способ изготовления борированных порошковых изделий

Формула изобретения

Способ изготовления борированных порошковых изделий, включающий приготовление шихты на основе железа или железоуглеродистых композиций, формование заготовки, ее диффузионное борирование в порошковой засыпке, нагрев и горячее доуплотнение, отличающийся тем, что перед борированием заготовку покрывают слоем никеля толщиной 20 - 30 мкм, борирование и горячее доуплотнение проводят при температуре, на 20 - 30^oC превышающей температуру образования эвтектики в системе Fe-B, время борирования составляет 1,5 - 2,5 ч, нагрев перед горячим доуплотнением осуществляют с помощью ТВЧ в течение 30 - 40 с, горячее доуплотнение проводят по схеме осадки в матрице, а после горячего доуплотнения изделие подвергают закалке в воду и низкому отпуску.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления изделий с высокими механическими свойствами и повышенной износостойкостью.

Известен способ получения поверхностно-легированных горячештампованных порошковых материалов (Дорофеев В.Ю., Лозовой В.И. Поверхностно-легированные горячештампованные порошковые материалы. - Порошковая металлургия. - 1989. - N 4. - С. 11-15), включающий в себя приготовление шихты на основе железа или железоуглеродистых композиций, формование заготовки, нагрев перед пропиткой, пропитку на требуемую глубину путем погружения в расплав упрочняющего материала и горячее доуплотнение. При этом для пропитки используется расплав хромистого чугуна эвтектического состава (Cr - 8; C - 4 мас.%).

Недостатком известного способа являются технологические трудности при пропитке, которая осуществляется в муфеле печи из жаропрочной стали. В муфель подается защитная среда, однако при пропитке пробка из огнеупорного материала удаляется. В этот момент происходит окисление заготовки, которую погружают в расплав, выдерживают и затем переносят в матрицу штампа для уплотнения. Получаемые изделия характеризуются нестабильностью размеров и свойств, обусловленной окислением заготовки, трудностью поддержания на постоянном уровне глубины пропитанного слоя, наличием на поверхности отдельных капель застывшего расплава. Эти капли окисляются при переносе заготовки в штамп, а в процессе допрессовки деформируются. Поэтому соответствующие участки изделия имеют отклонения формы и размеров, низкую чистоту поверхности. При эксплуатации или испытаниях они выкрашиваются ввиду плохого качества их сращивания с основой.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения борированных изделий, включающий приготовление шихты на основе железа или железоуглеродистых композиций, формование заготовки, ее диффузионное борирование в порошковой засыпке, нагрев и горячее доуплотнение по схеме свободной ковки. При этом борирование проводят при 1080-1100^oC в течение 3 ч, а нагрев перед горячим доуплотнением осуществляют при 1050-1080^oC в течение 900 с в печи (Кулу П. Износостойкость порошковых материалов и покрытий. - Таллин: Валгус, 1988. - 120 с.).

Однако известный способ не позволяет изготавливать высококачественные порошковые изделия: в борированном слое образуются трещины, снижающие износостойкость материала, слой остается пористым и после ковки. Кроме того, ковка предварительно борированных материалов не позволяет получать относительные плотности выше 90%.

Решаемая задача - повышение физико-механических свойств и износостойкости борированных порошковых материалов.

Согласно предлагаемому способу задача решается путем приготовления шихты на основе железа или железоуглеродистых композиций, формования заготовки, ее диффузионного борирования в порошковой засыпке, нагрева и горячего доуплотнения. При этом перед борированием заготовки покрываются слоем никеля толщиной 20-30 мкм, борирование и горячее доуплотнение проводятся при температуре, на 20-30^oC превышающей температуру образования эвтектики в системе Fe-B, время борирования составляет 1,5-2,5 ч, нагрев перед горячим доуплотнением осуществляется с помощью ТВЧ в течение 30-40 с, горячее доуплотнение проводится по схеме осадки в матрице, а после горячего доуплотнения изделия подвергают закалке в воду и низкому отпуску.

Примеры конкретного выполнения

Условия получения и свойства борированных порошковых изделий, изготовленных предлагаемым способом, представлены в таблице. Для сравнения приведены характеристики материалов, условия получения которых не соответствовали оптимальным, а также изготовленных по технологии способа-прототипа.

Для определения физико-механических свойств и износостойкости изготавливались кольцевые и призматические образцы с размерами соответственно 70х50х10 и 10х10х55 мм.

Пример 1. При изготовлении борированных порошковых изделий предлагаемым способом в качестве исходного материала используют распыленный железный порошок ПЖР2.200.28 ГОСТ 9849-86, в который добавляют 0,5 мас.% стеарата цинка. Приготовление шихты осуществляется в планетарной центробежной мельнице САНД-1 с отношением массы шаров к массе шихты 2,5:1 при диаметре шаров 5-10 мм и частоте вращения ротора 300 мин^-1.

Формование заготовок путем статического холодного прессования (СХП) проводят на гидравлическом прессе модели 2ПГ-125 в разъемных пресс-формах при давлении 500 МПа. Пористость заготовок - 20%.

После СХП перед диффузионным борированием заготовки покрывают никелем методом химического осаждения из кислого раствора, содержащего, г/л: сернокислого никеля NiSO₄7H₂O - 200; винной кислоты C₄H₆O₆ - 10; pH раствора 4,5-5,0; температура 922^oC; плотность загрузки 1-2 дм²/л. Время осаждения _OC - 50 мин. Толщина покрытия - 20 мкм.

Диффузионное борирование осуществляется при Т_ДБ=1194^oC в контейнере из жаропрочной стали 20Х23Н18 ГОСТ 5632-72 с плавким затвором. Время борирования _ДБ = 1,5 ч. В состав применяемой для борирования порошковой смеси входят следующие компоненты, мас.%: карбид бора (B₄C) - 75, оксид алюминия (Al₂O₃) - 20 и фторид натрия (NaF) - 5.

Борированные заготовки нагревают в индукторе до Т_ГД=1194^oC в течение _ГД = 30 с, после чего проводят их горячее доуплотнение в матрице штампа при давлении 600 МПа на кривошипном прессе К2232. На этом технологический цикл получения изделий из шихты на основе железа заканчивается.

Полученный материал характеризуется высокой износостойкостью как при сухом трении скольжения, так и при абразивном изнашивании. Соответствующие величины износа, методики определения которых указаны в примечаниях 2, 3 к таблице, составили I= 0,18 мг/мм²; I_a=1,02 мг. У безуглеродистого материала, полученного по способу-прототипу, I=2,5 мг/мм²; I_a=10,1 мг. Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечило увеличение износостойкости при сухом трении в 13,9 раза; при абразивном изнашивании - в 9,9 раза. Кроме того, увеличились механические свойства: _изг составила 3950 МПа, КС - 91 Дж/см², что выше соответствующих показателей прототипа в 2,2 и 4,5 раза. При этом поверхностная пористость снизилась в 80 раз, а на самой поверхности трещины и сколы отсутствуют (таблица).

Покрытие холодно-прессованной заготовки слоем никеля толщиной h_Ni=20мкм обеспечивает формирование в процессе диффузионного борирования высокотвердого борида NiB с микротвердостью H = 24 ГПа, а также никельсодержащих фаз Ni₂B, (FeNi)₂B в боридном подслое. Никель частично растворяется в железе, образуя твердый раствор. В сочетании с другими отличительными признаками предлагаемого способа это обеспечивает получение практически беспористого материала с высокой износостойкостью как при абразивном изнашивании, так и особенно при износе в режиме сухого трения скольжения. При h_Ni < 20 мкм слой борида NiB тонкий с разрывами сплошности, что обусловливает низкие показатели износостойкости (таблица, пример 3). При h_Ni > 30 мкм на начальной стадии борирования образуется плотный и относительно толстый слой борида NiB, который препятствует насыщению железной основы бором, поэтому общая толщина сплошного слоя боридов (NiB+FeB+Fe₂B+Ni₂B) уменьшается. Это также приводит к снижению износостойкости (таблица, пример 4).

Проведение диффузионного борирования при температуре Т_ДБ=1194^oC в течение _ДБ = 1,5 ч обеспечивает формирование сплошного слоя боридов толщиной h_б = 370 мкм с микротвердостью H = 15-22 ГПа и эвтектического подслоя с H = 7 ГПа толщиной h_ЭВ = 28 мкм. Это обусловливает отсутствие трещин, сколов, пор в поверхностном слое получаемого изделия и его высокую износостойкость. При Т_ДБ < 1194^oC - h_ЭВ < 20 мкм, поэтому в процессе последующего горячего доуплотнения количество жидкой фазы в подслое оказывается недостаточным для бездефектного деформирования, в поверхностном слое образуются сколы и трещины, уменьшаются как механические свойства (прочность, ударная вязкость), так и износостойкость (таблица, пример 3). При Т_ДБ > 1204^oC уменьшается h_б за счет увеличения h_ЭВ, происходит инфильтрация пор заготовки расплавом. Снижение h_б вызывает ухудшение износостойкости (пример 4). Отрицательное воздействие на износостойкость оказывает также проведение процесса в течение _ДБ < 1,5 ч и при _ДБ > 2,5 ч. В обоих случаях h_б не превышает 200 мкм, хотя причины формирования слоя боридов недостаточной толщины при этом разные. При _ДБ < 1,5 ч мала продолжительность насыщения, что обусловливает сравнительно низкие значения h_б и h_ЭВ. Поэтому в процессе горячего доуплотнения образуются сколы и трещины, как и в описанном выше случае, когда Т_ДБ < 1194^oC (таблица, пример 3). Увеличение _ДБ свыше 2,5 ч приводит к росту h_ЭВ и уменьшению h_б, что также снижает износостойкость материала (пример 4).

Нагрев борированных заготовок перед горячим доуплотнением с помощью ТВЧ в течение _ГД 30 с при температуре Т_ГД = 1194^oC обеспечивает равномерный прогрев и расплавление эвтектики в боридном подслое. Количество жидкой фазы при Т_ГД= 1194^oC и _ГД =30 с составляет ~ 45%. Это обусловливает оптимальные условия деформации заготовки в процессе горячего доуплотнения, высокую плотность материала по всему сечению, максимальные показатели прочности, ударной вязкости и износостойкости. При Т_ГД < 1194 ^oC и _ГД < 30 с эвтектика расплавиться не успевает и в процессе по следующей допрессовки в поверхностном слое образуются сколы и трещины, снижающие механические свойства и износостойкость (таблица, пример 3). При Т_ГД > 1204^oC и _ГД > 40 с происходит инфильтрация пор расплавом и растворение им боридного слоя, h_б уменьшается, что вызывает снижение износостойкости (таблица, пример 4). В случае использования печного нагрева, применяемого в прототипе, практически не представляется возможным выбрать оптимальную его продолжительность, так как для равномерного прогрева требуется выдержка из расчета 50-60 с/мм сечения. При этом эвтектика в боридном подслое расплавляется и пропитывает поры заготовки. Кроме того, жидкая фаза по мере прогрева сердцевины растворяет слой боридов, h_б уменьшается. В случае нагрева массивной заготовки (таблица, пример 5) происходит выход расплава на поверхность, неконтролируемым образом изменяются ее форма и размеры, резко ухудшается чистота поверхности и износостойкость. При уменьшении продолжительности печного нагрева массивной заготовки (пример 6) несмотря на хорошую износостойкость, полученный материал обладает низкими механическими свойствами, обусловленными большой пористостью сердцевины.

Проведение горячего доуплотнения по схеме осадки в матрице сводит к минимуму условия возникновения растягивающих напряжений и образования трещин на боковых поверхностях заготовки. Это обеспечивает достижение высоких показателей механических свойств и износостойкости в сравнении с прототипом, когда в процессе свободной ковки происходило формирование большого количества дефектов (таблица, примеры 6, 11, 12).

Пример 2. Выполняют аналогично примеру 1, отличие в том, что _OC = 70 мин; h_Ni = 30 мкм; Т_ДБ=Т_ГШ=1204^oC; _ДБ = 2,5 ч; _ГД = 40 с. Свойства полученного материала приведены в таблице.

Пример 7. При изготовлении борированных порошковых изделий предлагаемым способом из шихты на основе железоуглеродистой композиции в качестве исходного материала используют распыленный железный порошок ПЖР2.200.28 ГОСТ 9849-86, в который добавляют 0,5 мас.% стеарата цинка и 0,6 мас.% карандашного графита ГК-1, что обеспечивает содержание 0,4 мас.% углерода в готовом материале (сталь 40 п). Приготовление шихты, формование заготовок, покрытие их никелем, диффузионное борирование, нагрев перед горячим доуплотнением и горячее доуплотнение выполняют аналогично примеру 1. Отличие в том, что после горячего доуплотнения производится закалка в воду и отпуск. Нагрев под закалку осуществляется при 850^oC в течение 10 мин (см. примечание 1 к таблице). Низкий отпуск производят при 200^oC в течение 1 ч.

Полученный материал характеризуется высокими показателями физико-механических свойств и износостойкости: П_пов = 0,2%; _изг = 3140 МПа; КС=58 Дж/см²; I = 0,25 мг/мм²; I_a = 0,42 мг. По сравнению с материалом, изготовленным по способу-прототипу износостойкость при сухом трении увеличилась в 9,2 раза, при абразивном износе - в 27,1 раза; _изг повысилась в 1,6 раза; КС - в 2,9 раза, а П_пов снизилась в 50 раз, причем трещины и сколы на поверхности отсутствуют.

Существенным условием, обеспечившим решение поставленной задачи при получении борированных порошковых изделий из железоуглеродистой композиции, явилось проведение закалки в воду и низкого отпуска. В случае борирования безуглеродистого материала на основе железа такая необходимость отсутствует. Возможность использования железоуглеродистых композиций в прототипе предусматривается, однако окончательная термическая обработка (закалка и отпуск) не проводится (пример 12). Между тем в процессе закалки в переходной зоне и сердцевине материала формируется мартенсит с микротвердостью H 8-9,5 ГПа, который препятствует продавливанию боридного слоя и его выкрашиванию, что увеличивает износостойкость.

Пример 8. Выполняют аналогично примеру 7, однако закалка и низкий отпуск не проводятся. Это обусловило большой разброс значений микротвердости переходной зоны: H = 4-7 ГПа, что вызвало продавливание боридного слоя в процессе испытаний и ухудшение износостойкости: I = 2,7 мг/мм²; I_a = 6,1 мг.

В случае увеличения скорости охлаждения (пример 9) при закалке в поверхностном слое образуются трещины, а при ее уменьшении (пример 10) в переходной зоне формируется троостито-мартенситная структура с большим разбросом значений H в пределах от 6 до 9 ГПа. Это приводит к продавливанию боридного слоя, его выкрашиванию и снижению износостойкости.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить износостойкость при сухом трении скольжения в 9-14 раз, при абразивном износе - в 10-27 раз. Изгибная прочность увеличивается в 1,6-2 раза, ударная вязкость - в 3-4,5 раза, существенно снижается поверхностная пористость и улучшается качество поверхности изделий.