ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СОСТАВ
IRON-BASED POWDER AND ITS COMPOSITION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается легированного порошка на основе железа, в том числе порошка, имеющего в своем составе графит, смазку и другие добавки. Состав разрабатывался для повышения эффективности производства прессованных и спеченных изделий, имеющих хорошие механические свойства.
Уровень техники изобретения
На предприятиях все более распространенным становится использование металлических изделий, изготовленных прессованием и спеканием металлических порошковых смесей. Число производимых продуктов различной формы и состава необходимого качества постоянно растет, в то время как цена изделий снижается. Это особенно справедливо для автомобильного рынка, который является важнейшим покупателем продукции, производимой порошковой металлургией. Такие легирующие элементы как молибден, никель и медь используются в порошковой металлургии для улучшения свойств прессованных и спеченных изделий. Однако, эти легирующие элементы дорогие, поэтому желательно, чтобы их содержание было настолько низким, насколько это возможно в рамках поддержания достаточно хороших свойств прессованных и спеченных изделий.
В целях достижения высокой прочности прессованного и спеченного изделия способность материала к закаливаемости является неотъемлемой частью. Самый высокоэффективный способ закалки изделий, производимых порошковой металлургией, - это так называемый спекаемо-закалочный метод, при котором изделие закаляется сразу после спекания в течение этапа охлаждения. При строго подобранном содержании легирующих элементов спекаемо-закалочная операция может быть проведена в обычной печи для спекания при нормальной скорости охлаждения.
При производстве изделий прессованием и спеканием еще одним важным обстоятельством является различие размеров между спекаемыми частями, которые могут быть очень маленькими, поэтому стараются избегать дорогостоящей механической обработки после спекания. Кроме того, желательно, чтобы изменение размеров изделия между начальной стадией, то есть после прессования, и стадией спекания было незначительным, и поскольку изменение размеров несколько влияет на изменение содержания углерода, по возможности стараются избегать применения деформирующих сил, так как возможное искажение изделия также приведет к дорогостоящей механической обработке. Это особенно важно для материалов, обладающих высокой твердостью и прочностью, потому что стоимость механической обработки возрастает с увеличением твердости и прочности материала.
Еще одно важное обстоятельство - возможность переработки металлолома автомобильной промышленности (при подготовке к плавке его измельчают), которое позволяет снизить отрицательное воздействие на окружающую среду. В связи с этим, возможное содержание марганца в легированном порошке на основе железа до 0,3% масс. соответствует критическому уровню содержания марганца в обычном металлоломе.
Порошки на основе железа, легированные никелем, молибденом и медью, широко применяются как легирующие добавки и известны из различных заявок на патент. Так, например, патент США 6068813 Семела раскрывает порошковую композицию, содержащую порошок, предварительно легированный железом и молибденом, с содержанием молибдена 0,10-2,0% масс., смешанный с медьсодержащим и никельсодержащим порошками, причем медьсодержащий порошок и никельсодержащий порошок связаны с порошком железа и молибдена посредством связующего вещества. В состав приведенного порошка входит 0,5-4,0% масс. меди и 0,5-8,0% масс. никеля. Порошок на основе железа, используемый для образцов, содержит 0,56% масс. молибдена, 1,75 или 4,0% масс. никеля и 1,5% масс. меди.
Другим примером в патентной литературе, относящимся к предварительно легированным порошкам, содержащим никель, молибден и марганец, которые могут быть смешаны с медным порошком, является патент США 4069044 Моцарского. Этот патент раскрывает способ получения порошка, применяемого для получения готовых изделий с помощью штамповки. Согласно результатам исследования штампованных изделий наиболее предпочтительным содержанием молибдена и никеля в порошке является 0,4-0,65%. В патенте также упоминаются различные варианты состава предварительно легированного порошка на основе железа, содержащего 0,2-1,0% никеля, 0,2-0,8% молибдена и 0,25-0,6% марганца, смешанного с графитом и медью или медьсодержащим порошком. Таким образом, получают прессовку, пригодную для спекания при температуре 2250-2350ºF и горячей поковки, содержащую 0,2-2,1% меди. Однако, испытания для порошков, содержащих свыше 0,6% масс. никеля и более 0,65% масс. молибдена, не проводились.
Для упрочнения спеканием применяют различные имеющиеся на рынке порошки, такие как Ancorsteel 737 SH, производимый «Hoeganaes Corp.», Нью-Джерси, США, и Atomet 4701, производимый «Quebec Metal Powders», Канада. Упомянутые порошки на основе железа легированы молибденом, никелем и марганцем, а Atomet 4701 в дополнение еще и хромом. Ancorsteel 737 SH - это легированный стальной порошок, имеющий следующий химический состав: 0,42% марганца, 1,25% молибдена, 1,40% никеля. Химический состав Atomet 4701: 0,45% марганца, 1,00% молибдена, 0,9% никеля и 0,45% хрома.
Задача изобретения
Задача изобретения состояла в получении нового порошка на основе железа и/или порошковой композиции, имеющих низкое содержание молибдена, никеля и меди.
Дополнительные задачи изобретения:
- представление нового порошка на основе железа и/или порошковой композиции, пригодных для получения прессованных и спеченно-закаленных изделий;
- представление нового порошка на основе железа и/или порошковой композиции, пригодных для производства спеченных изделий, имеющих незначительные изменения размеров между начальной стадией и стадией спекания;
- представление нового порошка на основе железа и/или порошковой композиции, в которых влияние изменения содержания углерода на изменение размеров изделия будет незначительным;
- представление нового порошка на основе железа и/или порошковой композиции, содержащих до 0,45% масс. марганца, допускающих использование легированного порошка на основе железа, произведенного из дешевого металлолома.
Сущность изобретения
По меньшей мере, одна из вышеперечисленных задач и/или проблем соответствует разработке порошка на основе железа, предварительно легированного молибденом (0,75-1,1% масс.), предпочтительнее содержание молибдена более 0,8% масс., никелем (0,75-1,1% масс.), марганцем (вплоть до 0,45% масс.) и неизбежными примесями.
Порошок на основе железа имеет в своем составе самое большее 0,25% масс. кислорода, предпочтительно самое большее 0,2% масс. и еще более предпочтительно самое большее 0,15% масс. Кроме того, он содержит 0,5-2,5% масс. меди, представленной: 1) диффузионно соединенной с поверхностью предварительно легированного порошка на основе железа и/или 2) соединенной посредством связующего вещества к поверхности предварительно легированного порошка на основе железа и/или 3) смешанной с порошком на основе железа. Далее, смесь содержит порошок на основе железа, графит, смазочное вещество, а также дополнительные компоненты, улучшающие обрабатываемость.
Предпочтительное содержание графита в порошковой смеси варьируется в пределах 0,4-0,9% масс., еще более предпочтительное в пределах 0,5-0,9% масс., а содержание смазки предпочтительно находится в пределах 0,05-1,0% масс.
Предпочтительным вариантом распределения меди является диффузионное соединение с поверхностью легированного порошка.
Согласно изобретению, по меньшей мере, одно из: графита, смазки и веществ, улучшающих способность поддаваться обработке, должно быть связано с поверхностью предварительно легированного порошка на основе железа.
Подробное описание изобретения
Подготовка легированного порошка на основе железа
Легированный порошок на основе железа в настоящем изобретении можно легко получить любым известным способом водного измельчения (распыления), подвергая распылению расплавленную сталь, имеющую вышеприведенный состав легирующих элементов - никель, молибден и марганец.
Количество молибдена
Молибден служит для улучшения прочности стали за счет повышения способности к закалке, а также за счет растворения и дисперсионного твердения. Обнаружено, что гарантированное формирование достаточного количества мартенсита при нормальном охлаждении получают при содержании молибдена в пределах 0,75-1,1% масс. Однако предпочтительное содержание молибдена - более 0,8% масс., наиболее предпочтительное - свыше 0,85% масс., что гарантирует образование достаточного количества мартенсита при нормальном охлаждении.
Количество никеля
Никель добавляют к порошковой стали для увеличения прочности и пластичности. Кроме того, никель повышает закаливаемость стали. Добавление менее 0,75% масс. никеля практически не влияет на механические свойства, тогда как добавка выше 1,1% масс. не приводит к дальнейшему улучшению свойств для предполагаемого использования стали.
Количество марганца
Марганец повышает прочность стали путем улучшения закаливаемости и закалки на твердый раствор. Однако если марганца становится много, то твердость феррита увеличивается посредством закалки на твердый раствор, что приводит к снижению прессуемости порошка. Количество марганца вплоть до 0,45% масс. может быть приемлемым, т.к. снижение прессуемости является незначительным, предпочтительное содержание марганца - менее 0,35% масс. Если марганца меньше 0,08% масс., то это делает невозможным использование дешевого вторичного материала (металлолома), поскольку обычно содержание марганца в нем больше 0,08% масс., если только не проводить специальную термическую обработку для снижения марганца в ходе производства стали. Таким образом, предпочитаемое количество марганца для настоящего изобретения - 0,09-0,45% масс.
Количество углерода
Причина того, что содержание углерода в легированных порошках составляет не более 0,02% масс., предпочтительно не более 0,01% масс., в том, что углерод - это элемент, который служит для твердости ферритной матрицы путем упрочнения при образовании твердого раствора внедрения. Если содержание углерода превышает 0,02% масс., порошок получается сильно твердым, что приводит к слишком низкой прессуемости.
Количество кислорода
Количество кислорода должно быть не более 0,25% масс., предпочтительное содержание ограничено 0,2% масс. и еще более предпочтительное - 0,15% масс.
Неизбежные примеси
Общее количество неизбежных примесей в легированном порошке должно составлять не более 0,5% от общей массы.
Количество меди
Медь часто используется в порошковой металлургии в виде расплава частиц до достижения температуры спекания, что приводит к повышению скорости диффузии и спеканию путем смачивания. Добавление меди также приводит к увеличению прочности изделия. Предпочтительнее, если медь связана с порошком на основе железа, что помогает избежать сегрегации, которая может привести к неравномерному распределению меди и различных свойств изделия, но также возможно и смешивание меди с порошком на основе железа. Любые известные способы диффузионного отжига частиц меди или оксида меди с порошком на основе железа могут использоваться, также как и связывания частиц меди и порошка на основе железа. Количество меди должно составлять 0,5-3,0% масс., предпочтительно 0,5-2,5% масс. и наиболее предпочтительно 0,5-2,0% масс.
Графит
Обычно графит добавляют к порошковой смеси в целях улучшения механических свойств. Также, графит является восстанавливающим агентом, снижающим количество оксидов в спеченном изделии и повышающим механические свойства. Количество углерода в спеченном изделии определяется по количеству графитового порошка, добавленного к легированной порошковой композиции на основе железа. В целях достижения удовлетворительных свойств спеченных компонентов, количество графита должно быть 0,4-0,9% масс. композиции, предпочтительно - 0,5-0,9% масс.
Смазка
Также может быть добавлена смазка к прессованному порошку легированной композиции на основе железа. Иллюстративные примеры использования смазок при температуре окружающей среды - это Kenolube, этилен-бис-стеарамид (ЭБС), стеараты металлов, такие как стеарат цинка, производные жирной кислоты, такие как амид олеиновой кислоты, глицерилстеарат и полиэтиленовая смола.
Иллюстративные примеры смазок, применяемых при повышенных температурах (высокотемпературные смазки), представляют собой полиамиды, амиды олигомеров, сложные полиэфиры. Количество добавляемой смазки обычно составляет вплоть до 1% масс. композиции.
Прочие добавки
Другие добавки, которые при желании могут быть использованы согласно изобретению, включают твердофазные материалы, улучшающие механическую обрабатываемость и увеличивающие текучесть металла.
Уплотнение и спекание
Уплотнение может быть выполнено одноосным прессованием как при температуре окружающей среды, так и при повышенной температуре под давлением вплоть до 2000 МПа, хотя обычно давление варьируется в пределах 400-800 МПа.
После уплотнения проводится спекание полученного компонента при температуре около 1000-1400ºС. Спекание в температурном диапазоне 1050-1200ºС приводит к высокоэффективному производству высококачественных компонентов.
Далее изобретение поясняется неограничивающими примерами.
Пример
Данный пример показывает, что для компонентов, получаемых из композиций порошковой металлургии, согласно изобретению, можно добиться высокой прочности на растяжение на том же уровне, что и для материалов, имеющих в своем составе более высокое содержание легирующих элементов меди, никеля и молибдена.
Легированный порошок на основе железа, содержащий 0,9% масс. молибдена, 0,9% масс. никеля и 0,25% масс. марганца, получают путем водного распыления расплавленной стали. Отжиг распыленного водой порошка проводили в лабораторной печи при температуре 960ºС в атмосфере влажного водорода. Далее, к обожженному порошку добавляли различное количество оксидов одновалентной меди с получением порошков с 1%-, 2%- или 3%-м содержанием диффузионно связанной меди, соответственно. Диффузионное соединение или отжиг осуществляли в лабораторной печи при температуре 830ºС в атмосфере сухого водорода. Отожженный порошок раздробили, измельчили и просеяли, в результате получили порошок, 95% которого составляют частицы размером менее 180 мкм.
Первый стандартный образец композиции № 10 был основан на железном порошке Ancorsteel 737 SH, производимом «Hoeganaes Corp.», Нью-Джерси, США, с добавлением 2% масс. меди и 0,75% масс. графита.
Следующие три стандартных образца композиций №11-13 основывались на предварительно легированном порошке на основе железа, имеющем в своем составе 0,6% масс. молибдена, 0,45% масс. никеля и 0,3% масс. марганца, смешанном с 2% масс. меди и графитом 0,65% масс., 0,75% масс. и 0,85% масс., соответственно.
Композиции порошка согласно изобретению и стандартные образцы получали путем добавления различного количества графита и 0,8% масс. ЭБС смазки. В таблице 1 показаны различные композиции.
Таблица 1Исследуемые композиции
№ композиции
Содержание Mo, масс.%
Содержание Ni, масс.%
Содержание Mn, масс.%
Содержание Cu, масс.%
Содержание графита, масс.%
1
0,9
0,9
0,25
1
0,65
2
0,9
0,9
0,25
1
0,75
3
0,9
0,9
0,25
1
0,85
4
0,9
0,9
0,25
2
0,65
5
0,9
0,9
0,25
2
0,75
6
0,9
0,9
0,25
2
0,85
7
0,9
0,9
0,25
3
0,65
8
0,9
0,9
0,25
3
0,75
9
0,9
0,9
0,25
3
0,85
10 (стандартная) Ancorsteel 737 SH
1,25
1,40
0,42
2,1 (смешанная)
0,75
11 (стандартная)
0,6
0,45
0,30
2
0,65
12 (стандартная)
0,6
0,45
0,30
2
0,75
13 (стандартная)
0,6
0,45
0,30
2
0,85
Согласно SS-EN 10002-1 образцы для испытаний на растяжение были изготовлены прессованием под давлением сжатия 600 МПа. Образцы спекали в лабораторной конвейерной печи при температуре 1120ºС в течение 30 минут в атмосфере 90% азота/10% водорода.
Для изучения влияния скорости охлаждения половину образцов подвергли форсированному охлаждению со скоростью 2ºС/секунду, с последующей термической обработкой при 200ºС в течение 60 минут, в то время как другая половина образцов подвергалась нормальному охлаждению со скоростью примерно 0,8ºС/секунду. В таблице 2 представлены результаты в зависимости от нормальной скорости охлаждения, а в таблице 3 - в зависимости от скорости форсированного охлаждения.
Результаты
Была измерена разница в размерах между уплотненными и спеченными изделиями, а также измерен предел прочности в соответствии со стандартом SS-EN 10002-1, и микротвердость по Виккерсу при нагрузке 10 граммов согласно стандарту EN ISO6507-1.
Таблица 2Результаты измерений изменения размеров, испытаний на растяжение и твердости образцов при нормальной скорости охлаждении
№ композиции
Содержание C, масс.%
Содержание O, масс.%
Изменение размеров, %
Предел прочности (МПа)
Твердость по Виккерсу
1.(1% масс. Cu)
0,65
0,011
-0,18
661
196
2. “
0,73
0,012
-0,17
655
199
3. “
0,83
0,011
-0,16
694
227
4.(2% масс. Cu)
0,59
0,009
0,01
836
264
5. “
0,71
0,010
0,00
778
319
6. “
0,78
0,011
-0,02
631
395
7.(3% масс. Cu)
0,65
0,012
0,27
860
351
8. “
0,71
0,011
0,21
696
356
9. “
0,83
0,012
0,11
625
367
10 (стандартная)
0,71
0,014
0,12
723
411
11 (стандартная)
0,64
0,009
0,31
732
291
12 (стандартная)
0,72
0,010
0,32
739
332
13 (стандартная)
0,80
0,011
0,32
711
339
Таблица 3Результаты измерений изменения размеров, испытаний на растяжение и твердости образцов при форсированном охлаждении (спеченно-закаленных)
№ композиции
Содержание C, масс.%
Содержание O, масс.%
Изменение размеров, %
Предел прочности (МПа)
Твердость по Виккерсу
1.(1% масс. Cu)
0,64
0,031
-0,06
1061
389
2. “
0,75
0,034
-0,05
1040
406
3. “
0,82
0,029
-0,08
998
400
4.(2% масс. Cu)
0,65
0,033
0,11
1109
372
5. “
0,76
0,034
0,07
1036
386
6. “
0,83
0,029
0,03
953
388
7.(3% масс. Cu)
0,63
0,030
0,33
1019
355
8. “
0,75
0,030
0,21
993
372
9. “
0,83
0,029
0,08
954
375
10 (стандартная)
0,74
0,032
0,14
980
394
11 (стандартная)
0,64
0,025
0,32
789
329
12 (стандартная)
0,73
0,024
0,32
801
359
13 (стандартная)
0,82
0,027
0,33
794
370
Как показывают таблицы 2 и 3 для образцов, полученных из композиций №1-9, значения предела прочности и твердости как для спеченно-закаленных образцов, так и для образцов, охлажденных с нормальной скоростью, имеют такие же величины, как и для образцов, полученных на основе стандартной композиции №10, содержащей большее количество дорогих легирующих элементов, таких как никель и молибден.
Что касается содержания меди, то его желательно также сохранять на возможно низком уровне в связи с высокой стоимостью; видно, что изменение размеров как в величине, так и за счет различного содержания углерода является наиболее высоким для образцов композиций №7-9, содержащих 3% масс. меди, затем для образцов композиций №1-3, содержащих 1% масс. меди, а также для образцов композиций №4-6, содержащих 2% масс. меди. Таким образом, согласно настоящему изобретению, предпочтительное содержание меди до 3% масс., более предпочтительное - до 2,5% масс. и еще более предпочтительное - до 2,0% масс.
Степень изменения размеров образцов композиций №1-3, подвергнутых охлаждению с нормальной скоростью, выше, чем у стандартного образца композиции №10, однако, изменение за счет содержания углерода очень мало, поэтому эти результаты также являются сравнительно хорошими. Однако во время форсированного охлаждения степень изменения размеров низкая, также как и отклонения.
Что касается образцов композиций №4-6, степень изменения размеров в течение нормального охлаждения практически равна нулю, и отклонение за счет содержания углерода также очень низкое. Во время форсированного охлаждения степень изменения размеров несколько выше, но все еще ниже, чем у стандартного образца композиции №10. Отклонение также несколько выше, но так как количество является сравнительно низким, то это не является важным фактором.
Что касается стандартных образцов композиций 11, 12 и 13, следует отметить, что они обладают более низким пределом прочности, особенно это касается образцов, подвергавшихся форсированному охлаждению. Кроме того, изменения размеров сравнительно велики в отношении композиций изобретения.
Изменение размеров
Изменение размеров между уплотненными и спеченными образцами должно составлять менее ±0,35%, предпочтительнее - менее ±0,3% и еще более предпочтительно - менее 0,2%.
Предел прочности
Предпочтительный предел прочности должен быть выше 900 МПа, более предпочтительный - выше 920 МПа при подвергании образца быстрому охлаждению и закалке.