Способ получения деталей из композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных трипсталей, пропитанных медью

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных трипсталей. Может использоваться для изготовления конструкционных и износостойких деталей в машиностроении, строительной индустрии, добывающей, приборостроительной, перерабатывающей и других отраслях. Способ получения деталей включает приготовление шихты на основе железа, содержащей никель и молибден. В пресс-форме размещают упрочняющую фазу в областях последующего фрикционного взаимодействия деталей. После чего осуществляют прессование деталей и спекание с инфильтрацией пропитывающим брикетом на основе меди, содержащим 10-30% железа. Спекание проводят с обеспечением неоднородного распределения никеля и молибдена с коэффициентом вариации концентрации каждого из элементов от 0,01 до 0,6 при концентрации никеля от 2 до 6% и молибдена от 0,5 до 1%. Техническим результатом является повышение прочности, ударной вязкости и износостойкости. 2 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления конструкционных и износостойких деталей строительной индустрии, машиностроительной, добывающей, приборостроительной, перерабатывающей и других отраслей промышленности.

Улучшение механических свойств и износостойкости сталей возможно за счет присутствия в структуре метастабильного аустенита. У сталей, полученных по традиционной технологии без применения методов порошковой металлургии (ПМ), фазовый переход аустенит - мартенсит деформации увеличивает износостойкость в 2-3 раза /Попов B.C., Брыков Н.Н., Фидря В.И. Испытания материалов в лабораторных условиях, имитирующие изнашивание облицовок пресс-форм. - Огнеупоры, 1984, №4, с.47-49/.

Известны порошковые материалы с повышенными механическими свойствами, в том числе износостойкостью, из диффузионно-легированных порошков, включающие:

приготовление шихты, прессование, спекание /Andersson О., Lindqvist В. Benefits of heterogeneous structures for the fatigue behaviour of PM steels //Metal Powder Report. 1990. V.45, №11. P.765-768/. Повышенные свойства материалов обеспечивает неоднородная структура с метастабильным аустенитом, затрудняющая разрушение посредством торможения движения трещины и увеличения протяженности ее фронта. Недостатком таких материалов является необходимость применения частично-легированных порошков, это повышает стоимость изделий, и далекая от оптимальной концентрационная неоднородность (из-за твердофазного спекания), что не позволяет достигнуть высоких механических свойств и износостойкости.

Исключить применение частично легированных порошков, добиться требуемых концентрационной неоднородности и количества остаточного аустенита дает возможность технология, включающая получение поликомпонентной порошковой стали, пропитанной медью, и последующую термическую обработку /Патент РФ №2198765 от 31 августа 1999 г./.

Недостаток таких материалов состоит прежде всего в сравнительно низкой по сравнению с ферротиками (карбидосталями) износостойкости, необходимость проведения закалки с 950°С концентрационно-неоднородного материала делает невозможным изготовление относительно крупных деталей из-за образования трещин, присутствие в структуре метастабильного остаточного аустенита обусловлено среди прочих факторов высоким содержанием углерода (1,5%), что понижает вязкость стали и исключает ее применение в ответственных изделиях.

Проблема повышения износостойкости может быть решена введением в псевдосплав сталь-медь карбидов. В качестве прототипа выбран способ изготовления деталей, включающий: приготовление шихты, содержащей карбидную фазу, прессование, спекание, совмещенное с инфильтрацией сплавом меди (1% графита, 5% железа, остальное - медь), и по мере неоходимости термическую обработку /Шацов А.А., Смышляева Т.В. Инфильтрированные медью карбидостали со структурно-неустойчивой матрицей //Трение и износ, 1988, №1, с.108-115/. Упрочняющей фазой в способе-прототипе является карбид титана, концентрация которого ограничена 5%. Т.к. угол смачивания карбидов титана медью более 90°, то дальнейшее повышение содержания TiC приводит к затруднению инфильтрации и ухудшению стабильности свойств. Общее содержание карбидов, включая образованные при спекании и/или термообработке карбиды с высоким содержанием хрома, составляет 10-15%. При таком содержании карбидной фазы материалы по износостойкости вполне способны конкурировать с ферротиками, содержащими 30-40% TiC, а по вязкости существенно их превосходят. Высокая износостойкость инфильтрированных медью карбидосталей со структурно-неустойчивой матрицей обусловлена фазовыми превращениями на контактной поверхности при трении и значительным ростом работы внешних сил, необходимой для удаления частиц карбидов из метастабильной матрицы. В результате частицы не выкрашиваются и остаются в матрице до их полного износа. Таким образом способ-прототип по сочетанию эксплуатационных характеристик существенно превосходит аналоги, но и он имеет следующие недостатки.

1. Высокое содержание фазы на основе меди с низкой износостойкостью (не менее 15-20%).

2. Относительно низкие вязкость и прочность - из-за необходимости введения в состав высокоуглеродистого псевдосплава карбидов.

3. Относительно невысокая износостойкость, обусловленная расположением упрочняющей фазы по всему объему материала, а не преимущественно на контактной поверхности.

Целью изобретения является повышение прочности, ударной вязкости и износостойкости композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных трипсталей, пропитанных медью.

Поставленную цель достигали тем, что на стадии прессования пластинки из твердого сплава располагали только в области контактирования элементов пары трения, толщина этих пластинок не превышала суммарной величины допуска на размер и допустимого износа детали; пропитывающий брикет содержал 10-30% порошка железа (в порошковых материалах при определенных условиях возможно существенное большее растворение железа в меди по сравнению с равновесной концентрацией даже в твердой фазе /Анциферов В.Н., Шацов А.А. Трение и изнашивание порошковой алюминиевой бронзы оптимального состава// Трение и износ. - 1996. - Т.17, №2. - С.213-217); компоненты шихты и технологию спекания выбирали так, чтобы обеспечить требуемый структурный, фазовый состав и механические свойства за счет заданной неоднородности распределения никеля и молибдена.

Сопоставление с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от прототипа улучшенными значениями прочности, вязкости и износостойкости, а значит, соответствует критерию "новизна".

Из сравнения с известным способом получения порошковых деталей ясно, что заявляемый метод позволяет получать детали с расположением упрочняющей фазы только в областях фрикционного взаимодействия, в способе-прототипе - карбиды распределены по всему объему стали; пропитывающий брикет содержит 10-30% железа (избыток железа после пропитки легко удаляется), способ-прототип предполагает содержание в пропитывающем брикете 5% железа; заявляемый способ обеспечивает иное распределение других легирующих элементов по сравнению со способом-прототипом. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ включает: приготовление поликомпонентной шихты, расположение упрочняющей фазы так, чтобы после последующих операций эта фаза находилась в областях фрикционного взаимодействия изделия, прессование деталей, спекание, совмещенное с инфильтрацией сплавом, содержащим 10-30% железа. Режим спекания и состав шихты выбирали исходя из необходимости получения требуемых распределения элементов, структуры и свойств деталей. Ниже предлагаем пример реализации изобретения.

Образцы приготовлены по следующей технологии:

- шихту, содержащую 4% порошка никеля; 1% порошка молибдена; 0,6% порошка графита и 94,4% порошка железа марки ПЖР 3.200.28 перемешивали 8 часов в двуконусном смесителе, введя для улучшения прессуемости 0,8% стеарата цинка;

- расположение стандартных пластинок из твердого сплава марки ВК6 в пресс-форме в области последующего фрикционного взаимодействия деталей;

- прессование при давлении 350 МПа в закрытых стальных пресс-формах деталей с пластинками из твердого сплава ВК6, расположенными в заданных областях деталей;

- прессование при давлении 400 МПа пропитывающих брикетов из смеси: 20% железа, остальное - медь;

- спекание, совмещенное с пропиткой, проводили в атмосфере водорода при температуре 1150-1180°С, 40 минут.

Образцы имели следующие механические свойства: предел прочности σ_В=1150 МПа, трещиностойкость K_1c=60 МП·м^1/2, ударная вязкость КС=55 кДж/м², твердость матрицы - 35 HRC, твердость упрочняющей фазы - 88 HRA. Варьируя содержание железа в пропитывающих брикетах, были получены механические свойства и относительная износостойкость, представленные в табл.1.

Таблица 1 Механические свойства и износостойкость деталей из композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных трипсталей, пропитанных медью
Содержание железа в пропитывающем брикете,%	Предел прочности σВ, МПа	Ударная вязкость КС, кДж/м2	Твердость износостойкой поверхности	Относительная износостойкость
10	1050	50	88 HRA	8,5
20	1150	70	88 HRA	9,5
30	1200	70	88 HRA	10
Прототип	560	40	40 HRC	1

Примечание. Здесь и далее содержание компонентов дано в % по массе.

Представленные в табл.1 свойства получены при следующих значениях коэффициентов вариации концентрации V молибдена и никеля: V_Mo=0,4; V_Ni=0,2. В качестве меры концентрационной неоднородности использовали коэффициент вариации концентрации V, равный отношению квадратного корня квадратного из дисперсии концентрации D к ее среднему значению С.

Для получения высоких эксплуатационных характеристик обсуждаемые материалы предпочтительно охлаждать с относительно невысокой скоростью после спекания. Закалку в жидкие охлаждающие среды по возможности следует исключить (так же, как и нагрев под закалку в окислительной воздушной атмосфере). Указанные особенности накладывает ограничения на состав и неоднородность распределения легирующих элементов.

Для принятых скоростей охлаждения после спекания в проходных печах концентрация никеля должна составлять 2-6%, молибдена - 0,5-1%, а концентрационная неоднородность каждого из элементов не должна превышать V=0,6. В табл.2 представлены экспериментальные результаты, подтверждающие это положение.

Варьируя технологические режимы и состав композитов, получили представленные в табл. 2 значения концентрационной неоднородности V и механических свойств. Увеличение содержания легирующих элементов сверх указанных в табл.2 значений повышает не только долю, но и стабильность аустенита, что неблагоприятно влияет на механические свойства. При более низкой концентрации никеля и молибдена доля аустенита уменьшается, кроме того, невозможно добиться большой доли мартенсита, а значит, и высоких механических свойств. Таким образом, концентрационная неоднородность распределения никеля и молибдена на уровне V=0,01-0,60 в интервале концентраций никеля 2-6% и молибдена - 0,5-1% обеспечивает присутствие метастабильного аустенита и высокие механические свойства.

Таблица 2 Влияние концентрационной неоднородности на твердость матрицы и вязкость композиционных материалов
Содержание, %	Коэффициент вариации концентрации, V	Ударная вязкость КС, кДж/м2	Твердость, HRC	Остаточный аустенит, %
никель	молибден	никель	молибден
2	0,5	0,5	0,6	50	15	5
6	1	0,2	0,3	70	25	30
6	0,5	0,2	0,4	75	30	25
2	1	0,4	0,5	70	20	10
4	0,5	0,01	0,2	55	35	15

Представленные в табл.2 данные относятся к среднеуглеродистым сталям, поскольку задача стабильного получения конструкционных сталей с более узкими интервалами содержания углерода, чем 0,3%, в промышленных условиях трудно разрешима, такой же интервал варьирования содержания углерода дает и ГОСТ 28378-89.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить прочность, вязкость и износостойкость деталей из композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных трипсталей, пропитанных медью. Одновременно исключается брак, обусловленный термической обработкой с использованием жидких охлаждающих сред.

Способ получения деталей из композиционных материалов на основе порошковых концентрационно-неоднородных сталей, включающий приготовление шихты на основе железа, прессование деталей и спекание с инфильтрацией пропитывающим брикетом на основе меди, отличающийся тем, что готовят шихту на основе железа, содержащую никель и молибден, перед прессованием в пресс-форме размещают упрочняющую фазу в областях последующего фрикционного взаимодействия деталей, для инфильтрации используют пропитывающий брикет на основе меди, содержащий 10-30% железа, а спекание проводят с обеспечением неоднородного распределения никеля и молибдена с коэффициентом вариации концентрации каждого из элементов от 0,01 до 0,6 при концентрации никеля от 2 до 6% и молибдена от 0,5 до 1%.