Способ получения порошка на железной основе (его варианты)

 

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 восстановительный отжиг полученного порошка-сырца с первой стадией в атмосфере инертного газа, а второй в водородосодержащей атмосфере и последующее его дробление, согласно изобретению, в расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 4 мас.%, после дробления в порошок механическим смешиванием вводят легирующие элементы в виде соединения 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. Согласно варианту предложенного способа, в расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 2 мас.% и кобальт в количестве не более 7 мас.%, после дробления в порошок вводят молибден в количестве не более 25 мас.% в виде оксидов или полимолибдатов аммония, затем смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу. Полученный порошок обладает высокой прочностью, сохраняет уровень технологичности нелегированного железного порошка, не склонен к макросегреции легирующих элементов и обеспечивает получение изделий с высокими эксплуатационными свойствами. 2 с. и 7 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 плотности 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 F1/00, опубл. 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, опубл. 30.08.1988 г.).

Недостатком этого способа являются низкие уплотняемость и насыпная плотность железомолибденового порошка, что приводит к повышению уровня остаточной пористости в спеченных конструкционных сталях и снижению их механических характеристик, в том числе, прочности и ударной вязкости, а для теплостойких сталей - к ухудшению теплопроводности.

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 часов. 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, опубл. 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 уровень технологичности нелегированного железного порошка, не склонного к макросегрегации легирующих элементов в процессе транспортировки, хранения и переработки и обеспечивающего достижения высоких эксплуатационных свойств спрессованных и спеченных из него изделий.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе получения порошка на железной основе, включающем подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом, двухстадийный отжиг полученного порошка-сырца с первой стадией в атмосфере инертного газа, а второй - в водородосодержащей атмосфере и последующее дробление, согласно изобретению, в расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 4 мас.%, а после двухстадийного отжига и дробления в 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 порошков подвергают диффузионно-восстановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением. В качестве соединений металлов используют оксиды молибдена или полимолибдаты аммония, а также оксиды меди или оксиды кобальта. В частном случае, к измельченному легированному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе получения порошка на железной основе, включающем подготовку расплава, распыление его сжатым воздухом, двухстадийный отжиг полученного порошка-сырца с первой стадии в атмосфере инертного газа, а второй в водородосодержащей атмосфере и последующее дробление, согласно изобретению, в расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 2 мас.% и кобальт в количестве не более 7 мас.%, а после дробления в полученный порошок механическим смешиванием вводят молибден в количестве не более 25 мас.% в виде оксидов или полимолибдатов аммония, затем смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением. В частном случае, к измельченному легированному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.

Предлагаемые способы отличаются от известного тем, что в железный порошок дополнительно вводят легирующие элементы - медь и молибден методом частичного легирования, никель методом легирования расплава перед распылением, а также механическим смешиванием с легированным порошком. Легирование порошка кобальтом осуществляют методом частичного легирования, а также введением в расплав перед распылением.

Легирование расплава железа никелем (вариант I) позволяет достичь гомогенного распределения никеля в железном порошке в количестве не более 4 мас. % во избежание значительного твердорастворного упрочнения. Никель интенсифицирует диффузионные процессы при спекании, повышает прочность и вязкость спеченных сталей, увеличивает прокаливаемость порошковых изделий. В частном случае, в первом варианте изобретения дополнительное введение никеля механическим смешиванием обеспечивает дальнейшее повышение эксплуатационных характеристик спеченных из порошка деталей без ухудшения его технологических свойств.

Легирование расплава железа никелем не более 2 мас.% и кобальтом не более 7 мас.% (вариант II обеспечивает гомогенное распределение этих легирующих элементов в железном порошке и максимально эффективное использование никеля и кобальта для повышения прокаливаемости и теплостойкости спеченных сталей. Однако совместное введение кобальта и никеля в расплав приводит к твердорастворному упрочнению полученного порошка железа, гомогенно-легированного этими элементами, и уплотняемость легированного порошка снижается. Поэтому максимально допустимое суммарное содержание кобальта и никеля, вводимое в расплав железа, не должно превышать 9 мас.%.

Для дальнейшего повышения эксплуатационных характеристик порошковых изделий в порошок механическим смешиванием дополнительно вводят кобальт в виде оксидов вместе с соединениями молибдена перед диффузионно-восстановительным отжигом (вариант I). При этом легированный порошок сохраняет хорошие технологические свойства. Для этих же целей в готовый легированный порошок механическим смешиванием добавляют порошок никеля (варианты I и II).

Метод частичного легирования состоит в создании связи между частицами железоникелевого или железоникелькобальтового сплава порошка основы и частицами легирующих элементов, введенных механическим смешиванием в виде соединений металлов, имеющих низкое сродство к кислороду и восстанавливающихся в процессе диффузионно-восстановительного отжига. При частичном легировании величина зоны диффузионного взаимодействия составляет не более 5 мкм, поэтому не вызывает твердорастворного упрочнения порошка-основы. В результате получается легированный порошок на железоникелевой или железоникелькобальтовой основе, сохраняющий хорошие технологические свойства воздухораспыленного железного порошка: повышенную по сравнению с водораспыленным железным порошком прочность прессовки, приближающуюся к восстановленному железному порошку, в сочетании с хорошей уплотняемостью, не уступающей водораспыленному железному порошку, что позволяет получать сложнопрофильные спеченные детали с минимальным уровнем остаточной пористости. Адгезия поверхностей частиц порошка сплава на железной основе и частицами 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 и/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 высокоразвитой поверхностью, которая диффузионно взаимодействует с поверхностью 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 сплава на железной основе с припеченными к их поверхности частицами легирующих элементов - молибдена, меди и/или кобальта. 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 (варианты I и II). Для более равномерного распределения молибден добавляют к порошку на железной основе в виде порошка оксида молибдена, либо полимолибдатов аммония механическим смешиванием с порошком сплава железо-никель, либо железо-никель-кобальт 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 частиц порошка-основы.

Медь вводят в железный порошок для компенсации усадки порошковых деталей в процессе спекания (вариант I). Кроме того, медь, образуя жидкую фазу при спекании, способствует интенсификации диффузионных процессов, сфероидизирует поры, повышает прокаливаемость и прочностные свойства порошковых сталей. Для более равномерного распределения частиц меди в легированном порошке ее вводят в виде порошка оксида меди механическим смешиванием с порошком-основой 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 порошка-основы.

Совместное легирование никелем, медью и молибденом обеспечивает получение высокоточных изделий с повышенным уровнем механических свойств.

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

Примеры осуществления способа Пример 1 (вариант I) Выплавляют расплав железо-никель-углеродистого материала с содержанием никеля 4 мас.%, который распыляют сжатым воздухом. Полученный порошок-сырец подвергают двухстадийному отжигу, в процессе которого образуются конгломераты частиц железоникелевого сплава с развитой поверхностью. После отжига порошок дробят и механически смешивают с порошками легирующих добавок, содержащих медь и молибден, 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. В результате получают порошок на основе железоникелевого сплава, частично-легированный 0,5±0,1 мас.% молибдена, 1,5±0,2 мас.% меди и содержащий 3,8±0,2 мас.% никеля (состав I), 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), не уступающий по технологичности нелегированным железным порошкам.

Порошок предназначен для изготовления сложнопрофильных 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.

Для получения изделий, эксплуатируемых при более высоких нагрузках, в порошок состава I механическим смешиванием добавляют порошок никеля с получением его суммарного содержания 7,5±0,5 мас.%. Спеченная сталь из порошка такого состава имеет σ_в = 1050 H/мм², δ=4%, КС=65 Дж/см².

Пример 2 (вариант I) Получение железоникелевого порошка осуществляют аналогично примеру 1. К порошку железоникелевого сплава, содержащего 2 мас.% никеля, механически домешивают порошки легирующих добавок в виде оксидов молибдена и кобальта из расчета получения в порошке 1,5 мас.% молибдена и 6,5 мас.% кобальта. Смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу при 850^oС в атмосфере водорода с последующим измельчением. В результате получают порошок на основе железоникелевого сплава, 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 7г/см³), не уступающий по технологичности нелегированным железным порошкам.

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.

Пример 3 (вариант II) Выплавляют расплав железо-никель-кобальт-углеродистого материала с содержанием никеля 2 мас.% и кобальта 7 мас.%, который распыляют сжатым воздухом. Полученный порошок-сырец подвергают двухстадийному отжигу, в процессе которого образуются конгломераты частиц железо-никель-кобальтового сплава с развитой поверхностью. После отжига порошок дробят и механическим смешиванием вводят молибден в количестве 2 мас.% в виде порошка оксида молибдена. Смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу при 850^oС в атмосфере водорода с последующим измельчением. В результате получают порошок на основе железо-никель-кобальтового сплава, частично-легированный 1,5±0,5 мас.% молибдена и содержащий 1,5±0,5 мас.% никеля и 6,5±0,5 мас.% кобальта (состав II), 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.

Для получения изделий, эксплуатируемых при более высоких температурах, в порошок состава II перед диффузионно-восстановительным отжигом наряду с оксидом молибдена механическим смешиванием дополнительно вводят 2 мас.% кобальта в виде оксида кобальта с доведением его суммарной концентрации до 8,5±0,5 мас.%.

Спеченные стали из такого порошка можно эксплуатировать вплоть до 700^oС при сохранении всего комплекса механических свойств.

С целью повышения износостойкости и ударной вязкости, порошок состава II механическим смешиванием добавляют порошок никеля с доведением его суммарной концентрации до 4±0,5 мас.%. Сталь из такого порошка имеет σ_в = 1350 H/мм², КС=50 Дж/см² и НВ=4500 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 расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 4 мас.%, после дробления в порошок механическим смешиванием вводят легирующие элементы в виде соединения 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.

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.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что после измельчения к легированному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.

7. 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 расплав дополнительно вводят никель в количестве не более 2 мас.% и кобальт в количестве не более 7 мас.%, после дробления в порошок механическим смешиванием вводят молибден в количестве не более 25 мас.% в виде оксидов или полимолибдатов аммония, затем смесь подвергают диффузионно-восстановительному отжигу в водородосодержащей атмосфере при 800-850^oС с последующим измельчением.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что вместе с соединениями молибдена дополнительно вводят оксиды кобальта, при этом суммарное содержание молибдена и кобальта, вводимых в виде соединений, не превышает 25 мас.%.

9. Способ по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что после измельчения к легированному порошку механическим смешиванием добавляют порошок никеля.