Спеченные металлические детали и способ их производства
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным металлическим деталям на основе железа. Деталь с уплотненной поверхностью получена из смеси на основе порошка железа или порошка железа, содержащего крупные частицы. Структура пор сформирована посредством одностадийного прессования до плотности по меньшей мере до 7,35 г/см3 получаемой и одностадийного спекания до плотности по меньшей мере 7,35 г/см3. Деталь имеет высокую плотность после спекания и механическую прочность. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к порошковым металлическим деталям. Конкретно настоящее изобретение относится к спеченным металлическим деталям, которые имеют уплотненную поверхность и которые являются пригодными для необходимых применений. Настоящее изобретение также включает в себя способ получения этих металлических деталей.
Уровень техники
Имеются несколько преимуществ использования способов порошковой металлургии для производства конструкционных деталей по сравнению с обычными способами для заготовок из плотной стали. Так, потребление энергии является гораздо более низким, и полезное использование материала является гораздо более высоким. Другой важный фактор в пользу способов порошковой металлургии заключается в том, что компоненты с конечной формой или приблизительно конечной формой могут производиться непосредственно после процесса спекания без дорогостоящей обработки, такой как токарная обработка, строгание, сверление или фрезерование. Однако обычно плотный стальной материал имеет превосходные механические свойства по сравнению с компонентами, полученными порошковой металлургией (ПМ). По этой причине имеются попытки повышения плотности компонентов ПМ для достижения значений, настолько близких, насколько это возможно, к значению плотности цельной плотной стали.
Одну из областей будущего роста использования порошковых металлических деталей, имеющих высокую плотность, представляет собой автомобильная промышленность. Особый интерес в этой области представляет собой использование порошковых металлических деталей в применениях с предъявляемыми высокими требованиями, таких как применения в механических передачах, например, в качестве зубчатых колес. Проблемы с зубчатыми колесами, формируемыми посредством способа порошковой металлургии, заключается в том, что порошковые металлические зубчатые колеса имеют пониженную усталостную прочность на изгиб в корневой области зубьев зубчатого колеса, и низкую контактную усталостную прочность на боковых поверхностях зубьев по сравнению с колесами, полученными посредством механической обработки цельных болванок или заготовок. Эти проблемы могут быть уменьшены или даже устранены посредством пластической деформации поверхности корневой области и боковых поверхностей области зубьев посредством способа, повсеместно известного как уплотнение поверхности. Продукты, которые могут использоваться для этих применений с повышенными требованиями, описаны, например, в патентах США №№5711187, 5540883, 5552109, 5729822 и 6171546.
Патент США №5711187 (1990) относится, в частности, к степени твердости поверхности, которая является необходимой для производства зубчатых колес, которые являются достаточно износостойкими, для использования в применениях с большими нагрузками. В соответствии с этим патентом твердость поверхности или уплотнение должно быть в пределах от 90 до 100 процентов от полной теоретической плотности на глубине, по меньшей мере, от 380 микрон и до 1000 микрон. Не описываются конкретные детали, относящиеся к способу производства, но утверждается, что смешанные порошки являются предпочтительными, поскольку они имеют преимущество более высокой сжимаемости, делая возможным достижение более высоких плотностей на стадии прессования. Кроме того, утверждается, что смешанные порошки должны содержать в дополнение к железу и 0,2 мас.% графита, по 0,5 мас.% молибдена, хрома и марганца соответственно.
Способ, подобный тому, который описывается в патенте США №5711187, описывается и в патенте США №5540883 (1994).
В соответствии с патентом США №5540883 опорные поверхности порошковых металлических заготовок получают посредством смешивания углерода и ферросплавов, и смазочного материала со сжимаемым порошком элементарного железа, прессования полученной смеси, с формированием порошковой металлической заготовки, высокотемпературного спекания заготовки в восстановительной атмосфере, прессования порошковых металлических заготовок с тем, чтобы получить уплотненный слой, имеющий несущую поверхность, а затем термической обработки уплотненного слоя. Спеченное порошковое металлическое изделие должно иметь композицию в массовых процентах например, от 0,5 до 2,0% хрома, от 0 до 1,0% молибдена, от 0,1 до 0,61 углерода, при этом остаток представляет собой железо и неизбежные примеси. Относительно давлений компактирования рассматриваются широкие диапазоны. Так утверждается, что компактирование может осуществляться при давлениях в пределах между 25 и 50 тонн на квадратный дюйм (примерно 390-770 МПа).
Патент США №5552109 (1995) относится к способу формирования спеченного изделия, имеющего высокую плотность. Патент, в частности, относится к производству соединительных стержней. Как и в патенте США №5711187, никаких конкретных деталей относительно способа производства в патенте США №5552109 не описывается, но утверждается, что порошок должен представлять собой порошок на основе предварительно легированного железа, что компактирование должно осуществляться на одной стадии, что давления компактирования могут изменяться в пределах между 25 и 50 тонн на квадратный дюйм (390-770 МПа), для плотностей неспеченного материала между 6,8 и 7,1 г/см3, и что спекание должно осуществляться при высокой температуре, в частности, в пределах между 1270 и 1350°С. Утверждается, что получают спеченные продукты, имеющие плотность более высокую, чем 7,4 г/см3, и таким образом является очевидным, что высокая спеченная плотность является результатом высокотемпературного спекания.
В патенте США №5729822 (1996) описывается порошковое металлическое зубчатое колесо, имеющее плотность сердцевины, по меньшей мере, 7,3 г/см3 и упрочненную науглероженную поверхность. Рекомендованные порошки являются такими же, как в патентах США №№57711187 и 5540383, то есть представляют собой смеси, получаемые посредством смешивания углерода, ферросплавов и смазочного материала со сжимаемым порошком чистого железа. Для получения высокой спеченной плотности сердцевины патент рассматривает горячее прессование; двойное прессование, двойное спекание; формирование высокой плотности, как описано в патенте США №5754937; использование смазки пресс-формы вместо подмешивания смазочных материалов во время компактирования порошка; и роторное формование после спекания. Как правило, используют давления компактирования около 40 тонн на квадратный дюйм (620 МПа).
Уплотнение поверхности спеченных ПМ сталей обсуждается, например, в Technical Paper Series 820234, (International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February 22-26, 1982). В этой статье сообщается об исследовании поверхностной прокатки спеченных шестерен. Для исследования используют материалы сплавов Fe-Cu-C и Ni-Mo. Статья приводит результаты базового исследования по поверхностной прокатке спеченных деталей с плотностью 6,6 и 7,1 г/см3 и его применение к спеченным шестерням. Базовое исследование включает в себя поверхностную прокатку различными диаметрами валков, наилучшие результаты с точки зрения прочности достигают с помощью меньшего диаметра валков, меньшего обжатия за проход и большего тотального обжатия. В качестве примера для материала Fe-Cu-C достигается уплотнение 90% от теоретической плотности с помощью валков диаметров 30 мм на глубину 1,1 мм. Такой же уровень уплотнения достигают на глубину примерно до 0,65 мм для валков диаметром 7,5 мм. Валки малого диаметра, однако, способны увеличивать уплотнение примерно до полной плотности на поверхности, в то время как валки большего диаметра увеличивают плотность примерно до 96% на поверхности. Технология поверхностной прокатки применяется к спеченным шестерням нефтяных насосов и спеченным шестерням коленчатых валов. В статье в Modern Developments in Powder Metallurgy, Volume 16, p.33-48 1984 (from International PM Conference June 17-22, 1984, Toronto Canada,) авторы исследуют влияние дробеструйной обработки, карбонитридирования и их сочетаний на предел износостойкости спеченных сплавов Fe+1,5% Cu и Fe+2% Cu+2,5% Ni. Плотность этих сплавов, о которых сообщается, составляет 7,1 и 7,4 г/см3. Как теоретическая оценка способа поверхностной прокатки, так и исследование изгибной усталости деталей после поверхностной прокатки опубликованы в статье Horizon of Powder Metallurgy part I, p.403-406. Proceedings of 1986 (International Powder Metallurgy Conference and Exhibition, Düsseldorf, 7-11 July, 1985).
В соответствии с современным уровнем техники предлагается множество различных способов для достижения высокой плотности после спекания порошкового металлургического компонента. Однако все предлагаемые способы включают в себя стадии, добавляющие дополнительные затраты. Так, горячее компактирование и смазка стенок пресс-формы способствуют высокой плотности неспеченного материала. Двойное прессование и двойное спекание приводит к высокой спеченной плотности и к усадке, в то время как результат высокотемпературного спекания также приводит к высокой плотности после спекания.
Кроме того, для применений с высокими нагрузками, таких как зубчатые колеса, должны быть предприняты специальные меры относительно размера пор и морфологии пор, для достижения достаточных усталостных свойств. Простой и экономически эффективный способ получения зубчатых колес и подобных продуктов с высокой плотностью после спекания и механической прочностью, безотносительно к размеру и морфологии пор, был бы таким образом привлекательным и представляет собой главную цель настоящего изобретения.
Сущность изобретения
Было обнаружено, что порошковые металлические детали для применений с высокими требованиями, такими как применения в механических передачах, например, в качестве зубчатых колес, могут быть получены посредством одноосного компактирования порошка железа или порошка на основе железа при давлении выше 700 МПа до плотности выше 7,35 г/см3, спекания полученного исходного продукта и воздействия на спеченный продукт способом уплотнения. Характерная особенность сердцевины металлической детали в соответствии с настоящим изобретением заключается в структуре пор, которая содержит относительно большие поры.
Конкретно настоящее изобретение относится к спеченной металлической детали, которая имеет уплотненную поверхность и плотность сердцевины, по меньшей мере, 7,35, предпочтительно, по меньшей мере, 7,45 г/см3, при этом структура сердцевины отличается матрицей пор, получаемой при однократном прессовании, без применения смазки стенки пресс-формы, по меньшей мере, до 7,35 г/см3, предпочтительно, по меньшей мере, 7,45 г/см3, и посредством однократного спекания смеси порошков на основе железа, имеющей крупные частицы железа, или порошка на основе железа, а также к способу производства таких металлических деталей. Структуру пор измеряют и оценивают посредством использования анализа изображений в соответствии с ASTM E 1245, дающим распределение площади пор, соотнесенное с размером пор.
Уровни плотности выше относятся к продуктам на основе порошка чистого или низколегированного железа.
Подробное описание изобретения
Типы порошков
Пригодные для использования порошки металлов, которые могут использоваться в качестве исходных материалов для способа компактирования, представляют собой порошки, приготовленные из металлов, таких как железо. Сплавляемые элементы, такие как углерод, хром, марганец, молибден, медь, никель, фосфор, сера и тому подобное, могут добавляться в качестве частиц, предварительно сплавляться или сплавляться диффузионно для модификации свойств конечного продукта спекания. Порошки на основе железа могут выбираться из группы, состоящей из порошков, по существу, чистого железа, предварительно сплавленных частиц на основе железа, диффузионно сплавленных частиц железа - на основе железа и смеси частиц железа или частиц на основе железа и сплавляемых элементов. Относительно формы частицы является предпочтительным, чтобы частицы имели иррегулярную форму, получаемую при водной атомизации (распылении). Порошки губчатого железа, имеющие частицы иррегулярной формы, также могут представлять интерес.
Относительно деталей ПМ для применений с особенно высокими требованиями особенно обещающие результаты получены с помощью предварительно легированных, распыленных водой порошков, содержащих низкие количества, такие как до 5%, одного или нескольких сплавляемых элементов из Мо и Cr. Примеры таких порошков представляют собой порошки, имеющие химическую композицию, соответствующую химической композиции Astaloy Mo (1,5% Mo и Astaloy 35 Mo (0,85% Mo), а также Astaloy CrM (3 Cr, 0,5 Mo) и Astaloy CrL (1,5 Cr, G,2 Mo) от Höganäs AB, Sweden. Критической особенностью настоящего изобретения является то, что используемый порошок имеет крупные частицы, то есть порошок, по существу, не содержит мелкодисперсных частиц. Термин "по существу не содержит мелкодисперсных частиц" предназначен для обозначения того, что меньше, примерно, чем 10%, предпочтительно меньше чем 5% частиц порошка, имеют размер ниже 45 мкм, как измеряется с помощью способа, описанного в SS-EN 24497. Средний диаметр частицы, как правило, находится в пределах между 75 и 300 мкм. Количество частиц, больших, чем 212 мкм, как правило, выше 20%. Максимальный размер частиц может составлять примерно 2 мм.
Размер частиц на основе железа, обычно используемых в промышленности ПМ, распределяется в соответствии с кривой распределения Гаусса, со средним диаметром частиц в области от 30 до 100 мкм и примерно 10-30% частиц, которые меньше, чем 45 мкм. Таким образом, порошки, используемые в соответствии с настоящим изобретением, имеют распределение размеров частиц, отличающееся от того, которое обычно используется. Эти порошки могут быть получены посредством удаления более мелких фракций порошка или посредством производства порошка, имеющего желаемое распределение размеров частиц.
Таким образом, для порошков, рассмотренных выше, соответствующее распределение размеров частиц для порошка, имеющего химическую композицию, соответствующую химической композиции Astaloy 85 Mo, должно быть таким, что самое большее 5% частиц должны быть меньше, чем 45 мкм, и средний диаметр частиц, как правило, находится в пределах между 106 и 300 мкм. Соответствующие значения для порошка, имеющего химическую композицию, соответствующую Astaloy CrL, представляют собой соответственно то, что менее 5% частиц должны быть меньше, чем 45 мкм, и средний диаметр частиц, как правило, находится в пределах между 106 и 212 мкм.
Для получения спеченных металлических деталей, имеющих удовлетворительные механические спеченные свойства в соответствии с настоящим изобретением, может быть необходимым добавление к смеси порошков, которая должна компактироваться, графита. Так, графит в количествах, в пределах от 0,1 до 1%, предпочтительно 0,2-1,0%, более предпочтительно 0,2-0,7%, а наиболее предпочтительно 0,2-0,5% от массы, от смеси, которая должна компактироваться, в целом, может добавляться перед компактированием. Однако для определенных применений добавление графита не является необходимым.
Порошок на основе железа может также смешиваться со смазочным материалом до того, как он переносится в пресс-форму (внутренняя смазка). Смазочный материал добавляется для сведения к минимуму трения между частицами порошка металла и между частицами и пресс-формой во время стадии компактирования или прессования. Примеры пригодных для использования смазочных материалов представляют собой, например, стеараты, воски, жирные кислоты и их производные, олигомеры, полимеры и другие органические вещества со смазывающим действием. Смазочные материалы могут добавляться в форме частиц, но могут также связываться с частицами и/или наноситься на частицы в виде покрытия.
Предпочтительно в смесь порошков добавляется смазочное покрытие из силанового соединения, типа, описанного в заявке на Международный патент WO 2004/037467. Конкретно силановое соединение может представлять собой алкилалкокси- или полиэфиралкоксисилан, где алкильная группа алкилалкоксисилана и полиэфирная цепь полиэфиралкоксисилана содержат в пределах между 8 и 30 атомов углерода, и алкокси группа содержит 1-3 атома углерода. Примеры таких соединений представляют собой октил-триметоксисилан, гексадецилтриметоксисилан и полиэтиленэфиртриметоксисилан с 10 группами простого этиленового эфира.
В соответствии с настоящим изобретением, количество смазочного материала, добавляемого к порошку на основе железа, может изменяться в пределах между 0,05 и 0,6%, предпочтительно в пределах между 0,1-0,5% от массы смеси.
В качестве необязательных добавок могут добавляться твердые фазы, связывающие агенты, агенты, облегчающие механическую обработку, и агенты, повышающие текучесть.
Компактирование
Обычное компактирование при высоких давлениях, то есть при давлениях выше 600 МПа, с обычно используемыми порошками, содержащими более мелкие частицы, в смеси с низкими количествами смазочных материалов (меньше, чем 0,6% масс), как правило, считается непригодным из-за высоких усилий, необходимых для удаления компактов из пресс-формы, сопутствующего высокого износа пресс-формы и того факта, что поверхности компонентов имеют тенденцию к уменьшению блеска или к повреждениям. При использовании порошков в соответствии с настоящим изобретением неожиданно обнаружено, что уменьшается усилие при извлечении, при высоких давлениях, и что компоненты, имеющие приемлемые или даже совершенные поверхности, могут быть получены также тогда, когда смазка стенок пресс-формы не используется.
Компактирование может осуществляться с помощью стандартного оборудования, что означает, что новый способ может осуществляться без дорогостоящих инвестиций. Компактирование осуществляется одноосно, на одной стадии, при температуре окружающей среды или при повышенной температуре. Предпочтительно давления компактирования составляют выше, примерно 700, более предпочтительно выше 800 и наиболее предпочтительно выше 900 или даже 1000 МПа. Для достижения преимуществ с помощью настоящего изобретения, компактирование должно предпочтительно осуществляться до плотностей выше 7,45 г/см3.
Спекание
Может использоваться любая обычная печь для спекания, и время спекания может изменяться в пределах между примерно 15 и 60 минутами. Атмосфера в печи для спекания может представлять собой атмосферу эндотермического газа, смесь водорода и азота или вакуум. Температуры спекания могут изменяться в пределах между 1100 и 1350°C. Наилучшие результаты получают для температур спекания выше примерно 1250°C. По сравнению со способами, включающими в себя двойное прессование и двойное спекание, способ в соответствии с настоящим изобретением имеет то преимущество, что исключаются одна стадия прессования и одна стадия спекания, и по-прежнему могут быть получены плотности после спекания выше 7,64 г/см3.
Структура
Отличительной особенностью сердцевины исходной и спеченной металлической детали высокой плотности является присутствие больших пор. Так, в качестве примера в поперечном сечении сердцевины спеченной металлической детали в соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере, примерно 50% площади пор состоит из пор, имеющих площадь пор, по меньшей мере, 100 мкм2, в то время как в поперечном сечении сердцевины, полученной из соответствующего обычного порошка, то есть порошка, содержащего нормальные количества мелкодисперсных частиц, который должен подвергаться двойному прессованию и двойному спеканию для достижения такой же плотности), по меньшей мере, примерно 50% площади пор состоит из пор, имеющих площадь пор примерно 65 мкм2.
Уплотнение поверхности
Уплотнение поверхности может осуществляться посредством радиальной или аксиальной прокатки, дробеструйной обработки, размерной чеканки и тому подобное. Предпочтительный способ представляет собой радиальную прокатку, поскольку этот способ обеспечивает короткие времена цикла в сочетании с большой глубиной уплотнения. Порошковые металлические детали приобретают лучшие механические свойства при увеличении глубины уплотнения. Глубина уплотнения предпочтительно равна, по меньшей мере, 0,1 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,2 мм и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мм.
В этом контексте необходимо напомнить, что обычно присутствие больших пор в спеченных деталях рассматривается как недостаток, и предпринимаются различные меры для того, чтобы сделать поры меньше более округлыми. В соответствии с настоящим изобретением, однако, было неожиданно обнаружено, что отрицательное воздействие сравнительно большого количества пор большего размера может быть вообще исключено посредством способа уплотнения поверхности. Таким образом, когда сравнивают воздействие уплотнения поверхности на усталостную прочность при изгибе спеченных образцов, содержащих поры большего размера в сердцевине, с воздействием на образцы, содержащие меньшие поры, обнаруживается, что способ уплотнения поверхности увеличивает усталостную прочность на изгиб до гораздо более высокой степени, когда образцы производятся из металлического порошка с распределением размеров частиц, обсуждаемым выше. После способа уплотнения поверхности усталостная прочность на изгиб образцов, полученных из этих порошков, неожиданно будет достигать того же уровня, что и у образцов с уплотненной поверхностью, которые получаются из порошков, имеющих нормальное распределение размеров частиц (при условии одинаковой химической композиции и одинакового уровня плотности после спекания). Соответственно когда высокая плотность после спекания может достигаться в способе однократного прессования, однократного спекания, дорогостоящие процессы, такие как двойное прессование - двойное спекание, теплое компактирование, могут устраняться посредством использования способа в соответствии с настоящим изобретением для производства, например, зубчатых колес.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает усталостную прочность на изгиб до и после способа уплотнения поверхности образцов, полученных из смесей 1А и 1В в соответствии с примером 1.
Фиг.2 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, поперечного сечения образца с уплотненной поверхностью, приготовленного из смеси 1А.
Фиг.3 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, поперечного сечения образца с уплотненной поверхностью, приготовленного из смеси 1 В.
Фиг.4 показывает усталостную прочность на изгиб до и после способа уплотнения поверхности образцов, полученных из смеси 2С и 2D в соответствии с примером 2.
Фиг.5 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, поперечного сечения образца с уплотненной поверхностью, приготовленного из смеси 2С.
Фиг.6 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, образца с уплотненной поверхностью, приготовленного из смеси 2D.
Настоящее изобретение иллюстрируется далее с помощью следующих неограничивающих примеров.
Используют следующие порошки на основе железа:
Порошок А:
Astaloy 85 Мо, распыленный, предварительно легированный порошок на основе железа с содержанием Мо 0,80-0,95%, содержанием углерода не более 0,02% и содержанием кислорода не более 0,20%.
Распределение размеров частиц порошка А является сходным с распределением размеров частиц для порошка, обычно используемого в порошковой металлургии: примерно 0% частиц, больших, чем 250 мкм, примерно 15-25% в пределах между 150 и 250 мкм, и примерно 15-30% меньших, чем 45 мкм.
Порошок В:
Такая же химическая композиция, как у порошка А, но со смещенным к крупным распределением размеров частиц, в соответствии с таблицей 1.
| Таблица 1 | |
| Размер частиц, мкм | мас.% |
| >500 | 0 |
| 425-500 | 1,9 |
| 300-425 | 20,6 |
| 212-300 | 27,2 |
| 150-212 | 20,2 |
| 106-150 | 13,8 |
| 75-106 | 6,2 |
| 45-75 | 5,9 |
| <45 | 4,2 |
Порошок С:
Astaloy CrL, распыленный порошок на основе железа, предварительно сплавленного с Мо, Cr, с содержанием Cr 1,35-1,65%, содержанием Мо 0,17-0,27%, содержанием углерода, самое большее 0,010% и содержанием кислорода, самое большее 0,25%.
Распределение размеров частиц порошка C является сходным с распределением размеров частиц для порошка, обычно используемого в порошковой металлургии: примерно 0% частиц, больших чем 250 мкм, примерно 15-25% в пределах между 150 и 212 мкм и примерно 10- 25% меньших, чем 45 мкм.
Порошок D:
Такая же химическая композиция, как у порошка C, но со смещенным к крупным распределением размеров частиц в соответствии с таблицей 2.
| Таблица 2 | |
| Размер частиц, мкм | % масс |
| >500 | 0 |
| 425-500 | 0,2 |
| 300-425 | 7,4 |
| 212-300 | 21,9 |
| 150-212 | 25,1 |
| 106-150 | 23,4 |
| 75-106 | 11,2 |
| 45-75 | 7,1 |
| <45 | 3,7 |
Пример 1
Две смеси, Смесь 1A и Смесь 1B, приготавливают посредством тщательного смешивания перед компактированием.
Смесь 1A основывается на порошке A, с добавлением 0,2% масс графита и 0,8% масс H-воска.
Смесь 1B основывается на порошке B, с добавлением, сравните, 0,2% масс графита и 0,2% масс гексадецилтриметоксисилана.
Компактируют пробные бруски для исследования FS-прочности в соответствии с ISO 3928.
Пробные бруски на основе Смеси 1A компактируют до плотности неспеченного материала 7,1 г/см3 и предварительно спекают при 780°C в течение 30 минут, в атмосфере 90% азота и 10% водорода. После спекания образцы подвергают второму компактированию при давлении 1100 МПа и, наконец, спекают при 1280°C в течение 30 минут, в атмосфере 90% азота и 10% водорода. Измеренная спеченная плотность равна 7,61 г/см3.
Образец, приготовленный из смеси 1B, компактируют в однократном процессе компактирования при 1100 МПа и впоследствии спекают при 1280°C в течение 30 минут, в атмосфере 90% азота и 10% водорода. Спеченная плотность равна 7,67 г/см3.
Результаты представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | ||||||
| Смесь | Порошок | Давление МПа/ИП | Температура спекания °C | Давление МПа | Температура спекания °C | СП г/см3 |
| 1A | Astaloy 85 0,80-0,95 Mo Стандартный 0,2 графита | 7,1 | 780 | 1100 | 1280 | 7,61 |
| 1B | Astaloy 85 0,80-0,95 Mo Крупный 0,2 графита | 1100 | 1280 | 7,67 |
Половина от всего количества полученных спеченных брусков подвергают действию способа уплотнения поверхности посредством дробеструйной обработки при давлении воздуха 6 бар, с помощью стальных шариков с диаметром 0,4 мм.
Как образцы с уплотненной поверхностью, так и образцы, не подвергаемые действию способа уплотнения поверхности, подвергают поверхностному упрочнению при 920°C в течение 75 минут, при углеродном потенциале 0,8%, с последующей операцией отпуска при 200°C в течение 120 минут.
Определяют предел усталости при изгибе (BFL) для всех образцов.
Фигура 1 показывает предел усталости при изгибе как для образцов с уплотненной поверхностью, так и для образцов, которые не подвергаются уплотнению поверхности.
Из фигуры 1 можно сделать вывод, что уплотнение поверхности образцов, полученных из более крупного порошка, дает гораздо более высокое увеличение в BFL, по сравнению с увеличением BFL, который получают посредством уплотнения поверхности образцов, полученных с помощью порошка, имеющего обычное распределение размеров частиц.
Фигура 2 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, показывающую поперечное сечение образца с уплотненной поверхностью, полученного из смеси 1A, и фигура 3 представляет собой подобную же фотографию от образца с уплотненной поверхностью, полученного из смеси 1B.
Анализ изображений в соответствии с ASTM E 1245 поперечного сечения образцов с уплотненной поверхностью, полученных из образца 1A, показывает, что примерно 50% общего поперечного сечения площади пор состоит из пор, имеющих площадь поверхности 65 мкм2 или более, в то время как такое же измерение образцов с уплотненной поверхностью, полученных из смеси 1B, показывает, что примерно 50% общей площади поперечного сечения состоит из пор, имеющих площадь поверхности 200 мкм2 или более.
Пример 2
Две смеси, Смесь 2C и Смесь 2D, приготавливают посредством тщательного смешивания перед компактированием.
Смесь 2C основывается на порошке C с добавлением 0,71 порошка никеля, 0,2% масс графита и 0,8% масс H-воска.
Смесь 2D основывается на порошке D с добавлением 0,7% порошка никеля 0,2% графита и 0,2% гексадецилтриметоксисилана.
Компактируют пробные бруски для исследования FS-прочности в соответствии с ISO 3928.
Пробные бруски на основе Смеси 2C компактируют до плотности неспеченного материала 7,1 г/см3 и предварительно спекают при 780°C в течение 30 минут, в атмосфере 90% азота и 10% водорода. После спекания образцы подвергают второму компактированию при давлении 1100 МПа и, наконец, спекают при 1280°C в течение 30 минут, в атмосфере 90% азота и 10% водорода. Измеренная спеченная плотность равна 7,63 г/см3.
Образец, приготовленный из смеси 2D, компактируют в однократном процессе компактирования при 1100 МПа и впоследствии спекают при 1280°C в течение 30 минут в атмосфере 90% азота и 10% водорода. Спеченная плотность равна 7,64 г/см3.
Результаты представлены в таблице 4.
| Таблица 4 | ||||||
| Смесь | Порошок | Давление, МПа/ИП | Температура спекания, °C | Давление, МПа | Температура спекания, °C | СП, г/см3 |
| 2C | CRL Стандартный 1,35-1,65 Cr 0,17-0,27 Mo+0,7% Ni | 7,1 | 780 | 1100 | 1280 | 7,63 |
| 2D | CRL Крупный 1,35-1,65 Cr 0,17-0,27 Mo+0,7% Ni | 1200 | 1280 | 7,64 |
Половину от всего количества полученных спеченных брусков подвергают действию способа уплотнения поверхности посредством дробеструйной обработки при давлении воздуха 6 бар, с помощью стальных шариков с диаметром 0,4 мм.
Как образцы с уплотненной поверхностью, так и образцы, не подвергаемые действию способа уплотнения поверхности, подвергают поверхностному упрочнению при 920°C в течение 75 минут, при углеродном потенциале 0,8%, с последующей операцией отпуска при 200°C в течение 120 минут.
Определяют предел усталости при изгибе (BFL) для всех образцов.
Фигура 5 показывает предел усталости на изгиб как для образцов с уплотненной поверхностью, так и для образцов, которые не подвергаются уплотнению поверхности.
Из фигуры 5 можно сделать вывод, что уплотнение поверхности образцов, полученных из более крупного порошка, дает гораздо более высокое увеличение в BFL по сравнению с увеличением BFL, который получают посредством уплотнения поверхности образцов, полученных с помощью порошка, имеющего обычное распределение размеров частиц.
Фигура 6 представляет собой фотографию, сделанную с помощью оптического микроскопа, показывающую поперечное сечение образца с уплотненной поверхностью, полученного из смеси 2C, и фигура 7 представляет собой подобную же фотографию от образца с уплотненной поверхностью, полученного из смеси 2D.
Анализ изображений в соответствии с ASTM E 1245 поперечного сечения образцов с уплотненной поверхностью, полученных из образца 2C, показывает, что примерно 50% общего поперечного сечения площади пор состоит из пор, имеющих площадь поверхности 50 мкм2 или более, в то время как такое же измерение образцов с уплотненной поверхностью, полученных из смеси 2D, показывает, что примерно 50% общей площади поперечного сечения состоит из пор, имеющих площадь поверхности 110 мкм2 или более.
1. Спеченная металлическая деталь, имеющая уплотненную поверхность и сердцевину, структура пор которой сформирована посредством однократного прессования смеси на основе порошка железа или порошка на основе железа, содержащего крупные частицы, до плотности не менее 7,35 г/см3 и однократного спекания с получением плотности после спекания по меньшей мере 7,35 г/см3.
2. Спеченная металлическая деталь по п.1, у которой плотность после прессования и плотность после спекания равны по меньшей мере 7,45 г/см3.
3. Спеченная металлическая деталь по п.1, у которой плотность после прессования и плотность после спекания равны по меньшей мере 7,5 г/см3.
4. Спеченная металлическая деталь по п.1, у которой сердцевина указанной металлической детали имеет структуру пор, в которой по меньшей мере 50% площади пор в поперечном сечении состоит из пор, имеющих площадь пор в поперечном сечении по меньшей мере 100 мкм2.
5. Спеченная металлическая деталь по п.2, у которой сердцевина указанной металлической детали имеет структуру пор, в которой по меньшей мере 50% площади пор в поперечном сечении состоит из пор, имеющих площадь пор в поперечном сечении по меньшей мере 100 мкм2.
6. Способ производства спеченных металлических деталей с уплотненной поверхностью, включающий однократное одноосное прессование смеси на основе порошка железа или порошка на основе железа, содержащего крупные частицы, при давлении по меньшей мере 700 МПа до плотности выше 7,35 г/см3, одностадийное спекание при температуре по меньшей мере 1100°С с получением плотности не менее 7,35 г/см3 и уплотнение поверхности детали.
7. Способ по п.6, в котором в порошок вводят до 5 мас.% легирующих добавок.
8. Способ по п.7, в котором в качестве легирующих добавок используют по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из графита, хрома, молибдена, марганца, никеля и меди.
9. Способ по п.6, в котором в порошок вводят смазочный материал.
10. Способ по п.9, в котором в качестве смазочного материала используют органосилан, выбранный из группы, состоящей из алкилалкокси- или полиэфиралкоксисилана, в котором алкильная группа алкилалкоксисилана и полиэфирная цепь полиэфиралкоксисилана содержат в пределах между 8 и 30 атомов углерода, а алкокси группа содержит 1-3 атома углерода.
11. Способ по п.10, в котором органосилан выбирается из группы, состоящей из октил-три-метоксисилана, гексадецил-три-метоксисилана и полиэтиленэфир-триметоксисилана с 10 группами простого этиленового эфира.
12. Способ по п.6, в котором используют предварительно легированный распыленный водой порошок на основе железа.
13. Способ по п.6, в котором используют порошок на основе железа, в котором не более 10% частиц имеют размер менее 45 мкм.
14. Способ по п.6, в котором используют порошок на основе железа, в котором не более 5% частиц имеют размер менее 45 мкм.
15. Способ по п.6, в котором прессование осуществляют при давлении по меньшей мере 800 МПа.
16. Способ по п.6, в котором прессование осуществляют при давлении по меньшей мере 900 МПа.
17. Способ по п.6, в котором прессование осуществляют при давлении по меньшей мере 1000 МПа.
18. Способ по п.6, в котором спекание осуществляют при температуре по меньшей мере 1200°С.
19. Способ по п.6, в котором спекание осуществляют при температуре по меньшей мере 1250°С.
20. Способ по п.6, в котором спекание осуществляют в течение от 15 до 60 мин.
21. Способ по п.6, в котором спекание осуществляют в атмосфере эндотермического газа, смеси водорода и азота или в вакууме.
22. Способ по п.6, в котором уплотнение поверхности осуществляют посредством прокатки.
23. Способ по п.6, в котором уплотнение поверхности детали осуществляют на глубину по меньшей мере 0,1 мм.
24. Способ по п.6, в котором уплотнение поверхности детали осуществляют на глубину по меньшей мере 0,2 мм.
25. Способ по п.6, в котором уплотнение поверхности детали осуществляют на глубину по меньшей мере 0,3 мм.
26. Способ по п.6, в котором спеченные металлические детали представляют собой шестерни, подвесы, ролики, зубчатые колеса цепных передач, валы.
