Способ получения порошкового материала на основе железа
Владельцы патента RU 2424873:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ им. А.Н. Туполева) (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к изготовлению заготовок деталей из порошкового материала на основе железа с высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Порошок железа подвергают воздействию высокочастотной плазмой пониженного давления путем введения его в плазменную струю при давлении 1.33-133 Па. Плазмообразующий газ состоит из 50% аргона и 50% воздуха, а воздействие им на порошок железа осуществляют при напряжении 7.8-8.0 кВт, силе тока 1.3-1.5 А, при расходе порошка железа 0.08-0.1 г/с. Из обработанного порошка готовят шихту, добавляют стеарат цинка в количестве 1 мас.%. Заготовку прессуют при давлении Р 400 кН, загружают их в шахтную печь и спекают в среде диссоциированного аммиака. После спекания проводят охлаждение в печи, а затем охлаждение на воздухе. Способ позволяет повысить механические свойства изделий, прочностные характеристики и коррозионную стойкость. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области порошковой металлургии и в частности может быть использовано при изготовлении заготовок деталей из порошкового материала с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.
Известен способ получения порошкового материала на основе железа с карбидом кремния (заявка №96103230, МПК С22С 33/02, дата публикации заявки: 27.02.1998), включающий смешивание порошков металлов и карбида кремния, прессование и спекание, отличающийся тем, что после предварительного уплотнения порошковой смеси в пресс-форме давлением 15-35 МПа дальнейшее прессование и спекание осуществляют одновременно, пропуская через смесь переменный ток промышленной частоты плотностью 10-35 А/мм2 при давлении 5-15 МПа в течение 3-25 с.
Известен способ получения упрочняемого оксидами композиционного материала на основе железа (патент РФ №2307183, МПК, С22С 1/05, С22С 33/02, опубл. 27.09.2007), при котором смешивают порошок малоустойчивого при деформации оксида железа и порошок стали, легированной элементами, образующими термоустойчивые нанооксиды. Полученную смесь подвергают механическому легированию при интенсивной холодной деформации сдвигом и обжигают. Заявленный способ позволяет осуществить механическое легирование стальной матрицы кислородом при меньшей степени холодной деформации, что приводит к сокращению времени технологического процесса.
Одним из наиболее перспективных методов повышения механических и физико-химических свойств порошковых материалов является метод обработки порошковых материалов воздействием высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления, позволяющий изменять в ходе проведения процесса воздействия как температуру обработки, так и характеристики ионного потока, поступающего из плазмы на поверхность обрабатываемого материала (Абдуллин И.Ш., Желтухин B.C. // Вестник Казанского технолог. ун-та. 2003.№1. С.172-179), (Абдуллин И.Ш., Желтухин B.C., Кудинов В.В. // Физ. и хим. обработки материалов. 2003. №4. С.45-51). При воздействии высокочастотной (ВЧ) плазмой пониженного давления в диапазоне давлений Р 1,33-133 Па любое тело, независимо от того, является ли оно проводником, полупроводником или диэлектриком, является дополнительным электродом. В результате чего у его поверхности так же, как и в приэлектродной области ВЧ - емкостного разряда образуется слой положительного заряда (СПЗ) толщиной ~ 10 -3 м. Проходя сквозь слой СПЗ и ускоряясь в его электрическом поле, положительные ионы плазмы получают дополнительную энергию до 100 эВ. При столкновении с поверхностью металла ионы передают приобретенную кинетическую энергию и потенциальную энергию рекомбинации поверхностным атомам и частично внедряются в поверхностный слой. Если плазмообразующий газ содержит атомы азота, кислорода или углерода, то в результате диффузионного насыщения поверхностного слоя металла этими элементами увеличивается механические и физико-химические свойства обрабатываемого металла.
Железный порошок является основным компонентом в конструкционных материалах, которые отличаются высокими прочностными характеристиками.
Экспериментальная часть работы по созданию ВЧ-индукционного разряда реализовались в цилиндрической разрядной камере из кварца с внутренним диаметром от 10 до 110 мм с помощью трехкольцевого медного водоохлаждаемого индуктора. Рабочее давление Р составляло 1,33-133 Па, частота генератора f=1,76 МГц, потребляемая мощность N=2-18 кВт.
Обработка железного порошка ВЧ-плазмой на стадии подготовки компонентов приводит к увеличению прочностных характеристик материалов заготовок. Уровень прочностных характеристик определяет срок службы изделий, поэтому необходимо проводить дальнейшую работу по увеличению эксплуатационных характеристик порошковых материалов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении механических свойств порошкового материала на основе железа, увеличении прочностных характеристик материалов заготовок изготовленных из порошка железа и их коррозионной стойкости.
Технический результат достигается тем, что в способе получения порошкового материала на основе железа, включающем приготовление шихты из порошка железа, предварительно подвергнутого воздействию высокочастотной плазмой пониженного давления путем введения его в плазменную струю при давлении 1.33-133 Па, просеивание ее, добавление в шихту в качестве пластификатора стеарата цинка, прессование заготовок, загрузку и спекание их в шахтной печи в среде диссоциированного аммиака, охлаждение в печи, а затем охлаждение на воздухе в среде диссоциированного аммиака, новым является то, что плазмообразующий газ состоит из аргона и воздуха, а воздействие им на порошок железа осуществляют при напряжении 7.8-10 кВт, силе тока 1.3-1.5 А при расходе порошка железа 0.08-0.1 г в секунду.
Плазмообразующий газ содержит 50% аргона и 50% воздуха.
Прессование заготовок осуществляют при давлении Р 400 кН.
Спекание заготовки осуществляют следующим образом: загрузку осуществляют при температуре 200°C, выдерживают 20 мин, увеличивают температуру до 600°С, выдерживают 30 мин, осуществляют дальнейшее повышение температуры до t 1150°С и выдерживают 120 мин, охлаждают в печи до 800°С, а затем охлаждают на воздухе в среде диссоциированного аммиака до температуры 150°С.
Стеарат цинка добавляют в шихту в количестве 1% от ее веса.
На фиг.1 представлена экспериментальная ВЧ-плазменная установка:
а) - схема установки; б) - фотография установки.
На фиг.2 представлена сравнительная характеристика пределов прочности опытного и исходного образцов.
На фиг.3 - сравнительные характеристики твердости опытного и исходного образцов.
Здесь: 1 - ВЧ генератор, 2 - плазмотрон, 3 - карусельное устройство, 4 - вакуумная камера, 5 - система откачки, 6 - диагностическое оборудование, 7 - система подачи газа, 8 - система электропитания, 9 - система водоснабжения, 10 - система вращения.
В ВЧ-плазме пониженного давления в диапазоне Р=1,33-133 Па любое тело, независимо от того, является ли оно проводником, полупроводником или диэлектриком, является дополнительным электродом. В результате чего у его поверхности так же, как и в приэлектродной области ВЧ емкостного разряда образуется слой положительного заряда (СПЗ) толщиной ~10-3 м. Проходя сквозь слой СПЗ и ускоряясь в его электрическом поле, положительные ионы плазмы получают дополнительную энергию до 100 эВ.
При столкновении с поверхностью металла ионы передают приобретенную кинетическую энергию и потенциальную энергию рекомбинации поверхностным атомам и частично внедряются в поверхностный слой. Если плазмообразующий газ содержит атомы азота, кислорода или углерода, то в результате диффузионного насыщения поверхностного слоя металла этими элементами увеличиваются механические и физико-химические свойства обрабатываемого металла.
Способ включает обработку железного порошка ВЧ-плазмой на стадии приготовления шихты путем введения в плазменную струю порошковых материалов в соответствии с технологическими параметрами, приведенными в таблице.
| Давление в камере Р кам.(Па) |
Расход порошка G (г/с) |
Сила тока Iа(А) |
Напряжение Ua (кВ) |
Плазмообразующий газ | Время обработки, (мин) |
| 1.33-133 | 0,08-0.1 | 1,3-1.5 | 7,8-10 | Аргон+Воздух (50:50) |
8 |
Дальнейшее получение порошкового материала на основе железа включает приготовление шихты по традиционной технологии: просеивание обработанного порошка железа через сетку 0, 2 мм, добавление в шихту в качестве пластификатора стеарата цинка в количестве 1% от веса материала, прессование заготовок Р=400 кН и спекание заготовок в шахтной печи в среде диссоциированного аммиака. Заготовки загружают в шахтную печь при 200°С, выдерживают 20 мин, затем увеличивают температуру печи до 600°С и выдерживают 30 мин, далее увеличивают температуру в печи до 1150°С и выдерживают 120 мин, охлаждают в печи до 800°С, а затем охлаждают на воздухе в среде диссоциированного аммиака до 150°С.
Плазмообразующий газ состоит из 50% аргона и 50% воздуха, а воздействие им на порошок железа осуществляют при давлении 1.33-133 Па, напряжении 7.8-10 кВт, силе тока 1.3-1.5 А при расходе порошка железа 0.08-0.1 г/сек.
Работы по созданию ВЧ индукционного разряда реализовались в цилиндрической разрядной камере (фиг.1,а б) из кварца с внутренним диаметром от 10 до 110 мм с помощью трехкольцевого медного водоохлаждаемого индуктора. Рабочее давление плазмообразующего газа Р равно 1,33-133 Па, частота генератора f=1,76 МГц, потребляемая мощность N 2-18 кВт.
Проведены испытания образцов из обработанного ВЧ-плазмой порошка железа на растяжение и твердость. Данные испытаний - влияния обработки ВЧ-плазмой на механические свойства порошка железа (ПЖРЗ ГОСТ9849) представлены на фиг.2 и 3. Проведенные исследования показали, что обработка железного порошка ВЧ-плазмой на стадии подготовки компонентов приводит к увеличению прочностных характеристик материалов заготовок.
1. Способ получения порошкового материала на основе железа, включающий приготовление шихты из порошка железа, предварительно подвергнутого воздействию высокочастотной плазмой пониженного давления, путем введения его в плазменную струю при давлении 1,33-133 Па, просеивание шихты, добавление в шихту в качестве пластификатора стеарата цинка, прессование заготовки, ее загрузку в шахтную печь и спекание в среде диссоциированного аммиака, охлаждение в печи, а затем охлаждение на воздухе в среде диссоциированного аммиака, отличающийся тем, что плазмообразующий газ состоит из аргона и воздуха, а воздействие им на порошок железа осуществляют при напряжении 7,8-8,0 кВт, силе тока 1,3-1,5 А, при расходе порошка железа 0,08-0,1 г/с.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазмообразующий газ содержит 50% аргона и 50% воздуха.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование заготовки осуществляют при давлении Р=400 кН.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при спекании заготовки в шахтной печи осуществляют ее загрузку при температуре t=200°C, выдерживают 20 мин, увеличивают температуру до t=600°C, выдерживают 30 мин, осуществляют дальнейшее повышение температуры до t=1150°C и выдерживают 120 мин, охлаждают в печи до температуры t=800°C, а затем охлаждают на воздухе в среде диссоциированного аммиака до температуры t=150°C.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что стеарат цинка добавляют в шихту в количестве 1% от ее веса.
