Порошок на основе железа, способ изготовления спеченного изделия и спеченное изделие, изготовленное этим способом - RU2216433C2

Код документа: RU2216433C2

Чертежи

Описание

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 1220oС, предпочтительно 1200oС и наиболее предпочтительно менее 1150oС;
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 1120o 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 800-1350oС,
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 1100-1300oС. 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 1220oС, предпочтительно ниже 1200oС или даже ниже около 1150oС, 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 1220oС, более предпочтительно при температурах ниже 1200oС, и наиболее предпочтительно при температуре ниже 1150oС. Как проиллюстрировано в следующих примерах, неожиданно высокая прочность на растяжение достигается без какой-либо последующей термообработки, когда спекание осуществляют при температуре всего 1120oС в течение всего 30 минут. Так как спекание при высоких температурах, т.е. выше 1220oС, нежелательно повышает стоимость продукции, предложенные порошок и способ являются очень привлекательными с точки зрения производства.

Скорость охлаждения ниже 0,5oС/сек приводит к образованию феррита, а скорость охлаждения выше 2oС/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. 0,5-2oС/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 1120oС. 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.

Реферат

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 1220oС. Обеспечиваются высокие механические свойства изделий и сокращение затрат на их изготовление. 3 с. и 9 з. п. ф-лы, 1 ил. , 4 табл.

Формула

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
Ni - <0,15
Р - <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
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
С - <0,007
Неизбежные примеси - <0,2
Железо - Остальное
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 Н2 O.
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 1220oС, предпочтительно менее 1200oС, наиболее предпочтительно менее 1150oС.
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%.

Авторы

Патентообладатели

Заявители

СПК: B22F1/00 B22F2998/10 B22F2999/00 C21D3/02 C22C33/0264 C22C38/22

Публикация: 2003-11-20

Дата подачи заявки: 1999-01-21

0
0
0
0
Невозможно загрузить содержимое всплывающей подсказки.
Поиск по товарам