Способ получения высокопрочных легированных порошковых сталей и сплавов

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении порошковых азотсодержащих сталей и сплавов. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении порошковых сталей и сплавов, обеспечивающих при переделе получение изделий с высокой прочностью, пластичностью и износостойкостью. Техническими результатом изобретения является повышение содержания азота в металле, уменьшение размеров нитридов, увеличение объемной доли дисперсных нитридов и равномерное их распределение в объеме, что обеспечивает улучшение технологических и служебных свойств сталей и сплавов. Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения высокопрочных легированных порошковых сталей и сплавов, включающем выплавку сплавов на основе железа, дополнительно легированных нитридообразующими элементами, распыление и азотирование порошка в среде молекулярного азота при повышенных давлении и температуре, легирование нитридообразующими элементами ведут в количествах, обеспечивающих после затвердевания получение твердых растворов, а азотирование ведут при давлении не ниже 20 МПа. В качестве нитридообразующих элементов используют титан, алюминий, ванадий, ниобий, кремний, хром. Азотирование ведут при температуре 500 - 1500^oC. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении порошковых азотсодержащих сталей и сплавов.

Известен способ получения порошковых сталей и сплавов, включающий азотирование порошка при давлении 60 150 атм, и температуре 600 - 1150^oC. [1] Способ направлен на повышение технологических и служебных свойств сталей и сплавов за счет высокого содержания азота в порошке.

Недостатком известного способа является использование относительно низких давлений, что при азотировании существенно ограничивает как достигаемые концентрации азота, так и номенклатуру азотируемых сплавов. Низкая термодинамическая активность азота при этих давлениях не позволяет обеспечить введение достаточного количества азота в сплавы, содержащие большие количества легирующих элементов сильно понижающих его растворимость (Co, Ni, Cu, Si и т.п.) Известен способ получения высокопрочных порошковых сталей и сплавов, легированных нитридообразующими элементами, включающий выплавку, распыление и последующее азотирование порошка в азоте, аммиаке, либо в их смесях при повышенном давлении и температуре 920 1200^oC [2] Способ обеспечивает введение азота в пороки легированного железа, но в случае использования аммиака образование на поверхности гранул сплошного нитридного слоя существенно замедляет процесс азотирования, приводя к образованию хрупких ε- и γʹ -нитридов железа.

Недостатком способа является необходимость создания и использования специального оборудования для перемешивания азотируемых порошков, практическая неуправляемость процесса, приводящая к невоспроизводимости результатов, невысокое содержание азота в азотированном порошке.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении порошковых сталей и сплавов, обеспечивающих при переделе получение изделий с высокой прочностью, пластичностью и износостойкостью.

Техническим результатом изобретения валяется повышение содержания азота в металле, уменьшение размеров нитридов и увеличение объемной доли дисперсных нитридов и равномерное их распределение в объеме, что обеспечивает улучшение теологических и служебных свойств сталей и сплавов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения высокопрочных легированных порошковых сталей и сплавов, включающем выплавку сплавов на основе железа, дополнительно легированных нитридообразующими элементами, распыление и азотирование порошка в среде молекулярного азота при повышенных давлении и температуре, легирование нитридообразующими элементами ведут в количествах, обеспечивающих после затвердевания получение твердых растворов, а азотирование ведут при давлении не ниже 20 МПа. В качестве нитридообразующих элементов используют титан, алюминий, ванадий, ниобий, кремний, хром. Азотирование ведут при температуре 500 1500^oC.

Легирование нитридообразующими элементами в количествах, обеспечивающих после затвердевания получение твердых растворов, при последующей химико-барической обработке приводит к образованию равномерно распределенных в объеме гранул дисперсных нитридов. Это существенно повышает твердость гранул и обеспечивает достижение высоких концентраций азота.

Азотирование в среде молекулярного азота при давления не ниже 20,0 МПа и температурах 500 1500^oC позволяет регулировать азотный потенциал насыщающей атмосферы в широких пределах, что обеспечивает исключение возможности образования на поверхности гранул сплошного нитридного слоя, состоящего из хрупких ε- и γʹ -нитридов, который существенно затрудняет процесс образования специальных нитридов вследствие необходимости диффузии азота через этот нитридный слой. С другой стороны, возможность варьирования температуры процесса позволяет регулировать размеры образующихся специальных нитридов от 5 10 нм до 5 10 мкм.

Поскольку нитриды образуются непосредственно в стальной матрице, снимается вопрос их смачиваемости, что при обычной технологии получения порошковых высокопрочных материалов является одной из основных причин из повышенной хрупкости.

При температуре ниже 500^oC и давлении ниже 20,0 МПа не образуются специальные нитриды.

Использование в качестве легирующих элементов Ti, Al, Nb позволяет получать высокопрочные тугоплавкие кубические нитриды этих элементов, изоморфные матрице, характеризуемые высокими прочностью и износостойкостью.

Кремний образует с азотом нитрид Si₃N₄, характеризуемый твердостью 3500 ед. HV, высокой химической инертностью и высокой жаропрочностью, увеличивающейся с ростом температуры.

Хром и ванадий в процессе химико-барической обработки в атмосфере молекулярного азота образуют кубические нитриды, изоморфные матрице, термическая устойчивость которых позволяет в дальнейшем проводить термическую обработку азотсодержащих сплавов. Растворение их при температурах порядка 1000^oC и последующее выделение при старении приводит к дополнительному упрочнению сплавов.

Пример. Порошок разработанного сплава состава: Fe 0,46% C 3% Mo - 0,69% Si 0,05% Ti 3,6% Nb 0,51% Mn 0,004%S после распыления представляет собой однородный твердый раствор. Азотирование проводили при температуре 870^oC и давлении 35,0 МПа в атмосфере молекулярного азота в течение 30 мин.

Порошок загружали в металлический контейнер, помещали в камеру высоких давлений газостата. Напускали азот и давление повышали до 350,0 МПа. Включали нагреватель и повышали температуру до 870^oC. Выдерживали контейнер с порошком при этой температуре и давлении в течение 30 мин. Выключали нагрев и охлаждали контейнер с порошком до комнатной температуры. Снимали давление, вынимали контейнер с азотированным порошком. После чего азотированный порошок использовался для изготовления металлографических шлифтов, которые затем использовался для определения структуры и измерения микротвердости. Данные исследований приведены в таблице.

Приведены в таблице значения микротвердости являются средними, полученными на основании 25 30 измерений.

Содержание азота определялось методом вакуум-плавления с использованием азотированных порошков.

Другие примеры использования предлагаемого способ представлены в таблице.

Как видно из таблицы, предлагаемый способ приводит к 2 3 кратному увеличению твердости, образованию мелкодисперсных нитридов и высокому содержанию азота (более 3% по массе).

Формула изобретения

1. Способ получения высокопрочных легированных порошковых сталей и сплавов, включающий выплавку сплавов на основе железа, дополнительно легированных нитридообразующими элементами, распыление и азотирование порошка в среде молекулярного азота при повышенных давлении и температуре, отличающийся тем, что легирование нитридообразующими элементами ведут в количествах, обеспечивающих после затвердевания получение твердых растворов, а азотирование ведут при давлении не ниже 20 МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитридообразующих элементов используют титан, алюминий, ванадий, ниобий, кремний, хром.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что азотирование ведут при 500 1500^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1