СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ГРАНУЛ МЕТОДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ С РАВНОМЕРНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ АЗОТА В ОБЪЕМЕ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2012 года по МПК B22F3/00 B22F1/02 C23C8/24 

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий, получаемых методом порошковой металлургии из стальных гранул, а именно к азотированию. Задача изобретения - достижение повышенного (0,45-0,6% масс.) содержания азота в спекаемом изделии при одновременно равномерном его распределении в объеме изделия (степень неравномерности распределения азота - в пределах точности химического анализа определения его содержания).

Известен способ, традиционно используемый в промышленности /1/, включающий использование при выплавке сталей азотированных ферроматериалов (феррохром, ферромарганец), при котором, однако, вследствие неравновесности процесса кристаллизации на поверхности распыляемых гранул образуются неравновесные избыточные фазы в виде вторичных крупных и одновременно грубых (неправильной формы) неметаллических включений (нитридов, карбонитридов), наличие которых приводит к ослаблению границ зерен и получению пониженных механических свойств металла в готовых изделиях после спекания (компактирования) гранул, например, в газостате.

Способ /2/, построенный на указанном принципе и служащий для получения азотсодержащего материала на основе титана для легирования сталей азотом, основан на инициировании экзотермической реакции образования нитридов титана, кремния и алюминия путем нагрева специально измельченного порошка с размером частиц менее 2,5 мм в атмосфере азота при давлении 0,5-12 МПа. Однако все отмеченные недостатки способа /1/ сохраняются и в этом случае.

Известен способ химико-термической обработки изделий из порошковых материалов /3/, согласно которому с целью повышения ресурса работы изделий указанная обработка включает парооксидирование и последующее газовое азотирование. Недостатком данного способа является то, что в процессе парооксидирования происходит образование пленки окислов, которые закупоривают поры и тем самым препятствуют объемному азотированию. Таким образом, при данном способе невозможно достичь сколько-нибудь равномерного распределения азота по сечению изделия.

Известен также способ получения порошковых азотсодержащих тугоплавких сплавов /4/, согласно которому с целью достижения равномерного объемного насыщения азотом производят взаимодействие металлического порошка с газовой средой в режиме горения, при этом в качестве газовой среды используют смесь азота и водорода при определенном соотношении их парциальных давлений. Недостатком указанного способа является то, что наличие водорода в реакционной зоне препятствует дальнейшему прохождению процесса объемного азотирования сплава.

Предложен совмещенный способ получения изделий методом порошковой металлургии из стальных гранул с содержанием азота до 0,45-0,6% за счет объемного азотирования путем одновременного диффузионного насыщения порошка азотом в капсуле, помещенной в газостат, и спекания (компактирования) в виде готового изделия. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности достижения повышенного (до 0,45-0,6%) содержания азота в гранулах при равномерном его распределении в объеме спекаемого изделия (степень неравномерности - в пределах ошибки химического анализа). Технический результат достигается путем засыпки гранул в капсулу и последующего спекания (компактирования) ее в газостате. При этом в капсуле перед началом компактирования создается избыточное давление азота в количестве, необходимом для получения заданной концентрации азота в металле (для получения концентрации азота 0,45-0,60% необходимое давление азота составило 15-30 атм).

Засыпанные в капсулу для проведения компактирования гранулы представляют собой, в основном, частицы сферической формы, в пространстве между которыми, согласно расчету, содержится по объему около 35% пор. В процессе компактирования происходит объемное диффузионное насыщение гранул, равномерное по сечению гранулы, без образования каких-либо поверхностных избыточных фаз, а после компактирования - однородное распределение азота по сечению изделия.

Согласно проведенному экспериментальному опробованию предлагаемого способа, при этом удается достичь повышенной (до 0,45-0,6%) концентрации азота при одновременно равномерном содержании его в объеме изделия, что в конечном счете обеспечивает повышение механических свойств металла и срока службы изготавливаемых изделий.

Отличительным признаком предлагаемого способа является совмещенность процесса насыщения гранул азотом и спекания и возможность достижения вследствие этого повышенного содержания азота при равномерном его распределении в объеме спекаемого изделия.

Процесс компактирования согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Капсула заполняется порошком (гранулами) в вакууме по серийной технологии. В заполненную капсулу через трехходовой кран, совмещенный с устройством для засыпки гранул в капсулу, под избыточным давлением вводится азот. Последующее компактирование проводится по стандартному режиму. При этом в условиях повышенной температуры и давления за счет прохождения процесса диффузии происходит насыщение гранул азотом на глубину, соизмеримую с размером самой гранулы (режим классического поверхностного азотирования), в результате чего достигается азотирование гранул и, соответственно, объемное азотирование спекаемого изделия.

Данный способ опробован при компактировании гранул стали марки 12Х18АГ18Ш в газостате QIH-345 для изготовления бандажных (каповых) колец роторов турбогенераторов. При экспериментальном опробовании новой технологии давление азота варьировали в пределах от 15 до 30 атм. При этом содержание азота в спеченном металле составило от 0,45 до 0,60%.

В таблице 1 приведены сравнительные механические свойства металла согласно предлагаемому способу, а также при использовании технологий в соответствии с описанными прототипами. В качестве материала гранул использовалась сталь 12Х18АГ18Ш, обладающая повышенным содержанием хрома и марганца, имеющих большое сродство к азоту.

Как следует из таблицы, использование предлагаемого способа позволяет повысить прочностные и пластические свойства металла, а также ударную вязкость.

Величину предела прочности при растяжении, предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости определяли по ГОСТ 27208-87.

За эталоны в вышеуказанных испытаниях принимали предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение и ударную вязкость, соответствующие прототипу /1/, прототипу /2/, прототипу /3/ и прототипу /4/.

Применение предлагаемого способа, например, для изготовления бандажных (каповых) колец роторов турбогенераторов позволило повысить прочностные свойства металла на 5-8%, пластические свойства на 16-20%, ударную вязкость в 2,6 раза и увеличить срок службы изделий на 10-15%. При этом коэффициент использования металла возрос в 2,0-2,5 раза.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Рашев Ц. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. София, Издательство Болгарской академии наук. 1995. 268 с.

2. Патент РФ №2341578.

3. Патент РФ №1410560.

4. Авторское свидетельство СССР №1827394.

Таблица 1 Сравнительные механические свойства металла по различным вариантам технологии (сталь 12Х18АГ18Ш, после проведения деформационной обработки)   Технология Давление азота при компактирова
нии, атм Полученное содержание азота в металле, % Механические и служебные свойства металла предел прочности при растяжении, МПа предел текучести, МПа относитель
ное удлинение, % относитель
ное сужение, % ударная вязкость, кгс·м/см² 1 Предлага 30 0,60 1092 928 39,1 71,6 25,6 2 емый 22 0,54 1062 841 40,8 69,2 27,9 3 вариант 15 0,45 1049 830 41,5 63,5 18,0 4 Прототип 1 - 0,42 1006 762 33,6 56,0 9,2 5 Прототип 2 - 0,40 998 741 33,0 55,4 8,6 6 Прототип 3 - 0,45 -                 пов-ть детали,                   986 693 32,4 54,5 7,9       <0,1 - центр                                   детали           7 Прототип 4 1 0,43 1014 727 34,0 57,2 11,2

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий, получаемых методом порошковой металлургии, а именно к азотированию. Способ получения изделий из стальных гранул методом порошковой металлургии с повышенным 0,45-0,6% содержанием азота включает насыщение гранул азотом в процессе компактирования. Компактирование проводят в капсуле, в которой перед началом компактирования предварительно создают избыточное давление азота до значений 15-30 атм, необходимых для обеспечения заданной его концентрации. Обеспечивается повышенное содержание азота в гранулах при равномерном его распределении в объеме компактируемого изделия. 1 табл.

Способ получения изделий из стальных гранул методом порошковой металлургии с повышенным 0,45-0,6% содержанием азота, отличающийся тем, что в процессе компактирования осуществляют насыщение гранул азотом, для чего в капсуле, в которой производится компактирование, перед началом компактирования предварительно создают избыточное давление азота до значений 15-30 атм, необходимых для обеспечения заданной его концентрации.