МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ПОРОШКОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
METALLURGICAL POWDERED COMPOSITION AND METHOD FOR ITS OBTAINING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к порошку на основе железа. В частности, изобретение относится к порошку, подходящему для производства износостойких продуктов.
Уровень техники
Продукты, имеющие высокую износостойкость, находят очень широкое применение, и существует постоянная потребность в более дешевых продуктах, имеющих такие же или лучшие характеристики в сравнении с существующими продуктами.
Производство продуктов, имеющих высокую износостойкость, может основываться, например, на порошках, таких как железные порошки или порошки на основе железа, содержащие углерод в виде карбидов.
Обычно карбиды являются очень твердыми и имеют высокие температуры плавления, именно эти качества придают им высокую износостойкость во многих приложениях. Эта износостойкость часто делает карбиды желательными в качестве компонентов сталей, например быстрорежущих сталей (HSS), которые требуют высокой износостойкости, такие, как стали для сверл, токарных станков, седел клапанов и подобного.
Примеры обычных порошков на основе железа с высокой износостойкостью описаны, например, в патенте US 6679932, относящемся к порошковой смеси, включающей порошок инструментальной стали с тонко диспергированными карбидами, и патенте US 5856625, относящемся к порошку нержавеющей стали.
W, V, Мо, Ti и Nb являются сильными карбидообразующими элементами, что делает их особенно важными для производства износостойких продуктов. Другим карбидообразующим элементом является Сr. Однако большинство из этих традиционных карбидообразующих металлов являются дорогими, и это приводит к чрезмерно высокой цене продукта. Таким образом, в порошковой металлургии существует потребность в менее дорогих порошках на основе железа или в быстрорежущих сталях, дающих достаточную износостойкость прессованным и спеченным продуктам, таким как седла клапанов или подобное.
Поскольку хром является намного более дешевым и более легкодоступным карбидообразующим металлом, чем другие такие металлы, использующиеся в традиционных порошках и твердых фазах с высокой износостойкостью, было бы желательным иметь возможность использовать хром в качестве основного карбидообразующего металла. Благодаря этому порошок и, значит, прессованный продукт были бы дешевле в производстве.
Карбиды в стандартных быстрорежущих сталях обычно довольно маленькие, но в соответствии с настоящим изобретением неожиданно было показано, что порошки, имеющие одинаково предпочтительную износостойкость, например, в области седел клапанов, могут быть получены с хромом как основным карбидообразующим металлом, при условии, что карбиды достаточно крупные.
Суть изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является предоставить недорогой порошок на основе железа для производства изделий порошковой металлургии, имеющих высокую износостойкость.
Эта цель, а также другие цели, выявляющиеся из нижеследующего обсуждения, достигаются согласно настоящему изобретению посредством отожженного, предварительно легированного, распыленного водой порошка на основе железа, содержащего 15-30 вес.% Сr, 0,5-5 вес.% каждого из по меньшей мере одного из Мо, W и V и 0,5-2%, предпочтительно 0,7-2% и наиболее предпочтительно 1-2 вес.% С, причем порошок на основе железа имеет матрицу, содержащую менее 10 вес.% Сr, и причем порошок на основе железа содержит крупные карбиды хрома.
Хотя было обнаружено, что содержание Сr в диапазоне 15-30 вес.% приводит к достаточному количеству карбидов подходящего типа, размера и твердости, было найдено, что содержание Сr в 18 вес.% или выше усиливает этот эффект и приводит к особенно высокому количеству карбидов подходящего типа, размера и твердости. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления отожженный, предварительно легированный, распыленный водой порошок на основе железа содержит 18-30 вес.% Сr.
В некоторых вариантах реализации отожженный, предварительно легированный, распыленный водой порошок на основе железа содержит 15-30 вес.% Сr, 0,5-5 вес.% Мо и 1-2 вес.% С.
Согласно настоящему изобретению этот новый порошок, который достигает вышеуказанных целей, может быть получен способом получения порошка на основе железа, включающим распыление водой расплава на основе железа, содержащего 15-30 вес.% Сr, 0,5-5 вес.% по меньшей мере одного из Мо, W и V и 0,5-2%, предпочтительно 0,7-2% и наиболее предпочтительно 1-2 вес.% С, чтобы получить частицы порошка на основе железа, и отжиг частиц порошка при температуре и в течение времени, достаточных для получения крупных карбидов внутри частиц.
В предпочтительных вариантах реализации было найдено, что температуры в диапазоне 900-1100°С и времена отжига в диапазоне 15-72 часов достаточны для получения желаемых карбидов в частицах.
В некоторых вариантах реализации расплав на основе железа содержит 18-30 вес.% Сr.
В некоторых вариантах реализации расплав на основе железа содержит 15-30 вес.% Сr, 0,5-5 вес.% Мо и 1-2 вес.% С.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает микроструктуру испытуемого материала на основе A3.
Фиг.2 показывает микроструктуру испытуемого материала на основе М3/2.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Предварительно легированный порошок по изобретению содержит хром (15-30%, предпочтительно 18-25% по весу), по меньшей мере одно из молибдена, вольфрама и ванадия (0,5-5 вес.% каждого) и 0,5-2%, предпочтительно 0,7-2% и наиболее предпочтительно 1-2 вес.% углерода, причем остальным является железо, факультативно другие легирующие элементы и неизбежные примеси.
Предварительно легированный порошок может по выбору включать другие легирующие элементы, такие как вольфрам до 3 вес.%, ванадий до 3 вес.% и кремний до 2 вес.%. Факультативно могут также содержаться другие легирующие элементы или добавки. В одном варианте осуществления легированный порошок включает до 2 вес.% кремния.
Следует особо отметить, что очень дорогие карбидообразующие металлы: ниобий и титан, не являются необходимыми в порошке по настоящему изобретению.
Предварительно легированный порошок предпочтительно имеет средний размер частиц в диапазоне 40-100 мкм, предпочтительно примерно 80 мкм.
В предпочтительных вариантах реализации предварительно легированный порошок состоит из 20-25 вес.% Сr, 1-2 вес.% Мо, 1-2 вес.% W, 0,5-1,5 вес.% V, 0,2-1 вес.% Si, 1-2 вес.% С, остальное Fe, или из 20-25 вес.% Cr, 2-4 вес.% Мо, 1-2 вес.% С, остальное Fe.
В других предпочтительных вариантах реализации предварительно легированный порошок состоит из 19-23 вес.% Cr, 1-2 вес.% Мо, 1,5-3,5 вес.% W, 0,5-1,5 вес.% V, 0,2-1 вес.% Si, 1-2 вес.% С, остальное Fe, или из 20-25 вес.% Cr, 2-4 вес.% Мо, 1-2 вес.% С, остальное Fe.
Карбиды порошка по изобретению предпочтительно имеют средний размер в диапазоне 8-45 мкм, более предпочтительно в диапазоне 8-30 мкм и предпочтительно составляют до 20-40% от полного объема порошка.
Так как карбиды имеют неправильную форму, под "размером" понимается самое большое измерение, измеренное под микроскопом.
23
6
Хотя подходят и другие типы крупных карбидов, в некоторых вариантах осуществления крупные карбиды порошка по изобретению являются карбидами типа МC (М=Cr, Fe, Mo, W), т.е. помимо Сr как доминирующего карбидообразующего элемента, могут присутствовать один или более из Fe, Mo и W. Крупные карбиды могут также содержать небольшие количества других, отличные от указанных выше карбидообразующих элементов.
Чтобы получить эти крупные карбиды, легированный порошок подвергают продолжительному отжигу, предпочтительно в вакууме. Отжиг предпочтительно проводится в диапазоне 900-1100°С, наиболее предпочтительно при примерно 1000°С - температуре, при которой хром из легированного порошка реагирует с углеродом с образованием карбидов хрома.
Во время отжига образуются и увеличиваются в размере новые карбиды, а существующие карбиды продолжают расти в результате реакции между хромом и углеродом. Отжиг предпочтительно продолжается 15-72 часов, более предпочтительно свыше 48 часов, чтобы получить карбиды желаемого размера. Чем больше длительность отжига, тем больше вырастают зерна карбида. Однако при отжиге расходуется много энергии, и если он продолжается длительное время, могут возникнуть проблемы в производственной схеме. Таким образом, хотя оптимальным может являться средний размер зерен карбида примерно 20-30 мкм, с экономической точки зрения быть удобнее, в зависимости от приоритетов, закончить отжиг раньше, когда средний размер зерен карбида составит примерно 10 мкм.
Применяется очень медленное охлаждение, предпочтительно свыше 12 часов, от температуры отжига. Медленное охлаждение позволяет дальнейший рост карбидов, так как при пониженных температурах большее количество карбидов является термодинамически стабильным. Медленное охлаждение будет также обеспечивать то, что матрица станет ферритной, что важно для сжимаемости порошка.
Отжиг порошка имеет также другие преимущества, помимо роста карбидов.
Во время отжига растут также зерна матрицы, и внутренние напряжения частиц порошка, образующихся в результате распыления водой, ослабляются. Эти факторы делают порошок менее твердым и более легко уплотняющимся, то есть они обеспечивают порошок с более высокой сжимаемостью.
Во время отжига можно регулировать содержание углерода и кислорода в порошке. Обычно желательно сохранять содержание кислорода низким. При отжиге углерод реагирует с кислородом с образованием газообразного оксида углерода, что снижает содержание кислорода в порошке. Если в самом легированном порошке не будет хватать углерода как для образования карбидов, так и для снижения содержания кислорода, для отжига можно предусмотреть дополнительный углерод в виде графитного порошка.
Так как при отжиге много хрома из легированного порошка мигрирует из матрицы в карбиды, матрица полученного отожженного порошка имеет содержание растворенного хрома менее 10% от веса матрицы, предпочтительно менее 9 вес.% и наиболее предпочтительно менее 8 вес.%, поэтому порошок не является устойчивым к коррозии.
Состав матрицы порошка разработан так, чтобы при спекании феррит превращался в аустенит. Таким образом, после охлаждения, идущего за спеканием, аустенит может превратиться в мартенсит. Крупные карбиды в мартенситной матрице будут давать хорошую износостойкость прессованной и спеченной детали.
Хотя основная часть карбидов в порошке по изобретению представляет собой карбиды хрома, некоторые карбиды могут также образовываться другими карбидообразующими соединениями в легированном порошке, такими как вышеупомянутые молибден, вольфрам и ванадий.
2
2
Отожженный порошок по изобретению можно до прессования и спекания смешивать с другими порошковыми компонентами, такими как другие порошки на основе железа, графит, испаряющиеся смазки, твердые смазки, добавки, улучшающие обрабатываемость, и подобное, чтобы получить продукт с высокой износостойкостью. Можно, например, смешать порошок по изобретению с порошком чистого железа и графитовым порошком или с порошком нержавеющей стали. Можно добавлять смазку, такую как воск, стеарат, металлическое мыло или подобное, которые облегчают прессование и затем испаряются при спекании, а также твердую смазку, такую как MnS, CaF, MoS, которые снижают трение при применении спеченного продукта и которые также повышают его обрабатываемость. Можно также добавлять другие улучшающие обрабатываемость добавки, а также другие добавки, традиционные в области порошковой металлургии.
Пример 1
Расплав 21,5 вес.% Сr, 1,5 вес.% Мо, 1,5 вес.% W, 1 вес.% V, 0,5 вес.% Si, 1,5 вес.% С и остальное Fe распыляли водой, получая легированный порошок. Затем полученный порошок отжигали в вакууме при 1000°С в течение примерно 48 часов, причем полное время отжига составляло примерно 60 часов, после чего частицы порошка содержали примерно 30 об.% карбидов хрома со средним размером зерна примерно 10 мкм в ферритной матрице.
Пример 2
Расплав 21,5 вес.% Сr, 3 вес.% Мо, 1,5 вес.% С и остальное Fe распыляли водой, получая легированный порошок. Затем полученный порошок отжигали в вакууме при 1000°С в течение примерно 48 часов, причем полное время отжига составляло примерно 60 часов, после чего частицы порошка содержали примерно 30 об.% карбидов хрома со средним размером зерна примерно 10 мкм в ферритной матрице.
Пример 3
Расплав 21,0 вес.% Сr, 1,5 вес.% Мо, 2,5 вес.% W, 1 вес.% V, 0,5 вес.% Si, 1,6 вес.% С и остальное Fe распыляли водой, получая легированный порошок. Затем полученный порошок отжигали в вакууме при 1000°С в течение примерно 48 часов, причем полное время отжига составляло примерно 60 часов, после чего частицы порошка содержали примерно 30 об.% карбидов хрома со средним размером зерна примерно 10 мкм в ферритной матрице.
2
2
Полученный порошок (обозначаемый далее как A3) смешивали с 0,5 вес.% графита и 0,75 вес.% испаряющейся смазки. Смесь уплотняли в прутковый образец для испытаний при давлении 700 МПа. Полученные образцы спекали в атмосфере 90N/10H при температуре 1120°С. После спекания образцы подвергали криогенному охлаждению в жидком азоте с последующим отпуском при 550°С.
Используя тот же способ, какой описан выше, готовили сходную смесь на основе известного HSS порошка М3/2, и получали прутковые образцы для испытаний. Прутковые образцы подвергали испытаниям на твердость согласно методу Виккерса. Высокотемпературную твердость определяли при трех разных температурах (300/400/500°С). Результаты сведены ниже в таблице.
Порошок в смеси
Пористость(%)
HV<sub>0,025</sub>
HV<sub>5</sub>
Высокотемпературная твердость (НМ5)
300°С
400°С
500°С
A3
23
825
356
286
256
268
М3/2
17
836
415
363
326
267
Микроструктура испытуемого материала A3 (смотри фиг.1) состоит из множества крупных карбидов в мартенситной матрице, тогда как эталонный материал имеет микроструктуру (смотри фиг.2) со значительно более мелкими карбидами в мартенситной матрице.
5
0,025
Материал A3 имеет несколько более высокую пористость, чем материал М3/2, что объясняет, почему значения твердости (НV) для A3 ниже, чем для М3/2, хотя значения микротвердости (HV) для обоих материалов почти одинаковы. При производстве компонентов порошковых компонентов РМ VSI пористость обычно устраняют пропиткой медью при спекании, и поэтому этими эффектами можно пренебречь. В свете этого значения твердости материала A3 сравнимы с величинами для эталонного материала М3/2, что дает хорошие указания, что эти материалы будут иметь сравнимую износостойкость. В частности, сохранение твердости при повышенных температурах важно для износостойкости в VSI-приложениях. Результаты испытаний на высокотемпературную твердость показывают, что материал A3 отвечает этим требованиям.
Пример 4
Расплав 21,5 вес.% Сr, 3 вес.% Мо, 1,5 вес.% С и остальное Fe распыляли водой, получая легированный порошок. Затем полученный порошок отжигали в вакууме при 1000°С в течение примерно 48 часов, причем полное время отжига составляло примерно 60 часов, после чего частицы порошка содержали примерно 30 об.% карбидов хрома со средним размером зерна примерно 10 мкм в ферритной матрице.
Обработка этого порошка, смешанного с 0,5 вес.% графита и 0,75 вес.% испаряющейся смазки, для получения пруткового образца для испытаний тем же путем, как в примере 3, привела к микроструктуре, очень похожей на микроструктуру с фиг.1.