(Б.С. Ермаков)

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 обеспечива-ются свойства изделия, полученного традицион-ными 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

В табл. 21.5 приведены основные конструктивные элементы порошковых изделий, которыми, 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.

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 α-γ-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.

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.

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.

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.

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