Д - медь, М - молибден, Н - никель, П - фосфор, X - хром, Гр - графит. Символы легирующих элементов следуют за цифрой, указывающей среднее содержание углерода. Цифры, идущие за символом элементов, указывают примерное содержание данного легирующего элемента. При содержании его менее 1 % цифра отсутствует. Цифра после дефиса характеризует группу плотности. Порошковым сталям присвоены следующие группы плотности: 1 - пористость 25 ... 16 % (плотность 5,9 ... 6,6 г/см²), 2 - пористость 15 ... 10 % (плотность 6,7 ... 7,1 г/см²), 3 - пористость 9 ... 2 % (плотность 7,15 ... 7,70 г/см²), 4 - пористость менее 2 % (плотность более 7,70 г/см²). Буква "А" после цифры указывает на повышенное качество материала.

При производстве порошковых изделий используются все известные методы термической обработки. В то же время термическая обработка порошковых изделий имеет особенности, обусловленные наличием пористости и в некоторых случаях неравновесностью структурного состояния. Твердость закаленных с оптимальных температур деталей из порошковых сталей всегда ниже, чем деталей из проката аналогичного состава. Так, твердость закаленных деталей эвтектоидной стали марки СП80-2 пористостью 13 % составляет 48 ... 52 HRC, в то время как у деталей из проката 61 ... 63 HRC. Особенно заметно влияние пористости проявляется при закалке в масло. Поэтому масло как закалочная среда рекомендуется только при производстве деталей из легированных сталей с низкой критической скоростью закалки.

Нагрев под закалку пористых деталей рекомендуется проводить в защитной от окисления среде. Температура нагрева под закалку для порошковых углеродистых сталей превышает критическую точку А₃ на 50 ... 80 °С. В качестве закалочной среды применяют воду или водные растворы солей. Температура нагрева под закалку для низколегированных сталей превышает критическую точку А₃ на 60 ... 80 °С. В качестве закалочной среды обычно применяют воду, водные растворы солей и щелочей.

Порошковые стали более чувствительны к термическим напряжениям, чем литые. В результате этого закалка в воде может привести к образованию трещин, поэтому приходится применять меры предосторожности. При закалке в воде появления закалочных трещин можно избежать путем изоляции потенциальных концентраторов напряжений, например, мест резкого изменения сечения, от непосредственного контакта с закалочной средой с помощью асбеста, глины, слюды или других керамических материалов.

Зависимость механических свойств закаленных порошковых сталей от температуры отпуска подчиняется тем же закономерностям, что и для деталей, изготовленных из проката. Однако отметим, что для порошковых сталей, легированных медью, требуется повышение температур отпуска.

В последнее время применяется термическая обработка порошковых сталей с использованием индукционного нагрева. Это объясняется как высокой производительностью этого процесса, так и возможностью проведения термической обработки без применения защитных сред.

В целях получения более однородных по составу и структуре изделий из механических смесей порошковых компонентов рекомендуется перед формованием подвергать смесь отжигу при 800 ... 850 °С. Такая термообработка обеспечивает изготовление изделий с повышенными механическими характеристиками.

Следует отметить, что при пористости порядка 15 % легирование углеродом, никелем, медью, хромом и фосфором не позволяет получать порошковые стали высоких прочности и пластичности. Ввиду этого при получении порошковых сталей с заданным уровнем механических свойств в первую очередь необходимо обеспечивать высокие значения плотности.

В автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении, электронной и других отраслях промышленности широко применяются полые осесимметричные детали: стаканы, втулки, кольца. Перспективным путем улучшения качества деталей указанного типа, повышения производительности труда и сокращения потерь металла является производство их из порошков на железной основе.

Из большого разнообразия процессов изготовления порошковых деталей наибольшей интенсификации производства позволяют достичь холодное выдавливание деталей из спеченных порошковых заготовок и холодное формование порошка в закрытой матрице с последующим спеканием.