Основным документом, регламентирующим марки и свойства применяемых в России конструкционных материалов на основе железа, является ГОСТ 28378-89. Согласно этому нормативному документу, все материалы на основе железа делятся на:

· стали малоуглеродистые, углеродистые и медистые;

· стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые;

· стали хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые;

· стали нержавеющие, предназначенные для деталей, применяемых в различных отраслях техники.

Классификация порошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и принятым для сталей традиционных методов получения. Однако в дополнение к обычным методам классификации -- по равновесной структуре, по структуре, полученной при нагреве выше точки охлаждении на спокойном воздухе и т. п. -- для порошковых сталей существует еще один способ классификации. В зависимости от объемного содержания пор порошковые стали подразделяются на непроницаемые (содержание пор менее 5-8 %), полупроницаемые (от 8 до 14 % пор) и проницаемые (пористость более 12-14 %). По технологии производства их можно подразделить на: однократно и многократно прессованные в условиях статических нагрузок в закрытых пресс-формах при обычных и высоких температуpax; стали, полученные при совмещении холодного прессования и спекания высокопористых заготовок с последующим динамическим горячим прессованием или горячей штамповкой; полученные экструзией, прокаткой, взрывным прессованием и т. п.

Конструкционные порошковые стали -- это спеченные материалы, используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии. Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр, например: сталь порошковая конструкционная медьникелевая со средней массовой долей углерода 0,4 %, никеля 2 %, меди 2 % и минимальной плотностью 6400 кг/м3 в соответствии с ГОСТ 28378-89 будет иметь следующее обозначение: ПК40Н2Д2-64.

Буквы в марке стали указывают: П -- на принадлежность материала к порошковому, К -- на назначение материала -- конструкционный, остальные буквы и цифры -- на содержание тех или иных легирующих элементов (Д -- медь, Х -- хром, Ф -- фосфор, К -- сера, М -- молибден, Г -- марганец, Т -- титан, Н -- никель). Основу материала -- железо -- в обозначении марок не указывают. Цифры, стоящие за буквами ПК, указывают на среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода, равную 1 %, в обозначении марки материала, согласно ГОСТ 28378-89, не указывают. Цифры, стоящие за остальными буквами, означают содержание легирующих элементов в процентах; отсутствие цифры указывает на то, что массовая доля легирующего элемента не превышает одного процента.

Условное обозначение конструкционного порошкового материала состоит из обозначения его марки -- ПК40Н2Д2-64 и через дефис -- его минимальной плотности -- 6400 кг/м3.

Основой порошковых сталей служит железо, свойства которого при спекании оказывают большое влияние на формирование структуры и свойств стали. Наряду с порошковыми сталями порошковые изделия могут изготавливаться на основе одного железного порошка, а также железа, легированного другими элементами.

Применение в качестве исходного материала чистого железного порошка при изготовлении конструкционных деталей ограничено из-за низких прочностных свойств спеченного железа. В основном оно применяется для изготовления ненагруженных деталей, различных уплотнительных изделий и т. п. Свойства таких изделий зависят от их плотности, величины и характера межчастичных границ, метода получения порошка, гранулометрического состава, удельной поверхности частиц, внутренней их рыхлости, технологии прессования (величины давления и скорости прессования), кратности прессования, температуры и времени спекания.

Для получения практически беспористых изделий с повышенными механическими свойствами применяют горячее изостатическое прессование- экструзию, динамическое горячее прессование.

В связи с низкой прочностью и твердостью спеченного железа, для повышения его механических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смеси вводят легирующие добавки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спеченные изделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, сульфидированию, хромированию.

Медь в железные изделия вводят непосредственно в виде порошка или при изготовлении порошковой смеси в виде лигатуры. Введение меди в количестве 1,0-10 масс. % увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала, но несколько снижает его пластичность и вязкость. Введение меди существенно повышает сопротивляемость порошкового материала атмосферной коррозии. Максимальная прочность на разрыв достигается при массовой доле меди 5-7 %. Медь снижает усадку материала при спекании. При введении 2-3 % меди спекание происходит практически без изменения размеров изделия, что позволяет избежать или существенно снизить объем его последующей механической обработки. Увеличение массовой доли меди свыше 3 % сопровождается ростом изделий при спекании, рост достигается при введении 8 % меди.

Широкое применение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Присадка к чистому железу 5 % никеля повышает прочность и твердость материала, оставляя его пластичность практически без изменений. При одновременном легировании никелем и медью (Ni -- 4 % и Си -- 2 %) прочность на разрыв образцов с пористостью 10 % достигает 400-420 МПа, удлинение --7-8 %, твердость -- 120-127 НВ. Такие же образцы, легированные только 2 % меди, показывают следующие свойства при 10 % пористости: прочность на разрыв -- 280-300 МПа, удлинение -- 3-4 %, твердость -- 100 НВ. Наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности наблюдается в сплавах содержащих от 1 до 5 % каждого из этих элементов.

В связи со сравнительно низкой прочностью и твердостью спеченных железных изделий, основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируется углеродом, под действием которого спеченное железо приобретает способность закаливаться и во много раз повышать свою твердость и прочность.

Углеродистые порошковые стали и стальные изделия могут быть получены непосредственным введением в железный порошок углерода в виде графита, сажи или чугунного порошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания или цементации после спекания. Наиболее распространен метод введения в порошковую смесь графита. Однако из-за неравномерного распределения графита по объему смеси при смешивании стальные изделия в спеченном состоянии отличаются непостоянством свойств и структурных составляющих. Наиболее насыщенные углеродом микрообъемы аустенита располагаются вблизи графитовых включений, что способствует появлению в структуре спеченной стали свободного избыточного цементита и феррита в соотношениях, не соответствующих диаграмме состояния железо--углерод.

При спекании железографитовых изделий графит частично выгорает. Для уменьшения выгорания применяют графитосодержащие засыпки, углеродсодержашие среды. Кроме этого при приготовлении порошковой смеси в ее состав дополнительно вводят избыточное количество графита. Так, для получения стальных порошковых изделий с 0,4-0,45 % углерода при спекании в атмосфере конвертированного природного газа в смесь необходимо вводить до 0,85 % графита. При применении эндогаза с точно регулированным потенциалом по углероду содержание графита в смеси должно превышать заданное на 0,3-035 %. В связи с этим при приготовлении стальных изделий в порошковую смесь взамен графита зачастую вводят сажистое железо и порошок из чугунной стружки. Более высокая плотность сажистого железа и порошка чугунной стружки по сравнению с графитом позволяет получать более однородную смесь, что обеспечивает стабильность структуры и свойств изделия.

К основным факторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей, относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси до 1,0-1,2 % графита оптимальная температура спекания составляет 1150-1200 °С, при содержании графита выше 1,2-1,5 % -- 1050-1150 °С. Время спекания определяется масштабом садки и массой изделия.

Медь в порошковые стали (табл. 21.6) вводится в виде порошка чистой меди, омедненного графита, путем пропитки спеченных заготовок. В первых двух случаях при спекании медь, имея температуру плавления 1083 °С, находится в жидком состоянии и взаимодействует с железом, образуя твердый раствор замещения на основе ? -железа с максимальной концентрацией меди в растворе до 8 %.

Медь понижает концентрацию углерода в перлите, сдвигая точки S и Е на диаграмме железо--углерод (см. гл. 1) влево. При содержании в стали до 1 % меди она способствует усадке при спекании, при дальнейшем повышении ее концентрации наблюдается рост спеченного изделия. Повышение в порошковых сталях углерода уменьшает влияние меди на рост спеченного изделия, что достигается образованием в структуре сплава тройной железомедноуглеродистой фазы, которая расплавляясь при 1100 °С, вызывает усадку. Введение углерода в железомедные сплавы также резко повышает прочность порошковых изделий, причем максимальное возрастание свойств наблюдается при содержании меди до 5-6 % и углерода до 0,3-0,6 %. Большое влияние на свойства спеченных изделий из медистой стали имеет метод введения меди. Более высокие свойства достигаются при использовании омедненного графита.

Введение никеля в порошковые стали приводит к повышению механических свойств материала, что связано как с повышением прочности феррита, так и благоприятным воздействием никеля на состояние межчастичных границ. Никель способствует «рассасыванию» межчастичных границ, увеличению протяженности металлического контакта, повышает усадку и плотность изделий.

Отличительной особенностью хрома является высокая устойчивость его оксидов, температура диссоциации которых почти достигает температуры плавления чистого хрома. Это осложняет процесс спекания, особенно когда хром вводится в смесь в виде чистого порошка хрома. Наличие оксидов затрудняет диффузионные процессы, а само спекание необходимо производить при высоких температурах в остроосушенных восстановительных средах (водороде, диссоциированном аммиаке). Поэтому структура спеченных хромсодержащих сталей отличается повышенной гетерогенностью и наличием фаз, которые по среднему составу материала не отвечают равновесной диаграмме его состояния.

К числу основных характеристик, определяющих возможность перевода изготовления деталей с традиционных технологий на порошковые, относятся точность производства и механические свойства порошковых материалов.

Точность изготовления порошковых деталей определяется в основном точностью прессового оборудования, стабильностью упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износом пресс-форм, ростом линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплотнении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12-14 квалитетам, для диаметральных -- 6-8 квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров -- 12 квалитету, для диаметральных 8-11 квалитетам.

Спекание приводит к снижению точности изделия на 1-2 квалитета. Для повышения точности пористых конструкционных изделий применяют калибрование заготовки путем обжатия в калибровочных пресс-формах при припуске 0,5-1,0 %. Усилие калибрования составляет 10-25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение после калибрования достигает 0,1 %.

Точность линейных размеров изделий после горячей штамповки в основном определяется точностью пресс-инструмента.

Глава 3. ПРИМЕРЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

3.1 Извлечение железа из использованных автомобильных шин

Схема потребления первичных н вторичных железосодержащих материалов при производстве железа и стали в США в 1976 г. (в миллионах американских тонн железа, 1 т = 907,2 кг)

1 -- установка для агломерации железной руды; 2 -- колошниковая пыль (доменных печей); 3 -- шлак (сталеплавильных печей); 4 -- окалина (прокатных станов); 5 -- первичная руда, 6 -- установка прямого восстановления; 7 -- шлаковый скрап (сталеплавильных печей); 8 -- другой скрап (сталеплавильных печей и прокатных станов); 9 -- Доменные печи; 10 -- сталеплавильные печи

3.2 Железный порошок из отходов механической обработки

Как с точки зрения экономической, так и экологической существует потребность в разработке процесса прямого превращения отходов механической обработки, таких как мелкая стружка, в порошок, который может быть использован в порошковой металлургии железа. По оценке одна только фирма «Форд Мотор Ко» производит на разных заводах 105 000 т стружки низколегированной стали, которая поступает в продажу на рынок в качестве скрапа, используемого для загрузки в печь лри некоторых процессах плавления. Однако применимость такого сырья ограничивается высоким соотношением его объема к массе и присутствием остатков машинного масла.

Различные компоненты сплавов, присутствующие в стружке, представляют собой источник ценных элементов, конечно в том случае, если имеются экономичные методы их извлечения. В процессе плавления большинство компонентов сплавов окисляется и теряется со шлаком. Непосредственное превращение опилок в порошок без промежуточной плавки является более чистым процессом, не загрязняющим окружающую среду и позволяющим достигать 100 % выделения ценных компонентов. Этот процесс является также более экономичным, поскольку при существующих рыночных ценах производство порошка из опилок приводит к получению значительной прибыли. Однако предпринимавшиеся до сих пор попытки применения железного порошка, произведенного из опилок, в стандартных процессах порошковой металлургии не увенчались успехом.

Для решения указанной проблемы предназначен процесс, который заключается в воздействии удара на металлургическую стружку при температурах ниже температуры перехода от пластичного к хрупкому состоянию, в результате чего происходит образование металлического порошка. Металлическую стружку подвергают воздействию удара на двух стадиях (например с использованием шаровой мельницы).

Обычно в качестве сырья используют стружку с отношением площади поверхности к объему не менее 60 : 1. В качестве сырья может быть также использован и мелкий скрап--частицы шириной 0,25--2,5 см, толщиной 0,15--0,8 мм и длиной 2,5--250 см. Стружку, имеющую высокое отношение поверхности к объему, как правило, в электрической печи не плавят ввиду низкой эффективности этого процесса.

Можно также перерабатывать скрап с большим размером частиц, хотя при толщине металла более 0,8 мм возникают существенные трудности при измельчении, приводящие к повышению капиталовложений в процесс. Используемые частицы скрапа должны иметь приблизительно одинаковый химический состав; лучше всего использовать скрап, получаемый в результате обработки одной и той же партии металла.

Частицы сырья 1 по линии 4 подают в шаровую мельницу 3 или в другое устройство для измельчения. При подаче сырья добавляется замораживающий агент 5, например жидкий азот, который разбрызгивается непосредственно на частицы металла. В результате контакта с жидким азотом металлические частицы мгновенно замерзают. Подача жидкого азота на сырье осуществляется равномерно на всем его пути до места измельчения.

При вращении корпуса мельницы 2 железные шары разбивают замороженные частицы металла 7 и измельчают их в порошок. Этот процесс достаточно длительный. Получаемый порошок 8 обычно состоит из мелкой и более грубой фракций. Частицы в обеих фракциях имеют конфигурацию зерен или пластинок.

Вторую стадию измельчения как правило также проводят в шаровой мельнице, но при комнатной температуре. Мелющие элементы 9 представляют собой твердые шары диаметром ~ 1,2 см с антиокислительным железным или медным покрытием. Покрытия должны отвечать следующим требованиям: 1) иметь меньшую твердость, чем покрываемый порошок, чтобы при ударе частицы шаровых элементов переходили на порошок; 2) полностью растворяться в металле, из которого состоят частицы порошка; 3) легко очищаться; 4) обладать антиокислительными свойствами.

Были проведены эксперименты с использованием цилиндрической камеры 7,5Х 15 см; объем загружаемого порошка составлял ~15 см3, время измельчения 48 ч. Время и скорость измельчения зависят от объема мельницы, диаметра железных или медных мелющих элементов и скорости вращения. На второй стадии измельчения достигаются две цели: создается антиокислительное покрытие на каждой частице порошка и проводится холодная обработка крупных частиц. При ударе частицы меди или железа, входящие в состав шаровых мелющих элементов 9, переносятся практически на каждую частицу порошка 8, создавая на ней защитную оболочку. Мелкие частицы порошка при трении о шаровые элементы соскребают с них медь или железо и таким образом также приобретают защитную оболочку. Диаметр шаров 9 должен по меньшей мере в 50 раз превышать максимальный размер любой из частиц криогенного порошка 8.

В результате измельчения также происходит искусственное образование дефектов кристаллической решетки практически во всех частицах порошка, имеющих размер более 124 мкм. Измельчение следует проводить таким образом, чтобы практически каждая крупная частица имела хотя бы один дефект кристаллической решетки. Эта цель достигается вращением корпуса 2 с такой скоростью, чтобы истирающая сила, действующая на шаровые элементы, имела определенное заданное значение.

Порошок, полученный на второй стадии измельчения, прессуют обычным прессом 10 до получения заданной плотности, желательно 6,6 г/см3. Для этого необходимо прессующее усилие 3,3--3,9 МПа. Наличие медной или железной оболочки на частицах порошка облегчает прессование. Для получения плотности 6,4 г/м3 при прессовании порошка без покрытия требуется усилие 4,3 МПа; при прессовании порошка с покрытием при действии той же силы достигается плотность 6,6 г/см3.

Форма для прессования 11 изготавливается с соответствующим допуском на усадку продукта прессования. Величина усадки может контролироваться в пределах 0--15 %. Форма для прессования // подается в печь 12 для спекания, где нагревается при высокой температуре, например в случае криогенного порошка на основе железа до 1100--1150 °С. Температура, до которой нагревается порошок, должна по меньшей мере находиться в области пластичности металлических компонентов порошка (обычно нагревание проводят до температуры спекания). В печи желательно создавать защитную атмосферу, используя для этой цели инертные газы или газы-восстановители.

При температуре спекания происходит диффузия атомов между частицами порошка, особенно в местах контакта твердых частиц. Атомы одной частицы переходят и заполняют дефекты кристаллической решетки в другой контактриуемой с ней частице. Дефекты кристаллической решетки образуются в результате холодной обработки на предыдущей стадии. Наличие дефектов увеличивает скорость диффузии более чем в 100 раз. Подсчитано, что по меньшей мере 60 % общего улучшения физических свойств в результате спекания обусловлено предварительной контролируемой холодной обработкой грубых частиц порошка. Повышение скорости диффузии приводит к увеличению усадки.

Оболочка из железа или меди, создаваемая на частицах порошка, препятствует окислению содержащихся в них компонентов, в частности таких как марганец и кремний. При использовании шаровых мельниц со стандартными параметрами (размеры мельницы и шаров, скорость вращения), как показывают расчеты, практически каждая частица криогенного порошка будет покрыта непроницаемой оболочкой из меди или железа. Однако для улучшения свойств получаемого продукта нет необходимости в том, чтобы эта оболочка была полностью непроницаемой.

Страницы: 1, 2