Конструкционные материалы

Под конструктивной прочностью подразумевают комплекс прочностных свойств, которые в наибольшей степени влияют на эксплуатационные свойства изделия.

Порошковые конструкционные материалы наиболее распространенный вид порошковой металлургии общемашиностроительного и приборостроительного назначения. Потребность в этой группе деталей превышает 60 % всей потребности в порошковых материалах. Любой порошковый материал в той или иной мере может быть конструкционным. Однако собственно конструкционными считают те, которые предназначены для изготовления различных деталей машин, механизмов и приборов.

5.1. Классификация конструкционных материалов

1. В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые материалы можно подразделить на две группы:

1) конструкционные материалы общего назначения:

- на основе железа;

- на основе цветных металлов.

2) конструкционные материалы со специальными свойствами:

- износостойкие материалы;

- инструментальные;

- жаропрочные;

- жаростойкие;

- для атомной энергетики;

- коррозионно-стойкие материалы;

- тяжелые сплавы.

2. По степени нагруженности:

- малонагруженные (пористость 25÷16%)

- умереннонагруженные (пористость 15÷10%)

- средненагруженные (пористость 9÷2%)

- тяжелонагруженные (пористость до 2%)

3. По группам сложности различают 7 групп. К первой группе относятся самые простые детали, к седьмой – самые сложные.

Для производства конструкционных материалов используют порошки чистых металлов и сплавов, полученные различными методами (Fe, Cu, Ni, Co, Cr, Mn).

Технологические процессы изготовления КМ определяются степенью нагруженности деталей.

Малонагруженные детали наиболее целесообразно изготавливать из железного порошка или шихт на его основе с добавками углерода, холодным прессованием и спеканием при Т ³0,8 Т_пл. Для обеспечения геометричности изделия пропитывают металлическими или неметаллическими расплавами, органическими мономерами (в этом случае с последующей полимеризацией).

Умереннонагруженные порошковые детали изготавливают из порошков углеродистых или низколегированных сталей пористостью 10-15% однократным или двойным прессованием и спеканием. При необходимости (для деталей повышенной сложности) применяют механическую обработку, для деталей простой и средней сложности калибрование. В зависимости от условий эксплуатации детали подвергают термической обработке.

Средненагруженные детали изготавливают из порошков углеродистых или легированных сталей, цветных металлов и сплавов. Пористость материалов не должна превышать 9-2%. Изделия для данных условий эксплуатации получают горячей или холодной штамповкой, двойным прессованием и двойным спеканием. Тяжелонагруженные детали изготавливают из гомогенных порошков легированных сталей. Получают горячей штамповкой, пропиткой с последующей термической, химико-термической или термомеханической обработкой. При горячем прессовании используют температуру 800÷1300ºС. При необходимости на детали этой группы наносят защитные или декоративные покрытия

Углеродистые стали. Исходные стальные порошки или смесь порошков железа и графита прессуют при давлении 400 - 600 МПа. Обеспечивая повышенную плотность заготовок, которые затем спекают при 1150 - 1200 ^оС в течение 1,5-2 ч в атмосфере водорода, диссоциированного аммиака или эндогаза. При этом структура получается достаточно мелкозернистая в основном из-за наличия пор, тормозящих рост частиц. Для уменьшения пористости спеченный материал повторно обрабатывают давлением в холодном (калибрование) или нагретом (ДГП) состоянии. Свойства порошковой стали могут быть улучшены соответствующей термообработкой.

Легированные стали. В основном изделия получают из коррозионно-стойких хромистых и хромоникелевых, мартенситно-стареющих и высокомарганцевых сталей. При изготовлении изделий из хромистых и хромоникелевых сталей исходный порошок, полученный совместным восстановлением оксидов гидридом кальция или распылением расплава, иногда с добавкой до 0,4% Р и 0,1 % С прессуют в пресс-формах или формуют в гидростатах при давлении 400-700 МПа и спекают при 1200-1250 °С в течение 1,5-2,5 ч в защитной атмосфере. Для улучшения износостойкости деталей, работающих в условиях трения, их подвергают сульфидированию. Один из возможных вариантов: пропитать спеченную заготовку расплавленной серой, а затем отжечь в водороде при 600 °С в течение 1 -1,5ч. По другому варианту шихту, состоящую из порошков железа (70 %), белого чугуна (20 %) и стали Х30 (10 %), прессуют при давлении 600 МПа, заготовки спекают при 700 "С в течение 1 ч и проводят их второе прессование при давлении 800 МПа и спекание при 1200 ^оС в течение 2ч. После закалки с 840 °С получают изделия с гетерогенной микроструктурой (отдельные зерна с высоким содержанием хрома окружены низколегированным феррито-перлитом), обеспечивающей высокую износостойкость в условиях трения.

В случае мартенситно-стареющих сталей смесь порошков железа, никеля, кобальта и молибдена прессуют при давлении 600 - 800 МПа и спекают заготовки при 1200-1300 °С в течение 3-4 ч; в процессе охлаждения спеченной детали в материале происходит мартенситное превращение. Затем проводят старение при 450 - 500 °С в течение 3 - 4 ч и, если нужно, повторную обработку давлением (например, обжатие прокаткой; при деформации 60 % и более сталь практически беспористая и имеет структуру безуглеродистого мелкозернистого мартенсита). В зависимости от состава и режимов получения такие порошковые стали имеют временное сопротивление 1000 - 2500 МПа, пластичность 0,5 - 6 % и ударную вязкость 98 - 931 кДж/м², что лишь незначительно ниже прочности литой стали идентичного состава.

Порошковую высокомарганцовистую сталь получают из механической смеси порошков железа, ферромарганца и сажи или серого чугуна. Заготовки из нее прессуют при давлении 450 - 500 МПа и спекают их при 1100-1200°С в течение 15-20 мин в смеси водорода с природным газом, добавка которого предотвращает обезуглероживание материала. После допрессовывания (ДГП) изделия практически беспористые и по прочности не уступают кованой литой стали.