НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЙ СТАЛЬНОЙ ПОРОШОК
LOW-ALLOYED STEEL POWDER

Настоящее изобретение относится к низколегированному порошку на основе железа, порошковому составу, содержащему порошок и другие добавки, а также изделию, полученному прессованием и спеканием порошкового состава на основе железа, содержащего новый низколегированный стальной порошок. Механические свойства изделия, изготовленного из порошка согласно настоящему изобретению, сравнимы с механическими свойствами изделия, изготовленного из более высоколегированного и более дорогостоящего диффузионно связанного порошка.
В различных отраслях промышленности использование металлических изделий, изготовленных прессованием и спеканием металлических и порошковых составов, находит все более широкое применение. Производится ряд различных изделий разнообразных форм и толщины при одновременном постоянном повышении требований к их качеству, потому что желательным является снижение их стоимости. Поскольку прессованием и спеканием порошковых составов на основе железа в сочетании с высокой степенью использования материала получают изделия, имеющие почти окончательную или близкую к ней форму и требующие минимальной механической обработки для достижения заданной формы, данные способы имеют большое преимущество перед традиционными способами формирования металлических деталей, такими как формовка или механическая обработка прутковых заготовок или поковок.
Однако одна из проблем, связанная со способом прессования и спекания, заключается в том, что спеченное изделие имеет некоторое количество пор, снижающих его прочность. В основном существуют два способа преодоления отрицательного воздействия на механические свойства, вызываемого пористостью изделия. 1) Прочность спеченного изделия может быть повышена в результате введения легирующих элементов, таких как углерод, медь, никель, молибден и подобные. 2) Пористость спеченного изделия может быть снижена в результате повышения прессуемости порошкового состава и/или повышения давления прессования для получения более высокой плотности необработанного изделия либо повышения степени усадки изделия во время спекания. На практике применяют сочетание упрочнения изделия в результате добавления легирующих элементов и минимизации пористости. Таким образом, известны различные составы низколегированных стальных порошков и способы прессования таких порошков для получения изделия ПМ (порошковой металлургии), имеющего высокую прочность и твердость. Однако характерной особенностью изделий ПМ является их относительно низкая вязкость по сравнению с деформируемыми стальными материалами. Так называемые “диффузионно легированные порошки на основе железа”, имеющие относительно высокую прессуемость, несмотря на высокую степень их легирования, позволяют получать прессованные и спеченные изделия, имеющие высокую вязкость и сильное удлинение в сочетании с высокой прочностью по сравнению с предварительно легированными порошками.
Однако недостаток используемых в настоящее время диффузионно легированных порошков заключается в относительно высоком содержании в них дорогостоящих легирующих элементов, таких как молибден и никель. Было неожиданно установлено, что в результате тщательного подбора комбинации таких легирующих элементов, как хром и марганец, при их относительно небольшом содержании может быть получен предварительно легированный порошок, придающий спрессованному и спеченному изделию механические свойства, такие как удлинение и прочность, на таком же или близком уровне, который может быть получен в результате использования более легированного, диффузионно связанного порошка.
В патенте US 4266974 описаны примеры легированных порошков, не входящих в заявленный объем, содержащих только марганец и хром в качестве намеренно добавленных легирующих элементов. Описанные в примерах порошки содержат 2,92% хрома в комбинации с 0,24% марганца, 4,79% хрома в комбинации с 0,21 вес.% марганца или 0,55% хрома в комбинации с 0,9 вес.% марганца.
В Японской патентной публикации номер JP59173201 в одном из примеров, иллюстрирующих способ восстановительного отжига низколегированного стального порошка, содержащего хром, марганец и молибден, описан порошок, содержащий 1,14 вес.% хрома и 1,44 вес.% марганца в качестве единственных намеренно добавленных легирующих элементов.
Предварительно легированный стальной порошок на основе хрома, марганца и молибдена описан в US 6348080. B WO03/106079 описан легированный хромом, марганцем и молибденом стальной порошок, имеющий низкое содержание легирующих элементов по сравнению со стальным порошком, описанным в US 6348080. Такой порошок способен формировать бейнитные структуры при содержании углерода, составляющем более приблизительно 0,4 вес.%.
ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является разработка легированного порошка на основе железа, который может быть использован для получения прессованных и спеченных изделий, при этом такой порошок по существу свободен от дорогостоящих легирующих элементов, таких как молибден и никель.
Другой целью настоящего изобретения является разработка порошка, пригодного для формирования прессованных и спеченных изделий, имеющих хорошее удлинение, прочность на растяжение и предел текучести.
Следующей целью настоящего изобретения является разработка спеченной детали, обладающей вышеупомянутыми свойствами.
Достижение, по меньшей мере, одной из перечисленных целей обеспечивают:
- Распыляемый водой предварительно легированный стальной порошок на основе железа, содержащий, в вес.%: 0,4-2,0 Cr, 0,1-0,8 Mn, менее 0,1 V, менее 0,1 Mo, менее 0,1 Ni, менее 0,2 Cu, менее 0,1 C, менее 0,25 O, менее 0,5 неизбежных примесей, при этом балансом является железо.
- Порошковый состав на основе железа на основе стального порошка, смешанный с 0,35-1 вес.% графита от массы состава, 0,05-2 вес.% смазочных материалов от массы состава и, необязательно, медью в количестве до 3%, твердофазными материалами и улучшающими обрабатываемость агентами.
- Способ получения спеченного изделия, включающий следующие стадии:
а) получение стального порошкового состава на основе железа на основе стального порошка;
b) прессование состава под давлением, составляющим от 400 до 2000 МПа;
с) спекание полученного необработанного изделия в восстановительной атмосфере при температуре, составляющей 1000-1400°С;
d) необязательная ковка нагретого изделия при температуре, составляющей более 500°С, либо термическая обработка или закалка полученного спеченного изделия.
Полученное вышеописанным способом спеченное изделие, имеющее перлитную/ферритную микроструктуру.
Стальной порошок имеет низкое и определенное содержание хрома и марганца и по существу свободен от молибдена, никеля и ванадия.
ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕГИРОВАННОГО СТАЛЬНОГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Стальной порошок получают посредством водного распыления стального расплава, содержащего определенные количества легирующих элементов. Затем распыленный порошок подвергают процессу восстановительного отжига, описанному в патенте США 6027544 и приводимому здесь в качестве ссылки. Размер частиц стального порошка может быть любым при условии, что он может быть использован в процессах прессования и спекания или ковки изделий из порошка. Примером подходящего размера частиц является размер частиц известного порошка АВС100.30, выпускаемого Höganäs AB, Sweden, 10 вес.% частиц которого имеют размер более 150 мкм, а около 20 вес.% частиц которого имеют размер менее 45 мкм.
СОСТАВ СТАЛЬНОГО ПОРОШКА
Хром служит для упрочнения матрицы посредством закалки на твердый раствор. Более того, хром повышает прокаливаемость, сопротивление окислению и сопротивление абразивному износу спеченного изделия. Однако содержание хрома, составляющее более 2,0 вес.%, снижает прессуемость стального порошка и затрудняет формирование ферритной/перлитной микроструктуры. С точки зрения прессуемости максимальное содержание хрома предпочтительно составляет около 1,8 вес.%, еще более предпочтительно - 1,5 вес.%. Содержание Cr менее 0,4 вес.% оказывает незначительное воздействие на желаемые свойства. Содержание хрома предпочтительно составляет, по меньшей мере, 0,5 вес.%.
Как и хром, марганец повышает прочность, твердость и прокаливаемость стального порошка. Содержание хрома, составляющее более 0,8 вес.%, усиливает формирование содержащего марганец включения в стальном порошке, а также оказывает отрицательное воздействие на прессуемость, вызванное закалкой на твердый раствор и повышенной твердостью феррита. Содержание марганца предпочтительно составляет менее 0,7 вес.%, еще более предпочтительно, содержание марганца составляет менее 0,6 вес.%. В том случае, если содержание марганца составляет менее 0,1%, желаемые свойства не могут быть получены, более того, становится невозможным использование оборотного лома без осуществления специфической восстановительной обработки в ходе производства стали. По указанным причинам содержание марганца предпочтительно составляет, по меньшей мере, 0,2 вес.%, еще более предпочтительно - 0,3 вес.%. Таким образом, содержание марганца должно составлять 0,1-0,8 вес.%, предпочтительно - 0,2-0,7 вес.%, еще более предпочтительно - 0,3-0,6 вес.%.
Было также установлено, что для получения достаточно высокой прессуемости общее содержание хрома и марганца, которые являются взаимозаменяемыми до некоторой степени, должно составлять не более 2,5 вес.%, предпочтительно - не более 2,3 вес.%, наиболее предпочтительно - не более 2,0 вес.%.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, включающему использование низкого содержания хрома, составляющего 0,4-0,6 вес.%, низкое содержание хрома компенсируется сравнительно высоким содержанием марганца, составляющим 0,6-0,8 вес.%, предпочтительно - 0,7-0,8 вес.%. Данный вариант осуществления является предпочтительным, поскольку марганец дешевле хрома.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения в том случае, если содержание хрома составляет, по меньшей мере, 0,7 вес.%, содержание марганца составляет максимум 0,5 вес.%, а в том случае, если содержание хрома составляет, по меньшей мере, 1,0 вес.%, содержание марганца составляет максимум 0,4 вес.%, предпочтительно - максимум 0,3 вес.%. При высоком содержании хрома содержание марганца может быть низким, тем самым сводя к минимуму формирование содержащего марганец включения в стальном порошке.
Максимальное содержание кислорода предпочтительно составляет 0,25 вес.% для предотвращения формирования оксидов с хромом и марганцем, ухудшающего прочность и прессуемость порошка. По этой причине максимальное содержание кислорода предпочтительно составляет не более 0,18 вес.%.
Содержание ванадия и никеля должно составлять менее 0,1 вес.%, а меди - менее 0,2 вес.%. Слишком высокое содержание этих элементов оказывает отрицательное действие на прессуемость и может повысить стоимость. Присутствие никеля также подавляет формирование феррита, таким образом способствуя образованию хрупкой перлитной/бейнитной структуры. Содержание молибдена должно составлять менее 0,1 вес.% для предотвращения формирования бейнита, а также поддержания затрат на низком уровне, поскольку молибден является очень дорогостоящим легирующим элементом.
Максимальное содержание углерода в стальном порошке составляет 0,1 вес.%, а максимальное содержание кислорода - 0,25 вес.%. Более высокое содержание этих элементов снижает прессуемость порошка до неприемлемого уровня. По этой же причине содержание азота должно составлять менее 0,1 вес.%.
Общее количество неизбежных примесей должно составлять менее 0,5 вес.%, чтобы не ухудшить прессуемость стального порошка и не вызвать формирования вредных включений.
СОСТАВ ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Перед прессованием стальной порошок на основе железа смешивают с графитом и смазывающими веществами. Графит добавляют в количестве, составляющем 0,35-1,0 вес.% от массы состава, а смазывающие вещества добавляют в количестве, составляющем 0,05-2,0 вес.% от массы состава. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения медь в виде порошка меди может быть добавлена в количестве, составляющем до 3 вес.%. Согласно другому варианту осуществления к составу посредством примешивания может быть добавлен порошок никеля в количестве, составляющем до 5 вес.%, с добавлением порошка меди или без него.
СОДЕРЖАНИЕ ГРАФИТА
С целью повышения прочности и твердости спеченного изделия в матрицу вводят углерод. Углерод добавляют в виде графита в количестве, составляющем 0,35-1,0 вес.% от массы состава. Содержание углерода в количестве, составляющем менее 0,35 вес.%, служит причиной слишком низкой прочности, а содержание углерода в количестве, составляющем более 1,0%, служит причиной избыточного формирования карбидов, что приводит к слишком высокой твердости, недостаточной степени удлинения и ухудшает обрабатываемость. В том случае, если после спекания или ковки изделие подвергают термической обработке во время процесса, включающего науглероживание, количество добавляемого графита может составлять менее 0,35%.
СОДЕРЖАНИЕ МЕДИ
Медь является обычно используемым легирующим элементом в области порошковой металлургии. Медь улучшает прочность и твердость в результате закалки на твердый раствор. Медь также облегчает формирование шеек во время спекания, поскольку медь плавится до достижения температуры спекания, обеспечивая так называемое “жидкофазное спекание”, которое происходит гораздо быстрее, чем спекание в твердом состоянии. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения медь может быть добавлена в количестве, составляющем до 3 вес.%.
СОДЕРЖАНИЕ НИКЕЛЯ
Никель является обычно используемым легирующим элементом в области порошковой металлургии. Никель улучшает прочность и твердость в результате закалки на твердый раствор. Никель также упрочняет шейки во время спекания. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения никель может быть добавлен в количестве, составляющем до 5 вес.%.
СОДЕРЖАНИЕ СМАЗЫВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Смазывающие вещества добавляют к составу для облегчения прессования и выталкивания прессованного изделия. Добавление менее 0,05 вес.% смазывающих веществ от массы состава оказывает недостаточное действие, а добавление более 2% смазывающих веществ от массы состава приводит к слишком низкой плотности прессованного изделия. Смазывающие вещества могут быть выбраны из группы, включающей стеараты металлов, воски, жирные кислоты и их производные, олигомеры, полимеры и другие органические вещества, оказывающие смазывающее действие.
ДРУГИЕ ВЕЩЕСТВА
2
2
Могут быть добавлены другие вещества, такие как твердофазные материалы и улучшающие обрабатываемость агенты, такие как MnS, MoS, CaF, а также различные виды минералов и подобное.
СПЕКАНИЕ
2
Состав из порошка на основе железа помещают в форму и подвергают воздействию давления, составляющего около 400-2000 МПа, до сырой плотности, составляющей более приблизительно 6,75 г/см. Полученное необработанное изделие затем подвергают спеканию в восстановительной атмосфере или температуре, составляющей около 1000-1400°С, предпочтительно - около 1100-1300°С.
ОБРАБОТКА ПОСЛЕ СПЕКАНИЯ
Спеченное изделие может быть подвергнуто процессу закалки для получения желаемой микроструктуры в результате термической обработки, включающей охлаждение с регулируемой скоростью. Процесс закалки может включать известные процессы, такие как цементация, азотирование, индукционная закалка и подобное. В том случае, если термическая обработка включает науглероживание, количество добавляемого графита может составлять менее 0,35%.
В качестве альтернативы, спеченное изделие может быть подвергнуто ковке для достижения полной плотности. Ковка может быть осуществлена либо непосредственно после операции спекания, когда температура изделия составляет около 500-1400°С, либо после охлаждения спеченного изделия; в последнем случае охлажденное изделие подвергают повторному нагреванию перед ковкой до температуры, составляющей около 500-1400°С.
Могут быть также использованы и другие виды обработки после спекания, такие как поверхностная прокатка или дробеструйное упрочнение, придающие сжимающее остаточное напряжение, улучшающее усталостную долговечность.
СВОЙСТВА ГОТОВОГО ИЗДЕЛИЯ
Настоящее изобретение предлагает новый, предварительно легированный порошок на основе железа для изготовления спеченных изделий, имеющих прочность на растяжение и удлинение, сравнимые с соответствующими свойствами изделий, изготовленных из диффузионно связанного порошка, имеющего более высокое общее содержание легирующих элементов и более дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель и молибден. В частности, настоящее изобретение предлагает порошок на основе железа, предварительно легированный хромом и марганцем, а также прессованное и спеченное изделие, изготовленное из такого порошкового состава. Величина удлинения подобного прессованного и спеченного изделия составляет более 2% в комбинации с прочностью на растяжение, составляющей около 500 МПа. Микроструктура является перлитной или перлитной/ферритной.
ПРИМЕРЫ
Различные предварительно легированные порошки 1-5 на основе железа получают водным распылением стальных расплавов. Затем полученные неочищенные порошки подвергают отжигу в атмосфере водорода при 1160°С и последующему осторожному измельчению для дробления спекшейся лепешки из порошка. Размер частиц порошков составляет менее 150 мкм. Порошок 6 представляет собой порошок DISTALOY AB, коммерческий, диффузионно легированный порошок от Höganäs, Sweden, на основе высокочистого распыленного порошка ASC100.29 (чистое железо).
Таблица 1
Порошок
Cr (%)
Mn (%)
V (%)
Cu (%)
Mo (%)
Ni (%)
C (%)
O (%)
1
0,80
0,35
-
-
-
-
0,003
0,090
2
0,68
0,68
-
-
-
-
0,003
0,093
3
1,78
0,10
-
-
-
-
0,009
0,062
4(Ссыл-ка)
0,92
0,03
0,11
-
-
-
0,005
0,043
5(Ссыл-ка)
0,25
0,06
-
-
-
-
0,003
0,039
6
-
-
-
1,50
0,50
1,75
0,002
0,092
В табл.1 показан химический состав стального порошка согласно настоящему изобретению и ссылочным материалам.
Полученные стальные порошки 1-5 смешивают с 0,5% и 0,7 вес.% от массы состава, соответственно, графита UF4, выпускаемого Kropfmühle, и 0,8% амидного воска ПМ, выпускаемого Höganäs АВ, Sweden.
Порошок 4 находится за пределами границ настоящего изобретения, будучи легированным 0,11 вес.% ванадия и имея содержание марганца, составляющее 0,03 вес.%. В порошке 5 содержание как марганца, так и хрома находится ниже границ настоящего изобретения.
Также была получена сравнительная смесь на основе DISTALOY AB (порошок 6). В данном случае полученный состав содержит 0,5% графита и 0,8% амидного воска ПМ.
Полученные порошковые композиции помещают в форму и прессуют, получая бруски для испытаний на растяжение при давлении прессования, составляющем 600 МПа. Затем прессованные бруски для испытаний спекают в лабораторной конвейерной печи при 1120°С в течение 30 минут в атмосфере из 90% азота и 10% водорода.
Спеченные образцы подвергают испытаниям на растяжение и удлинение согласно ASTME9-89С, а также твердость, HV10, согласно EN ISO 6507-1. Образцы также анализируют на содержание углерода и кислорода.
Энергию удара определяют согласно EN10045-1.
В приведенной ниже таблице 2 показано содержание графита, результаты химического анализа и результаты испытаний на растяжение и твердость.
Таблица 2
Состав на основе порошка
Добав-ленный графит (%)
С (%)
O (%)
Предел теку-чести (МПа)
Прочность на растя-жение (МПа)
Удли-нение (%)
Твердость, HV10
Энер-гия удара (Дю)
1
0,5
0,50
0,05
345
512
4,6
139
25
1
0,7
0,69
0,05
417
627
3,0
178
23
2
0,5
0,55
0,07
371
540
3,3
168
24
2
0,7
0,72
0,07
398
611
3,0
181
21
3
0,5
0,56
0,03
427
625
3,1
172
28
3
0,7
0,72
0,03
496
697
2,3
195
23
4 (Сравн.)
0,5
0,51
0,03
379
517
2,8
156
19
4 (Сравн.)
0,7
0,70
0,03
462
610
1,6
192
15
5 (Сравн.)
0,5
0,48
0,02
287
391
4,2
113
23
5 (Сравн.)
0,7
0,67
0,02
331
478
3,2
143
19
6-Dist AB
0,5
0,48
0,01
363
610
2,8
178
28
В табл.2 показано количество добавленного к составам графита, результаты анализов на содержание С и О в полученных образцах, а также результаты испытаний на растяжение и твердость полученных образцов.
При добавлении графита в количестве 0,7% образцы на основе порошков 1, 2 показывают сравнимые или лучшие результаты испытаний на предел текучести, прочность на растяжение, удлинение и твердость, чем DISTALOY AB, смешанный с 0,5% порошка графита. Величина энергии удара несколько ниже, но все еще достаточно высокая, несколько лучше у порошка 1, чем у порошка 2.
Уже при добавлении графита в количестве 0,5% образцы на основе порошка 3 показывают сравнимые или лучшие результаты испытаний на предел текучести, прочность на растяжение, удлинение, чем DISTALOY AB, смешанный с 0,5% порошка графита. Величины энергии удара и твердости соответствуют DISTALOY AB.
У образца на основе порошка 4 удлинение и энергия удара намного ниже таких же величин DISTALOY AB при сравнимой прочности на растяжение. Что касается образцов на основе порошка 5, видно, что показатели энергии удара и удлинения снижаются при повышении содержания углерода и будут намного ниже даже при добавлении больших количеств графита с целью повышения прочности на растяжение до сравнимого с DISTALOY AB уровня.