Порошковая композиция на основе железа
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из порошковой композиции на основе железа. Композиция содержит порошок А на основе железа, предварительно легированный молибденом и содержащий 6-15 мас.% меди, введенной в частицы диффузионным легированием; порошок В на основе железа, предварительно легированный молибденом и содержащий 4,5-8 мас.% никеля, введенного в частицы диффузионным легированием; и порошок С на основе железа, предварительно легированный молибденом. Композицию, содержащую порошки A, B, C, смешивают с графитом, прессуют и спекают с получением спеченного компонента на основе железа, содержащего 0,3-2 мас.% молибдена, 0,2-2 мас.% меди и 0,1-4 мас.% никеля. Использование композиции обеспечивает уменьшение изменения размеров при спекании, облегчение механической обработки. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к порошковым металлургическим композициям на основе железа и способам получения из них спеченных порошковых металлургических компонентов. Более конкретно, данное изобретение относится к получению спеченных компонентов, содержащих медь, никель и молибден, с использованием таких композиций.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области порошковой металлургии медь, никель и молибден в течение длительного времени используются как легирующие элементы при получении высокопрочных спеченных компонентов.
Спеченные компоненты на основе железа могут быть получены путем смешивания легирующих элементов с чистыми порошками железа. Однако это может вызвать проблемы, связанные с пылью и сегрегацией, которые могут привести к изменениям размера и механических свойств спеченного компонента. Чтобы избежать сегрегации, легирующие элементы могут быть предварительно сплавлены с порошком железа или осуществлено диффузионное легирование. Согласно одному из способов молибден предварительно сплавляют с порошком железа, а затем такой предварительно легированный порошок железа подвергают диффузионному легированию медью и никелем для получения спеченных компонентов с порошковыми композициями на основе железа, содержащими молибден, никель и медь.
Однако очевидно, что при получении спеченного компонента на основе железа из порошка, который предварительно легирован молибденом и в котором медь и никель вводятся путем диффузионного легирования, содержание легирующих элементов в спеченном компоненте на основе железа по существу будет идентичным содержанию легирующих элементов в использованном, подвергнутом диффузионному легированию порошке. Для получения различных количеств легирующих элементов в спеченном компоненте, обеспечивающих различные свойства, должны быть использованы порошки на основе железа, содержащие различные количества легирующих элементов.
В настоящем изобретении предложен способ устранения необходимости получения специфического порошка для каждой нужной химической композиции спеченного компонента на основе железа, содержащего легирующие элементы, такие как молибден, медь и никель. Данное изобретение также дает преимущество, обеспечиваемое способом доведения изменений размеров и прочности на растяжение до заданных величин. В специфическом варианте изменение размеров не зависит от содержания углерода и плотности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вкратце, данное изобретение касается порошковой металлургической композиции из трех различных порошков на основе железа. Первый из таких порошков на основе железа состоит из базовых частиц железа, предварительно легированного молибденом, подвергнутым диффузионному легированию медью, а второй порошок на основе железа состоит из базовых частиц железа, предварительно легированного молибденом, подвергнутым диффузионному легированию никелем. Третий порошок на основе железа по существу состоит из частиц железа, предварительно легированного молибденом.
Данное изобретение также касается двух подвергнутых диффузионному легированию порошков на основе железа.
Способ согласно данному изобретению включает стадии соединения таких трех видов порошков на основе железа в заранее установленных количествах, смешивания полученной композиции с графитом, прессования полученной смеси и спекания полученной неспеченной заготовки.
Другой аспект данного изобретения касается способа получения спеченного компонента, имеющего заданную прочность и заданное изменение размеров во время спекания.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1-4 иллюстрируют диаграммы для определения содержания меди и никеля в порошковой металлургической композиции при заданной прочности и изменении размеров.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В частности, порошковая металлургическая композиция на основе железа согласно данному изобретению включает:
- порошок А на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированного молибденом, при этом 6-15 мас.%, предпочтительно - 8-12 мас.% меди введено путем диффузионного легирования в базовые частицы;
- порошок В на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированного молибденом, при этом 4,5-8%, предпочтительно - 5-7 мас.% никеля введено путем диффузионного легирования в базовые частицы; и
- порошок С на основе железа, по существу состоящий из частиц железа, предварительно легированного молибденом.
Количество предварительно введенного молибдена в частицах в порошках A, B и C на основе железа соответственно может варьироваться от 0,3 до 2 мас.%, предпочтительно - от 0,5 до 1,5 мас.%. Согласно одному из вариантов частицы во всех трех порошках предварительно легируют одинаковым количеством молибдена. Содержание Мо выше 2% не обеспечивает повышения прочности, оправдывающее повышение стоимости. Содержание Mo ниже 0,3% не оказывает существенного влияния на прочность.
Количество меди и никеля, введенных посредством диффузионного легирования в базовые частицы, максимально ограничено 15% меди и 12% никеля. Чтобы обеспечить достижение преимуществ данного изобретения, наименьший предел содержания меди и никеля, в легированных диффузионным способом базовых частицах, должен быть по существу выше, чем необходимое количество в спеченном компоненте. Так, по практическим причинам особый интерес представляет порошок на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц, предварительно легированный молибденом и включающий по меньшей мере 6% меди, введенной посредством диффузионного легирования в базовые частицы, и порошок на основе железа, базовые частицы которого предварительно легированы молибденом и включают по меньшей мере 4,5% никеля, введенного диффузионным легированием.
Порошки A, B и C соответственно по существу состоят из частиц железа, предварительно легированного молибденом, однако другие элементы, за исключением неизбежных примесей, также могут содержаться предварительно легированными частицами. Такими элементами могут быть никель, мель, хром и марганец.
Для получения спеченного компонента из порошковой композиции согласно данному изобретению определяют соответствующие количества порошков A, B и C и смешивают с графитом в количестве, необходимом для получения заданной прочности. Перед прессованием и спеканием полученная смесь может быть смешана с другими добавками. Количество графита, смешиваемого с порошковым сочетанием, составляет до 1%, предпочтительно - 0,3-0,7%.
Другие добавки выбирают из группы, включающей смазывающие вещества, связующие, другие легирующие элементы, твердофазные материалы, улучшающие обрабатываемость агенты.
Согласно одному из вариантов порошковой металлургической композиции порошок C по существу свободен от Cu и Ni.
Соотношение между порошками A, B и C предпочтительно выбирают таким образом, чтобы содержание меди составляло 0,2-2 мас.%, содержание никеля составляло 0,1-4 мас.%, содержание молибдена составляло 0,3-2 мас.%, предпочтительно 0,5-1,5 мас.% от массы спеченного компонента.
В одном из вариантов содержание меди составляет 0,2-2%, предпочтительно - 0,4-0,8%, а содержание никеля составляет 0,1-4%. Выло неожиданно обнаружено, что в данном конкретном варианте изменение размеров во время спекания не зависит от содержания углерода и плотности после спекания.
Для получения спеченного компонента с заданным изменением размеров и прочностью содержание меди, никеля и углерода соответственно в спеченном компоненте определяют при помощи диаграмм, например представленных на фиг.1-4. Затем нужное количество порошка A, B и C соответственно может быть установлено специалистом в данной области техники.
Порошки смешивают с графитом для получения конечного нужного содержания углерода. Порошковую композицию прессуют под давлением, составляющим 400-1000 МПа, и полученную неспеченную заготовку спекают при температуре 1100-1300°С в течение 10-60 минут в защитной атмосфере. Спеченная заготовка может быть подвергнута дальнейшей обработке, такой как термическая обработка, уплотнение поверхности, механическая обработка и т.д.
Иллюстрирующие диаграммы на фиг.1-4 представлены для давления прессования, составляющего 600 МПа, спекания при температуре 1120°С в течение 30 минут в атмосфере, состоящей из 90% азота и 10% водорода, и для содержания молибдена 0,83%. Для другого содержания молибдена диаграммы соответственно видоизменяются.
Согласно настоящему изобретению могут быть получены спеченные компоненты, содержащие различные количества молибдена, меди и никеля. Это достигается путем использования сочетания трех различных порошков, которые смешивают в различных пропорциях для получения порошка, имеющего нужный химический состав для фактического спеченного компонента.
Итак, основное преимущество данного изобретения заключается в том, что во время спекания может быть отрегулировано изменение размеров, а также прочность спеченного компонента. Преимущество, заключающееся в том, что изменение размеров может быть отрегулировано, облегчит использование существующего оборудования для прессования. При изготовлении спеченных деталей определенный разброс содержания углерода и плотности является неизбежным. В результате использования композиций, изменение размеров в которых не зависит от плотности и содержания углерода, разброс размеров после спекания снижается, следовательно, последующая механическая обработка и ее стоимость могут быть снижены.
Данное изобретение проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.
Пример 1
Данный пример демонстрирует, как выбирать легирующую композицию, имеющую нужную прочность, составляющую около 600 МПа, и три уровня изменения размеров (-0,1%, 0,0% и +0,1%). Было использовано две величины содержания углерода, 0,5% C и 0,3% C соответственно, в порошковых композициях согласно таблице 1, при которых, как очевидно из таблицы 2, более низкое содержание углерода приводит к улучшению пластичности.
Порошковые композиции согласно настоящему изобретению получают из порошка A с 10% меди, легированной диффузионным способом в поверхность порошка на основе железа, который предварительно легирован 0,85% молибденом; порошка B с 5% никеля, легированного диффузионным способом в поверхность порошка на основе железа, который предварительно легирован 0,85% молибденом; и порошка C из порошка на основе железа, который предварительно легирован 0,85% молибденом.
Порошковые композиции смешивают с 0,8% амидного воска в качестве смазывающего вещества и графитом, получая содержание углерода после спекания, составляющее 0,3% и 0,5% соответственно. Полученные смеси прессуют до образца для испытания на растяжение согласно ISO 2740.
Было использовано давление прессования, составляющее 600 МПа, и следующие условия спекания: 1120°С, 30 мин 90% N2/10% H2. В таблице 2 представлены другие механические свойства порошковых композиций согласно данному изобретению. Очевидно, что свойства порошковых композиций согласно данному изобретению имеют заданное изменение размеров в соответствии с фиг.3.
| Таблица 1 | ||||||
| Cu (%) | Ni (%) | Mo (%) | C (%) | Плотность после спекания (г/см3) | Изменение размеров (%) | |
| Композиция порошков (1) | 0,6 | 1,3 | 0,83 | 0,5 | 7,08 | -0,104 |
| Композиция порошков (2) | 1,15 | 0,8 | 0,83 | 0,5 | 7,06 | 0,004 |
| Композиция порошков (3) | 1,55 | 0,4 | 0,83 | 0,5 | 7,04 | 0,096 |
| Композиция порошков (4) | 0,9 | 2,3 | 0,83 | 0,3 | 7,11 | -0,096 |
| Композиция порошков (5) | 1,3 | 2 | 0,83 | 0,3 | 7,09 | 0,007 |
| Композиция порошков (6) | 1,6 | 1,7 | 0,83 | 0,3 | 7,07 | 0,095 |
| Таблица 2 | |||||
| Твердость HV10 | Предел прочности на растяжение (МПа) | Предел текучести (МПа) | Модуль Юнга (Gpa) | Удлинение (%) | |
| Композиция порошков (1) | 219 | 599 | 413 | 139 | 2,0 |
| Композиция порошков (2) | 223 | 601 | 429 | 139 | 1,8 |
| Композиция порошков (3) | 219 | 602 | 447 | 139 | 1,6 |
| Композиция порошков (4) | 207 | 601 | 397 | 138 | 2,4 |
| Композиция порошков (5) | 209 | 604 | 408 | 137 | 2,2 |
| Композиция порошков (6) | 206 | 602 | 417 | 137 | 2,1 |
Пример 2
В данном примере проиллюстрированы порошковые композиции согласно данному изобретению, включающие 0,6% Cu и 2% Ni, a также специфический вариант, в котором, как показано в таблице 3, изменение размеров происходит независимо от содержание углерода и плотности после спекания. Результаты, полученные при использовании таких сочетаний, сравнивают с результатами, полученными при использовании Distaloy AB (изготовлен Höganäs AB, Sweden), а также порошка, имеющего такой же химический состав, как и порошковая композиция согласно данному изобретению, но в котором в поверхность порошка на основе железа, предварительно легированного молибденом, диффузионным легированием были введенные медь и никель (в таблице 3 обозначен как "фиксированный состав").
Порошковые композиции согласно настоящему изобретению получают из порошка A с 10% меди, легированной диффузионным способом в поверхность порошка на основе железа, предварительно легированного 0,85% молибдена; порошка B с 5% никеля, легированного диффузионным способом в поверхность порошка на основе железа, предварительно легированного 0,85% молибдена; и порошка C, состоящего из порошка на основе железа, предварительно легированного 0,85% молибдена.
В таблице 3 представлен специфический пример, в котором смесь из порошка A, порошка B и порошка C, общее содержание меди в которой составляет 0,6%, никеля - 2% и молибдена - 0,83%, сравнивают с известным порошком, Distaloy ABВ, и порошком на основе железа, содержащим 0,83% предварительно легированного молибдена, 0,6% меди и 2% Ni, легированного диффузионным способом в поверхность порошка на основе железа. Как следует из таблицы 3, изменение размеров спеченных образцов, полученных из порошкового сочетания согласно данному изобретению, по существу не зависит от содержания углерода и плотности по сравнению с известным порошком Distaloy AB или порошком на основе железа, легированного диффузионным способом как медью, так и никелем.
Порошковые композиции смешивают с 0,8% амидного воска в качестве смазывающего вещества и графитом, получая содержание углерода после спекания, указанное в таблице 3. Полученную смесь прессуют до образца для испытания на растяжение согласно ISO 2740 при различных давлениях прессования, указанных в таблице 3. Образцы для испытания на растяжение спекают при температуре, составляющей 1120°С, в течение 30 минут в атмосфере, состоящей из 90% азота и 10% водорода. В таблице 4 представлены другие механические свойства.
| Таблица 3 | |||||||
| Cu (%) | Ni (%) | Mo (%) | C (%) | Давление прессования (Мра) | Плотность после спекания (г/см3) | Изменение размеров (%) | |
| Композиция порошков (7)* | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,38 | 600 | 7,11 | -0,117 |
| Композиция порошков (8)* | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,54 | 600 | 7,09 | -0,118 |
| Композиция порошков (9)* | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,74 | 600 | 7,06 | -0,117 |
| Композиция порошков (10)* | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,55 | 400 | 6,77 | -0,114 |
| Композиция порошков (11)* | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,53 | 800 | 7,22 | -0,129 |
| Фиксированный состав (1) | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,21 | 600 | 7,16 | -0,155 |
| Фиксированный состав (2) | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,50 | 600 | 7,12 | -0,147 |
| Фиксированный состав (3) | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,78 | 600 | 7,08 | -0,118 |
| Фиксированный состав (4) | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,21 | 400 | 6,79 | -0,134 |
| Фиксированный состав (5) | 0,6 | 2 | 0,83 | 0,49 | 800 | 7,26 | -0,163 |
| Distaloy AB (2) | 1,5 | 1,75 | 0,5 | 0,35 | 600 | 7,06 | -0,012 |
| Distaloy AB (3) | 1,5 | 1,75 | 0,5 | 0,54 | 600 | 7,05 | -0,034 |
| Distaloy AB (4) | 1,5 | 1,75 | 0,5 | 0,73 | 600 | 7,04 | -0,056 |
| Distaloy AB (5) | 1,5 | 1,75 | 0,5 | 0,54 | 400 | 6,73 | -0,048 |
| Distaloy AB (6) | 1,5 | 1,75 | 0,5 | 0,53 | 800 | 7,19 | -0,027 |
| (*) Согласно данному изобретению |
| Таблица 4 | |||||
| Твердость HV10 | Предел прочности на растяжение (МПа) | Предел текучести (МПа) | Модуль Юнга (Gpa) | Удлинение (%) | |
| Композиция порошков (7)* | 183 | 570 | 391 | 137 | 2,6 |
| Композиция порошков (8)* | 206 | 632 | 433 | 135 | 1,8 |
| Композиция порошков (9)* | 244 | 669 | 485 | 138 | 1,1 |
| Композиция порошков (10)* | 171 | 507 | 363 | 114 | 1,3 |
| Композиция порошков (11)* | 234 | 672 | 450 | 143 | 2,1 |
| Фиксированный состав (1) | - | - | - | - | - |
| Фиксированный состав (2) | 213 | 649 | 437 | 133 | 2,2 |
| Фиксированный состав (3) | - | - | - | - | - |
| Фиксированный состав (4) | - | - | - | - | - |
| Фиксированный состав (5) | - | - | - | - | - |
| Distaloy AB (2) | 160 | 562 | 333 | 133 | 3,8 |
| Distaloy AB (3) | 189 | 618 | 392 | 136 | 2,2 |
| Distaloy AB (4) | 218 | 626 | 437 | 139 | 1,1 |
| Distaloy AB (5) | 160 | 523 | 344 | 115 | 1,0 |
| Distaloy AB (6) | 200 | 658 | 411 | 145 | 2,8 |
| (*) Согласно данному изобретению |
1. Порошковая металлургическая композиция, содержащая порошок А на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированного молибденом, при этом 6-15 мас.% порошка А составляет медь, введенная посредством диффузионного легирования в базовые частицы; порошок В на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированных молибденом, при этом 4,5-8 мас.% никеля введены посредством диффузионного легирования в базовые частицы; и порошок С на основе железа, по существу состоящий из частиц железа, предварительно легированного молибденом.
2. Композиция по п.1, в которой количество меди в порошке А составляет 8-12 мас.%.
3. Композиция по п.1 или 2, в которой количество никеля в порошке В составляет 5-7 мас.%.
4. Композиция по п.1 или 2, в которой количество молибдена в каждом из порошков A, B и C составляет 0,3-2 мас.%, предпочтительно 0,5-1,5 мас.%.
5. Композиция по п.1 или 2, в которой количество молибдена по существу одинаково в каждом из порошков А, В и С.
6. Композиция по п.1 или 2, в которой количество меди составляет 0,2-2 мас.%, предпочтительно 0,4-0,8 мас.%.
7. Композиция по п.1 или 2, в которой количество никеля в композиции составляет 0,1-4 мас.%,
8. Композиция по п.1 или 2, дополнительно содержащая до 1 мас.%, предпочтительно 0,3-0,7 мас.% графита.
9. Композиция по п.1 или 2, содержащая добавки, выбранные из группы, включающей смазывающие вещества, связующие, другие легирующие элементы, твердофазные материалы, улучшающие обрабатываемость агенты.
10. Композиция по п.1 или 2, в которой порошок С по существу свободен от меди и никеля.
11. Диффузионно легированный порошок на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированного 0,3-2 мас.%, предпочтительно 0,5-1,5 мас.%, и, более предпочтительно 0,7-1,0 мас.% молибдена, при этом 6-15 мас.%, предпочтительно 8-12 мас.% упомянутого порошка составляет медь, введенная посредством диффузионного легирования в базовые частицы.
12. Диффузионно легированный порошок на основе железа, по существу состоящий из базовых частиц железа, предварительно легированного 0,3-2 мас.%, предпочтительно 0,5-1,5 мас.%, и, более предпочтительно 0,7-1,0 мас.% молибдена, при этом 4,5-8 мас.%, предпочтительно 5-7 мас.% упомянутого порошка составляет никель, введенный посредством диффузионного легирования в базовые частицы.
13. Способ получения спеченного компонента на основе железа, содержащего 0,3-2 мас.%, предпочтительно 0,5-1,5 мас.% молибдена, 0,2-2 мас.% предпочтительно 0,4-0,8 мас.% меди и 0,1-4 мас.% никеля, включающий смешивание порошков A, B и C в композицию по любому из пп.1-7 или 9-10 и графита, прессование смеси для получения спрессованной детали, спекание полученной детали.
14. Способ получения спеченного компонента на основе железа, имеющего заданную прочность и изменение размеров при спекании, включающий определение нужных количеств меди, никеля, молибдена и углерода в спеченном компоненте, необходимых для обеспечения заданной прочности и изменения размеров, определение соответствующих количеств порошков A, B и C для получения композиции по любому из пп.1-7 или 9-10, смешивание определенных количеств порошков A, B и C с графитом и другими необязательными добавками, выбранными из группы, включающей смазывающие вещества, связующие, другие легирующие элементы, твердофазные материалы, улучшающие обрабатываемость агенты, прессование смеси для получения порошковой прессовки, спекание порошковой прессовки.
