Способ получения порошковых металлических изделий с уплотненной поверхностью

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых металлических изделий, имеющих высокую прочность сердцевины и твердую уплотненную поверхность. Может использоваться в машиностроении для изготовления шестерен, подшипников и т.д. Способ уплотнения поверхностного слоя углеродсодержащего изделия, полученного из порошка на основе железа, включает обезуглероживание поверхностного слоя изделия для его размягчения. Полученный мягкий поверхностный слой уплотняют путем механического формования. Спеченное порошковое металлическое изделие, полученное из сплава на основе железа указанным способом, содержит 0,3-1,0 мас.% углерода в сердцевине и 0,3-1,5 мас.%, предпочтительно - 0,5-0,9 мас.% углерода в поверхностно упрочненном слое. Техническим результатом является получение изделия с сердцевиной, имеющей высокие прочность на разрыв и предел текучести, и поверхностью, имеющей высокие твердость и усталостные свойства. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения порошковых металлических изделий. Конкретнее, изобретение относится к способу получения порошковых металлических изделий, имеющих высокую прочность сердцевины и твердую уплотненную поверхность.

Уровень техники

Традиционные способы получения металлических деталей включают в себя, например, механическую обработку кованой заготовки, прутка или трубки. Однако эти традиционные способы производства отличаются плохой степенью использования материала и относительно высокой стоимостью в сравнении с процессами порошковой металлургии (ПМ). Другими преимуществами ПМ-процессов являются возможность создавать сложные формы за одну операцию формования, минимальная отделочная механическая обработка, высокая объемная производительность и высокая энергетическая эффективность (коэффициент полезного действия).

Несмотря на названные выше преимущества, использование в автомобилях спеченных ПМ-деталей все еще является относительно умеренным по сравнению с использованием деталей из низколегированной ковкой стали. Одной из сфер дальнейшего роста использования ПМ-деталей в автомобильной промышленности состоит в успешном внедрении ПМ-деталей в предъявляющие более высокие требования варианты применения, такие как применения для передачи энергии, например, в коробках передач. Одна из проблем, связанных с зубчатыми колесами, получаемыми ранее с помощью ПМ-процесса, состоит в том, что по сравнению с шестернями, изготовленными из прутка или кованой заготовки, порошковые металлические шестерни имеют пониженную усталостную прочность на изгиб в зубце и корневой области шестерни и низкое сопротивление износу боковых сторон зубцов вследствие остаточной пористости в микроструктуре. Один из способов успешного получения ПМ-шестерен для коробок передач состоит в прокатке профиля шестерни для повышения плотности поверхности, как показано в GB 2250227 В. Однако этот процесс приводит к плотности сердцевины, которая ниже плотности уплотненных участков и которая обычно составляет приблизительно 90% от полной теоретической плотности ковкой стали. Это приводит к получению зубцов со сравнительно более низкой усталостной стойкостью при изгибе, чем в случае такой же детали из ковкой стали, обработанной механическим путем.

Хотя температура спекания может оказывать значительное влияние на динамические свойства спеченных ПМ-деталей при данной плотности, максимальные уровни динамических свойств, достигаемые в случае любого режима спекания, также регулируются сочетанием используемой системы легирования и достигаемой плотности после спекания. Хотя с помощью обычных ПМ-процессов (с тепловой обработкой и без нее) возможно получение высокого предела прочности на разрыв при уровнях плотности после однократного сжатия до 7,2 г/см³, динамические свойства, такие как сопротивление развитию трещин и усталостная стойкость при циклической нагрузке, будут неизменно ниже, чем такие же свойства стали со сравнимым пределом прочности. Таким образом, способы получения шестерен коробок передач с помощью ПМ-процессов не получили широкой поддержки. Это в первую очередь вызвано отрицательным действием остаточной пористости. Следовательно, способы улучшения свойств ПМ-деталей, подвергающихся высокой нагрузке, должны учитывать уплотнение и микроструктуру высоконагружаемых участков для достижения хорошей циклической усталостной прочности на изгиб и усталостной стойкости поверхности, соответственно.

Способы улучшения свойств ПМ-деталей известны из патентов США №№5729822, 5540883 и 5997805, а также SU 822994.

В патенте США №5729822 раскрыт способ производства ПМ-изделий, которые могут быть использованы в шестернях, включающий в себя стадии: а) спекания порошковой металлической заготовки с получением плотности сердцевины между 7,4 и 7,6 г/см³; b) прокатки поверхности заготовки шестерни для уплотнения этой поверхности; с) нагревания прокатанной спеченной шестерни и науглероживания в вакуумной печи.

В патенте США №5540883 раскрыт способ производства ПМ-изделий, которые могут быть использованы в подшипниках, включающий в себя стадии: а) смешения углерода, порошка ферросплава и смазывающего вещества со сжимаемым железным порошком с образованием перемешанной смеси; b) прессования перемешанной смеси с формированием изделия; с) спекания изделия; d) накаливание по меньшей мере части поверхности изделия с помощью роликов; и е) термической обработки этого слоя.

В патенте США №5997805 раскрыт способ получения высокоплотных, высокоуглеродистых спеченных ПМ-сталей. Способ включает в себя: смешение порошков требуемого состава; прессование (компактирование) и спекание порошка; охлаждение спеченного изделия путем изотермического выдерживания или медленного охлаждения; последующее формование изделия до плотности от 7,4 до 7,7 г/см³. Путем охлаждения спеченного изделия, после которого следует изотермическое выдерживание, получают более низкую твердость высокоуглеродистого материала для последующей операции формования.

Настоящее изобретение предлагает новый способ получения ПМ-изделий с сердцевиной, характеризующейся плотностью от средней до высокой, высоким пределом текучести и поверхностью с высокой твердостью и высокой плотностью.

Сущность изобретения

Говоря кратко, в настоящем изобретении предлагается способ уплотнения поверхностного слоя углеродсодержащего изделия (необязательно - спеченного), полученного из порошка на основе железа, включающий уплотнение поверхностного слоя путем механического формования, отличающийся тем, что перед уплотнением проводят обезуглероживание поверхностного слоя изделия для размягчения этого поверхностного слоя, а затем мягкий поверхностный слой подвергают уплотнению.

В случае изделия, подвергнутого спеканию, обезуглероживание может быть осуществлено либо как часть стадии спекания, либо в виде отдельного процесса, следующего за спеканием.

Таким образом, в настоящем изобретении также предложен способ получения порошковых металлических изделий с высокой плотностью и уплотненной поверхностью, включающий спекание прессованного изделия и уплотнение поверхностного слоя, отличающийся тем, что во время части операции спекания проводят обезуглероживание поверхностного слоя изделия для размягчения этого поверхностного слоя, а затем мягкий поверхностный слой подвергают уплотнению.

В настоящем изобретении также предложено спеченное порошковое металлическое изделие, полученное из сплава на основе железа и подвергнутое поверхностному упрочнению, отличающееся тем, что оно получено с использованием любого из вышеупомянутых способов согласно настоящему изобретению и содержит 0,3-1,0 мас.% углерода в сердцевине и 0,3-1,5 мас.%, предпочтительно -0,5-0,9 мас.% углерода в поверхностно упрочненном слое.

Подробное описание изобретения

Конкретной целью обезуглероживания является размягчение поверхности изделия для того, чтобы можно было осуществить эффективное уплотнение поверхности изделия. Обезуглероженный поверхностный слой имеет более низкий предел текучести по сравнению с сердцевиной. При этом поверхностный слой будет уплотняться, тогда как напряжения в сердцевине будут низкими. В соответствии со способом согласно настоящему изобретению, уплотнение может быть осуществлено на материале с сердцевиной с высоким пределом текучести и мягким поверхностным слоем при использовании обычных давлений и материалов инструмента. Полученное изделие будет иметь высокую точность размеров и высокий предел прочности сердцевины. После поверхностного уплотнения поверхность необязательно подвергают поверхностному упрочнению или подвергают другим сравнимым методам повышения твердости поверхности с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости. Поверхность будет достигать твердости, превосходящей твердость материала сердцевины, благодаря ее более высокой плотности и поверхностно упрочненному слою, а усталостная прочность на изгиб и усталостные свойства при катящемся контакте значительно повышаются. В течение всего процесса сердцевина изделия сохраняет оптимальное содержание углерода для обеспечения высокого предела прочности на разрыв и высокого предела текучести.

Предпочтительные порошки, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой железные порошки или порошки на основе железа, необязательно содержащие один или более легирующих элементов. Такой порошок может содержать, например, вплоть до 10 мас.% одного или более легирующих элементов, выбранных из группы, состоящей из Cu, Cr, Мо, Ni, Mn, P, V и С. Порошки могут находиться в виде порошкообразных смесей, предварительно легированных порошков и диффузионно-связанных легированных порошков, или их комбинаций.

Прессование проводят при давлении 400-1000 МПа, предпочтительно - 600-800 МПа.

Спекание проводят при 1100-1350°С, т.е. обычных температурах для предварительно легированного или частично предварительно легированного железа.

Обезуглероживание проводят при температуре 750-1200°С, предпочтительно - 850-1000°С, в контролируемой атмосфере. Атмосфера предпочтительно состоит из водорода или смеси азота и водорода с необязательным добавлением H₂O, причем особенно хорошие результаты были получены со смесью азот/водород, в которой 50-100% водорода насыщено H₂O.

Толщина обезуглероженного слоя составляет 0,1-1,5 мм, предпочтительно - 0,8-1,2 мм, а содержание углерода в нем составляет 0-0,5 мас.%, предпочтительно - 0,03-0,3 мас.%.

Вследствие низкого содержания углерода на поверхности изделия материал уже является мягким, когда его подвергают механической обработке. Благодаря этой механической обработке поверхностный слой достигает полной плотности, и это означает, что может быть использован весь потенциал материала. Толщина слоя должна быть достаточной для того, чтобы соответствовать напряжениям, возникающим в условиях эксплуатации изделия.

Уплотнение поверхности может быть осуществлено путем механического формования, такого как поверхностное прессование, поверхностная прокатка, дробеструйное упрочнение, калибровка, или любыми другими способами, которые способны локально повышать плотность изделия. Однако существуют значительные различия между калибровкой и прокаткой. Основной целью операции калибровки является улучшение совпадения по форме (допуска на размер), тогда как повышение локальной плотности является только вторичной целью.

Операция прокатки является ключевым фактором для достижения свойств, сравнимых со свойствами кованой и поверхностно упрочненной стали. Однако вторичная функция операции прокатки заключается в улучшенном совпадении по форме. Точная последовательность прокатки и другие относящиеся к прокатке параметры должны быть адаптированы к конкретному изделию.

Поверхностное упрочнение, следующее за таким уплотнением поверхности, будет давать очень плотную и твердую поверхность.

Поверхностное упрочнение проводят при температуре 850-1000°С, предпочтительно - 900-950°С, в атмосфере, обогащенной 0,3-1,5% углерода, предпочтительно - 0,5-0,9% углерода. Термин «поверхностное упрочнение» означает любой тип повышения прочности (твердости) поверхности, который включает в себя добавление упрочняющего агента, т.е. углерода или азота. Типичными методами упрочнения являются традиционное поверхностное упрочнение, нитроцементация, азотонауглероживание, плазменное азотирование, ионное азотирование и т.д.

Содержание углерода в поверхностном слое после поверхностного упрочнения составляет 0,3-1,5 мас.%, предпочтительно - 0,5-0,9 мас.%. Содержание углерода в сердцевине сохраняется на уровне 0,3-1,0 мас.%.

За поверхностным упрочнением предпочтительно следует отпуск при низкой температуре на воздухе.

Изобретение будет дополнительно описано ниже с помощью следующих примеров.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой график, иллюстрирующий микротвердость после различных поверхностных обработок.

Фиг.2 представляет собой изображение, иллюстрирующее результаты поверхностного прессования, проведенного на обезуглероженной поверхности.

Фиг.3 представляет собой изображение, иллюстрирующее результаты поверхностного прессования, проведенного на спеченном образце.

ПРИМЕР

Готовили сплавы на основе железа с составами, представленными в таблице 1. Порошковые смеси прессовали в опытные изделия с использованием давления прессования приблизительно 600 МПа для получения «сырой» плотности (т.е. плотности в неспеченном состоянии) приблизительно 7,0 г/см³. Прессованные изделия затем обрабатывали с помощью пяти различных процессов обезуглероживания, представленных ниже:

А. Спекание при 1120°С/30 мин в смеси 30% N₂/70% H₂, после чего следует охлаждение со скоростью 0,5-2,0°С/сек.

В. (Единый процесс) Спекание при 1120°С/25 мин в смеси 90% N₂/10% Н₂, после чего следует спекание (обезуглероживание) при 1120°С/5 мин в 33% влажной и 67% сухой смеси 90% N₂/10% H₂ и охлаждение со скоростью 0,5-2,0°С/сек в 33% влажной и 67% сухой смеси 90% N₂/10% H₂.

С. (Единый процесс) Спекание при 1120°С/25 мин в смеси 90% N₂/10% H₂, после чего следует спекание (обезуглероживание) при 1120°С/5 мин в 20% влажной и 80% сухой смеси 90% N₂/10% H₂ и охлаждение со скоростью 0,5-2,0°С/сек в 20% влажной и 80% сухой смеси 90% N₂/10% H₂.

D. Спекание при 1120°С/30 мин в эндогазе с 0,65% CO₂ с последующим охлаждением со скоростью 0,5-2,0°С/сек.

Е. (Двойной процесс) Спекание при 1120°С/30 мин в смеси 30% N₂/70% H₂, после чего следует обезуглероживание при 950°С/20 мин в 50% влажного и 50% сухого H₂ и охлаждение со скоростью 0,5-2,0°С/сек.

Таблица 1
№	Материал*	Начальный % углерода**	Легирующие элементы	Тип порошка
1	Distaloy AE	0,6	0,5% Mo, 1,5% Cu, 4% Ni	Диффузионно-связанный
2	Distaloy AE	0,5
3	Distaloy AE	0,4
4	Astaloy Mo	0,6	1,5% Mo	Предварительно легированный
5	Astaloy Mo	0,5
6	Astaloy Mo	0,4
* + 0,6% Kenolube ** добавлен в виде графита

Уплотнение поверхности проводили на таких изделиях путем поверхностной прокатки при прокатывающем усилии 15-35 кН и частоте вращения валков 5-40 об.

Поверхностное упрочнение проводили на уплотненных частях путем воздействия на эти части температуры 950°С/60 мин в атмосфере 0,5% углеродного потенциала с последующим отпуском при 185°С/60 мин на воздухе.

Для того чтобы охарактеризовать эффект обезуглероживания и его влияние на уплотнение поверхности, были проведены измерения твердости поверхности (твердость по Виккерсу, HV10) и оценки микроструктуры (LOM) поперечных сечений обезуглероженных изделий. Проведенные анализы дают информацию как о твердости поверхности, так и о толщине мягкого обезуглероженного слоя.

Результаты измерений твердости поверхности представлены в таблице 2 и на Фиг.1. Очевидно, что твердость поверхности падает после обезуглероживания и повышается после уплотнения поверхности и поверхностного упрочнения.

На Фиг.2 и 3 представлено влияние поверхностного прессования (усилие прессования 60 кН) соответственно на обезуглероженную и только что спеченную поверхность (материал: Distaloy АЕ + 0,6% С).

Таблица 2
№	Твердость поверхности (HV10)
	После спекания	Обезуглерожена с помощью процесса В (33% вг*)	Обезуглерожена с помощью процесса С (22% вг*)	Науглерожена до 0,5% углерода
1	274	138	148	466
3	221	122	154	456
4	210	118	152	435
6	173	81	87	594
* вг = влажный газ

Содержания углерода после различных процессов обезуглероживания представлены в таблице 3. Из данной таблицы можно увидеть, что отдельный процесс обезуглероживания (процесс Е, двойной процесс) дает более высокий эффект обезуглероживания поверхности, чем единые процессы (процессы В и С), хотя последний проявляет некоторый эффект обезуглероживания. По сравнению с едиными и двойным процессами, спекание оказывает очень ограниченное влияние на обезуглероживание поверхности. Это определяется главным образом кинетическим влиянием во время реакции.

Таблица 3
№	Содержание углерода (%)
Начальное содержание углерода	После спекания	Обезуглерожена с помощью процесса В (20% вг*)	Обезуглерожена с помощью процесса С (33% вг*)	Обезуглерожена с помощью процесса Е(ДП**) (50% вг)
1	0,6	0,52	0,48	0,43	0,28
3	0,4	0,37	0,31	0,28	0,17
4	0,6	0,58	0,49	0,44	0,26
6	0,4	0,39	0,32	0,28	0,17
* вг = влажный газ ** ДП = двойной процесс

Измерение содержания углерода проводили по всему объему, а не на поверхности образца. Содержание углерода на поверхности образца должно быть намного ниже, чем измеряемое сейчас значение.

Прочностные испытания проводили на образцах, спеченных при 1120°С в течение 30 мин в атмосфере 90% N₂/10% H₂. Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4
№	Содержание углерода	Предел прочности на разрыв/ предел текучести (спекание при 1120°С/30 мин)*
l	0,6	732/400
2	0,5	734/398
3	0,4	686/376
4	0,6	550/425
5	0,5	537/421
6	0,4	518/407
* Атмосфера: 90% N2/10% H2

1. Способ уплотнения поверхностного слоя углеродсодержащего изделия, полученного из порошка на основе железа, включающий уплотнение поверхностного слоя путем механического формования, отличающийся тем, что перед уплотнением проводят обезуглероживание поверхностного слоя изделия для размягчения этого поверхностного слоя, а затем мягкий поверхностный слой подвергают уплотнению.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезуглероживание проводят при условиях, обеспечивающих получение мягкого поверхностного слоя толщиной 0,1-1,5 мм, предпочтительно 0,8-1,2 мм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что обезуглероживание проводят при условиях, обеспечивающих получение мягкого поверхностного слоя, содержащего 0-0,5 мас.% углерода, предпочтительно 0,03-0,3 мас.% углерода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после уплотнения поверхностного слоя изделия проводят поверхностное упрочнение.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что поверхностное упрочнение проводят путем науглероживания.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что поверхностное упрочнение проводят при условиях, обеспечивающих получение поверхностного слоя, содержащего 0,3-1,5 мас.% углерода, предпочтительно 0,5-0,9 мас.% углерода.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что получают поверхностно упроченное изделие, содержащее 0,3-1,0 мас.% углерода в сердцевине.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезуглероживание проводят путем нагрева изделия при 750-1200°С, предпочтительно при 850-1000°С, в контролируемой атмосфере.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят уплотнение изделия, полученного из порошка на основе железа, содержащего по меньшей мере один легирующий элемент, выбранный из группы, включающей медь, хром, молибден, никель, марганец, фосфор и ванадий.

10. Способ получения порошковых металлических изделий с высокой плотностью и уплотненной поверхностью, включающий спекание прессованного изделия и уплотнение поверхностного слоя, отличающийся тем, что во время части операции спекания проводят обезуглероживание поверхностного слоя изделия для размягчения этого поверхностного слоя, а затем мягкий поверхностный слой подвергают уплотнению.

11. Спеченное порошковое металлическое изделие, полученное из сплава на основе железа и подвергнутое поверхностному упрочнению, отличающееся тем, что оно получено с использованием способа по п.1 или 10 и содержит 0,3-1,0 мас.% углерода в сердцевине и 0,3-1,5 мас.%, предпочтительно 0,5-0,9 мас.%, углерода в поверхностно упрочненном слое.