Порошок на основе железа, способ изготовления спеченного изделия и спеченное изделие, изготовленное этим способом

 

Изобретение относится к порошку легированной стали с низким содержанием кислорода и углерода, к способу изготовления спеченного изделия и к спеченным изделиям. Предложенное спеченное изделие, имеющее прочность на растяжение 750 МПа, изготавливают прессованием распыленного водой, отожженного порошка на основе железа, содержащего, маc. %: Cr 2,5-3,5, Mo 0,3-0,7, Mn 0,09-0,3, Cu<0,10, Ni<0,15, P<0,02, N<0,01, V<0,10, Si<0,10, W<0,10, O<0,25, С <0,01, неизбежные примеси <0,5, железо - остальное, при давлении по меньшей мере 600 МПа и подвергают спрессованное тело спеканию при температуре не более 1220^oС. Обеспечиваются высокие механические свойства изделий и сокращение затрат на их изготовление. 3 с. и 9 з. п. ф-лы, 1 ил. , 4 табл.

Область техники Настоящее изобретение относится к порошку хромистой легированной стали, в частности к порошку легированной стали с низким содержанием кислорода и углерода, содержащему помимо железа и хрома также Мо и Мn, а также к его получению. Изобретение также относится к способу изготовления спеченных деталей из этого порошка и к спеченным деталям.

Описание предшествующего уровня техники В последнее время были разработаны разные способы упрочнения материалов для спеченных деталей машин, изготавливаемых из разных видов порошка легированной стали методами порошковой металлургии. Использование в качестве легирующих элементов хрома, молибдена и марганца в порошках на основе железа с низким содержанием кислорода и углерода было предложено, например, в патенте США 42669794 и заявке ЕР 0653262. Основным порошковым материалом в обеих публикациях является распыленный водой и подвергнутый восстановительному отжигу порошок. В публикации США в качестве наиболее важной операции для получения порошка с низким содержанием кислорода и углерода является отжиг, который предпочтительно должен выполняться при пониженном давлении, в частности посредством вакуумно-индукционного нагрева. В патенте США также сказано, что другие методы восстановительного отжига имеют недостатки, которые ограничивают их применение на промышленной основе. В заявке ЕР ничего не сказано о восстановительном отжиге. Согласно патенту США эффективные количества легирующих элементов составляют 0,2-5,0 мас.% хрома, 0,1-7,0 мас.% молибдена, и 0,35-1,50 мас.% марганца. В публикации ЕР сказано, что эффективные количества должны составлять 0,5-3 мас.% хрома, 0,1-2 мас.% молибдена и не более 0/08 мас.% марганца. Цель изобретения, описанного в патенте США, заключается в том, чтобы получить порошок, удовлетворяющий потребности в высокой сжимаемости и формуемости порошка, и в хороших свойствах для термообработки, таких как науглероживание, прокаливаемость, в спеченном материале. Серьезной проблемой при использовании изобретения, описанного в заявке ЕР, является невозможность использования дешевого лома, так как он обычно содержит более 0,08 маc.% марганца. В этом отношении в заявке ЕР сказано, что необходимо использовать специальную обработку, чтобы снизить содержание Мn до уровня не выше, чем 0,08% мас.%. Другая проблема состоит в том, что ничего не сказано о восстановительном отжиге и возможности достижения низкого содержания кислорода и углерода в распыленных водой порошках на основе железа, имеющих в своем составе такие чувствительные к окислению элементы, как хром и марганец. Единственная информация в этом отношении дана в примере 1, где сказано, что необходимо выполнять заключительное восстановление.

Из наиболее близкого решения согласно уровню техники известен порошок на основе железа, распыленный водой и отожженный, содержащий Сr, Мо, Мn, Сu, Ni, V, Si, О, С, из которого изготовляют спеченное изделие способом, включающим получение распыленного водой порошка на основе железа, содержащего легирующие элементы Сr, Мо и Мn, восстановительный отжиг полученного распыленного водой порошка, добавление к нему графита, прессование отожженного порошка и спекание спрессованного тела (US 4266974, кл. В 22 F 1/00, 12.05.1981).

Задачей изобретения является получение порошка для изготовления из него изделий, имеющих высокие механические свойства, и сокращение затрат на их изготовление.

Эта задача решается за счет того, что порошок на основе железа, распыленный водой и отожженный, содержащий Сr, Мо, Мn, Сu, Ni, N, V, Si, О, С, дополнительно содержит P, W при следующем соотношении в маc.%: Сr 2,5-3,5, Мо 0,3-0,7, Мn 0,09-0,3, Сu<0,10, Ni<0,15, P<0,02, N<0,01, V<0,10, Si<0,10, W<0,10, O<0,25, С<0,01, неизбежные примеси <0,5, железо - остальное. Согласно предпочтительному выполнению порошок характеризуется следующим соотношением компонентов в мас.%: Сr 2,7-3,3, Мо 0,4-0,6, Мn 0,09-0,25, O<0,15, С<0,007, неизбежные примеси <0,2, железо - остальное.

Кроме того, вышеупомянутая задача решается в способе изготовления спеченного изделия, включающем получение распыленного водой порошка на основе железа, содержащего легирующие элементы Сr, Мо и Мn, восстановительный отжиг полученного распыленного водой порошка, добавление к нему графита, прессование отожженного порошка и спекание спрессованного тела за счет того, что распыленный водой порошок на основе железа содержит легирующие элементы Сr, Мо и Мn в количестве, соответствующем вышеуказанному порошку, прессование осуществляют при давлении, по меньшей мере, 600 МПа, а полученное спеченное изделие характеризуется, без последующей термообработки, прочностью на растяжение, по меньшей мере, 750 МПа.

Согласно предпочтительному выполнению способа к отожженному распыленному водой порошку необязательно добавляют, по меньшей мере, один легирующий элемент, выбранный из группы Сu, Р, В, Nb, V, Ni и W, в количестве, определяемом конечным применением спеченного изделия; восстановительный отжиг осуществляют при атмосферном давлении в восстановительной атмосфере в присутствии Н₂ и регулируемых количеств Н₂О; восстановительный отжиг осуществляют при низком давлении и практически в инертной атмосфере и при откачке СО; распыленный водой порошок перед восстановительным отжигом имеет весовое соотношение О:С в пределах от 1 до 4, предпочтительно от 1,5 до 3,5, и наиболее предпочтительно от 2 до 3 и содержание углерода в пределах от 0,1 до 0,9 мас.%.; перед прессованием к отожженному порошку добавляют графит в количестве 0,25-0,65, предпочтительно 0,3-0,5 мас.%; для порошков, содержащих 3-3,5 мас.% Сr, количество графита составляет 0,25-0,5 мас.%; спекание осуществляют при температуре не более 1220^oС, предпочтительно 1200^oС и наиболее предпочтительно менее 1150^oС; спекание осуществляют в течение менее 60 минут, предпочтительно менее 50 минут, и наиболее предпочтительно менее 40 минут.

При вышеупомянутых условиях спеченное изделие, содержащее углерод, характеризуется общим содержанием углерода, по меньшей мере, 0,25%, предпочтительно, по меньшей мере, 0,3%.

Технический результат, создаваемый изобретением, заключается в том, что спеченные изделия, полученные из недорогого распыленного водой и подвергнутого восстановительному отжигу сырья, имеют высокие механические свойства, а именно сочетают в себе высокую прочность на растяжение, высокую ударную вязкость и высокую точность размеров. Еще удивительнее то, что эти свойства можно получить термообработкой спеченных изделий. Было обнаружено, что спеченные изделия, сочетающие в себе прочность на растяжение, по меньшей мере, 800 МПа, и ударную вязкость, по меньшей мере, 19 Дж, можно получить в таком экономичном оборудовании для спекания, как высокопроизводительные конвейерные печи, работающие при температуре около 1120^o за время спекания около 30 минут.

Предложенный порошок легированной стали можно легко получить, подвергнув сталь в слитках, имеющую указанный выше состав легирующих элементов, любому известному методу распыления водой. Распыленный водой порошок предпочтительно готовят таким образом, чтобы перед отжигом распыленный водой порошок имел весовое соотношение 0:С в пределах 1:4, предпочтительно 1,5-3,5 и выше, наиболее предпочтительно, 2-3, а содержание углерода - в пределах 0,1-0,9 мас. %. Для дальнейшей обработки согласно изобретению этот распыленный водой порошок можно подвергнуть отжигу в соответствии со способами, описанными в заявке PCT/SE97/01292 (упоминаемой здесь для сведения), которая более конкретно касается процесса, заключающегося в следующем:
a) готовят распыленный водой порошок, состоящий в основном из железа и факультативно, по меньшей мере, одного легирующего элемента, выбранного из группы, включающей хром, марганец, медь, никель, ванадий, ниобий, бор, кремний, молибден и вольфрам;
b) подвергают порошок отжигу в атмосфере, содержащей, по меньшей мере, газы Н₂ и Н₂О;
c) измеряют концентрацию, по меньшей мере, одной из окисей углерода, образовавшихся во время процесса обеуглероживания, или
d) измеряют потенциал кислорода практически, по меньшей мере, в двух точках, расположенных на заранее определенном расстоянии друг от друга в продольном направлении печи, или
e) измеряют концентрацию согласно операции СО в совокупности с измерением потенциала кислорода, по меньшей мере, в одной точке печи,
f) регулируют содержание газа H₂O в обезуглероживающей атмосфере с помощью измерения.

Другой процесс, который можно использовать для приготовления порошков на основе железа с низким содержанием кислорода и углерода, имеющих в своем составе малые количества легко окисляемых легирующих элементов, описан в совместно рассматриваемой шведской заявке на патент 9800153-0. Этот процесс заключается в том, что
загружают распыленный водой порошок в газонепроницаемую печь в атмосферу практически инертного газа и закрывают печь,
повышают температуру печи, предпочтительно посредством прямого электрического или газового нагрева, до температуры 800-1350^oС,
контролируют увеличение образования газа СО и откачивают газ из печи, когда наблюдается существенное увеличение образования СО, и
охлаждают порошок, когда снижается увеличение образования газа СО.

Этот отожженный порошок с низким содержанием кислорода и углерода затем смешивают с графитовым порошком и, факультативно, по меньшей мере, с одним легирующим элементом, выбранным из группы, включающей Сu, Р, В, Nb, V, Ni и W, в количестве, которое определяется конечным применением спеченного изделия. Количество добавляемого графита обычно колеблется в пределах 0,15-0, 65 % массы порошка на основе железа, а смазочный материал, такой как стеарат цинка или Н-парафин, составляет 1 мас.% порошка на основе железа. Эту смесь затем прессуют при обычном давлении прессования, т.е. в интервале 400-800 МПа, и спекают при температуре в пределах 1100-1300^oС. При этом предпочтительно и неожиданно продукты, полученные из предложенного порошка, имеют отличные механические свойства, даже когда порошки спекают при низких температурах, т. е. температурах ниже около 1220^oС, предпочтительно ниже 1200^oС или даже ниже около 1150^oС, и в течение сравнительно короткого времени спекания, т.е. менее одного часа, например, 45 минут. Обычно спекание осуществляют в течение 30 минут.

Причины, почему соответствующие компоненты порошка легированной стали и спеченного тела ограничены конкретными пределами, таковы.

Содержание С в порошке легированной стали ограничено значением не выше 0,01%, потому что С является элементом, который служит для упрочнения ферритной матрицы за счет образования твердого раствора при проникновении С в сталь. Если содержание С превосходит 0,01 мас.%, то порошок будет излишне упрочнен, что приводит к чрезмерно низкой сжимаемости порошка, предназначенного для промышленного использования.

Количество С в спеченном изделии определяется количеством графитового порошка, смешанного с предложенным порошком легированной стали. Обычно количество графита, добавляемого в порошки, составляет 0,15-0,65 мас.%. Для порошков с содержанием Сr в пределах 3-3,5 маc.% количество добавляемого графита несколько ниже и предпочтительно составляет 0,15-0,5%. Количество С в спеченном изделии практически такое же, как количество графита, добавленного в порошок.

Ограниченные количества следующих составляющих компонентов одинаковы для порошка легированной стали и спеченного тела.

Компонент Мn повышает прочность стали за счет улучшения закаливаемости и растворного упрочнения. Однако если количество Мn превосходит 0,3%, то возрастает твердость феррита в результате упрочнения твердого раствора, а это в свою очередь приводит к плохой сжимаемости порошков. Если количество Мn ниже 0,08, то невозможно использовать дешевый лом, который обычно имеет содержание Мn выше 0,08%, если только не выполнить специальную обработку, направленную на снижение содержания Мn, в процессе изготовления стали (см. ЕР 653262, стр.4, строки 42-44). Таким образом, предпочтительное количество Мn согласно изобретению составляет 0,09-0,3%. Вместе с содержанием С ниже 0,007% этот интервал содержания Мn дает наиболее интересные результаты.

Компонент Сr является подходящим легирующим элементом для стальных порошков, так как он позволяет получить спеченные изделия с улучшенной упрочняемостью, но при этом не вызывает существенного повышения твердости феррита. Для получения достаточной прочности после спекания предпочтительно содержание Сr 2,5% или выше. Содержание Сr выше 3,5% вызывает проблемы образования оксидов и/или карбидов. Кроме того, если содержание Сr превосходит 3,5 мас. %, то упрочняемость становится слишком высокой для практического применения спеченных изделий. На чертеже дополнительно проиллюстрирована важность выбора узкого интервала 2,5-3,5 мас.% Сr для обеспечения комбинации высокой прочности на растяжение и ударной вязкости.

Компонент Мo служит для повышения прочности стали за счет повышения закаливаемости, а также за счет растворения и дисперсионного твердения. Содержание Мо ниже 0,3% только незначительно влияет на свойства. Кроме того, предпочтительно, чтобы содержание Мо не превышало 0,7% из-за стоимости этого легирующего элемента.

Обычно требуются небольшие количества S и Р, т.е. ниже 0,01, для получения высокопрочных спеченных материалов и порошков, имеющих высокую сжимаемость, и количество S и Р в порошках, используемых согласно настоящему изобретению, составляет ниже 0,01 мас.%.

Компонент О оказывает большое влияние на механическую прочность спеченного тела и обычно является предпочтительным, чтобы количество О было как можно меньше. О образует устойчивые оксиды с Сr, а это препятствует соответствующему механизму спекания. Поэтому содержание О должно быть предпочтительно не выше 0,2%. Если его содержание превышает 0,25%, то образуется большое количество оксидов.

Спекание спрессованного тела предпочтительно осуществляют при температуре ниже 1220^oС, более предпочтительно при температурах ниже 1200^oС, и наиболее предпочтительно при температуре ниже 1150^oС. Как проиллюстрировано в следующих примерах, неожиданно высокая прочность на растяжение достигается без какой-либо последующей термообработки, когда спекание осуществляют при температуре всего 1120^oС в течение всего 30 минут. Так как спекание при высоких температурах, т.е. выше 1220^oС, нежелательно повышает стоимость продукции, предложенные порошок и способ являются очень привлекательными с точки зрения производства.

Скорость охлаждения ниже 0,5^oС/сек приводит к образованию феррита, а скорость охлаждения выше 2^oС/сек приводит к образованию мартенсита. В зависимости от состава порошка на основе железа и количества добавленного графита, скорости охлаждения, типичные для конвейерных печей, т.е. 0,5-2^oС/сек, приводят к образованию полностью бейнитных структур, что является желательным для получения хорошей комбинации прочности и вязкости. В этом контексте следует также отметить, что процесс спекания согласно изобретению предпочтительно выполняется в конвейерных печах.

В дальнейшем изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1
Стальные порошки с содержанием Сr в пределах 2-3 мас.%, содержанием Мо 0,5 мас.% и содержанием Мn 0,11 мас.% были получены распылением водой и отожжены, как описано в международной заявке PCT/SE 97/01292. Добавляли графит (С-UF4) в количестве от 0,3 до 0,7 мас.%, а также 0,8 мас.% смазочного материала, Н-парафина. Порошки прессовали при давлении 700 МПа, а затем спекали в атмосфере 90% N₂/10H₂ в течение 30 минут при 1120^oС. В следующих таблицах 1, 2 и 3 показаны плотность сырца (ПС), изменение размера (dl/L), твердость (HvlO), прочность на растяжение (ПР), предел текучести (ПТ) и ударная энергия (Шарпи) для полученных изделий.

Пример 2
Слишком высокое содержание Мn отрицательно влияет на сжимаемость из-за повышения твердости феррита в результате упрочнения твердого раствора. Это проиллюстрировано в таблице 4, которая показывает сжимаемость порошка Fe-3Cr-0,5Mo со смазанной формой при 600 МПа.

Формула изобретения

1. Порошок на основе железа, распыленный водой и отожженный, содержащий Сr, Мо, Мn, Сu, Ni, N, V, Si, О, С, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Р, W при следующем соотношении, маc. %:
Сr - 2,5-3,5
Мо - 0,3-0,7
Мn - 0,09-0,3
Сu - <0,10
2. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он характеризуется следующим соотношением компонентов, маc. %:
Сr - 2,7-3,3
Мo - 0,4-0,6
Мn - 0,09-0,25
O - <0,15
3. Способ изготовления спеченного изделия, включающий получение распыленного водой порошка на основе железа, содержащего легирующие элементы Сr, Мo и Мn, восстановительный отжиг полученного распыленного водой порошка, добавление к нему графита, прессование отожженного порошка и спекание спрессованного тела, отличающийся тем, что распыленный водой порошок на основе железа содержит легирующие элементы Сr, Мo и Мn в количестве согласно любому из пп. 1 и 2, прессование осуществляют при давлении, по меньшей мере, 600 МПа, а полученное спеченное изделие характеризуется без последующей термообработки прочностью на растяжение, по меньшей мере, 750 МПа.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что к отожженному распыленному водой порошку необязательно добавляют по меньшей мере один легирующий элемент, выбранный из группы Сu, Р, В, Nb, V, Ni и W, в количестве, определяемом конечным применением спеченного изделия.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что восстановительный отжиг осуществляют при атмосферном давлении в восстановительной атмосфере в присутствии Н₂ и регулируемых количеств Н₂O.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что восстановительный отжиг осуществляют при низком давлении в практически инертной атмосфере и при откачке СО.

7. Способ по любому из пп. 3-6, отличающийся тем, что распыленный водой порошок перед восстановительным отжигом имеет весовое соотношение O: С в пределах 1-4, предпочтительно 1,5-3,5, наиболее предпочтительно 2-3, и содержание углерода в пределах 0,1-0,9 мас. %.

8. Способ по любому из пп. 3-7, отличающийся тем, что перед прессованием к отожженому порошку добавляют графит в количестве 0,25-0,65, предпочтительно 0,3-0,5 мас. %.

9. Способ по любому из пп. 3-8, отличающийся тем, что для порошков, содержащих 3-3,5 маc. % Сr, количество графита составляет 0,25-0,5 мас. %.

10. Способ по п. 3, отличающийся тем, что спекание осуществляют при температуре не более 1220^oС, предпочтительно менее 1200^oС, наиболее предпочтительно менее 1150^oС.

11. Способ по п. 3, отличающийся тем, что спекание осуществляют в течение менее 60 мин, предпочтительно менее 50 мин, и наиболее предпочтительно менее 40 мин.

12. Спеченное изделие, содержащее углерод, отличающееся тем, что оно изготовлено по любому из пп. 5-9 и характеризуется общим содержанием углерода по меньшей мере 0,25%, предпочтительно по меньшей мере 0,3%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3