ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, СОДЕРЖАЩИЙ КОМБИНИРОВАННУЮ ДОБАВКУ, УЛУЧШАЮЩУЮ МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ, ДОБАВКА И СПЕЧЕННОЕ ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2008 года по МПК B22F1/00 C22C33/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к порошковой металлической композиции для производства порошковых металлических деталей. В частности, изобретение относится к порошковой металлической композиции, содержащей новую, улучшающую механическую обрабатываемость добавку.

Уровень техники

Одно из главных преимуществ изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит в том, что становится возможным при помощи прессования и спекания производить заготовку окончательной формы, или очень близкой к окончательной форме. Однако имеются случаи, когда необходима последующая механическая обработка. Например, это может быть необходимо из-за требований жестких допусков или из-за того, что окончательная деталь имеет такую форму, что она не может быть спрессована напрямую, а требует механической обработки после спекания. Более конкретно, геометрические конфигурации, например, отверстия, расположены поперек направления прессования, выточек и резьбы, требуют последующей механической обработки на станке.

При непрерывной разработке новых спеченных сталей с более высокой прочностью и, таким образом, более высокой твердостью, механическая обработка становится одной из главных проблем изготовления деталей методом порошковой металлургии. Это часто является ограничивающим фактором при оценке, является ли изготовление методом порошковой металлургии наиболее рентабельным способом изготовления деталей. Однако имеется огромная потребность в новых и более эффективных добавках для улучшения механической обрабатываемости спеченных сталей. К тому же важно то, что эта добавка существенно не влияет на механические свойства спеченного материала, такие как прочность при растяжении и удлинение.

К настоящему времени имеется ряд известных веществ, которые добавляют к порошковым смесям на основе железа для облегчения механической обработки деталей после спекания. Наиболее обычной порошковой добавкой является MnS, которую упоминают, например, в EP 0183666, описывающем улучшение механической обрабатываемости спеченной стали путем добавки такого порошка. Однако материалы, которые трудно механически обрабатывать, в этом контексте - материалы, имеющие твердость свыше примерно 180 HV, не могут быть хорошо механически обработаны даже при добавлении MnS. Кроме того, в зависимости от добавляемого количества и основы материала, добавки MnS могут уменьшать механическую прочность материала после спекания.

WO 91/14526 описывает использование малых количеств Те и/или Se вместе с MnS для улучшения примерно вдвое механической обрабатываемости материалов порошковой металлургии, которые трудно обрабатывать на станке. Добавление Те и/или Se является несовместимым с соображениями, относящимися к борьбе с загрязнением окружающей среды, в которых предельные санитарные значения для этих добавок являются очень низкими, и есть тенденция к ужесточению природоохранительного законодательства.

Патент США №4927461 описывает добавление гексагонального BN (boron nitride - нитрида бора) к порошковым смесям на основе железа для улучшения механической обрабатываемости металлической детали после спекания. В патенте заявлено, что путем использования агломератов из очень мелкого порошка BN возможно достигнуть улучшения механической обрабатываемости, такого как при добавлении MnS. Однако, если добавляют правильное количество порошка BN, то это оказывает влияние на прочность в меньшей степени, чем при добавлении MnS.

Патент США №5631431 также относится к добавке для улучшения механической обрабатываемости. Согласно этому патенту добавка содержит частицы фторида кальция, которые включены в порошковую композицию в количестве 0,1-0,6 мас.%. На практике оказалось, что фторид кальция является превосходным реагентом, улучшающим механическую обрабатываемость. Однако из-за непрерывного развития материалов, изготовленных методами порошковой металлургии, есть необходимость улучшать действие добавок.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложить новую добавку к порошковой металлической композиции для дальнейшего улучшения механической обрабатываемости. Другой задачей изобретения является предложить новую добавку, которая не имеет, или, по существу, не имеет, влияния на механические свойства. Кроме того, новая добавка должна быть приемлемой с экологической точки зрения.

Раскрытие изобретения

Обнаружено, что получена добавка, имеющая неожиданно высокий эффект улучшения механической обрабатываемости, путем соединения фторида кальция и гексагонального нитрида бора. Улучшение механической обрабатываемости лучше всего могло бы быть описано, как синергетический эффект. Кроме того, эта новая добавка, по существу, не имеет воздействия или имеет только незначительное воздействие на механические свойства спеченных деталей. Новая добавка также является приемлемой с экологической точки зрения. Изобретение также относится к порошковой композиции на основе железа, включающей в себя эту добавку.

Подробное описание изобретения

С целью получения эффекта, улучшающего механическую обрабатываемость, добавка должна быть включена в композицию на основе железа в количестве 0,02% и 1,0% по массе, предпочтительно - между 0,02% и 0,6% по массе.

К тому же, важны как тип, так и количество компонентов новой добавки. Таким образом, количество гексагонального нитрида бора должно находиться в интервале 0,01%-0,5% по массе, предпочтительно - 0,01-0,2% по массе, от порошковой композиции на основе железа. Количество фторида кальция должно находиться в интервале 0,01%-0,5% по массе, предпочтительно - 0,1%-0,4% по массе от порошковой композиции на основе железа. Более низкие количества, чем указанные выше, обоих компонентов: гексагонального нитрида бора и фторида кальция, не будут, соответственно вместе или по одиночке, обеспечивать необходимое воздействие на механическую обрабатываемость, и более высокие количества, будут отрицательно влиять на механические свойства. К тому же, предпочтительно то, что количество фторида кальция является более высоким, чем количество нитрида бора.

Что касается размера частиц компонентов, включенных в новую добавку, то было обнаружено, что согласно изобретению средний размер частиц гексагонального нитрида бора может изменяться от 1 до 50 мкм, предпочтительно - между 1 и 30 мкм. Предпочтительно - гексагональный нитрид бора представляет собой неагломерированные пластинчатые частицы.

Средний размер частиц фторида кальция составляет менее примерно 100 мкм, предпочтительно - между 20 и 70 мкм. Частицы со значением размера свыше 100 мкм будут негативно воздействовать на механическую обрабатываемость и механические свойства, и при ниже 20 мкм - эффект улучшения механической обрабатываемости становится меньшим.

Типы порошка на основе железа

Эта новая, улучшающая механическую обрабатываемость порошковая добавка может быть использована, по существу, в любой железной порошковой композиции. Таким образом, порошок на основе железа может быть порошком чистого железа, таким как распыленный порошок железа, восстановленный металлический порошок и подобное. Предварительно легированные, распыленные водой порошки, содержащие легирующие элементы, представляют наибольший интерес, а также - частично легированные стальные порошки. Конечно, эти порошки могут быть использованы в сочетании.

Другие добавки

Порошковая композиция согласно изобретению может также включать в себя добавки, такие как графит, другие легирующие элементы, такие как Ni, Mo, Cr, V, Co, Mn или Cu, связующие вещества и смазки и другие обычные реагенты, улучшающие механическую обрабатываемость, например MnS.

Способ

Изготовление деталей, содержащих добавку согласно изобретению, методом порошковой металлургии осуществляют обычным способом, т.е. наиболее часто с помощью следующих стадий.

Порошок на основе железа, т.е. железный или стальной порошок, смешивают с графитом и желательными необязательными легирующими элементами, такими как никель, медь, молибден, а также добавкой, согласно изобретению, в порошкообразной форме. Легирующие элементы могут также быть добавлены в виде предварительно легированных или диффузионно-легированных порошков на основе железа, или в виде комбинации смешанных легирующих элементов, диффузионно-легированного порошка или предварительно легированного порошка. Эту порошковую смесь до прессования смешивают с обычной смазкой, например стеаратом цинка или этиленбистеаратамидом. Более мелкие частицы в смеси могут быть присоединенными к порошку на основе железа посредством связующего вещества. Порошковую смесь затем прессуют в прессовом штампе, с получением неспеченной прессованной заготовки, близкой к окончательному геометрическому размеру. Прессование обычно проводят при давлении 400-1200 МПа. Прессовку спекают после прессования и придают ей окончательную прочность, твердость, удлинение и т.д.

Улучшающая механическую обрабатываемость добавка, согласно изобретению, состоит из порошкообразного фторида кальция и порошкообразного гексагонального нитрида бора. Было найдено, что поразительное улучшение механической обрабатываемости, достигнуто путем добавления улучшающей механическую обрабатываемость добавки в количествах, соответствующих соотношению между количеством гексагонального нитрида бора и фторида кальция, которое составляет менее 1:1, но не менее 1:40, предпочтительно - не менее 1:10. Другими словами, количество гексагонального нитрида бора должно быть менее количества фторида кальция до определенной степени.

Настоящее изобретение будет проиллюстрировано на следующих неограничивающих примерах:

Пример 1

a) Исследование механических свойств

Были исследованы различные виды гексагонального нитрида бора согласно таблице 1. Гексагональный нитрид бора (h-BN) типа I представляет собой порошок неагломерированных частиц, и тип II представляет собой агломераты субмикронных частиц, т.е. частицы агломерата имеют размер частиц ниже 1 мкм.

Таблица 1Анализh-BN, тип Ih-BN тип IIBN [%]9996O-общ. [%]0,53Усредненный размер частиц [мкм]>1>1*Гранулометрический анализ (90% минимум) [меш]-400-325*Удельная поверхность [м²/г]525*) Агломерированная частица из субмикронных частиц

Гексагональный нитрид бора и фторид кальция смешали в различных количествах согласно таблице 2 с металлическим порошком марки Distaloy® AE, доступный от Höganäs AB, который представляет собой чистое железо, диффузионно-легированное молибденом, никелем и медью. Металлический порошок также смешали со смазкой, 0,8% EBS (ethylenebisstearamide - этиленбистеарамид) и 0,5% графита.

Смеси материалов по таблице 2 были спрессованы в неспеченные прессованные заготовки с плотностью 7,10 г/см³ в виде унифицированных образцов для испытания на растяжение согласно стандарту ISO 2740 (ISO - International Organization for Standardization: Международная организация по стандартизации). Образцы были спечены в лабораторной печи с сетчатой лентой при 1120°C в течение 30 минут в смеси 10% водорода с 90% азота. Спеченные образцы использовали для определения предела прочности при растяжении согласно EN 10001-1, твердости - согласно ISO 4498/1 и изменения размеров - согласно ISO 4492.

Таблица 2Смесьh-BN типI [%]h-BN типII [%]CaF₂ [%]DC [%]HV10 [МПа]TS [МПа]A [%]1-1a0,200-0,1372237112,311-2a0,400-0,0942066342,001-3a00,20-0,0191574591,481-4a00,400,1311352850,641-5a000,2-0,2032287282,811-6a000,4-0,2052397302,681-7a0,300,1-0,1302176292,241-8a0,100,3-0,1772226862,611-9a000-0,1872457212,41

DC (dimensional change) - это изменение по длине образца для испытания на растяжение во время спекания.

SD (sintered density)- это плотность образца для испытания на растяжение после спекания.

HV10 - это твердость по Виккерсу образца для испытания на растяжение.

TS - это предел прочности при растяжении образца для испытания на растяжение.

А - это относительное пластическое удлинение во время испытания на прочность при растяжении.

Как видно из таблицы 2, добавленные количества 0,2% и 0,4% h-BN типа II к Distaloy® AE имеют влияние на механические свойства спеченной прессованной заготовки, тогда как добавки 0,2% h-BN типа I имеют только незначительное влияние на механические свойства спеченной прессованной заготовки.

b) Исследование показателя обрабатываемости

Для определения механической обрабатываемости с различными композициями добавок, как можно видеть в таблице 3, диски диаметром 80 мм и высотой 12 мм, были спрессованы в неспеченную заготовку с плотностью 7,10 г/см³. Диски были спечены в лабораторной печи с сетчатой лентой при 1120°C в течение 30 минут в смеси 10% водорода с 90% азота. Диски были подвергнуты контролю высверливанием для определения показателя механической обрабатываемости. Этот показатель определяют, как среднее число отверстий на сверло, которое может быть сделано им на станке, прежде чем сверло сработается. Сверление осуществляли с высокоскоростными стальными сверлами при постоянной скорости и постоянной подаче без какого-либо охладителя.

Как можно видеть в таблице 3, показатель механической обрабатываемости улучшен путем использования или добавки h-BN, или добавки CaF₂. Однако можно видеть замечательное улучшение при использовании h-BN (тип I) и CaF₂ в сочетании.

Таблица 3Смесьh-BN тип I [%]CaF₂ [%]Показатель обрабатываемости отверстийУвеличение (раз)1-1b0,205045,71-2b00,31812,01-3b0,10,3143816,31-4b00881

Показатель механической обрабатываемости - это среднее число отверстий, которое возможно высверлить одним сверлом в диске материала.

Увеличение - это увеличение механической обрабатываемости по сравнению со смесью 1-4b.

Пример 2

Гексагональный нитрид бора типа I и CaF₂ смешали в различных количествах, согласно таблице 4, с металлическим порошком марки Distaloy® DH-1 от Höganäs AB, который представляет собой железо, предварительно легированное 1,5% молибдена, и потом диффузионно-легированное 2% меди. Металлический порошок также смешали со смазкой, 0,8% EBS, и различными количествами графита. Смеси материалов по таблице 4 были спрессованы до различных плотностей в виде унифицированных образцов для испытания на растяжение согласно ISO 2740, и были изготовлены диски диаметром 80 мм и высотой 12 мм с целью определения механической обрабатываемости. Образцы и диски были спечены в лабораторной печи с сетчатой лентой при 1120°C в течение 30 минут в смеси 10% водорода с 90% азота. Спеченные образцы использовали для определения предела прочности при растяжении согласно EN 10001-1, твердости - согласно ISO 4498/1 и изменения размеров согласно ISO 4495.

Диски были подвергнуты контролю высверливанием для определения показателя механической обрабатываемости. Этот показатель определяют, как среднее число отверстий на сверло, которое может быть сделано им на станке, прежде чем сверло сработается. Сверление осуществляли с высокоскоростными стальными сверлами при постоянной скорости и постоянной подаче без какого-либо охладителя.

Таблица 4 показывает, что когда добавляют h-BN, тип I, к Distaloy® DH-1, то спеченная заготовка будет иметь более низкие твердость и предел прочности на растяжение. Так как h-BN может уменьшать растворимость графита в матрице, то причиной более низких твердости и предела прочности на растяжение считают низкое количество растворенного графита, считают, что некоторое количество графита присутствует в виде свободного графита. Более низкая твердость спеченной прессованной заготовки может быть удобной исходя из обрабатываемости. Однако, когда количество добавляемого графита увеличивают с целью компенсации количества свободного графита, то достигают все же замечательного увеличения показателя механической обрабатываемости для образцов, содержащих комбинацию h-BN и CaF₂. Это может быть видно при сравнении результатов для образцов 2-8, 2-10 и 2-11.

Таблица 4Смесьh-BN тип I [%]CaF₂ [%]GR [%]GD г/см³DC [%]HVIO [МПа]TS [MPa МПа]A [%]Показатель обрабатываемости [отверстий] 2-10,100,67,10,1391916301,43172-20,10,10,67,10,1352096361,361432-30,10,30,67,10,1222056281,313762-40,200,67,10,1681885641,18842-500,10,67,10,0622367091,401122-600,30,67,10,0692446971,271302-7000,67,10,0772237031,45172-8000,67,00,0541976211,11112-90,10,10,757,00,0452076210,89232-100,10,30,757,00,0632156180,914052-110,200,97,00,0881915790,83102-120,20,10,97,00,0761986060,77342-130,20,30,97,00,0742075960,71147

GR (graphite) - это добавленное количество графита, выраженное в мас.%.

GD (green density)- это плотность прессованной неспеченной заготовки.

DC - это изменение по длине образца для испытания на растяжение во время спекания.

SD (sintered density) - это плотность образца для испытания на растяжение после спекания.

HV10 - это твердость по Виккерсу образца для испытания на растяжение.

TS (tensile strength) - это предел прочности при растяжении образца для испытания на растяжение.

А - это относительное пластическое удлинение во время испытания на прочность при растяжении.

Показатель обрабатываемости - это среднее число отверстий, которое возможно высверлить одним сверлом в диске материала.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковой композиции на основе железа. Порошковая композиция содержит порошок на основе железа и 0,02-1,0 мас.% улучшающей механическую обрабатываемость добавки, включающей фторид кальция и гексагональный нитрид бора. Соотношение между гексагональным нитридом бора и фторидом кальция в добавке находится между 1:1 и 1:40. Полученные из композиции детали обладают хорошей механической обрабатываемостью при сохранении механических свойств. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Порошковая композиция на основе железа, содержащая порошок на основе железа и 0,01-1 мас.% улучшающей механическую обрабатываемость добавки, содержащей фторид кальция и гексагональный нитрид бора, а также необязательные добавки.2. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит улучшающую механическую обрабатываемость добавку в количестве 0,02-0,6 мас.%.3. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит 0,01-0,5 мас.% нитрида бора.4. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит 0,01-0,2 мас.% нитрида бора.5. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит 0,01-0,5 мас.% фторида кальция.6. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она содержит 0,1-0,4 мас.% фторида кальция.7. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что средний размер частиц нитрида бора составляет от 1 до 50 мкм.8. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что средний размер частиц нитрида бора составляет от 1 до 30 мкм.9. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что средний размер частиц фторида кальция составляет менее 100 мкм.10. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что средний размер частиц фторида кальция составляет от 20 до 70 мкм.11. Порошковая композиция по п.1, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, состоящей из графита, связующего вещества или смазки.12. Добавка, улучшающая механическую обрабатываемость, содержащая порошкообразный фторид кальция и порошкообразный гексагональный нитрид бора, при этом количественное соотношение между гексагональным нитридом бора и фторидом кальция находится между 1:1 и 1:40.13. Добавка по п.12, характеризующаяся тем, что количественное соотношение между гексагональным нитридом бора и фторидом кальция находится между 1:1 и 1:10.14. Добавка по п.12, характеризующаяся тем, что средний размер частиц составляет менее 100 мкм.15. Спеченное изделие с улучшенной механической обрабатываемостью, изготовленное из порошковой композиции на основе железа, отличающееся тем, что оно изготовлено из порошковой композиции по любому из пп.1-11.