Основным сырьем порошковой металлургии являются порошки чистых металлов и сплавов, а также порошки неметаллических элементов. Под термином «порошковая металлургия» в соответствии с ГОСТ 17359-82 принято понимать «область науки и техники, охватывающую область производства металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками». Порошковая металлургия - один из наиболее прогрессивных процессов превращения металла в изделие, с помощью которого обеспечиваются свойства изделия, полученного традиционными методами, или свойства, которые не могут быть достигнуты при использовании иных технологических процессов.

Применение технологических процессов порошковой металлургии при изготовлении деталей и изделий различного назначения позволяет резко повысить коэффициент использования металла (КИМ) - до 96-98 % за счет сокращения отходов при обработке, а также возможного передела отходов в исходный материал (порошок); во многих случаях заменить дефицитные и дорогостоящие металлы и сплавы менее дефицитными и дорогими, понизить энергоемкость и трудоемкость производства, а следовательно, уменьшить себестоимость готовой продукции без снижения, а в ряде случаев - даже при повышении ее эксплуатационных свойств.

Основные термины и определения порошковой металлургии

Термины и определения порошковой металлургии регламентированы ГОСТ 17359-82. В настоящем разделе приводятся только основные термины, необходимые для обсуждения материалов и их характеристик, приведенных ниже.

1. Металлический порошок (МП) - совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

2. Прессуемость МП - способность МП образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму, плотность.

3. Формуемость МП - способность МП сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале значений пористости.

4. Формование металлического порошка - технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку. Формовка может осуществляться следующими методами:

• изостатическим - в эластичной или деформируемой оболочке в результате всестороннего сжатия в условиях нормальных или повышенных температур;

• импульсным - при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 с;

• мундштучным - продавливанием через отверстие, соответствующее по форме и размерам поперечному сечению порошковой формовки;

• шликерным - заполнением суспензией МП - шликером - пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера;

• прессованием МП в пресс-форме, полость которой соответствует форме и размерам соответствующим, с учетом припусков, форме и размерам будущего изделия;

• прокаткой МП в прокатном стане или его штамповкой;

• экструзией МП.

5. Порошковая формовка - тело, полученное из МП и имеющее заданную форму, размеры и плотность.

6. Прессовка - порошковая формовка, полученная прессованием металлического порошка.

7. Спекание порошковой формовки или прессовки - нагрев и выдержка порошковой формовки (прессовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Спекание может проводиться как с появлением при спекании жидкой фазы (жидкофазное спекание), так и без нее (твердофазное спекание).

8. Порошковый материал - материал, изготовленный из МП или его смеси с неметаллическим порошком.

9. Порошковый твердый сплав - порошковый материал на основе металлоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладающих твердостью свыше 80 HRA.

10. Порошковый тяжелый сплав - порошковый материал, имеющий плотность выше 16,5 т/м³.

11. Карбидосталь - порошковый материал, подвергшийся в отожженном состоянии обработке и состоящий из стали и карбидов с массовой долей от 20 до 70 %.

12. Кермет - порошковый материал, состоящий из тугоплавких оксидных соединений и тугоплавких металлов.

13. Фрикционный порошковый материал - порошковый материал для работы в тормозных и передаточных узлах машин и приборов.

14. Антифрикционный порошковый материал - порошковый материал для производства изделий, от которых требуются низкие потери на трение.

15. Конструкционный порошковый материал - порошковый материал для несущих деталей машин, приборов и механизмов.

16. Композиционный порошковый материал - порошковый материал, представляющий механическую смесь металлов или металлов и неметаллов, исключающих взаимную диффузию при спекании.

17. Пористый порошковый материал - порошковый материал» имеющий пористость, обеспечивающую его проницаемость при эксплуатации.

18. Порошковое изделие - изделие из металлического порошка.

19. Открытая пористость порошковой формовки - отношение объема пор, сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

20. Закрытая пористость порошковой формовки - отношение объема пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

Для определения степени пористости порошкового изделия, доли закрытой и открытой пористости необходимо провести ряд обязательных процедур. На первой стадии требуется определить плотность порошкового изделия.

Для тел простой формы плотность определяют измерением объема и взвешиванием. Определение объема изделий сложной формы осуществляют методом гидростатического взвешивания. Исследуемое изделие взвешивается в этом случае дважды - на воздухе и погруженное в жидкость.

Если масса тела на воздухе равна m₁, в жидкости - m₂, то разность (m₁ - m₂) равняется массе вытесненной жидкости m_ж. Зная эти величины и плотность жидкости d_ж можно вычислить объем порошкового изделия: V= (m₁- m₂)/d_ж и его плотность:d_т = m₁/V = m₁ d_ж/(m₁- m₂).

Определив плотность порошкового изделия, можно вычислить его общую (суммарную) пористость.

П = (1-d_т/d_ж) • 100 %,

где d_т - плотность пористого тела: d_ж - плотность этого же тела в беспористом состоянии.

Для определения доли открытой и закрытой пористости в порошковом изделии используется метод, основанный на удалении газов в вакууме из порошковых изделий с последующей их пропиткой жидкостью известной плотности (обезгаженным маслом, ксилилом, бензоловым спиртом и т. п.). Расчет производится по формулам:

П = [1-(m₁/(m₂-m₃) d_к] • 100%,

П = [(m₂-m₁) d_ж]/[(m₂-m₃)d_пж],

П_зак = П - П_отк

где П, П_отк, П_зак - соответственно общая, открытая и закрытая пористость; m₁, m₂, m₃ - масса непропитанного и пропитанного образца на воздухе и масса пропитанного образца в жидкости; d_к, d_пж - плотность беспористого материала и пропитывающей жидкости.

Металлические порошки и их свойства

Получают порошки чистых металлов и сплавов одним из следующих методов: химическим, электролитическим, механическим измельчением и распылением металлов и сплавов в жидком состоянии.

К химическим методам получения порошков относится восстановление оксидов и солей металлов твердыми или газообразными восстановителями, диссоциация карбонилов и неустойчивых соединений, металлотермия. Большую группу порошков - олово, серебро, медь и железо - получают методами электролитического осаждения металлов в виде порошка из водных растворов солей, а также электролизом расплавленных сред (тантал, ниобий, уран и др.).

К механическим методам получения порошков относятся измельчение металла резанием, размол в шаровых, вибрационных, конусно-инерционных и других мельницах и дробилках, распыление струй жидкого металла сжатым паром, газом, водой.

Выбор метода определяется возможностью получения порошка необходимого качества и экономической целесообразностью применения того или иного метода. Наибольшее распространение получили химические методы и методы распыления, которые при минимальных затратах обеспечивают получение целой гаммы порошковых металлов и сплавов со свойствами широкого диапазона.

Возможность применения порошка для изготовления конкретных изделий определяется его свойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка. Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами.

К технологическим свойствам, согласно ГОСТ 19440-94, относятся: насыпная плотность, представляющая собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка; относительная плотность - отношение насыпной плотности и плотности металла в беспористом состоянии; текучесть - способность порошка заполнять определенную форму, выражающуюся через число граммов порошка, протекающего за 1 с через воронку с диаметром выходного отверстия (носика воронки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280-90) - способность порошка под давлением сжимающих усилий образовывать заготовку заданной формы и размеров (формуемость) с минимально допустимой плотностью (уплотняемость).

К физическим характеристикам порошков относятся форма и размер частиц порошков. Они могут резко различаться по форме (от нитевидных до сферических) и размерам (от долей до сотен и даже тысяч микрометров). Важная характеристика порошков - гранулометрический состав, под которым понимается соотношение количества частиц различных размеров (фракций), выраженное в процентах. Размеры частиц порошка обычно составляют 0,1-100 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкм называют гранулами, менее 0,1 мкм - пудрой. Определение гранулометрического состава может производиться с помощью просеивания порошка через набор сит (ГОСТ 18318-94). Этот метод применим к порошкам размерами более 40 мкм; для более дисперсных порошков применяется метод седиметации (ГОСТ 22662-77) и микроскопический анализ с помощью оптического или электронного микроскопа (ГОСТ 23402-78). Также к физическим характеристикам относится удельная поверхность порошков, под которой понимают суммарную поверхность всех частиц порошка, взятого в единице обьема или массы.

К химическим характеристикам относятся химический состав порошка (как порошка чистого металла, так и порошка сплава), определение которого производится по методикам соответствующих компактных (беспористых) металлов и сплавов.

К химическим характеристикам относят также пирофорность - способность порошка самовозгораться при соприкосновении с воздухом - и токсичность - ядовитость порошков. Если в компактном состоянии большинство металлов безвредны, то в порошковой форме, попадая в атмосферу помещений, они образуют аэрозоли, которые при вдыхании воздуха или приеме пищи могут вызывать болезненное состояние.

В соответствии с общепринятыми требованиями, порошковые материалы, выпускаемые по ГОСТ 9721-79, 9722-97, 9723-73, 9849-86 и др., имеют следующую маркировку: первая буква «П» означает порошковое состояние материала, вторая буква указывает на металлическую основу порошка. Кроме того в марку порошка входят буквы и цифры, определяющие химический и гранулометрический составы, технологические свойства порошков, иногда особенности их производства.

Среди большого разнообразия производимых металлических порошков около 90 % мирового производства приходится на железные порошки и порошки сплавов, изготовленных на основе железа. В табл. 21.1 приведены марки, составы и основные технологические свойства железных порошков, выпускаемых заводами России и СНГ. В соответствии с ГОСТ 9849-86 железные порошки имеют марку: восстановленные - ПЖВ (например, ПЖВ2Л60.24 - табл. 21.1), а распыленные - ПЖР или ПЖРВЗ. Буквенный индекс «З» в этой марке означает среду распыления - воздух, «ВЗ» - воду, последующие численные индексы - среднюю чистоту порошка по примесям и его технологические характеристики.

Таблица 21.1

Марки, химический состав (масс. %, основа - железо) и свойства железных порошков

согласно ГОСТ 9849-86

А. Химический состав железных порошков

Б. Технологические свойства

Широкое применение имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТ 4960-75 выпускаются и применяются следующие порошки меди: ПМА, ПМАу, ПМС-1у, ПМС-Н и т. д. Химические составы этих марок порошков приведены в табл. 21.2. Здесь в названии марок две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С - стабилизированный, К - конопаточный, Н - низкодисперсный; индексы, в частности у, Н, В и др. - со специальными свойствами. В табл. 21.3 даны области применения этих порошков.

Медный порошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цвету соответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удельное электрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25 мкОм • м.

Таблица 21.2

Химический состав (масс. %) медных порошков 

по ГОСТ 4960-75

Примечание. Содержание примесей (в %) (не более): Pb - 0,05, As - 0,005, Sb - 0,001, сульфатов в пересчете на ион  - 0,01, влага - 0,05.

Области применения медных порошков 

Таблица 21.3

(ГОСТ 4960-75)

Никелевые порошки в промышленных масштабах получают двумя способами: карбонильным и электролитическим. На порошки обоих методов получения распространен ГОСТ 9722-97. Некоторые марки никелевых порошков и их обозначения приведены в табл. 21.4.

Кроме этих порошков промышленностью России выпускаются следующие порошки цветных металлов:

оловянный - ГОСТ 9723-73,

кобальтовый - ГОСТ 9721-79,

пудра алюминиевая - ГОСТ 10096-76,

иридия - ГОСТ 12338-81,

осмия - ГОСТ 12339-79,

родия - ГОСТ 12342-81,

рутения - ГОСТ 12343-79,

цинка - ГОСТ 12601-76,

палладия - ГОСТ 14836-82,

ниобия - ГОСТ 26252-85,

платины - ГОСТ 14837-79.

Таблица 21.4

Химический состав (масс. %) некоторых карбонильных и электрохимических никелевых порошков

Кроме порошков чистых металлов выпускаются порошки высоколегированных сталей и сплавов - ГОСТ 13084-88 и порошки нержавеющих хромоникелевых сталей - ГОСТ 14086-68.

Принципы отбора изделий для изготовления методами порошковой металлургии

В связи с ограниченными возможностями формообразования деталей при изготовлении их методами порошковой металлургии важное значение приобретают принципы отбора деталей, переводимых на изготовление их методами порошковой металлургии. При этом необходимо учитывать ряд факторов - материал, применяемый при их изготовлении, режимы их термической и химико-термической обработок и обработки резанием, условия и режимы эксплуатации изделия. Одним из определяющих факторов является сложность их формы. Общие требования к форме деталей изложены в ГОСТ 29278-92 («Изделия порошковые. Конструктивные элементы»). В зависимости от применяемых конструктивных элементов изделия порошковой металлургии различают простой, сложной и особо сложной форм.

К изделиям простой формы относятся:

• изделия без переходов по высоте;

• изделия без отверстия или с одним отверстием и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий простой формы являются стенки, фаски, пазы и зубья.

К изделиям сложной формы относятся:

• изделия с одним переходом по высоте, без отверстия и с торцами, ограниченными параллельными плоскостями;

• изделия с одним или несколькими отверстиями, с одним переходом по высоте и торцами, ограниченными параллельными плоскостями.

К изделиям особо сложной формы относятся:

• изделия с двумя или более переходами и буртами по высоте, с торцами, ограниченными параллельными или непараллельными плоскостями, криволинейными плоскостями;

• изделия, ограниченные одной или более коническими, сферическими и другими криволинейными поверхностями.

Дополнительными конструктивными элементами изделий сложной и особо сложной формы являются стенки, фаски, пазы, зубья, бурты, выступы, уклоны, углубления в торцах.

В зависимости от сложности формы изделий, отходы при производстве и затраты на механическую обработку могут перекрывать другие преимущества порошковой металлургии. Применение порошковых методов изготовления изделий будет оправдано только тогда, когда в общей технологии изготовления достигается положительный экономический эффект или другие методы изготовления не обеспечивают заданных свойств.

Оценка экономической целесообразности изготовления изделий простых и сложных форм методами порошковой металлургии не представляет особых сложностей и в основном отражает их серийность. В случае изготовления изделий особо сложной формы рентабельность производства дополнительно определяется затратами на изготовление деталей пресс-форм, которые возрастают по мере усложнения формы порошковых изделий, необходимостью применения специальных прессов, например, прессов с боковым давлением и т. п., повышенными затратами на механическую обработку. При прессовании в пресс-формах круп-ных деталей относительная стоимость изделия резко увеличивается, так как требуется применение более мощных (обычно гидравлических) прессов, которые, как правило, тихоходны, что снижает производительность труда. В связи с тем что при прессовании порошков применяются высокие давления (500-1000 МПа), площадь поверхности, на которую прикладывается давление прессования, лимитируется размерами пресс-формы и мощностью пресса.

Конструктор при проектировании порошковых изделий должен учитывать возможные изменения размеров при прессовании и спекании порошко-вых заготовок, величины которых в большинстве случаев определяются экспериментально, и назначать более жесткие и легко воспроизводимые допуски, определенные в ГОСТ 29278-92. Установлено, что методами порошковой металлургии можно получать готовые изделия без механической обработки отклонением перпендикулярно к направлению прессования в пределах от 0,025 до 0,130 мм на длине 25 мм. Более жесткие отклонения могут быть получены с помощью специальных методов порошковой металлургии - повторного прессования (калибрования) после спекания или динамического горячего прессования, горячей штамповки. Шероховатость прессованных изделий зависит от шероховатости рабочих поверхностей деталей пресс-форм. Внешние поверхности порошковых изделий имеют практически ту же шероховатость, что и рабочие поверхности матрицы, знаков, сердечников и других элементов пресс-формы.

Порошковые материалы, используемые для изготовления изделий конструкционного назначения, могут быть разделены на две группы: 1) для изготовления изделий в целях замены обычных углеродистых и легированных сталей, чугунов, некоторых цветных металлов и сплавов и 2) материалы со специальными свойствами, получить которые можно только при производстве изделий методами порошковой металлургии.

Наиболее характерными деталями первой группы являются шатуны, шестерни, храповики, кулачки, ригеля, накидные и специальные гайки, рычаги и многие другие, которые выпускаются промышленностью методами литья и механической обработки. Изготовление деталей этой группы рентабельно только при массовом производстве одинаковых изделий, так как изготовление пресс-форм, установка их на пресс и отладка процесса прессования - длительная и дорогостоящая операция. Так, например, если производитель-ность прессования в зависимости от типа пресса (пресс-автомат, механический, гидравлический прессы) составляет от 150-200 до 2000 и более прессовок в ч, то на смену инструмента (пресс-формы) и его наладку затрачивается от 1-2 до 20-30 ч. В связи с этим, принято считать, что изготовление изделий методами порошковой металлургии может быть оправдано в том случае, если эти изделия составляют в серии 10  000-50  000 штук (простой формы), 5000-10  000 штук (сложной формы) и 500-1000 штук (особо сложной формы). В некоторых случаях производство более мелких партий порошковых изделий связано со сложностью или невозможностью изготовления изделий традиционными методами, а используемые порошковые технологии снижают себестоимость, материалоемкость и энергозатраты и повышают производительность труда,

Основные конструктивные элементы порошковых изделий, согласно ГОСТ 29278-92, являются: отверстия, радиальные переходы, пазы, зубья, стенки, фаски, уклоны, пояски, рифленые поверхности, бурты, выступы и углубления на торцах. Вид и характеристика конструктивных элементов в порошковом изделии определяются возможностью их изготовления прессованием с последующим спеканием или штамповкой пористых заготовок. Плотность порошковых изделий обеспечивается технологией их изготовления и изменяется от 50 до 100 % от их теоретической плотности. Значение плотности порошкового изделия должно быть указано в нормативно-технической документации на конкретное изделие.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В зависимости от плотности и назначения порошковые материалы подразделяются на две группы: 1) плотные - материалы с минимальной пористостью, изготовленные на базе порошков железа, меди, никеля, титана, алюминия и их спла-вов; и 2) пористые, в которых после окончательной обработки сохраняется свыше 10-15 % пор по обьему. Первая группа материалов нашла широкое применение в машино- и приборостроении, автомобильной и авиационной технике и других отраслях оборонного и общегражданского производства. Высокая пористость материалов второй группы обеспечивает приобретение ими специальных свойств и позволяет применять их для изготовления специальных изделий (изделий антифрикционного назначения, фильтров, деталей охлаждения и т. п.). При производстве этой группы деталей применяются железографитовые материалы, бронзы, нержавеющие стали.

Особое значение имеют инструментальные порошковые материалы. К их числу относятся порошковые быстрорежущие стали, карбидостали, твердые сплавы, материалы на основе сверхтвердых соединений (нитридов, боридов и т. д.) и алмазные материалы.

Конструкционные порошковые материалы на основе железа

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 содер-жание 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, гра-нулометрического 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 опреде-ляется 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 g -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. Никелевые порошковые конструкционные стали содержат обычно 0,3-0,6 % углерода и 1-3 % никеля (табл. 21.6). Увеличение содержания никеля понижает оптимальное содержание углерода. В связи с тем, что никель при спекании вызывает большую усадку, для получения безусадосньх изделий с высокими механическими свойствами порошковые стали легируют одновременно медью и никелем (табл. 21.6).

Легирование порошковых сталей молибденом (табл. 21.6) производится только при изготовлении ответственных тяжелонагруженных деталей. В порошковые стали молибден вводится в количестве » (0,2-1,0) % при изготовлении порошковой смеси в составе порошков, полученных распылением и другими методами, либо в виде лигатуры, реже в виде чистого порошка молибдена.

Введение хрома в порошковые стали (табл. 21.6) положительно влияет на ее свойства. С железом хром образует ?-?-твердые растворы и интерметаллидные соединения, которые появляются в сплаве при содержании хрома свыше 30 %. Являясь сильным карбидообразующим элементом, хром образует в структуре стали сложные и двойные карбиды.

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.

Ограниченное применение марганца (табл. 21.6) в качестве легирующего элемента в порошковой металлургии связано с большой трудностью восстановления его оксидов, которые сохраняются в сплавах даже при спекании в вакууме и остроосушенных средах. Поэтому при изготовлении порошковых смесей марганец вводят в виде порошков ферросплавов-лигатур, а при спекании применяют остроосушенные среды и высокие температуры (1200-1280 °С).

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

Таблица 21.6

Химические составы (масс. %, основа - железо) 

конструкционных порошковых материалов по ГОСТ28378-89

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.

Механические свойства порошковых материалов определяются по ГОСТ 18227-85 («Материалы порошковые. Метод испытания на растяжение»), ГОСТ 18228-94 («Материалы металлические спеченные, кроме твердых сплавов. Определение предела прочности при поперечном изгибе»), ГОСТ 25698-83 («Порошковые изделия. Метод определения твердости»). Механические свойства конструкционных порошковых материалов на основе железа приведены в табл. 21.7.

В табл. 21.8 приведены области применения, назначения и дополнительные способы обработки порошковых конструкционных материалов на основе железа.

Таблица 21.7

Механические свойства порошковых конструкционных материалов

Примечание. Нормы временного сопротивления, относительного удлинения и твердости являются справочными и приведены для выбора марок материала. Для марок с плотностью 7400 кг/м³ и самозакаливающихся материалов свойства приведены для отожженного состояния.

* Самозакаливающиеся стали.

Таблица 21.8

Области применения, свойства и виды дополнительных обработок 

порошковых конструкционных материалов по ГОСТ 28378-89

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения характеристики свойств и видов дополнительной обработки:

1 - изделия, подвергающиеся калиброванию с целью получения точных размеров;

2 - изделия с незначительным изменением размеров при спекании;

3 - изделия, хорошо обрабатываемые резанием;

4 - изделия с умеренной износостойкостью;

5 - изделия с повышенной ударной вязкостью;

6 - изделия магнитомягкие;

7 - изделия, подвергаемые термической обработке по действующим НТД:

7.1 - химико-термической;

7.2 - старению;

7.3 - закалке и отпуску;

7.4 - отжигу с целью улучшения обрабатываемости резанием;

8 - изделия коррозионностойкие:

8.1 - в атмосферных условиях;

8.2 - в слабоагрессивных средах;

8.3 - в агрессивных средах;

8.4 - в агрессивных средах, кроме кипящих растворов солей и кислот;

8.5 - стойкие к межкристаллитной коррозии:

9 - изделия жаростойкие;

10 - изделия со стабильным коэффициентом теплового расширения;

12 - все изделия при необходимости могут подвергаться защитным покрытиям по действующим НТД;

13 - все изделия, за исключением содержащих медь, могут подвергаться сварке.

В табл. 21.9 приведена последовательность операций при получении деталей конструкционного назначения разной серийности, нагруженности и сложности.

Таблица 21.9

Основные технологические схемы получения порошковых изделий 

конструкционного назначения

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения:

А - холодное прессование + спекание

Б - двойное прессование + спекание

В - холодное прессование + спекание + холодная штамповка + отжиг

Г - холодное прессование + спекание + горячая штамповка + отжиг

Д - шлифовка или доводка

Е - холодное прессование + пропитка легким металлом

Ж - спекание порошка в форме + пропитка легким металлом

И - пропитка кремнийорганической жидкостью и полимеризация

К - калибровка

М - механическая обработка

Н - холодное прессование + спекание + горячая штамповка с истечением металла + отжиг

П - нанесение покрытий

ТО - термическая обработка