Порошковые стали и сплавы

Возможность реализации комплекса специфических свойств, технологические преимущества изготовления деталей обусловили разработку порошковых конструкционных материалов.

Имеются различные способы получения изделий из порошковых материалов, но общая их суть заключается в том, что порошки заданного состава (полученные либо распылением жидких сплавов, либо механическим смешиванием порошковой шихты требуемого состава) компактируют и спекают в регулируемых атмосферах. Это может быть холодное прессование, после которого проводят последующее спекание в вакууме, либо горячее изостатическое прессова­ние, горячее динамическое прессование, горячая штам­повка или экструзия. Последние способы обеспечивают меньшую пористость. Уплотнение заготовок позволяет получать материалы с минимальной пористостью (1…2 %) и, кроме того, в процессе уплотнения происходит термомеханическое упрочнение материалов. Поэтому свойства порошковых материалов близки к свойствам литых и катаных сталей и сплавов аналогичного соста­ва, а по некоторым показателям даже превосходят их.

В настоящее время изготавливают изделия из порош­ковых материалов различных классов: железа, углеро­дистых и легированных сталей, в том числе быстроре­жущих инструментальных сталей, твердых сплавов, цветных сплавов и других порошковых материалов.

Конструкционные порошковые изделия (главным об­разом на основе железа) составляют большую часть продукции порошковой металлургии. Техника прессова­ния пока накладывает ограничения на размеры деталей, их масса колеблется от 5 до 1000 г.

Таблица 19

Легированные порошковые стали, полученные однократным

прессованием и спеканием

Некоторые составы легированных порошковых ста­лей и их механические свойства представлены в табл. 19.

Значительную долю в общем объеме порошковых материалов занимают инструментальные быстрорежу­щие стали.

Отечественная промышленность производит порошко­вые быстрорежущие стали марок Р12М3Ф2К8, Р12МФ5, Р6М5Ф3, Р6М5К5. При обработке жаропрочных сталей и сплавов стойкость инструментов из таких сталей была в 1,3…3 раза выше, чем для сталей тех же марок, но полученных выплавкой. Разработаны также и безволь­фрамовые быстрорежущие мелкозернистые порошковые стали - Р0М6Ф1, Р0М2Ф3, Р0М10Ф3, Р0М10Ф3К8 и др. Преимуществом закаленных порошковых безвольфра­мовых сталей перед литыми является отсутствие склон­ности к росту зерна и разнозернистости. Резцы из безвольфрамовых порошковых сталей имеют даже лучшую стойкость и теплостойкость, чем из литой стали Р6М5.

Порошковые стали и сплавы применяют также в ка­честве антифрикционных и уплотнительных материалов.

В антифрикционных материалах объем пор составля­ет 15…30 % от общего объема изделия, при этом в за­рубежных изделиях поры заполняют жидкой смазкой, в отечественных - фторопластом. Следует отметить, что такие антифрикционные материалы нельзя применять при повышенных температурах и высоких скоростях движения трущихся деталей.

Для эксплуатации в агрессивных средах и при по­вышенных температурах (250…600 °С) разработаны антифрикционные порошковые сплавы на базе высококоррозионностойкой аустенитной стали типа Х23Н18. Для снижения износа их или сульфидируют, или борируют.

Пористость уплотнительных материалов, используе­мых для герметизации конструкций, работающих при вы­соких давлениях (20…30 МПа), должна быть минималь­ной. В авиационных газовых турбинах в качестве уплот­нительных материалов используют никельграфитовые спеченные материалы, в которых графит выполняет роль твердой смазки.

В качестве перспективной основы для уплотнитель­ных материалов рассматривают сплавы системы Ni - Cr, в которых антифрикционные характеристики повышают добавкой нитрида бора - ВN [до 6 % (по массе)].

Порошковые сплавы на основе цветных металлов (Ni, Cu, Ti, Cr и др.) производят в меньшем объеме по сравнению с железными.

Порошковые сплавы на основе титана применяют в различных отраслях техники - авиации и космических исследованиях, медицине и пищевой промышленно­сти, т.е. в тех отраслях, где экономически оправдано применение материалов с высокой удельной прочностью Применение порошковых сплавов позволяет значительно увеличить коэффициент использования металла, что осо­бенно важно для дорогих титановых сплавов, которые в настоящее время в 20 раз дороже обычной стали, и в пять раз дороже коррозионностойкой (нержавеющей) стали.

Таблица 20

Составы и механические свойства порошковых титановых сплавов

Составы некоторых порошковых титановых сплавов и их механические свойства приведены в табл. 20.

Как правило, из спеченных титановых сплавов изго­тавливают детали сложной формы - турбинные диски, фильтры, диспергаторы и т.д.

Порошковые спеченные материалы на медной основе (Cu - Sn - Pb - SiO₂) используют в качестве фрикцион­ных вставок в муфтах сцепления, тормозных системах и других деталях. Бронзу СuSn10, а также монель-металл 70Ni30Сu применяют также и для изготовления различных фильтров. Преимущества металлических по­рошковых фильтров перед органическими (войлок, бу­мага, ткани, полимеры) или неорганическими (керами­ка, асбест, стекло) состоят в том, что они более прочны, нечувствительны к ударным нагрузкам, поддаются сварке, пайке, весьма коррозионностойки. Металлические порошковые фильтры используют для фильтрации солевых растворов, хладагентов, смазочных материалов. В пищевой промышленности металлические фильтры применяют в пневмотранспортных устройствах для рас­пыления и транспортировки муки.

Методами порошковой металлургии получают также ферромагнитные материалы, применяемые для изготов­ления постоянных магнитов (сплавы системы Аl - Ni - Со), а также жаропрочные сплавы на никелевой и ко­бальтовой основах. Преимущества использования по­рошковых сплавов в данном случае связаны с большей равномерностью структуры и возможностью получать более чистые материалы.

Порошковые сплавы на основе хрома (Х68Н32, Х66Н30Т4, Х78Н20Т2 и др.) используют для изготовле­ния сварочных электродов, предназначенных для сварки высоколегированных сталей, так как они обеспечивают высокое качество сварного шва, повышают скорость сварки и снижают суммарные расходы на сварочные ра­боты.

Методами порошковой металлургии изготавливают и изделия из сплавов на основе тугоплавких металлов (W, Мо, V и др.), многие детали из которых другими методами изготовить невозможно вследствие их низкой технологичности.