СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНОГО ПОРОШКОВОГО ХРОМСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
METHOD OF PRODUCING HIGH-DENSITY POWDER CHROMIUM CONTAINING MATERIAL BASED ON IRON

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к материалам на основе железного порошка, и может быть использовано при изготовлении средне- и тяжелонагруженных конструкционных деталей, испытывающих динамические и контактные нагрузки.
в
Известен способ получения хромсодержащего порошкового материала на основе железа, который заключается в последовательном выполнении следующих операций: приготовление порошковой шихты, содержащей от 0,45 до 0,55 масс. % углерода, холодное прессование заготовок пористостью 11-12%, спекание заготовок в защитной среде при 1120°C в течение 30 мин, термическая обработка, что обеспечивает получение структуры, характеризующейся наличием 90% мартенсита [Maroli В., Berg S., Lewenhagen J. Properties and Microstructure of PM Materials Pre-Alloyed with Nickel, Molybdenum and Chromium // EURO PM 2001. Proceedings of the European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy. Acropolis Convention Centre, Nice, France, October 22 - 24, 2001. - European Powder Metallurgy Association. - 2001. - Vol. 1. - P. 34-39]. Недостатками данного способа являются относительно низкие значения прочности (σ=980-1050 МПа) из-за наличия остаточной пористости в материале.
е
Известен также способ получения порошкового хромсодержащего материала на железной основе, который заключается в следующем: приготовление шихты на основе распыленного порошка хромомолибденовой стали с добавкой углерода, статическое холодное прессование (СХП) пористых заготовок при давлении 700 МПа, спекание холоднопрессованных заготовок в азотоводородной среде при 1250°C в течение 1 ч, термическая обработка [Yang Yu. Characterisation of Sinter Hardening Effect of Astaloy CrM // EURO PM 2001. Proceedings of the European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy. Acropolis Convention Centre, Nice, France, October 22-24, 2001. - European Powder Metallurgy Association. - 2001. - Vol. 1. - P. 58-63]. Недостатками данного способа являются относительно низкие значения прочности (σ=1200 МПа) из-за наличия остаточной пористости в материале.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа, который заключается в последовательном выполнении следующих операций: приготовление шихты на основе распыленного порошка хромомолибденовой стали с добавкой углерода, статическое холодное прессование пористых заготовок при давлении, обеспечивающем пористость холоднопрессованных заготовок 25-30%, спекание холоднопрессованных заготовок в среде диссоциированного аммиака при 1100°C в течение 1 ч, нагрев в защитной среде при 1100°C, горячая штамповка (ГШ) и термическая обработка [Dorofeyev V., Sviridova A. Rolling Contact Fatigue of Hot-Forged Steels out of Prealloyed Powders and Powder Blend // Progress in Powder Metallurgy. Part 1. Proceedings of the 2006 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition (PM 2006), held in Busan Exhibition & Convention Center (BEXCO), Busan, Korea, September 24-28, 2006. Edited by Duk Yong Yoon, Suk-Joong L. Kang Kwang Yong Eun and Yong-Seog Kim. Trans Tech Publications Ltd: Switzerland, UK, USA. Material Science Forum. - 2007. - Vol. 534-536. - PP. 709-712]. (Прототип). К числу недостатков данного способа относятся:
- приготовление шихты в конусном смесителе не обеспечивает плотный механический контакт частиц порошка основы и углеродсодержащей добавки, что снижает ее восстанавливающую активность;
- наличие сквозной пористости в холоднопрессованных заготовках, что обусловливает возможность окисления поверхностей открытых пор при выполнении операций, связанных с нагревом, в среде диссоциированного аммиака.
Совместное воздействие указанных негативных факторов снижает качество межчастичного сращивания, механические свойства и контактную выносливость высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа.
Задачей изобретения является улучшение качества межчастичного сращивания, повышение механических свойств и контактной выносливости порошкового хромсодержащего материала на основе железа, что обеспечивает возможность его использования при изготовлении средне- и тяжелонагруженных конструкционных деталей, испытывающих динамические и контактные нагрузки.
Техническим результатом является улучшение качества межчастичного сращивания, повышение ударной вязкости, прочности и контактной выносливости.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа, включающем приготовление шихты на основе распыленного порошка хромомолибденовой стали с добавкой углерода, статическое холодное прессование пористых заготовок, спекание холоднопрессованных заготовок, нагрев в защитной среде, горячую штамповку и термическую обработку, согласно изобретению компоненты шихты смешивают в аттриторе в течение 1-2 ч, статическое холодное прессование проводят при давлении, обеспечивающем пористость холоднопрессованных заготовок 10-12%, спекание заготовок осуществляют в вакууме при 1200-1250°C в течение 1-2 ч, нагрев перед горячей штамповкой проводят при 1150-1180°C, а после горячей штамповки осуществляют цементацию.
Смешивание компонентов шихты в аттриторе в течение 1-2 ч обусловливает равномерное распределение углерода, предотвращает его сегрегацию и обеспечивает адгезионный контакт частиц углеродсодержащей добавки и порошка основы. Это способствует активации восстановления оксидов, локализованных на поверхности частиц порошка основы, при последующем спекании. При уменьшении времени смешивания менее 1 ч углеродсодержащая добавка по объему шихты распределяется неравномерно, а ее восстановительная активность снижается. Повышение длительности смешивания более 2 ч вызывает чрезмерный наклеп частиц порошка основы, что ухудшает его прессуемость.
Проведение статического холодного прессования при давлении, обеспечивающем пористость холоднопрессованных заготовок 10-12%, обусловливает возможность протекания при последующем вакуумном спекании следующих процессов:
- эвакуации газов из порового пространства;
- восстановления оксидов, локализованных на поверхностях частиц порошка основы, углеродом, входящим в состав исходной шихты;
- герметизации пор, что предотвращает их окисление при выполнении последующих операций горячей штамповки.
Проведение статического холодного прессования при давлении, обеспечивающем пористость холоднопрессованных заготовок менее 10%, вызывает чрезмерное увеличение нагрузок на пресс-инструмент и обусловливает закрытие пор с захлопнутым в них воздухом, что исключает возможность его эвакуации при последующем спекании. При пористости заготовок более 12% поры не герметизируются в процессе вакуумного спекания. Это способствует протеканию окисления при горячей штамповке.
Спекание заготовок в вакууме при 1200-1250°C в течение 1-2 ч обеспечивает возможность протекания указанных выше процессов эвакуации газов, восстановления оксидов и герметизации пор. Уменьшение температуры и продолжительности спекания ниже значений соответствующих интервалов вызывает снижение активности процессов восстановления оксидов и вязкого течения, что обусловливает увеличение содержания кислорода в получаемом материале. При повышении температуры спекания свыше 1250°C и его продолжительности более 2 ч образуется жидкая фаза, что приводит к потере формы заготовок и затрудняет выполнение последующих операций горячей штамповки.
Нагрев спеченных заготовок перед горячей штамповкой при 1150-1180°C в защитной среде обеспечивает возможность их уплотнения и формирования межчастичных контактов высокого качества. Уменьшение температуры нагрева ниже 1150°C приводит к ухудшению уплотняемости хромсодержащего материала заготовки, а ее увеличение свыше 1180°C вызывает разгерметизацию пор и окисление их поверхностей при технологической транспортировке заготовки из печи в матрицу штампа.
Цементация обезуглероженных после горячей штамповки заготовок обусловливает науглероживание их поверхностных слоев, что обеспечивает формирование структуры мартенсита в процессе термической обработки и повышение характеристик контактной выносливости.
Технологические режимы получения высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа установлены экспериментально. Выполнение технологического процесса в соответствии с указанными режимами обеспечивает решение технической задачи изобретения.
Пример
Шихту готовят на основе распыленного низколегированного порошка, содержащего, % (по массе): Cr - 3,00; Мо - 0,50; С - <0,01; О - 0,21; Fe - ост. В качестве углеродсодержащей добавки используют карандашный графит ГК - 1 ГОСТ 4404 - 78. Шихтоприготовление осуществляют в лабораторном аттриторе в течение 1-2 ч. После этого проводят статическое холодное прессование шихты и получают заготовки призматических и цилиндрических образцов для механических испытаний пористостью 10-12% (таблица). Полученные заготовки спекают в вакуумной печи при 1200-1250°C в течение 1-2 ч. Спеченные заготовки нагревают до 1150-1180°C в камерной электропечи периодического действия с силитовыми нагревателями в защитной среде диссоциированного аммиака с температурой точки росы - 40°C. Горячую штамповку пористых заготовок проводят на лабораторном копре или кривошипном прессе. После горячей штамповки заготовки укладывают в ящик из жаропрочной стали, в который засыпают древесно-угольный карбюризатор. Ящик помещают в печь и проводят цементацию при 920°C в течение 8 ч. Цементированные заготовки подвергают термической обработке - закалке и низкому отпуску.
Результаты определения механических свойств и контактной выносливости полученных образцов приведены в таблице. Анализ этих результатов показывает, что получение высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа по предлагаемому способу обеспечивает улучшение качества межчастичного сращивания, о чем свидетельствует повышение абсолютных значений ударной вязкости. Получение материала по предлагаемому способу обусловливает также увеличение прочности и контактной выносливости.