способ изготовления фосфористой стали

Формула изобретения

Способ изготовления фосфористых сталей, включающий смешивание порошков железа, углерода и феррофосфора, прессование и спекание, отличающийся тем, что при механическом легировании порошки измельчают в высокоэнергетической мельнице или аттриторе до размера 4 - 10 мкм, а спекание осуществляют при 1000 - 1250^oC, причем порошки берут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фосфор - 0,65 - 1,1

Углерод - 0,1 - 1,2

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к производству экономнолегированных конструкционных сталей.

Порошковые фосфористые стали известны хорошим сочетанием прочности и пластичности при низкой стоимости, не требуют высоких температур спекания, так как активация спекания реализуется за счет образования жидкой фазы - фосфидной эвтектики.

Известна сталь ПК10Ф, изготовленная смешиванием порошков, холодным прессованием и спеканием в восстановительной атмосфере, содержащая, мас.%:

Фосфор - 0,8 - 1,2

Углерод - 0,3

Железо - Остальное [1]

Эта сталь обладает недостаточно высоким пределом прочности - 200 МПа.

Наиболее близкой по химическому составу и используемым компонентам к предлагаемому изобретению является порошковая сталь, изготовленная смешиванием, прессованием и спеканием при 1150^oC в атмосфере эндогаза.

Эта сталь, содержащая фосфор 0,45 - 0,8%, углерод 0,25 - 0,7%, железо остальное, имеет феррито-перлитную структуру и неоднородное распределение фосфора после спекания, остаточную пористость 13,8 - 15,2%, предел прочности 323-511 МПа, относительное удлинение 1,6 - 5,0% [2]. К недостаткам этой стали можно отнести невысокую плотность в спеченном состоянии, крупное зерно, среднее значение относительного удлинения, а также сегрегирование фосфора при термообработке, которое снижает пластичность материала, при том же уровне прочности относительное удлинение в термообработанном состоянии составляет 0,6 - 1,4% [3].

Известен способ изготовления фосфористых сталей, согласно которому для достижения эффекта измельчения зерна, повышения прочности, увеличения гомогенности сталь, содержащую 0,9% углерода, 0,6% фосфора подвергают механическому легированию с введением упрочняющих фаз NbC, TiC, TiN, Al₂O₃ и спекают при 1280^oC [4]. Стали, не содержащие твердой фазы, спеченные при этой температуре, обладают достаточно крупным зерном (порядка 20 мкм). Гомогенность, размер зерна порядка 5 мкм, прочность 850 МПа достигаются при содержании твердой фазы не менее 10-15 об.%, что приводит к снижению пластичности менее 3%.

Способ обеспечивает достижение сочетания высоких физико-механических характеристик фосфористой стали при значительно более низких температурах спекания за счет подбора соотношения количеств фосфора и углерода, оптимизации времени измельчения, обеспечивающего определенный размер частиц и заданные параметры субструктуры.

Заявляемый способ изготовления фосфористых сталей, включающий механическое легирование порошков железа, углерода и феррофосфора, прессование и спекание, отличается тем, что компоненты берут в количестве: фосфор 0,65-1,1 мас. %, углерод 0,1-1,2 мас.%, железо - остальное, измельчают в высокоэнергетической мельнице или аттриторе до размера 4-10 мкм, а спекание осуществляют при 1000-1250^oC.

Способ поясняется следующим примером.

Пример. 0,8 г Порошка углерода, 5,6 г измельченного феррофосфора (содержащего 16 - 18% фосфора), 93,6 г порошка железа размалывают с 3 кг стальных мелющих шаров диаметром 8 мм в планетарной мельнице в течении 25 мин. Полученную смесь отжимают при 700^oC в атмосфере водорода или дисаммиака, прессуют холодным способом при давлении 600-800 МПа, спекают при 1050^oC в атмосфере водорода или дисаммиака.

В процессе дробления до 4-10 мкм происходит гомогенизация смеси по фосфору в объеме каждой частицы, образуются твердые растворы фосфора и углерода в железе, в дислокационной системе наблюдается увеличение плотности и упорядочение дислокаций. Дисперсность полученной смеси и эвтектическое плавление во всем объеме материала дополнительно активизируют спекание, что позволяет снизить температуру на 30-250^o и получить остаточную пористость 3 - 6%. Равномерное распределение фосфора в стали и закрепление его атомов дислокациями способствует упрочнению и препятствует сегрегированию фосфора при спекании и возможной термообработке. Структура спеченной механически легированной фосфоросодержащей стали представляет собой однородный троостит, размер зерна и пор 5-6 мкм, размер фосфидов 1-3 мкм. Предел прочности фосфористой стали, изготовленной по предлагаемому способу, 710 - 850 МПа, относительное удлинение 7-14%, ударная вязкость 400-700 кДж/м², вязкость разрушения 45 - 60 МН/м^3/2, усталостная прочность при 106 циклов 340-380 МПа. Свойства механически легированных фосфористых сталей с более крупным размером частиц ниже, чем заявляемые, приведены в табл. 1.

Примеры влияния химического состава на свойства механически легированных фосфористых сталей приведены в табл. 2. Увеличение количества фосфора и углерода позволяет повысить долю дисперсно упрочняющих частиц Fe₃ (P, C), которые, располагаясь на энергетически выгодных поверхностях пор, упрочняют материал без значительного охрупчивания.

Таким образом, сталь, изготовленная по заявляемому способу, имеет значительно более высокие физико-механические характеристики - плотность, прочность в сочетании с пластичностью, чем известная, кроме того, способ позволяет снизить температуру спекания и исключить сегрегирование фосфора.

Стали, полученные по данному способу, могут найти применение в качестве средненагруженных, в том числе с циклическими нагрузками, узлов и деталей машин, а также, обладая большим запасом вязкости и высокой активностью к спеканию, в качестве основы композиционных абразивосодержащих инструментов.

Источники информации, принятые во внимание:

1. Материалы конструкционные порошковые на основе железа. ГОСТ 28378-89. М.: Издательство стандартов, 1990.

Straffelini G. , Fontanari V., Molinari A., Tesi B. Tensile and fatigue behaviur of phosphorus alloyed sintered steels. Powder Metallurgy. - 1993, vol. 36, N 2, p. 135 - 141.

3. Molinari A., Straffelini G., Canteri R. Heat Treatment and Mechanical Behavior of Sintered Fe-C-P Steels. The international Journal of Powder Metallurgy. - 1994, vol. 30, N 3, р. 283-291.

4. Gutsfeld C., Tummler F., Mechanically Alloyd Sintered Steels with a High Hard Phase Content. Metal Powder Report. 1990, N 11, p. 769-771.