Спеченные металлические детали и способ их изготовления

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления металлических деталей на основе железа. Предварительно легированный металлический порошок на основе железа, содержащий по меньшей мере 1,3-3,5 мас.% хрома, 0,15-0,7 мас.% молибдена, марганец и неизбежные примеси, смешивают с 0,1-1,0 мас.% графита. Полученную смесь прессуют под давлением, по меньшей мере, 600 МПа. Затем проводят одностадийное спекание при температуре более 1100°С и последующее дробеструйное упрочнение. Полученные детали имеют микроструктуру перлита, или тонкодисперсного перлита, или мартенсита и нижнего бейнита, или мартенсита отпуска. Полученные детали обладают высокой усталостной прочностью. 7 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии и, более конкретно, к металлическим деталям с улучшенными усталостными свойствами, изготовленным из предварительно легированного порошка хрома.

Уровень техники

В целом, изделия, получаемые спеканием методами порошковой металлургии, более дешевые, чем литые стали, получаемые ковкой и прокаткой, и широко используются в качестве деталей, например, для автомобильных двигателей. Однако в ходе изготовления изделий спеканием неизбежно образуются поры. Наличие пор в изготовленных спеканием металлических порошков материалах ухудшает их механические свойства по сравнению со сплошными материалами. Это происходит из-за того, что поры являются концентраторами напряжений, а также снижают эффективный объем при нагружении. Таким образом, прочность, пластичность, усталостная прочность, макротвердость и другие параметры материалов на основе железа, изготовленных методами порошковой металлургии, снижаются по мере увеличения их пористости.

Несмотря на присущую им относительно низкую усталостную прочность, материалы на основе железа, изготовленные методами порошковой металлургии, в некоторых случаях применяются для деталей, от которых требуется высокая усталостная прочность. Там, где нужны улучшенные рабочие характеристики, можно использовать стальной порошок Distaloy® HP, поставляемый компанией Höganäs AB®, Швеция. В этом продукте основной порошок легирован никелем, который является дорогим легирующим элементом. Следовательно, хотя этот материал обладает высокими эксплуатационными показателями, он довольно дорог, то есть налицо необходимость поиска более дешевых материалов, имеющих, по меньшей мере, такую же усталостную прочность.

Один из путей повышения усталостных характеристик сталей, изготавливаемых методами порошковой металлургии, связан с вторичной обработкой. Возможными способами получения наивысшего сопротивления усталости детали являются закалка, поверхностное упрочнение и дробеструйное упрочнение (или их сочетание). Дробеструйное упрочнение обычно применяют для получения остаточного напряжения сжатия на поверхности, что является положительным эффектом. Открывающиеся на поверхность поры являются слабым местом материалов, изготовленных методами порошковой металлургии. При создании на поверхности остаточного напряжения сжатия эти поры, по меньшей мере частично, устраняются.

Дробеструйное упрочнение прессованных деталей описано, например, в патенте США 6171546. В соответствии с этим патентом за дробеструйным упрочнением следует заключительная стадия спекания. В качестве исходного материала используется порошок на основе железа, содержащий никель. Как отмечалось выше, из-за высокой стоимости никеля существует растущая потребность в порошках, которые его не содержат. Другой недостаток содержащих никель порошков связан с проблемой образования в ходе обработки порошка пыли, которая, даже в небольших количествах, может вызвать аллергическую реакцию. Таким образом, использования никеля следует избегать. Способ, включающий дробеструйное упрочнение, описывается также в заявке на патент США 2004/0177719. В частности, в ней описывается способ, в соответствии с которым часть поверхности прессованной детали подвергается дробеструйному упрочнению после спекания. Согласно данной заявке для улучшения свойств готовой прессованной детали необходимо осуществление уплотнения, включающего прессование порошка или калибровку.

Объектом настоящего изобретения является развитие решения по WO 9414557, 07.07.1994 для повышения экономической эффективности способа изготовления деталей с высокой усталостной прочностью методами порошковой металлургии без стадий уплотнения основной части детали. Еще одним объектом настоящего изобретения является способ, в котором используются порошковые материалы, не содержащие никель.

Сущность изобретения

Было обнаружено, что детали, обладающие высокой усталостной прочностью, можно получить путем дробеструйного упрочнения деталей, изготовленных спеканием порошков на основе железа, характеризующихся низким содержанием хрома и молибдена.

Порошки, используемые в настоящем изобретении, представляют собой предварительно легированные порошки на основе железа, содержащие небольшие количества хрома и молибдена. Предпочтительными количествами являются 1,3-3,5 мас.% хрома и 0,15-0,7 мас.% молибдена. Эти порошки могут также содержать небольшие количества (0,09-0,3 мас.%) марганца и неизбежных примесей. Такие порошки известны из патента США 6 348 080 и WO 03/106079.

Основной порошок смешивают с графитом с целью получения материала необходимой прочности. Количество графита, добавляемого к порошку на основе железа, составляет 0,1-1,0 мас.%, предпочтительно 0,15-0,85 мас.%. Затем смесь порошков прессуют в штампе, получая необожженную заготовку. Давление прессования составляет по меньшей мере 600 МПа, предпочтительно по меньшей мере 700 МПа и более предпочтительно 800 МПа. Прессование может быть холодным или горячим. После прессования полученную необожженную деталь подвергают спеканию при температуре более 1100°С, предпочтительно более 1220°С. Спекание предпочтительно осуществляется в атмосфере, представляющей собой смесь азота и водорода. Обычная скорость охлаждения после спекания составляет 0,8°С/с, и предпочтительно лежит в диапазоне 0,5-1,0°С/с. Плотность после спекания предпочтительно превышает 7,15 г/см³, более предпочтительно превышает 7,3 г/см³. Микроструктура материала непосредственно после спекания представляет собой, в основном, тонкодисперсный перлит при более низком содержании хрома и молибдена и мартенсит или нижний бейнит при более высоком содержании хрома и молибдена.

Было обнаружено, что значительного увеличения предела усталостной прочности при изгибе можно достичь путем дробеструйного упрочнения материалов, полученных спеканием порошка с низким содержанием хрома. Особенно это заметно для образцов с надрезом, для которых возможно достичь увеличения более чем на 50% и даже более чем на 70%, как будет видно из приведенных ниже примеров. Степень дробеструйного упрочнения, определенная по интенсивности Almen A, предпочтительно составляет от 0,20 до 0,37 мм.

Еще более заметного улучшения свойств материала можно добиться путем его вторичной обработки, например закалки и поверхностного упрочнения перед спеканием. Так, после сквозной закалки с последующим отпуском материал имеет преимущественно мартенситную структуру, а повышение предела усталости достигается при помощи дробеструйного упрочнения. Полагают, что мартенсит, образующийся на поверхности в ходе поверхностного упрочнения (например, цементации), вызывает напряжение сжатия, что благоприятно для повышения предела усталости.

Альтернативным вариантом осуществления спекания является способ совмещенного спекания и закалки, в котором в конце стадии спекания детали принудительно охлаждаются, что приводит к образованию упрочненной структуры.

Испытания на усталость были проведены для образцов с надрезом с коэффициентом концентрации напряжений К_t, равным 1,38, и для образцов без надреза. Испытания показали, что предел усталостной прочности при изгибе значительно увеличивается при дробеструйном упрочнении образцов с надрезом по сравнению с дробеструйным упрочнением образцов без надреза. Выражение «с надрезом» в данном случае означает, что коэффициент концентрации напряжений для образца или детали превышает 1,3.

Приводимые ниже примеры поясняют настоящие изобретение и не являются ограничивающими.

Пример 1

В данном эксперименте были использованы два предварительно легированных порошка, Astaloy® CrL и Astaloy® CrM, и один диффузионно-легированный основной порошок, Distaloy® HP. Distaloy® HP был диффузионно легирован никелем и медью и предварительно легирован молибденом. Состав исследованных материалов представлен в таблице 1.

Таблица 1
Материал	Ni, %	Cu, %	Mo, %	Cr, %
Astaloy® CrL			0,2	1,5
Astaloy® CrM			0,5	3,0
Distaloy® HP	4,0	2,0	1,5

Подробная информация о параметрах эксперимента, плотности и содержании углерода будет приведена ниже. В таблице 2 представлены усталостные характеристики при плоском изгибе для образцов без надреза, изготовленных из различных порошков спеканием в течение 30 мин в атмосфере 90/10 N₂/H₂ со скоростью охлаждения около 0,8°С/с. Испытание на усталость проводилось по стандарту ISO3928 на образцах без надреза размером 5 мм со скошенными ребрами и представляло собой четырехточечный плоский изгиб с коэффициентом нагрузки R=-1. В пакетном методе было задействовано 13-18 образцов при пределе износа 2 миллиона циклов. Оценка пакета (50% вероятностный предел усталости и стандартное отклонение) выполнена в соответствии со стандартом MPIF 56. Тестовая частота 27-30 Гц.

Таблица 2
Порошок	Плотность, г/см3	Углерод (после спекания), %	σА,50%, МПа	Стандартное отклонение, МПа	σА,90, МПа
Astaloy® CrL	7,17	0,60	244	7	234
7,16	0,80	267	5	260
Astaloy® CrM	7,06	0,35	284	7,0	274
7,04	0,56	316	8,4	300
Distaloy® HP	7,13	0,65	295	22,5	261
7,13	0,85	330	<5	>322

Микроструктура порошка Astaloy® CrL с содержанием спеченного углерода менее 0,6% при скорости охлаждения около 0,8°С/с представляет собой верхний бейнит. При повышении содержания углерода выше 0,74% микроструктура изменяется на тонкодисперсный перлит.

Анализ материалов из Astaloy® CrM, спеченных при 1120°С со скоростью охлаждения 0,8°С/с, в которых содержание углерода составляло 0,32% и 0,49%, показал наличие микроструктуры плотного верхнего бейнита. Плотный верхний бейнит имеет те же характеристики, что и обычный верхний бейнит, то есть представляет собой неравномерную смесь феррита и цементита. Разница состоит в более близком расположении карбидных зерен и их размере. При увеличении содержания спеченного углерода микроструктура изменяется и характеризуется как смесь мартенсита и нижнего бейнита.

В таблице 3 представлено влияние давления прессования и содержания углерода на характеристики материала, полученного холодным прессованием Astaloy® CrL. Во всех случаях спекание проводилось при 1120°С в течение 30 мин в атмосфере 90/10 N₂/H₂. Эта таблица содержит усталостные характеристики при плоском изгибе образцов, изготовленных из Astaloy® CrL при двух различных значениях давления прессования и для двух различных количеств дополнительно введенного графита. При стандартном отклонении меньше 5 из-за малого разброса величин оценка стандартного отклонения по стандарту MPIF 56 невозможна. В таблице 3 приведены данные для образцов без надреза.

Таблица 3
Материал	Графит C-UF4, %	Давление прессования, МПа	Плотность (после спекания), г/см3	Углерод (после спекания), %	σА,50% МПа	Стандартное отклонение, МПа	σА,90, МПа
Astaloy® CrL, 1120°С, 30 мин, 90/10 N2/H2, 0,8°С/с	0,6	600	6,94	0,56	224	11,6	250
	0,8	600	6,93	0,75	233	9,5	218
	0,6	800	7,13	0,55	236	8,5	222
0,8	800	7,09	0,74	252	<5	>244

Влияние температуры спекания на усталостные характеристики образцов без надреза отражено в таблице 4. Микроструктура материалов, представленных в этой таблице, характеризуется в основном как верхний бейнит (1120°С, 0,58% С) и тонкодисперсный перлит (1120°С, 0,77% С и 1250°С, 0,74% С)

Таблица 4
Порошок	Температура спекания	Плотность (после спекания), г/см3	Углерод (после спекания), %	σА,50%, МПа	Стандартное отклонение, МПа	σА,90, МПа
Astaloy® CrL	1120°С	7,10	0,58	220	11	203
	1120°С	7,08	0,77	236	9,7	222
1250°С	7,02	0,74	290	18	264

Пример 2

Влияние дробеструйного упрочнения и сочетания тепловой обработки с дробеструйным упрочнением было исследовано на образцах размером 3 мм с надрезом, изготовленных из Astaloy® CrL. Наличие надреза было учтено при изготовлении пресс-формы, то есть никакой механической обработки не производилось. Коэффициент концентрации напряжений при изгибе K_t=1,38 получен при помощи эмиссионной микроскопии. Тестовая частота 27-30 Гц.

Спекание порошка проводилось при 1280°С в течение 30 мин в атмосфере Н₂. Скорость охлаждения 0,8°С/с.

Дробеструйное упрочнение проводилось до получения интенсивности Almen A, равной 0,32 мм.

Расчетные усталостные характеристики образцов при плоском изгибе непосредственно после спекания и после спекания и дробеструйного упрочнения приведены в таблице 5.

Таблица 5
Порошок	Углерод (после спекания), %	Плотность (после спекания), г/см3	Вторичная обработка	Предел усталости при изгибе, МПа	Повышение после дробеструйного упрочнения
Дробеструйное упрочнение
Astaloy® CrL с надрезом	0,70	7,30	нет	235
да	420	+79%
Astaloy® CrL без надреза	0,85	7,30	нет	340
да	450	+32%

В таблице 6 представлены расчетные усталостные характеристики образцов при плоском изгибе, которые были подвергнуты сквозной закалке, отпуску и дробеструйному упрочнению. Сквозная закалка осуществлялась при температуре аустенизации 880°С. Скорость охлаждения после аустенизации составляла 8°С/с. В заключение образцы были отпущены при 250°С в течение 1 часа.

Таблица 6
Порошок	Углерод (после спекания), %	Плотность (после спекания), г/см3	Вторичная обработка	Предел усталости при изгибе, МПа	Повышение после дробеструйного упрочнения
Сквозная закалка	Отпуск 250°С, 1 час	Дробеструйное упрочнение
Astaloy® CrL с надрезом	0,50	7,30	да	да	нет	285
0,50	7,30	да	да	да	490	+73%
Astaloy® CrL без надреза	0,50	7,30	да	да	нет	370
0,50	7,30	да	да	да	520	+41%

Из таблиц 5 и 6 видно, что путем дробеструйного упрочнения материалов, содержащих хром и молибден, можно добиться значительного увеличения предела усталости при изгибе.

1. Способ изготовления деталей с высокой усталостной прочностью, включающий смешивание предварительно легированного металлического порошка на основе железа, содержащего по меньшей мере 1,3-3,5 мас.% хрома, 0,15-0,7 мас.% молибдена, с 0,1-1,0 мас.% графита, прессование полученной смеси под давлением по меньшей мере 600 МПа, одностадийное спекание прессованной детали при температуре более 1100°С, дробеструйное упрочнение детали.

2. Способ по п.1, в котором перед дробеструйным упрочнением деталь подвергают закалке и отпуску.

3. Способ по п.1, в котором изготовленная деталь имеет предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³.

4. Способ по п.1, в котором изготовленная деталь имеет предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

5. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно перлитную микроструктуру.

6. Деталь по п.5, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³.

7. Деталь по п.5, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

8. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно тонкодисперсную перлитную микроструктуру.

9. Деталь по п.8, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³.

10. Деталь по п.8, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

11. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая микроструктуру мартенсита и нижнего бейнита.

12. Деталь по п.11, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³.

13. Деталь по п.11, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

14. Деталь, изготовленная способом по любому из пп.1-4, имеющая преимущественно микроструктуру мартенсита отпуска.

15. Деталь по п.14, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³.

16. Деталь по п.14, имеющая предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

17. Применение предварительно легированного 1,3-3,5 мас.% хрома порошка на основе железа для изготовления деталей с надрезом, имеющих предел усталости при изгибе по меньшей мере 340 МПа при плотности после спекания 7,15 г/см³, способом по любому из пп.1-4.

18. Применение по п.17, в котором детали с надрезом, имеют предел усталости при изгибе по меньшей мере 400 МПа при плотности после спекания 7,3 г/см³.

19. Деталь по любому из пп.5-16, имеющая коэффициент концентрации напряжений более 1,3.