ПОРОШКОВЫЙ ИЗНОСОСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WEAR-RESISTANT POWDER MATERIAL, AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к изготовлению порошкового износостойкого материала, и может быть использовано в машиностроении для защиты деталей машин от изнашивания.
Известен наплавочный износостойкий материал [патент РФ №2164200]. Материал в качестве износостойкой фазы содержит частицы твердого сплава ВК8, полученные дроблением отходов твердосплавных элементов режущих инструментов, а в качестве матричной связки - никелевый порошок. Недостатком материала является высокая температура плавления никеля, что затрудняет его применение при инфильтрации частиц твердого сплава. Кроме того, повышенная дефицитность и стоимость никеля ограничивают возможность применения предлагаемого материала.
Материал для износостойкого покрытия [патент РФ №2349621] содержит связующее и наполнитель, при этом в качестве связующего он содержит медный сплав - латунь (в % маc: Sn 1-4; Zn 30-39; Cu - остальное). Наполнителем являются промышленные отходы высокотвердых материалов, в том числе отходы твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом. Слишком крупные (2-4 мм) частицы твердого сплава не обеспечивают равномерное распределение наполнителя в структуре сплава, а следовательно, снизят износостойкость материала.
Общим недостатком приведенных аналогов является возможность окисления и загрязнения материала посторонними примесями, что приводит к снижению его механических свойств и износостойкости.
Известен способ получения износостойкой конструкционной порошковой стали [Патент РФ № 2171159]. Способ включает приготовление порошковой смеси компонентов, прессование смеси в закрытой пресс-форме до получения пористого брикета, нагрев его в защитной атмосфере и горячую обработку давлением, при этом в порошковую смесь дополнительно вводят высокотемпературный полимер фтор-лигнин, прессование брикета из порошковой смеси в закрытой пресс-форме проводят до достижения остаточной пористости, а последующий нагрев брикета проводят с определенной скоростью и выдержкой. Недостатком способа является высокая остаточная пористость материала.
Известен способ изготовления низкопористых порошковых материалов [патент РФ №2167741]. Способ включает формование двухслойной пористой порошковой заготовки путем засыпки в пресс-форму порошка подложки и его подпрессовки давлением с последующей засыпкой легкоплавкого материала определенной массы, спекание заготовки, совмещенное с пропиткой, при этом в качестве легкоплавкого материала поверхностного слоя двухслойной заготовки используют стружковые отходы цветных сплавов на основе меди, при определенном давлении. Недостатком способа является возможность окисления материала при спекании и пропитке или необходимость применения дорогих средств защиты от окисления.
В качестве прототипа выбран «Материал матриц алмазного и абразивного инструментов и способ его изготовления» [патент РФ №2136479]. Материал матриц алмазного и абразивного инструментов содержит релит при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид вольфрама 31-59, кобальт 1,5-8, релит 20, медь 37-41, никель 4. Недостатком материала является его высокая стоимость, поскольку в качестве исходной шихты применяются дорогие первичные порошки карбида вольфрама, релита и кобальта.
Способ изготовления материала включает смешивание компонентов, прессование смеси на гидравлических прессах в пресс-формах с удельным давлением от 30 до 80 МПа, нагрев прессовок совместно с пропиточным сплавом токами высокой частоты до температуры 500-600°С со скоростью 20-30°С/мин с последующим нагревом до температуры (1083-1140)+20°С со скоростью 90-100°С мин и выдержкой для инфильтрации пропиточного сплава в жидкотекучем состоянии и прессовку материала в течение 120-240 с. Недостатками способа являются окисление материала и снижение его механических свойств и износостойкости вследствие нагрева до 1140°С и выдержки для инфильтрации. Проведение этой операции в защитной атмосфере для предотвращения окисления потребует применения сложного и дорогостоящего оборудования.
Задачей изобретения является повышение износостойкости материала, снижение его себестоимости.
Предложен порошковый износостойкий материал, содержащий в качестве износостойкой компоненты порошки из отходов твердых сплавов, а в качестве пластичной матрицы - медь, хром и титан в следующем соотношении, мас.%: медь 25-30; хром 0,8-1,0; титан 0,1-0,2; отходы твердых сплавов - остальное.
Предложен способ изготовления порошкового износостойкого материала, который заключается в том, что смесь порошков засыпают в предварительно изготовленный и обезжиренный контейнер, осуществляют герметизацию контейнера, нагревают его до температуры 1150-1200°С, выдерживают 15-30 мин, после чего охлаждают до температуры 950-1000°С и прессуют при давлении 150-200 МПа.
Контейнер может быть выполнен из низкоуглеродистой стали.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что:
- материал содержит в качестве износостойкой компоненты отходы твердых сплавов, что значительно снижает его себестоимость, а матрица из меди обеспечивает необходимую вязкость и пластичность. Материал содержит хром, который растворяется в меди и придает ей повышенную прочность, и титан, который при нагреве поглощает газы, что обеспечивает повышение механических свойств материала;
- в способе нагрев и выдержка порошковой смеси при высокой температуре в герметичном контейнере предотвращает окисление и загрязнение смеси, а горячее прессование смеси в герметичном контейнере обеспечивает устранение остаточных пор и повышает механические свойства материала и износостойкость.
Совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи.
Медь в количестве 25-30% заполняет поры между частицами твердого сплава и регулирует соотношение твердости и прочности материала. При содержании меди менее 25% остаются незаполненными отдельные поры и прочность материала снижается. При содержании меди более 30% снижается твердость материала. При содержании хрома менее 0,8% упрочняющий эффект реализуется не полностью. Содержание хрома более 1,0% не создает дополнительного упрочнения. При содержании титана менее 0,1% его сорбционная емкость недостаточна для поглощения всех газов. Содержание титана более 0,2% не влияет на пористость, но повышает себестоимость сплава. При температуре нагрева контейнера менее 1150°С жидкая медь не обладает достаточной жидкотекучестью для заполнения мелких поровых каналов. Нагрев до температуры свыше 1200°С не требуется по техническим соображениям и приведет к излишнему расходу энергии. Выдержка контейнера с порошковой смесью в течение 15-30 мин требуется для полной инфильтрации износостойкой компоненты медным сплавом. При выдержке менее 15 мин возможно наличие в материале незаполненных медным сплавом пор. При выдержке более 30 мин имеет место излишний расход энергии. Охлаждение контейнера с инфильтрованным порошковым материалом до 950-1000°С необходимо для затвердевания медного сплава, поскольку последующее прессование контейнера при наличии в нем жидкой фазы недопустимо по соображениям техники безопасности. Охлаждение до температуры выше 1000°С не гарантирует полного отсутствия жидкой фазы. Охлаждение до температуры ниже 950°С повысит сопротивление материала уплотнению при последующем прессовании. Давление прессования в интервале 150-200 МПа обеспечивает устранение остаточной пористости и несплошностей в контейнере, образовавшихся в результате возможной усадки материала. При давлении менее 150 МПа возможно содержание в структуре материала повышенной пористости. При давлении более 200 МПа имеет место излишний расход энергии и повышенный износ технологической оснастки.
Для получения материала и реализации способа предварительно изготавливают тонкостенный контейнер коробчатой формы из низкоуглеродистой, хорошо сваривающейся стали, например Ст.10, Ст.20. Смешивают порошки, полученные механическим измельчением твердого сплава, например сплава ВК6, порошки меди, хрома и титана в заданном соотношении. Порошковую смесь засыпают в контейнер и герметизируют его приваркой крышки. Контейнер с порошковой смесью загружают в нагревательное устройство, например в муфельную электрическую печь, нагревают до заданной температуры, выдерживают заданное время для инфильтрации, охлаждают до заданной температуре и прессуют (осаживают) под прессом при заданном давлении.
изг
изг
Контроль качества материала осуществляют по пределу прочности при изгибе (σ), твердости (HV) и наличию остаточных пор. Качество считается удовлетворительным при σ≥1200 МПа, HV≥3000 МПа и пористости ≤1%. Конкретные примеры осуществления изобретения при разных исходных параметрах представлены в таблице.
№ опыта
Cu %
Cr %
Ti %
Отходы твердых сплавов %
t<sub>н</sub> °С
Т мин
t<sub>ох</sub> °С
Р МПа
σ<sub>изг </sub>МПа
HV МПа
% Пор.
1
20
1,0
0,2
78,8
1200
30
950
200
1180
3300
≤1
2
25
1,0
0,2
73,8
1200
30
950
200
1200
3210
≤1
3
27
1,0
0,2
71,8
1200
30
950
200
1225
3120
≤1
4
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1245
3010
≤1
5
35
1,0
0,2
63,8
1200
30
950
200
1260
2770
≤1
6
30
0,6
0,2
69,2
1200
30
950
200
1150
2900
≤1
7
30
0,8
0,2
69,0
1200
30
950
200
1210
3110
≤1
8
30
0,9
0,2
68,9
1200
30
950
200
1225
3230
≤1
9
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1250
3300
≤1
10
30
1,0
0,1
68,9
1200
30
950
200
1200
3120
≤1
11
30
1,0
0,15
68,85
1200
30
950
200
1245
3150
≤1
12
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1270
3190
≤1
13
30
1,0
0,3
68,7
1200
30
950
200
1290
3200
≤1
14
30
1,0
0,2
68,8
1100
30
950
200
1190
2800
≤1
15
30
1,0
0,2
68,8
1150
30
950
200
1200
3100
≤1
16
30
1,0
0,2
68,8
1175
30
950
200
1260
3060
≤1
17
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1290
3000
≤1
18
30
1,0
0,2
68,8
1200
10
950
200
1050
2600
≤1
19
30
1,0
0,2
68,8
1200
15
950
200
1200
3150
≤1
20
30
1,0
0,2
68,8
1200
25
950
200
1240
3100
≤1
21
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1270
3000
≤1
22
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
900
200
1090
2900
≤1
23
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1240
3100
≤1
24
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
975
200
1260
3050
≤1
25
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
1000
200
1290
3000
≤1
26
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
1100
200
1240
2900
≤1
27
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
100
1185
2700
≥5
28
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
150
1200
3000
≤1
29
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
175
1220
3140
≤1
30
30
1,0
0,2
68,8
1200
30
950
200
1245
3260
≤1
31
30
1
0,2
68,8
1200
30
950
250
1270
3350
≤1
Прототип
1050
2520
≥10
t<sub>н</sub>, t<sub>ox</sub> - температура нагрева и охлаждения контейнера с порошковой смесью; Т - время выдержки при нагреве; Р - давление прессования.
изг
Предложенный износостойкий материал, полученный описанным выше способом, обладает высокими прочностью (σ - 1200 МПа) и твердостью (HV≥3000 МПа), низкой пористостью (≤1%), и низкой себестоимостью.