Штамповка деталей с последующей термической обработкой.

Качество машиностроительных деталей, определяемое эксплуатационными характеристиками, в значительной степени зависит от структуры исходной заготовки и термомеханических режимов штамповки. При правильно выбранном термомеханическом режиме штамповки и последующей термообработке можно добиться в результате направленного формирования значительного улучшения качества детали. Полностью исключить химическую неоднородность внутреннего строения поковки и получить однородное кристаллическое строение не всегда удается. Так как химическую однородность отдельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить гораздо проще, то с целью улучшения качества деталей их изготавливают из порошков. Кроме того, порошковая металлургия открывает возможности получения новых материалов, которые невозможно или не выгодно получать другими способами.

Порошковая металлургия позволяет получать штампованные заготовки весьма близкие к размерам детали, а это дает возможность сократить количество операций механической обработки.

В порошковых деталях, изготовленных холодным формованием и спеканием, величина остаточной пористости составляет 13…15 %. В горяче- штампованных порошковых заготовках остаточная пористость практически отсутствует; но так как частицы порошка покрыты оксидной пленкой, затрудняющей диффузионные процессы, практически невозможно достичь высоких значений прочности и ударной вязкости. Кроме того, при горячей штамповке увеличиваются по сравнению с холодным формованием и спеканием припуски на наружных поверхностях поковки, удаляемые последующей обработкой резанием. Присутствующая пористость в деталях является недостатком, когда материал должен иметь высокую прочность и ударную вязкость. Получать детали с высокой прочностью и одновременно с высокой ударной вязкостью можно, используя новые методы уплотнения порошков без нагрева, обеспечивающих высокою плотность деталей. Например, требуемый комплекс механических характеристик можно получить, если изготовить холодной штамповкой детали с остаточной пористостью менее 5 % и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере.

В случае необходимости получения порошковых деталей из железа, легированного другими материалами, применяют два способа: один – перемешивание различных порошковых компонентов (железной основы и легирующих элементов), уплотнение смеси и превращение смеси в сталь в результате металлургических процессов, протекающих при ее спекании; другой – использование порошков, полученных размельчением заготовок из легированной стали, их уплотнение и спекание. В первом случае сплав называют негомогенно-легированным, во втором случае – гомогенно-легированным.

По ГОСТ 9849-86 железные порошки обозначают следующим образом. Например, ПВЖ2.160.24, где "В" – восстановленный, 2 – марка по химическому составу; 160 – предельная крупность частиц в микрометрах; 24 – это средняя насыпная плотность – 2,4 г/см³. Марка ПЖР – это распыленный воздухом порошок, ПЖРВ – распыленный водой. Цифры, следующие после букв в марке, читаются аналогично восстановленным порошкам.

Основным видом продукции порошковой металлургии являются порошковые стали, железная основа которых легирована другими элементами. Свойства порошковых сталей, как и сталей, получаемых традиционным металлургическим переделом, определяются составом, технологией получения и структурой. Для порошковых сталей структурными факторами является не только фазовый состав, размер зерен и параметры субструктуры, но и пористость, а также строение межчастичных контактов. Порошковые стали могут быть углеродистые (в зависимости от содержания углерода – низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые) или легированные (низколегированные или сложнолегированные).

Для железных порошков наиболее распространенным способом является легирование углеродом, под действием которого изделие приобретает способность закаливаться. Изделия из легированных порошков имеют следующие механические характеристики. При добавлении не более 0,2 % углерода от массы порошка, временное сопротивление s_в = 120 МПа, относительное удлинение при испытании образца на разрыв d = 8 %, ударная вязкость КС = 350 кДж/м².

У спеченного брикета путем закалки можно повысить s_в до 350 МПа, но при этом d снижается до 2 %. Все указанные характеристики относятся к образцам, имеющим остаточную пористость 10…15 %. При уплотнении до пористости 2…4 % спеченный порошок имеет s_в = 450 МПа, d = 10 %, КС = 450 кДж/м².

Медь, введенная в порошковое железо, повышает прочность, но снижает пластичность и ударную вязкость. Наиболее интенсивное возрастание прочности наблюдается при совместном введении меди (до 5…6 %) и углерода (до 0,3…0,6 %).

Кроме того, медь повышает обрабатываемость порошкового материала резанием и сопротивление коррозии.

При введении в порошковую смесь никеля с графитом (один никель вводят редко) для существенного повышения механических характеристик необходимо спекание при высокой температуре. В результате повышается пластичность и ударная вязкость железографитовой композиции.

При легировании медью и никелем, медь обеспечивает повышение прочности изделия, а никель – пластичности и ударной вязкости. Установлено, что если прочность на разрыв железомедных образцов с пористостью 10 % при содержании меди 2 % составляет 260…300 МПа, то при одновременном легировании железа 2 % меди и 4 % никеля прочность на разрыв достигает 400…420 МПа, удлинение составляет 7…8 %, твердость НВ 120…127.

Молибден при введении его в порошковую шихту является сильным карбидообразующим элементом. Он повышает прочность стали, но снижает ее пластичность. В сочетании с другими элементами молибден обеспечивает существенное улучшение механических характеристик стали. Наиболее эффективное влияние молибдена на механические характеристики проявляется при его совместном введении с никелем и другими элементами, особенно если изделия подвергаются термообработке.

Высокий уровень прочностных свойств порошковых сталей наблюдается при легировании никелем и молибденом. Так стали, содержащие 1…3 % никеля, 0,25…1 % молибдена, 0,4…0,8 % углерода, имеющие незначительную остаточную пористость до термообработки, обладают следующим комплексом механических характеристик: s_в = 600 МПа, d = 10 %, КС = 150 кДж/м², а после закалки приобретают s_в = 1200 МПа, d = 5 %, КС = 120 кДж/м².

Введение хрома в порошковую смесь положительно влияет на структуру изделия, совместное легирование хромом и никелем, хромом и молибденом позволяет изготавливать изделия с однородной структурой, ударная вязкость которых КС превышает 600 кДж/м².

Ограниченное применение марганца в качестве легирующего элемента в порошковой металлургии связано с большой трудностью восстановления его из оксидов. Спекание содержащих марганец порошковых композиций требуется проводить при температурах 1200…1300 °С. Совместное легирование марганцем и хромом существенно изменяет механические характеристики детали. Сталь, содержащая 0,6 % углерода, 2 % марганца и 2 % хрома, имеет s_в = 780 МПа, d = 12 %, КС = 700 кДж/м².

Марку порошковой стали характеризуют буквенные индексы и цифры. Первая буква “С” указывает на класс материала (сталь), вторая буква “П” – на метод производства (порошковая). После буквы “П” записывается среднее содержание углерода в сотых долях процента. Как и в случае сталей, производимых традиционными методами, легирующим элементам присвоены символы. Наиболее часто в качестве легирующих элементов в порошковых сталях используются следующие: Г – марганец, Д – медь, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Х – хром, Гр – графит. Символы легирующих элементов следуют за цифрой, указывающей среднее значение углерода. Цифры, идущие за символом элементов, указывают примерное содержание данного легирующего элемента. При содержании его менее 1 % цифра отсутствует. Цифра после дефиса характеризует группу плотности. Порошковым слоям присвоены следующие группы плотности: 1 – пористость 25…16 % (плотность 5,9…6,6 г/см²), 2 – пористость 15…10 % (плотность 6,7…7,1 г/см²), 3 – пористость 9…2 % (плотность 7,15…7,70 г/см²), 4 – пористость менее 2 % (плотность более 7,70 г/см²). Буква “А” после цифры указывает на повышенное качество материала.

При производстве порошковых изделий используются все известные методы термической обработки.

Нагрев под закалку пористых деталей рекомендуется проводить в защитной от окисления среде. Температура нагрева под закалку для порошковых углеродистых сталей превышает критическую точку А₃ на 50…80 °С. В качестве закалочной среды применяют воду или водные растворы солей.

Зависимость механических свойств закаленных порошковых сталей от температуры отпуска подчиняется тем же закономерностям, что и для деталей, изготовленных из проката.

В последнее время применяется термическая обработка порошковых сталей с использованием индукционного нагрева, так как возможно проведение термической обработки без применения защитных сред.

В целях получения более однородных по составу и структуре изделий из смесей порошковых компонентов рекомендуется перед формованием подвергать смесь отжигу при 800…850 °С. Это обеспечивает изготовление изделий с повышенными механическими характеристиками.