Способ получения порошка на железной основе

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения легированных порошков на железной основе, и предназначено для изготовления конструкционных порошковых деталей. В предложенном способе, включающем подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом, двухстадийный востановительный отжиг полученного порошка-сырца с первой стадией в атмосфере и последующее его дробление, согласно изобретению в полученный порошок механическим смешиванием вводят легирующие элементы в виде соединений металлов, имеющих низкое сродство к кислороду, при этом суммарное содержание легирующих элементов, вводимых в виде соединений, не превышает 25 мас. %, затем смесь подвергают диффузионно-востановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением, после чего к отожженному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля. Полученный порошок обладает высокой прочностью, не склонен к макросегреции легирующих элементов и обеспечивает получение изделий с высокими эксплуатационными свойствами. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения легированных порошков на железной основе, и предназначено для изготовления конструкционных порошковых деталей, эксплуатируемых в условиях статических и динамических нагрузок, в том числе, при повышенных температурах.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при производстве сложнопрофильных изделий методом прессования с последующим спеканием в условиях крупносерийного автоматизированного производства, например деталей автомобилей.

Для обеспечения необходимого комплекса потребительских характеристик легированный порошок должен иметь высокую уплотняемость (более 7,0 г/см³ при давлении 700 МПа), хорошую прочность прессовки (более 15 Н/мм² при 7 г/см³), а в спеченном состоянии обеспечивать получение высокопрочных, износо- и теплостойких деталей, эксплуатируемых вплоть до 600-700^oС.

Известен способ получения легированного порошка на железной основе для указанных целей, включающий получение предварительно легированного молибденом и марганцем водораспыленного порошка, добавление в него хрома в виде феррохрома (FeCr) и меди в виде металлического порошка или методом частичного легирования. Применение такого порошка для получения изделий методом прессования с последующим спеканием обеспечивает достижение предела прочности при растяжении более 650 Н/мм² и относительного удлинения 0,8% и выше.

Недостатками этого порошка является низкая прочность прессовки, так как водораспыленные порошки имеют округлую форму частиц, и необходимость применения высокотемпературного спекания (~ 1250^o) для достижения необходимого комплекса механических свойств деталей из этих порошков. Кроме того, детали из этого порошка не имеют необходимый уровень теплостойкости, так как в его составе не содержится кобальт (заявка РСТ WO 96/05007, МПК B 22 F 1/00, 22.02.1996 г.).

Известен также способ получения легированных порошков, в частности железомолибденовых, включающий смешение соединений железа и молибдена и последующее восстановление, при этом в качестве исходных соединений железа и молибдена используют кислые железомолибденсодержащие растворы, перед восстановлением смесь подвергают аммиачной обработке при рН 6,5-8,5 с перемешиванием в течение 40-50 мин, а восстановление ведут в токе водорода при 980-1050^oС.

Способ направлен на повышение качества порошка, удешевление и упрощение процесса (авторское свидетельство СССР 1419811, МПК B 22 F 9/06, 30.08.1988 г.).

Недостатком этого способа являются низкие уплотняемость и насыпная плотность железомолибденового порошка, что не обеспечивает достижения необходимого уровня плотности конструкционных изделий и негативно влияет на прочностные характеристики спеченной стали.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является способ получения железного порошка, включающий подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом при температуре расплава в фокусе распыления 1400-1500^oС, двухстадийный восстановительный отжиг, в котором первую стадию отжига ведут в инертной среде с содержанием кислорода не более 1% со скоростью нагрева 10-20^oС/мин до температуры спекания оксидов железа и выдержке при этой температуре в течение 2-3 ч. Вторую стадию отжига ведут в среде водорода, после чего порошок подвергают дроблению.

Способ направлен на повышение качества железного порошка и улучшение его технологических свойств (авторское свидетельство СССР 1510223, МПК B 22 F 9/06, 1996 г.).

Недостатками этого порошка являются низкие прочностные характеристики спеченной стали на его основе и отсутствие теплостойкости.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении легированного порошка на железной основе, обладающего высокой прочностью (≥7,0 г/см³ при 700 МПа), не склонного к макросегрегации легирующих элементов и обеспечивающего получение изделий из спеченных сталей с пределом прочности более 600 Н/мм², ударной вязкостью более 10 Дж/см² и эксплуатируемых до 600-700^oС при обеспечении стабильности размеров и свойств порошковых изделий в условиях крупносерийного автоматизированного производства.

Технический результат изобретения заключается в получении легированного порошка на железной основе, сохраняющего хорошие технологические характеристики нелегированного железного порошка, не склонного к макросегрегации легирующих элементов при транспортировке, хранении и переработке, а также обеспечивающего достижения высоких эксплуатационных свойств спрессованных и спеченных из него изделий.

Технический результат достигается тем, что в способе получения порошка на железной основе, включающем подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом, двухстадийный восстановительный отжиг полученного порошка-сырца с получением изделий сложной конфигурации в сочетании с хорошей уплотняемостью, не уступающей водораспыленному железному порошку, что позволяет получать спеченные детали сложной формы с минимальным уровнем остаточной пористости. Адгезия поверхностей железного порошка-основы и частиц легирующих элементов, возникающая в процессе диффузионно-восстановительного отжига, исключает макросегрегацию молибдена, меди и/или кобальта в процессе хранения, транспортировки и прессования деталей, тем самым обеспечивая получение деталей со стабильными размерами и эксплуатационными свойствами. Легирующие элементы - молибден, медь или кобальт - вводят в порошок, например в виде оксидов, для более равномерного их распределения в массе железного порошка, так как объем оксидов значительно больше, чем объем частиц металлических порошков легирующих элементов. Кроме того, соединения молибдена, меди и кобальта в процессе диффузионно-восстановительного отжига восстанавливаются до металлов в виде дисперсных частиц с высокоактивной поверхностью, которая диффузионно взаимодействует с поверхностью частиц железного порошка-основы, образуя прочные конгломераты и исключая макросегрегацию легирующих добавок. Суммарное содержание легирующих элементов, вводимых в виде соединений, не должно превышать 25 мас.% с целью обеспечения равномерного распределения легирующих добавок в массе порошка-основы.

Диффузионно-восстановительный отжиг проводят в водородосодержащей атмосфере, например в водороде или диссоциированном аммиаке при 800-850^oС. Выбор диапазона температур определяется следующим. При 800^oС происходит восстановление соединений легирующих элементов до металлов и образуются достаточно прочные конгломераты, состоящие из частиц железного порошка с первой стадией в атмосфере инертного газа, а второй - в водородосодержащей атмосфере и последующее дробление, согласно изобретению в полученный порошок механическим смешиванием вводят легирующие добавки в виде соединений металлов, имеющих низкое сродство к кислороду, при этом суммарное содержание легирующих элементов, вводимых в виде соединений, не превышает 25 мас.%, затем смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением, после чего к частично-легированному медью и молибденом или кобальтом и молибденом порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.

В качестве соединений металлов используют оксиды молибдена или полимолибдаты аммония, а также оксиды меди или оксиды молибдена или полимолибдаты аммония и оксиды кобальта.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что в железный порошок дополнительно вводят легирующие элементы: медь, молибден, кобальт - методом частичного легирования, а никель - механическим смешиванием.

Метод частичного легирования состоит в создании связи между частицами железа и легирующих элементов, введенных механическим смешиванием в виде соединений металлов, имеющих низкое сродство к кислороду и восстанавливающихся в процессе диффузионно-восстановительного отжига. При этом величина зоны диффузионного взаимодействия составляет не более 5 мкм, поэтому не вызывает твердорастворного упрочнения железного порошка-основы. В результате получается легированный порошок на железной основе, сохраняющий хорошие технологические свойства воздухораспыленного железного порошка: повышенную по сравнению с водораспыленным железным порошком прочность прессовки, приближающуюся к восстановленному железному порошку и припеченными к их поверхности дисперсными частицами легирующих элементов. Повышение температуры диффузионно-восстановительного отжига более 850^oС требует дополнительных энергозатрат и приводит в результате интенсификации диффузионных процессов к снижению уплотняемости из-за твердорастворного упрочнения легированного порошка и ухудшению прочности прессовки за счет сглаживания рельефа поверхности частиц.

Молибден вводят в железный порошок для повышения прокаливаемости спеченной стали и формирования высокопрочных, теплостойких карбидов. Для более равномерного распределения молибдена его добавляют в железный порошок в виде порошка оксида молибдена либо полимолибдатов аммония механическим смешиванием с железным порошком основы с последующим диффузионно-восстановительным отжигом, в процессе которого оксид или полимолибдаты аммония восстанавливаются до металлического молибдена в виде дисперсных частиц размером 1-5 мкм, припеченных к поверхности железного порошка.

Медь вводят в железный порошок для компенсации усадки порошковых деталей в процессе спекания. Кроме того, медь, образуя жидкую фазу при спекании, способствует интенсификации диффузионных процессов, сфероидизирует поры, повышает прокаливаемость и прочностные свойства порошковых сталей. Медь добавляют к железному порошку в виде порошка оксида меди механическим смешиванием с железным порошком основы с последующим диффузионно-восстановительным отжигом, в процессе которого оксид меди восстанавливается до металлической меди в виде дисперсной частицы размером до 10 мкм, припеченной к поверхности железного порошка.

Кобальт существенно повышает теплостойкость порошковых сталей. Его вводят в железный порошок в виде порошка оксида кобальта механическим смешиванием с последующим диффузионно-восстановительным отжигом, в процессе которого образующиеся частицы металлического кобальта взаимодействуют с поверхностью железных частиц основы и образуют конгломераты.

Никель интенсифицирует диффузионные процессы при спекании, повышает прочность и вязкость спеченных сталей, увеличивает прокаливаемость порошковых изделий. Его вводят в порошок после диффузионно-восстановительного отжига механическим смешиванием железного порошка, частично-легированного молибденом, кобальтом или медью, с порошком металлического никеля, так как в процессе отжига никель взаимодействует с углеродом, присутствующим в железном порошке, и образует летучий ядовитый карбонил никеля.

Совместное легирование железного порошка никелем, медью и молибденом обеспечивает получение высокоточных изделий с повышенным уровнем механических свойств как после спекания, так и после термической обработки.

Совместное легирование железного порошка никелем, молибденом и кобальтом позволяет повысить температуру эксплуатации спеченных порошковых сталей до 600-700^oС.

Примеры осуществления способа Пример 1 Выплавляют расплав железоуглеродистого материала, который распыляют сжатым воздухом. Полученный порошок-сырец подвергают двухстадийному отжигу, в процессе которого образуются конгломераты частиц железа с развитой поверхностью, имеющей губчатое строение. После отжига железный порошок дробят и механически смешивают с порошками легирующих добавок, содержащих молибден и медь, в виде оксидов меди и молибдена из расчета получения в порошке 0,5 мас. % молибдена и 1,5 мас.% меди. Смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу при 850^oС в атмосфере водорода с последующим измельчением. К легированному порошку, представляющему собой конгломераты частиц железного порошка и легирующих элементов - молибдена и меди, добавляют методом механического смешивания порошок никеля. В результате получают порошок на основе железа, частично-легированный 0,5±0,1 мас.% молибдена, 1,5±0,2 мас.% меди и содержащий 3,8±0,2 мас. % никеля, с высокими уплотняемостью (не менее 7,0 г/см³ при давлении 600 МПа) и прочностью прессовки (не менее 20 Н/мм² при плотности 7 г/см³). Порошок предназначен для изготовления сложно профильных деталей методом прессования с последующим спеканием. Сталь из указанного порошка, спеченная при 1140^oС, имеет σ_в = 730 H/мм², δ=2,5%, КС=44 Дж/см².

Пример 2 Получение железного порошка осуществляют аналогично примеру 1. К порошку железа механически домешивают порошки легирующих добавок, содержащих молибден и кобальт, в виде оксидов молибдена и кобальта из расчета получения в порошке 2 мас. % молибдена и 7 мас.% кобальта. Смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу при 850^oС в атмосфере водорода с последующим измельчением. К легированному порошку, представляющему собой конгломераты частиц железного порошка и легирующих элементов - молибдена и кобальта, добавляют методом механического смешивания порошок никеля. В результате получают порошок на основе железа, частично-легированный 1,5±0,5 мас.% молибдена, 6,5±0,5 мас.% кобальта и содержащий 1,5±0,5 мас.% никеля, с высокими уплотняемостью (не менее 7,0 г/см³ при давлении 700 МПа) и прочностью прессовки (не менее 15 Н/мм² при плотности 7 г/см³). Порошок предназначен для изготовления конструкционных износо- и теплостойких до 600^oС деталей методом прессования с последующим спеканием. Сталь из указанного порошка, спеченная при 1200^oС, имеет σ_в = 1250 H/мм², НВ=3600 Н/мм².

Формула изобретения

1. Способ получения порошка на железной основе, включающий подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом, двухстадийный восстановительный отжиг полученного порошка-сырца с первой стадией в атмосфере инертного газа, а второй в водородосодержащей атмосфере и последующее его дробление, отличающийся тем, что в полученный порошок механическим смешиванием вводят легирующие элементы в виде соединений металлов, имеющих низкое сродство к кислороду, при этом суммарное содержание легирующих элементов, вводимых в виде соединений, не превышает 25 мас. %, затем смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением, после чего к отожженному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединений металлов используют оксиды молибдена и оксиды меди.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединений металлов используют оксиды молибдена и оксиды кобальта.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединений металлов используют полимолибдаты аммония и оксиды меди.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединений металлов используют полимолибдаты аммония и оксиды кобальта.