СПЕЧЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B22F3/12 C22C33/02 B22F3/24 

Описание патента на изобретение RU2345867C2

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии и, более конкретно, к металлическим деталям с улучшенными усталостными свойствами, изготовленным из предварительно легированного порошка хрома.

Уровень техники

В целом, изделия, получаемые спеканием методами порошковой металлургии, более дешевые, чем литые стали, получаемые ковкой и прокаткой, и широко используются в качестве деталей, например, для автомобильных двигателей. Однако в ходе изготовления изделий спеканием неизбежно образуются поры. Наличие пор в изготовленных спеканием металлических порошков материалах ухудшает их механические свойства по сравнению со сплошными материалами. Это происходит из-за того, что поры являются концентраторами напряжений, а также снижают эффективный объем при нагружении. Таким образом, прочность, пластичность, усталостная прочность, макротвердость и другие параметры материалов на основе железа, изготовленных методами порошковой металлургии, снижаются по мере увеличения их пористости.

Несмотря на присущую им относительно низкую усталостную прочность, материалы на основе железа, изготовленные методами порошковой металлургии, в некоторых случаях применяются для деталей, от которых требуется высокая усталостная прочность. Там, где нужны улучшенные рабочие характеристики, можно использовать стальной порошок Distaloy® HP, поставляемый компанией Höganäs AB®, Швеция. В этом продукте основной порошок легирован никелем, который является дорогим легирующим элементом. Следовательно, хотя этот материал обладает высокими эксплуатационными показателями, он довольно дорог, то есть налицо необходимость поиска более дешевых материалов, имеющих, по меньшей мере, такую же усталостную прочность.

Один из путей повышения усталостных характеристик сталей, изготавливаемых методами порошковой металлургии, связан с вторичной обработкой. Возможными способами получения наивысшего сопротивления усталости детали являются закалка, поверхностное упрочнение и дробеструйное упрочнение (или их сочетание). Дробеструйное упрочнение обычно применяют для получения остаточного напряжения сжатия на поверхности, что является положительным эффектом. Открывающиеся на поверхность поры являются слабым местом материалов, изготовленных методами порошковой металлургии. При создании на поверхности остаточного напряжения сжатия эти поры, по меньшей мере частично, устраняются.

Дробеструйное упрочнение прессованных деталей описано, например, в патенте США 6171546. В соответствии с этим патентом за дробеструйным упрочнением следует заключительная стадия спекания. В качестве исходного материала используется порошок на основе железа, содержащий никель. Как отмечалось выше, из-за высокой стоимости никеля существует растущая потребность в порошках, которые его не содержат. Другой недостаток содержащих никель порошков связан с проблемой образования в ходе обработки порошка пыли, которая, даже в небольших количествах, может вызвать аллергическую реакцию. Таким образом, использования никеля следует избегать. Способ, включающий дробеструйное упрочнение, описывается также в заявке на патент США 2004/0177719. В частности, в ней описывается способ, в соответствии с которым часть поверхности прессованной детали подвергается дробеструйному упрочнению после спекания. Согласно данной заявке для улучшения свойств готовой прессованной детали необходимо осуществление уплотнения, включающего прессование порошка или калибровку.

Объектом настоящего изобретения является развитие решения по WO 9414557, 07.07.1994 для повышения экономической эффективности способа изготовления деталей с высокой усталостной прочностью методами порошковой металлургии без стадий уплотнения основной части детали. Еще одним объектом настоящего изобретения является способ, в котором используются порошковые материалы, не содержащие никель.

Сущность изобретения

Было обнаружено, что детали, обладающие высокой усталостной прочностью, можно получить путем дробеструйного упрочнения деталей, изготовленных спеканием порошков на основе железа, характеризующихся низким содержанием хрома и молибдена.

Порошки, используемые в настоящем изобретении, представляют собой предварительно легированные порошки на основе железа, содержащие небольшие количества хрома и молибдена. Предпочтительными количествами являются 1,3-3,5 мас.% хрома и 0,15-0,7 мас.% молибдена. Эти порошки могут также содержать небольшие количества (0,09-0,3 мас.%) марганца и неизбежных примесей. Такие порошки известны из патента США 6 348 080 и WO 03/106079.

Основной порошок смешивают с графитом с целью получения материала необходимой прочности. Количество графита, добавляемого к порошку на основе железа, составляет 0,1-1,0 мас.%, предпочтительно 0,15-0,85 мас.%. Затем смесь порошков прессуют в штампе, получая необожженную заготовку. Давление прессования составляет по меньшей мере 600 МПа, предпочтительно по меньшей мере 700 МПа и более предпочтительно 800 МПа. Прессование может быть холодным или горячим. После прессования полученную необожженную деталь подвергают спеканию при температуре более 1100°С, предпочтительно более 1220°С. Спекание предпочтительно осуществляется в атмосфере, представляющей собой смесь азота и водорода. Обычная скорость охлаждения после спекания составляет 0,8°С/с, и предпочтительно лежит в диапазоне 0,5-1,0°С/с. Плотность после спекания предпочтительно превышает 7,15 г/см3, более предпочтительно превышает 7,3 г/см3. Микроструктура материала непосредственно после спекания представляет собой, в основном, тонкодисперсный перлит при более низком содержании хрома и молибдена и мартенсит или нижний бейнит при более высоком содержании хрома и молибдена.

Было обнаружено, что значительного увеличения предела усталостной прочности при изгибе можно достичь путем дробеструйного упрочнения материалов, полученных спеканием порошка с низким содержанием хрома. Особенно это заметно для образцов с надрезом, для которых возможно достичь увеличения более чем на 50% и даже более чем на 70%, как будет видно из приведенных ниже примеров. Степень дробеструйного упрочнения, определенная по интенсивности Almen A, предпочтительно составляет от 0,20 до 0,37 мм.

Еще более заметного улучшения свойств материала можно добиться путем его вторичной обработки, например закалки и поверхностного упрочнения перед спеканием. Так, после сквозной закалки с последующим отпуском материал имеет преимущественно мартенситную структуру, а повышение предела усталости достигается при помощи дробеструйного упрочнения. Полагают, что мартенсит, образующийся на поверхности в ходе поверхностного упрочнения (например, цементации), вызывает напряжение сжатия, что благоприятно для повышения предела усталости.

Альтернативным вариантом осуществления спекания является способ совмещенного спекания и закалки, в котором в конце стадии спекания детали принудительно охлаждаются, что приводит к образованию упрочненной структуры.

Испытания на усталость были проведены для образцов с надрезом с коэффициентом концентрации напряжений Кt, равным 1,38, и для образцов без надреза. Испытания показали, что предел усталостной прочности при изгибе значительно увеличивается при дробеструйном упрочнении образцов с надрезом по сравнению с дробеструйным упрочнением образцов без надреза. Выражение «с надрезом» в данном случае означает, что коэффициент концентрации напряжений для образца или детали превышает 1,3.

Приводимые ниже примеры поясняют настоящие изобретение и не являются ограничивающими.

Пример 1

В данном эксперименте были использованы два предварительно легированных порошка, Astaloy® CrL и Astaloy® CrM, и один диффузионно-легированный основной порошок, Distaloy® HP. Distaloy® HP был диффузионно легирован никелем и медью и предварительно легирован молибденом. Состав исследованных материалов представлен в таблице 1.

Таблица 1Материал Ni, %Cu, %Mo, %Cr, %Astaloy® CrL0,21,5Astaloy® CrM0,53,0Distaloy® HP4,02,01,5

Подробная информация о параметрах эксперимента, плотности и содержании углерода будет приведена ниже. В таблице 2 представлены усталостные характеристики при плоском изгибе для образцов без надреза, изготовленных из различных порошков спеканием в течение 30 мин в атмосфере 90/10 N2/H2 со скоростью охлаждения около 0,8°С/с. Испытание на усталость проводилось по стандарту ISO3928 на образцах без надреза размером 5 мм со скошенными ребрами и представляло собой четырехточечный плоский изгиб с коэффициентом нагрузки R=-1. В пакетном методе было задействовано 13-18 образцов при пределе износа 2 миллиона циклов. Оценка пакета (50% вероятностный предел усталости и стандартное отклонение) выполнена в соответствии со стандартом MPIF 56. Тестовая частота 27-30 Гц.

Таблица 2ПорошокПлотность, г/см3Углерод (после спекания), %σА,50%, МПаСтандартное отклонение, МПаσА,90, МПаAstaloy® CrL7,170,6024472347,160,802675260Astaloy® CrM7,060,352847,02747,040,563168,4300Distaloy® HP7,130,6529522,52617,130,85330<5>322

Микроструктура порошка Astaloy® CrL с содержанием спеченного углерода менее 0,6% при скорости охлаждения около 0,8°С/с представляет собой верхний бейнит. При повышении содержания углерода выше 0,74% микроструктура изменяется на тонкодисперсный перлит.

Анализ материалов из Astaloy® CrM, спеченных при 1120°С со скоростью охлаждения 0,8°С/с, в которых содержание углерода составляло 0,32% и 0,49%, показал наличие микроструктуры плотного верхнего бейнита. Плотный верхний бейнит имеет те же характеристики, что и обычный верхний бейнит, то есть представляет собой неравномерную смесь феррита и цементита. Разница состоит в более близком расположении карбидных зерен и их размере. При увеличении содержания спеченного углерода микроструктура изменяется и характеризуется как смесь мартенсита и нижнего бейнита.

В таблице 3 представлено влияние давления прессования и содержания углерода на характеристики материала, полученного холодным прессованием Astaloy® CrL. Во всех случаях спекание проводилось при 1120°С в течение 30 мин в атмосфере 90/10 N2/H2. Эта таблица содержит усталостные характеристики при плоском изгибе образцов, изготовленных из Astaloy® CrL при двух различных значениях давления прессования и для двух различных количеств дополнительно введенного графита. При стандартном отклонении меньше 5 из-за малого разброса величин оценка стандартного отклонения по стандарту MPIF 56 невозможна. В таблице 3 приведены данные для образцов без надреза.

Таблица 3МатериалГрафит C-UF4, %Давление прессования, МПаПлотность (после спекания), г/см3Углерод (после спекания), %σА,50% МПаСтандартное отклонение, МПаσА,90, МПаAstaloy® CrL, 1120°С, 30 мин, 90/10 N2/H2, 0,8°С/с0,66006,940,5622411,62500,86006,930,752339,52180,68007,130,552368,52220,88007,090,74252<5>244

Влияние температуры спекания на усталостные характеристики образцов без надреза отражено в таблице 4. Микроструктура материалов, представленных в этой таблице, характеризуется в основном как верхний бейнит (1120°С, 0,58% С) и тонкодисперсный перлит (1120°С, 0,77% С и 1250°С, 0,74% С)

Таблица 4ПорошокТемпература спеканияПлотность (после спекания), г/см3Углерод (после спекания), %σА,50%, МПаСтандартное отклонение, МПаσА,90, МПаAstaloy® CrL1120°С7,100,58220112031120°С7,080,772369,72221250°С7,020,7429018264

Пример 2

Влияние дробеструйного упрочнения и сочетания тепловой обработки с дробеструйным упрочнением было исследовано на образцах размером 3 мм с надрезом, изготовленных из Astaloy® CrL. Наличие надреза было учтено при изготовлении пресс-формы, то есть никакой механической обработки не производилось. Коэффициент концентрации напряжений при изгибе Kt=1,38 получен при помощи эмиссионной микроскопии. Тестовая частота 27-30 Гц.

Спекание порошка проводилось при 1280°С в течение 30 мин в атмосфере Н2. Скорость охлаждения 0,8°С/с.

Дробеструйное упрочнение проводилось до получения интенсивности Almen A, равной 0,32 мм.

Расчетные усталостные характеристики образцов при плоском изгибе непосредственно после спекания и после спекания и дробеструйного упрочнения приведены в таблице 5.

Таблица 5ПорошокУглерод (после спекания), %Плотность (после спекания), г/см3Вторичная обработкаПредел усталости при изгибе, МПаПовышение после дробеструйного упрочненияДробеструйное упрочнениеAstaloy® CrL с надрезом0,707,30нет235да420+79%Astaloy® CrL без надреза0,857,30нет340да450+32%

В таблице 6 представлены расчетные усталостные характеристики образцов при плоском изгибе, которые были подвергнуты сквозной закалке, отпуску и дробеструйному упрочнению. Сквозная закалка осуществлялась при температуре аустенизации 880°С. Скорость охлаждения после аустенизации составляла 8°С/с. В заключение образцы были отпущены при 250°С в течение 1 часа.

Таблица 6ПорошокУглерод (после спекания), %Плотность (после спекания), г/см3Вторичная обработкаПредел усталости при изгибе, МПаПовышение после дробеструйного упрочненияСквозная закалкаОтпуск 250°С, 1 часДробеструйное упрочнениеAstaloy® CrL с надрезом0,507,30даданет2850,507,30дадада490+73%Astaloy® CrL без надреза0,507,30даданет3700,507,30дадада520+41%

Из таблиц 5 и 6 видно, что путем дробеструйного упрочнения материалов, содержащих хром и молибден, можно добиться значительного увеличения предела усталости при изгибе.

Похожие патенты RU2345867C2

название год авторы номер документа
СПЕЧЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ И СПОСОБ ИХ ПРОИЗВОДСТВА 2005
  • Скоглунд Пауль
  • Кейзельман Михаил
  • Бергмарк Андерс
RU2343042C2
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ПОРОШКОВАЯ СМЕСЬ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, СОДЕРЖАЩАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ И СПЕЧЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 2015
  • Бергман, Ола
RU2699882C2
АЗОТИРОВАННЫЕ СПЕЧЕННЫЕ СТАЛИ 2011
  • Берг,Сигурд
  • Диздар,Сенад
  • Энгстрем,Ульф
  • Линдстрем,Ола
  • Шнейдер,Эккарт
RU2559603C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С УПЛОТНЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 2001
  • Бенгтссон Свен
  • Ю Янг
  • Свенссон Мартин
RU2271263C2
ПОРОШКИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ ПОРОШКОВ 2011
  • Ларссон, Анна
RU2593064C2
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЙ СТАЛЬНОЙ ПОРОШОК 2008
  • Бенгтссон Свен
  • Ларссон Анна
RU2490353C2
ВЫСОКОПРОЧНАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СПЕЧЕННАЯ СТАЛЬ 2010
  • Юй,Ян
  • Хиросе,Норимицу
RU2533988C2
ЖЕЛЕЗО-ВАНАДИЕВЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ 2010
  • Бенгтссон,Свен
RU2532221C2
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЙ СТАЛЬНОЙ ПОРОШОК 2008
  • Литстрем Ола
  • Бенгтссон Свен
  • Фрюкхолм Роберт
  • Бергман Ола
RU2482208C2
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОРОШОК НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ И ИЗДЕЛИЕ 2003
  • Энгстрем Ульф
  • Берг Сигурд
RU2313420C2

Реферат патента 2009 года СПЕЧЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления металлических деталей на основе железа. Предварительно легированный металлический порошок на основе железа, содержащий по меньшей мере 1,3-3,5 мас.% хрома, 0,15-0,7 мас.% молибдена, марганец и неизбежные примеси, смешивают с 0,1-1,0 мас.% графита. Полученную смесь прессуют под давлением, по меньшей мере, 600 МПа. Затем проводят одностадийное спекание при температуре более 1100°С и последующее дробеструйное упрочнение. Полученные детали имеют микроструктуру перлита, или тонкодисперсного перлита, или мартенсита и нижнего бейнита, или мартенсита отпуска. Полученные детали обладают высокой усталостной прочностью. 7 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 табл.

Формула изобретения RU 2 345 867 C2

1. Способ изготовления деталей с высокой усталостной прочностью, включающий смешивание предварительно легированного металлического порошка на основе железа, содержащего по меньшей мере 1,3-3,5 мас.% хрома, 0,15-0,7 мас.% молибдена, с 0,1-1,0 мас.% графита, прессование полученной смеси под давлением по меньшей мере 600 МПа, одностадийное спекание прессованной детали при температуре более 1100°С, дробеструйное упрочнение детали.2. Способ по п.1, в котором перед дробеструйным упрочнением деталь подвергают закалке и отпуску.3. Способ по п.1, в котором изготовленная деталь имеет предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3.4. Способ по п.1, в котором изготовленная деталь имеет предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.5. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно перлитную микроструктуру.6. Деталь по п.5, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3.7. Деталь по п.5, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.8. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно тонкодисперсную перлитную микроструктуру.9. Деталь по п.8, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3.10. Деталь по п.8, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.11. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая микроструктуру мартенсита и нижнего бейнита.12. Деталь по п.11, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3.13. Деталь по п.11, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.14. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно микроструктуру мартенсита отпуска.15. Деталь по п.14, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3.16. Деталь по п.14, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.17. Применение предварительно легированного 1,3-3,5 мас.% хрома порошка на основе железа для изготовления деталей с надрезом, имеющих предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см3, способом по любому из пп.1-4.18. Применение по п.17, в котором детали с надрезом, имеют предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см3.19. Деталь по любому из пп.5-16, имеющая коэффициент концентрации напряжений более 1,3.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2345867C2

WO 9414557 A1, 07.07.1994
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОСРЕДСТВОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ И ДЕТАЛЬ, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ДАННЫМ СПОСОБОМ 1997
  • Морс Ове
  • Карлбаум Нильс
RU2181317C2
Способ получения спеченных изделий на основе железа 1979
  • Роман Олег Владиславович
  • Дорошкевич Евгений Адамович
  • Дьячкова Лариса Николаевна
  • Керженцева Людмила Федоровна
SU882702A1
US 2004177719 A1, 16.09.2004
US 5512236 A, 30.04.1996.

RU 2 345 867 C2

Авторы

Бергмарк Андерс

Канно Коки

Даты

2009-02-10Публикация

2005-06-13Подача