Способ получения конструкционной порошковой стали

 

Сущность изобретения: смешивают порошковые компоненты, входящие в состав стали, с соединением стеарата кальция в составе 0,1-5 мас.%, ведут прессование пористого брикета до остаточной пористости 10-15%, нагревают брикет в защитной атмосфере со скоростью 10-20 С/с до температуры 900-1000°С с выдержкой при этой температуре 3-5 с на 1 мм сечения образца. Проводят горячую обработку давлением с получением беспористого материала и диффузионный отжиг в защитной атмосфере в течение 0,5-3 ч при температуре 900-1000°С. 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s B 22 F 3/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К. - АВТО P С КОМУ С В ИДЕТЕЛ Ь СТВУ (21) 4942938/02 (22) 22.04,91 (46) 23.03.93, Бюл, ¹ 11 (71) Новочеркасский политехнический инс титут им.Серго Орджоникидзе (72) В.Ю.Дорофеев, Д.В.Скориков, Е,В.Козлов, В.Г.Шишка, Т.В.Еремеева и В,В.Шевченко (56) Дорофеев Ю.Г. и др. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок, — М.: Металлургия, 1977, с, 135-152. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способам изготовления высокоплотной беспористой конструкционной порошковой стали общемашиностроительного назначения улучшенной обрабатываемости резанием.

Целью изобретения является улучшение и стабилизация обрабатываемости резанием высокоплотной конструкционной порошковой стали заключающееся в полуЧении высоких показателей ее обрабатываемости резанием при повышении физико-механических свойств, а также в улучшении стабильности этих свойств, посредством введения кальция в минимальном количестве обеспечивающим эффект улучшения обрабатываемости резанием и получения его равномерного распределения по объему заготовки в виде мелкодисперсной фазы, Поставленная цель достигается за счет того, что высокоплотную порошковую кон„„. Ж„„1803264 А1 (57) Сущность изобретения: смешивают порошковые компоненты, входящие в состав стали, с соединением стеарата кальция в составе 0,1-5 мас.%, ведут прессование пористого брикета до остаточной пористости

10-15%, нагревают брикет в защитной атмосфере со скоростью 10-20 С/с до температуры 900-1000 С с выдержкой при этой температуре 3-5 с на 1 мм сечения образца.

Проводят горячую обработку давлением с получением беспористого материала и диффузионный отжиг в защитной атмосфере в течение

0,5-3 ч при температуре 900-1000 С. 5 табл, струкционную сталь получают по следующей технологии: приготовление порошковой смеси компонентов, входящих в состав стали, прессование порошковой смеси в закрытой пресс-форме с получением пористоrî брикета, нагрев брикета до температуры ковки в защитной атмосфере, выдержку его при этой температуре и его горячую обработку давлением с получением беспористого материала, диффузионный отжиг в защитной атмосфере с получением готового материала, причем кальций вводят в порошковую смесь компонентов, входящих в состав стали, в виде химического соединения (СНз(СН)1е СОО)2Са (стеа рат кальция) в количестве 0,1+5 мас,, пористый брикет изготовляют с остаточной пористостью 7-10%, нагрев пористого брикета осуществляют со скоростью 10-20 С/с до температуры 9001000 С, а выдержку брикета при этой температуре осуществляют из расчета 3-5 с на 1 мм сечения заготовки.

1803264

Введение кальция в порошковую смесь в виде стеарата кальция в укаэанном количестве дает возможность получить готовый материал с содержанием кальция в количестве 0,05+0,5 мас., что достаточно для улучшения обрабатываемости резанием и не приводит к ухудшению прочностных и других физико-механических свойств.

Стеарат кальция имеет невысокую плотность и при введении его в порошковую смесь в указанном количестве он занимает больший объем, чем эквивалентное по массе количество порошка фторида кальция.

Поэтому при перемешивании порошковой смеси достигается его более равномерное распределение по объему смеси, .. При нагреве пористого брикета перед горячей обработкой давлением в защитной среде до указанных температур стеарат кальция разлагается на составляющие компоненты. Газообразные компоненты разложения образуют в порах брикета восстановительную среду, Это способствует удалению оксидов железа с поверхности пор, кальций выделяется на этих поверхностях в виде мелкодисперсной фазы.

Для предотвращения окисления кальция пористой порошковый брикет выполняют более высокоплотным с остаточной пористостью в пределах 10-15 (вместо 1520 в способах аналогах). При такой остаточной пористости количество открытых пор в брикете резко сокращается, сужается сечение открытых пор, Газообразные продукты распада стеарата кальция частично удаляются через открытые поры, а окисление кальция при этом незначительно (не более 10 ).

При горячей обработки давлением нагретого брикета происходит ликвидация как закрытых так и открытых пор по всему объему заготовки, В процессе этого газообразные продукты распада окончательно удаляются из материала, а кальций распределяется в виде мел кодисперсной фазы равномерно по всему объему материала, Изготовление на операции прессования порошковой смеси пористого брикета с меньшей остаточной пористостью (10-15 вместо 15-10 в способах аналогах) не приводит к значительному увеличению энергозатрат и снижению ресурса работы штамповой оснастки, т,к, стеарат кальция оказывает смазочное действие и значительно снижает трение в процессе прессования как между частицами порошка в объеме брикета, так и между частицами порошка и .стенками штамповой оснастки, в конечном итоге для получения более плотного брикета

Основными отличительными признаками заявляемого способа являются: использование нового исходного сырья стеарата кальция и его количественное содержание 0,1-0,5 мас. ; параметры пористого брикета, а именно:

t остаточная пористость в пределах

10-15, скоростной режим нагрева пористого брикета С/с, усилие прессования практически не возрастает.

В целях сокращения окисления кальция из поверхностных слоев брикета при его нагреве перед горячей обработкой давлением выбраны рациональные температурновременные режимы нагрева, Скорость нагрева в пределах 10-20 С/с и время выдержки брикета при конечной температуре нагрева в пределах 3-5 с на 1 мм сечения заготовки обеспечивают минимальное время прогрева до равномерной температуры по всему сечению образца.

Конечная температура нагрева брикета

"5 900-1000 С достаточна для горячей обработки давлением. При переносе брикета из зоны нагрева в зону горячей обработки давлением не происходит его остывания ниже температуры ковки.

20 Превышение температуры нагрева свыше 1000 С приводит к увеличению окисления кальция в поверхностном слое заготовки и вызывает неравномерное распределение его по объему брикета и поэтому нежелательно, Если для получения требуемой структуры стали необходимы диффузионные реакции между компонентами при высоких температурах, после горячей обработки

З0 давлением осуществляют диффузионный отжиг материала при температуре до

1200 С и времени выдержки до 5 ч.

Установлено, что режимы диффузионного отжига в указанных пределах не привоЗ5 дят к окислению кальция в готовом материале. Приведенный способ позволяет получить равномерное распределение кальция по всему объему заготовки в виде мелко дисперсной фазы, поэтому для реализации

40 эффекта улучшения обрабатываемости резанием требуется меньшее его количество, а именно 0,1-0,5 мас, /.

Уменьшение содержания кальция до указанных пределов снижает эффект разуп45 рочнения готового материала, поэтомутвердость и предел прочности материала, полученного по заявленному нами способу выше и лежат в пределах, характерных для бескальциевых материалов, 1803264

10 твний были изготовлены порошковые стали 25

35 прессования 520 МПа); нагрев брикета в защитной атмосфере (осушенный водород) в течение 100 с со скоростью нагрева 15 С/с до темпера- 40 туры 950 С; выдержку при этой температуре в тече45

50 мосфере

55 временной режим выдержки нагретого брикета из расчета 3-5 с на t мм сечения брикета: температурный режим нагрева: конечная температура в и ределах 900-1000" С.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, так как совокупность

Отличительных признаков решения направЛенная на достижения поставленной цели неизвестно из патентных и литературных источников.

Совокупность признаков ограничительной и отличительной части формулы изобретения дает новое свойство и эффект, а менно улучшение качества высокоплотной конструкционной порошковой стали общемашиностроительного назначения, которое выражается в повышении твердости и преС(ела прочности нэ 10-15%. При получении высоких показателей обрабатываемости резанием, а также в получении более стабильных прочностных и пластических свойств гОтового материала.

Для проведения сравнительных испыпо предлагаемому способу и способу, принятому в качестве прототипа.

Предлагаемый способ включает следующие.операции: приготовление порошковой смеси из порош ко в железа (ПЖ2 Р) с добавкой: 2% по массе стеарата кальция; прессование порошковой смеси в закрытой пресс-форме с получением пористогр брикета с остаточной пористостью 12% (развиваемое при этом удельное усилие ние 30 с (из расчета 4 с на 1 мм сечения при тОлщине брикета 10 мм); горячую обработку давлением методом осадки в закрытой пресс-форме при величинФ удельной приведенной работы уплотнения 200-220 МД/м; диффузионный отжиг в защитной атИзвестный способ включаетследующие операции: приготовление порошковой смеси из .кОмпонентов, входящих в состав стали; прессование порошковой смеси в закрытой пресс-форме с получением пористого брикета с остаточной пористостью 20% (развиваемое при этом удельное усилие прессование 750 МПа);

20 нагрев брикета в защитной атмосфере (осушенный водород) в течение 5-20 мин при температуре 1100" С; горячую обработку давлением методом осадки в закрытой пресс-форме при величине удельной приведенной работы уплотнения 200-220 МДжlм; диффузионный отжиг в защитной атмосфере, Исследовались прочность, твердость, а также обрабатываемость резанием по стандартным и общепринятым методикам. образцов, полученных по первому и второму способу.

Результаты испытаний приведены в табл.1, Из приведенных данных следует, что материал изготовленный по предлагаемому способу. по характеристикам обрабатываемости резанием лучше, чем материал изготовленный по известному способу. При этом прочность и твердость материала, полученного по предлагаемой нами технологии на

10-12 .выше, а стабильность этих свойств в 1,5-2 раза лучше.

Для обоснования граничных режимов предлагаемого нами способа и роведены дополнительные эксперименты.

Результаты экспериментов приведены в табл.2, Из приведенных данных таблицы следует, что увеличение пористости брикета свыше 15% ведет к значительному окислению кальция. Уменьшение пористости брикета менее 10% приводит к значительному возрастанию удельного усилия прессования и технически нецелесообразно, В табл.3 приведены данные окисления кальция при нагреве пористого брикета в зависимости от скорости нагрева, в табл.

4 — то же, в зависимости .от температуры нагрева.

Из приведенных данных следует, что уменьшение скорости нагрева менее

10 С/с ведет к значительному увеличению окисления кальция. Увеличение скорости нагрева свыше 20 С/с требует значительных энергозатрат, не приводя к заметному сокращению окисления кальция.

Из приведенных данных следует, что увеличение температуры нагрева свыше

1000 С ведет к значительному окислению кальция свыше 10% и поэтому нецелесообразно. Снижение температуры ниже 900 С может привести к остыванию заготовки при переносе ее из зоны нагрева в зону обработки давлением до температуры ниже температуры ковки и технически нецелесообразно.

1803264 и рессова ния 520 М Па); нагрев брикета в защитной атмосфере (осушенный водород) в течение 100 с со скоростью нагрева 15 С/с до температуры 950ОС; выдержку при этой температуре в тече- 35 ние 30 с (из расчета 4 с на 1 мм сечения при толщине брикета 10 мм); . горячую обработку давлением методом осадки в закрытой пресс-форме при величине удельной приведенной работы уплотне- 40 ния 200-220 МДж/м; диффузионный отжиг в защитной атмосфере, Сталь полученная по этому способу, имеет следующие характеристики; о, = 345 45

МПа, HRB = 65, Т = 120 мин, Пример 2, Аналогично примеру 1, только количество стеарата кальция составляет 0,05 мас. . Сталь, полученная поэтому способу, имеет следующие характеристики: 50 гЪ = 300 МПа, HRB = 600, Т = 96 мин, Пример 3. Аналогично примеру 1, только количество стеарата кальция составляет 6 мас. . Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики; 55

a> = 280 МПа, HRB = 55, Т = 120 мин.

П р и.м е р 4. Аналогично примеру 1, только количество стеарата кальция составляет 0,1 мас.%. Сталь, полученная по этому

В табл,5 приведены данные окисления кальция при нагреве пористого брикета в зависимости от времени выдержки при конечной температуре нагрева.

Из приведенных данных следует, что увеличение времени выдержки свыше 5 с/мм ведет к значительному окислению кальция. Снижение времени выдержки менее 3 с/мм приводит к неравномерному прогреву заготовки по объему к увеличению коэффициента вариации прочностных свойств в 2-2,5 раза.

Таким образом, . опти мал ьн ым следует считать следующие режимы получения материала: прессование пористого брикета до остаточной пористости 10-15 ; скоростной режим нагрева пористого брикета 10-20 С/с; временный режим выдержки нагретого брикета из расчета 3-5 с на 1 мм сечения заготовки; температурный режим нагрева

900-1000 С.

Пример 1. Предлагаемый способ включает следующие операции: прессование порошковой смеси из порошков железа (ПЖ2Р) с добавкой 2 мас. стеарата кальция, прессование порошковой смеси в закрытой пресс-форме с получением пористого брикета с остаточной пористостью 12 (развиваемое при этом удельное усилие

30 способу. имеет следующие характеристики:

0 = 320 МПа, HRB = 63, Т 105 мин.

Пример 5. Аналогично примеру 1. только количество стеарата кальция составляет 5 мас., Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики;

o = 310 МПа, HRB = 62, Т = 120 мин.

Пример 6. Аналогично примеру 1, только пористость порошкового брикета составит 7 . Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: гт = 345 МПа, HRB = 65, Т = 120. а развиваемое при этом удельное усилие прессования составит 750 МПа, Пример 7, Аналогично примеру 1, только пористость порошкового брикета составит 20 . Сталь полученная по этому способу, имеет следующие характеристики:

0Ъ = 300 МПа, HRB = 56, Т =-97 мин, Пример 8. Аналогично примеру 1, только пористость порошкового брикета составит 10%, Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики:

o = 330 МПа, HRB = 63, Т =- 115 мин.

Пример 9, Аналогично примеру 1, только пористость порошкового брикета составит 15%. Сталь. полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: а, = 340 МПа, HRB = 63, Т = 120 мин.

Пример 10. Аналогично примеру 1, только скорость нагрева составит 5 С/с.

Сталь, полученная по этому способу имеет следующие характеристики: гг, =- 280 МПа, HRB = 57, Т = 90 мин.

Пример 11. Аналогично примеру 1, только скорость нагрева составит 25 С/с.

Сталь, полученная по этому способу имеет следующие характеристики; гг, = 290 МПа;

HRB = 60, Т=10 мин, Пример 12, Аналогично примеру 1, только скорость нагрева составит 10 С/с.

Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: <Ъ = 340 МПа, HRB = 63, Т = 117 мин.

Пример 13, Аналогично примеру 1, только скоростЬ нагрева составит 20 С/с.

Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: гг,=345 МПа, HRN = 64, Т = 115 мин.

Пример 14. Аналогично примеру 1, только температура нагрева составит

850 С. Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: гг = 260

МПа, HRB = 50, Т = 80 мин.

Пример 15, Аналогично примеру 1, только температура нагрева составит

1100 С, Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: ов = 295 МПа, HRB = 58. T =- 98 мин.

1803264

Таблица 1

Таблица 2

Окисление кальция в готовом материале в зависимости от пористости порошкового брикета при его нагреве

Пример 16. Аналогично. примеру 1, только температура нагрева составит

900 С. Сталь, полученная по этому способу, имеет следующие характеристики: о = 340

МПа, HRB = 65, Т = 115 мин.

Пример 17. Аналогично примеру 1, только температура нагрева составит

1()00 С. Сталь, полученная по этомуспособу имеет следующие характеристики: сг, = 345

МПа, HRB = 63, Т = 117 мин, Пример 18. Аналогично примеру 1, только время выдержки при конечной температуре нагрева составит 1 с на 1 мм сеченйя брикета. Сталь. полученная по этому способу имеет следующие характеристики:

o = 265 МПа, HRB = 48, Т = 97 мин.

Пример 19. Аналогично примеру 1, только время выдержки при конечной температуре нагрева составит 8 с на 1 мм сечения брикета. Сталь. полученная по этому способу имеет следующие характеристики:a = 295 МПа, HRB = 55, Т = 90 мин.

Пример 20. Аналогично примеру 1, только время выдержки при конечной темпе1эатуре составит 3 с на 1 мм сечения брикета. Сталь. полученная по этому способу. имеет следующие характеристики: 1 = 345

МПа, HRB = 65, Т = 120 мин.

Пример 21. Аналогично примеру 1, 5 только время выдержки при конечной температуре составит 5 с на 1 мм сечения брикета. Сталь. полученная по этому способу. имеет следующие характеристики; о = 345

МПа, HRB = 65, Т = 120 мин.

10, Формула изобретения

Способ получения конструкционной порошковой стали, включающий приготовление шихты, прессование пористого брикета, 15 нагрев в защитной атмосфере, выдержку, горячую обработку давлением. диффузионный отжиг, отличающийся тем, что, с целью улучшения и стабилизации обрабаты- ваемости резанием, в шихтудобавляют сте20 врата кальция в количестве 0,1-5 мас., прессование проводят до пористости брикета 10-15, нагрев ведут со скоростью 1020 С/с до температуры 900-1000 С, а время выдержки определяют из расчета 3-5 с на 4

25 мм сечения брикета.

1803264

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Составитель В. Дорофеев

Техред М.Моргентал Корректор Н. Крроль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1025 Тираж Подйисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5