Спеченный порошковый материал на основе железа

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе железа. Может применяться для работы в условиях высоких температур, давлений, скоростной деформации, агрессивных сред и широких диапазонов режимов трения. Предложен спеченный порошковый материал на основе железа, содержащий, мас. %: хром 2,2-6,7; молибден 1,3-4,1; медь 1,8-7,1; фтористый кальций 1,0-12,0; вольфрам 4,1-8,5; кобальт 5,1-7,8; железо - остальное. Техническим результатом является повышение твердости и коррозионной стойкости. 1 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе железа, которые могут быть использованы в машиностроении для работы в условиях высоких температур, давлений, скоростной деформации, агрессивных сред и широких диапазонов режимов трения.

Известен антифрикционный материал на основе железа (а.с. 382733, С 22 С 33/02, опубл. БИ №23, 1973 г.), который содержит легирующие компоненты (маc. %):

Углерод 0,9-1,1

Хром 4,0-6,0

Молибден 4,0-10,0

Фтористый кальций 5,0-7,0

Железо остальное

Известный материал предназначен для изготовления деталей, работающих на трение в среде керосина. Недостатком данного материала является его невысокая износостойкость при других условиях работы деталей и узлов.

Известен спеченный антифрикционный материал на основе железа (а.с. 885319, С 22 С 33/02, опубл. БИ № 44, 1981 г.), который содержит (маc. %):

Медь 1,75

Углерод 0,15-3,0

Сера 0,2-0,3

Фосфор 0,2-0,3

Фтористый кальций 1,0-1,25

Железо остальное

Недостатком известного материала является невысокая износостойкость, обусловленная его составом, включающего серу и фосфор, которые при использовании материала увеличивают хрупкость готовых изделий.

Известен спеченный антифрикционный материал на основе железа (а.с. 606889, С 22 С 33/02, опубл. БИ № 18, 1978 г.), имеющий следующий состав, маc. %:

Углерод 0,9-1,1

Хром 1,0-5,0

Молибден 1,0-5,0

Фтористый кальций 5,0-7,0

Железо остальное

Известный материал применяют при работе в условиях сухого трения и скольжения. Однако указанный порошковый материал имеет недостаточно высокие физико-механические характеристики и не может быть использован в производстве деталей для таких областей как, например, автомобильной или авиационной, где присутствуют высокое давление и скоростные деформации.

Кроме того, в известном материале содержание легирующих компонентов в твердом растворе может находиться только в ограниченных узких пределах, что снижает и ухудшает технологичность получения порошковой композиции.

Наиболее близким по составу к заявленному является спеченный порошковый материал на основе железа (п. №2221070, С 22 С 33/02, опубл. БИ №1, 2004 г.), имеющий следующий состав, маc. %:

Хром 2,7-7,5

Молибден 1,5-4,0

Медь 1,7-7,5

Фтористый кальций 1,0-12,0

Вольфрам 1,2-9,0

Железо остальное

Однако детали и узлы машин, изготовленные из порошковых сталей на основе указанного материала, при работе с большими нагрузками имеют низкий срок службы, т.к. известный материал обладает недостаточно высокой твердостью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание композиционного материала на основе железа, применение которого для изготовления деталей машин обеспечивает им повышенный срок службы.

Техническим результатом при использовании изобретения является получение высокотемпературных дисперсно-упрочненных порошковых материалов на основе железа с повышенной твердостью и коррозийной стойкостью.

Поставленная задача достигнута новой совокупностью качественного состава порошка и новым соотношением в нем легирующих компонентов, т.е. спеченный порошковый материал на основе железа, содержащий хром, молибден, медь, вольфрам, фтористый кальций, согласно изобретению, дополнительно включает кобальт, при следующем соотношении компонентов, маc. %:

Хром 2,2-6,7

Молибден 1,3-4,1

Медь 1,8-7,1

Фтористый кальций 1,0-12,0

Вольфрам 4,1-8,5

Кобальт 5,1-7,8

Железо остальное

Предлагаемый качественный состав и количественное соотношение легирующих компонентов является оптимальным для обеспечения высоких физико-механических свойств спеченного материала, позволяющих использовать его для изготовления деталей машин, работающих в особо сложных условиях в различных областях машиностроения в агрессивных средах, при повышенных температурах и под большой нагрузкой.

Основной заявляемой порошковой композиции является порошок железа гранулометрического состава 20-40 мкм, обеспечивающий наиболее благоприятную растворимость легирующих компонентов при спекании исходного материала.

Присутствие в порошковом материале элементов VI группы периодической системы - хрома, молибдена и вольфрама значительно влияют на конечные свойства порошковых сталей, т.е. обеспечивают им возможность работы при высоких температурах и давлении. Это происходит за счет того, что молибден и вольфрам образуют с железом твердые растворы - ограниченные и неограниченные - с хромом, и при взаимодействии с фтористым кальцием, который интенсифицирует взаимную диффузию металлов и повышает их концентрацию в твердом растворе, всей системе обеспечиваются высокие физико-механические свойства.

Заявляемые содержания вышеуказанных легирующих компонентов являются оптимальными, значения их в указанных пределах обеспечивают образование общей кристаллической решетки. За пределами заявленных значений по отношению к основному элементу снижаются физико-механические характеристики спеченного материала.

Введение фтористого кальция в композицию на основе железа приводит к образованию тонкой кальций-фторидной пленки, которая активирует процесс консолидации порошков, а при спекании в атмосфере водорода фтористый кальций выделяет ионы фтора, активизирующие процесс спекания, т.е. наличие фтористого кальция обеспечивает сверхпредельную растворимость легирующих компонентов в железной порошковой матрице, что приводит к резкому повышению физико-механических свойств порошкового материала. Кроме того, фтористый кальций дает смазывающий эффект, особенно при высоких температурах, что, в свою очередь оказывает положительное влияние на повышение механических свойств спеченного материала.

Количественные пределы содержания фтористого кальция установлены экспериментально по отношению к содержанию остальных компонентов смеси и являются оптимальными.

Отличием заявляемого состава порошкового материала от известных является введение кобальта, за счет чего в сочетании с остальными компонентами порошковый материал при стабильности остальных физико-механических характеристик приобретает повышенные твердость и коррозионную стойкость, что в конечном итоге значительно увеличивает срок службы деталей из порошковых сталей.

Это достигается за счет образования в твердом железном растворе в присутствии фтористого кальция оксидов кобальта, создающих защитные оболочки в кристаллической решетке и препятствующих окислению железной составляющей порошка. Благодаря этому порошковые стали получают повышенную твердость и коррозийную стойкость.

Экспериментальное изучение образцов спеченных порошков показало, что наличие меди в заявляемой композиции влияет на стабильность электронной структуры, а совместно с фтористым кальцием медь обеспечивает однородность распределения в твердом растворе легирующих компонентов - молибдена, вольфрама и кобальта.

Рентгенографические исследования доказывают, что содержание меди 1,8-7,1 маc. % является необходимым и достаточным для получения высоких физико-механических свойств.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Композиции получали путем смешивания исходных компонентов: железо особо чистое, молибден чистый, хром чистый, медь чистая, вольфрам чистый, кобальт чистый, фтористый кальций.

Полученные смеси прессовали при давлении 8 т/см³ и спекали в атмосфере водорода в течение 2 часов при температуре 1200°С в точкой росы 25-45°С до полной гомогенизации легирующих компонентов в железе.

Свойства полученных спеченных материалов исследовали методами микроструктурного, термического и рентгеновского анализов.

Исследуемые составы композиций, результаты их испытаний и полученные физико-механические свойства приводятся в таблице.

Испытания показали, что подшипники, которые были изготовлены из порошковой стали на основе заявленного материала, работали в условиях агрессивной среды более года.

Как видно из представленных данных, предлагаемый материал по сравнению с известным, обеспечивает более высокие физико-механические свойства, а также повышенный срок службы порошковых стальных изделий.

Таблица
Содержание компонентов, мас.%	Физико-механические свойства спеченного порошкового материала	Срок службы
Сr	Мо	Сu	W	Со	CaF2	Fe	Твердость HRB, кг/мм2	Предел прочности σв, кг/мм2	Износ δ, мкм/км	Коэффициент трения μ	деталей, месяцев
2,2 3,0 6,5	1,3 3,4 4,1	1,8 3,0 7,0	4,1 4,5 8,0	5,1 5,0 7,8	2,0 6,0 12,0	ост. ост. ост.	85-100 90-100 95-102	280-310 310-330 340-405	76-90 75-80 80-90	0,01-0,04 0,01-0,05 0,04-0,02	14 14 14
Известный состав (прототип)
6,1	2,5	5,7	7,5	-	11,0	ост.	80-97	320-400	40-60	0,005-0,01	11

Спеченный порошковый материал на основе железа, содержащий хром, молибден, медь, фтористый кальций, вольфрам, отличающийся тем, что он дополнительно включает кобальт при следующем соотношении компонентов, маc. %:

Хром	2,2-6,7
Молибден	1,3-4,1
Медь	1,8-7,1
Фтористый кальций	1,0-12,0
Вольфрам	4,1-8,5
Кобальт	5,1-7,8
Железо	Остальное