способ неразъемной сборки порошковых деталей

Формула изобретения

Способ соединения крупногабаритных порошковых деталей, включающий приготовление шихты на основе железа, прессование деталей, нанесение на соединяемые поверхности слоя шликера на основе порошка железа, сборку, размещение пропитывающих брикетов на основе меди и спекание с одновременной инфильтрацией, отличающийся тем, что шликер готовят из бидисперсных порошков, при сборке между соединяемыми поверхностями располагают непроницаемую для расплава на основе меди перегородку, при этом слой шликера наносят на поверхность соединяемых деталей и непроницаемой перегородки, а пропитывающие брикеты размещают сверху и снизу сборки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления конструкционных и износостойких деталей машиностроительной, добывающей, приборостроительной, перерабатывающей и других отраслей промышленности в тех случаях, когда требуется создание крупногабаритных изделий сложной конфигурации из относительно простых частей.

Известны способы получения составных изделий, хотя бы одна из частей которых получена методами порошковой металлургии (ПМ), включающие: раздельное прессование деталей изделия, сборку и совместное диффузионное спекание, совмещенное с пропиткой слоя дисперсного порошка на основе железа медью. Заполнение слоя медью может осуществляться как за счет пропитки всей конструкции, так и за счет перехода расплавленной меди на стадии жидкофазного спекания из зон с избыточным содержанием меди в дисперсный соединительный слой /Патенты РФ N 2056973 от 27.03.97 и N 2037382 от 19.06.95/. Высокие механические свойства сборки обеспечивает припекание дисперсного порошка на основе железа к подложке и последующее заполнение переходного слоя медью. Недостатком указанных методов являются относительно невысокие адгезионные свойства железа, что приводит к нестабильности свойств изделий; невозможность исключения пористости соединительного слоя даже в случае избытка меди, так как тупиковые поры при пропитке не заполняются; относительно большой угол смачивания железа медью, сильно зависящий от среды спекания и точки росы, этот фактор также влияет на прочность и стабильность соединения.

Другая возможность неразъемной сборки включает: изготовление приемами ПМ одной или всех соединяемых деталей, нанесение покрытия толщиной менее 2 мкм (в том числе возможны покрытия с высокими адгезионными свойствами, например, на основе никеля), для выполнения соединения детали устанавливают в контакте друг с другом и нагревают выше 1000°С, но не выше температуры жидкофазного спекания /Заявка ФРГ N 44182686 от 30.11.95/. Требуемые механические свойства в данном случае достигнуты благодаря припеканию, а его преимущества обусловлены использованием слоя с улучшенными адгезионными характеристиками. Способ имеет следующие недостатки: переходный слой не содержит жидкую фазу, а значит соприкосновение поверхностей осуществляется лишь в местах пятен контакта, что приводит к ухудшению качества соединения и стабильности свойств изделий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ соединения деталей, включающий приготовление шихты, прессование, нанесение на соединяемые поверхности шликерного слоя, улучшающего качество соединения, в состав которого входит 2-30% никеля, и спекания, совмещенного с инфильтрацией и частичным контактным плавлением соединительного слоя /Патент РФ N 2120352 от 20.10.98/.

Недостатки способа-прототипа:

- невозможность получения крупногабаритных порошковых изделий с суммарной высотой более 30-40 мм, т.к. высота подъема инфильтрирующей жидкости в спекаемом материале является функцией размера пор и удельного веса пропитывающей жидкости (если исключить вклад технологических и конструкционных особенностей сборки),

- относительно невысокая прочность и стабильность соединения, обусловленная низкой насыпной плотностью применяемых активных дисперсных порошков, которые необходимо применять для обеспечения припекания и гомогенизации соединительного слоя.

Предлагаемый способ обеспечивает получение крупногабаритных изделий, повышение прочности и стабильности свойств составных изделий из порошковых сплавов.

Поставленную цель достигали тем, что для повышения плотности укладки частиц шликер готовили из бидисперсных порошков, которые одновременно с ростом плотности укладки обеспечивали требуемое количество метастабильного аустенита в областях с повышенной концентрацией легирующих добавок, при последующем нагружении спеченного материала аустенит превращался в мартенсит деформации со значительным улучшением механических свойств, а между спекаемыми порошковыми деталями устанавливали тонкую непроницаемую для расплава на основе меди пластинку со слоем шликера с обеих сторон. В процессе сборки, которую совмещали со спеканием и инфильтрацией, при достижении заданной температуры соединительные слои заполняли сплавом на основе меди. Затем проводили гомогенизирующую выдержку при спекании и охлаждение для получения требуемого фазового состава соединительного слоя. В результате высота изделий может быть увеличена не менее чем вдвое при одновременном улучшении механических свойств и их стабильности.

Из сравнения с известным способом сборки порошковых деталей ясно, что заявляемый метод позволяет осуществлять сборку иным способом, поскольку между соединяемыми порошковыми деталями кроме шликерных слоев располагается тонкая непроницаемая перегородка, а шликер готовят из бидисперсных порошков, обеспечивающих требуемый химический, фазовый и структурный состав соединительного слоя после спекания. Т.о. предлагаемый способ принципиальным образом отличается от известных, включая способ-прототип. Кроме того, предлагаемый метод позволяет увеличить размеры соединяемых порошковых деталей не менее чем в два раза при одновременном улучшении механических свойств и стабильности прочности соединения.

Предлагаемый способ включает: изготовление прессовок, непроницаемой перегородки и брикета для пропитки, приготовление шликера из бидисперсных порошков, нанесение шликерного соединительного слоя на непроницаемую перегородку и соединяемые изделия, спекание, совмещенное с инфильтрацией и гомогенизацией для получения требуемого фазового, структурного и химического состава соединения.

Образцы из порошковой стали приготовлены и соединены по следующей технологии:

- шихту, содержащую 3% порошка меди, 1% порошка графита и 96% порошка железа марки ASC 100.29, перемешивали 8 часа в двухконусном смесителе, введя для улучшения прессуемости 0,8% стеарата цинка;

- образцы прессовали при давлении 600 МПа в закрытых стальных пресс-формах;

- шликер из смеси карбонильного порошка никеля марки ПНК-ОТ4 - 6%, молибденового порошка по ТУ 14-1-1484-75 - 0,5%, порошков железа (основа) марок Р-10 (дисперсный карбонильный порошок) и ПЖР 3.200.28 в соотношении 4 к 1 наносили на поверхность соединяемых прессовок и непроницаемой перегородки (тонкая стальная пластинка), прикладывали прессовки с обеих сторон стальной пластинки и в собранном состоянии сушили при комнатной температуре 24 ч;

- прессовали пропитывающие брикеты при давлении 300 МПа из шихты на основе меди;

- пропитывающие брикеты накладывали на сборку сверху и снизу, а затем спекали в атмосфере водорода при температуре 1150-1180°С, 40 мин.

Предел прочности соединения составил _В=600-700 МПа. Толщина шликерной прослойки с каждой стороны от непроницаемой перегородки составила примерно 200 мкм. Прочность на сдвиг соединения была 150±1,5 МПа. Способ-прототип обеспечивает прочность соединения на сдвиг 110-130 МПа.

Повышение прочности и стабильности свойств достигнуто благодаря увеличению количества стали в соединительном слое за счет повышения плотности укладки частиц, применению непроницаемой стальной перегородки для обеспечения равномерного распределения меди в шликерном слое и образованию метастабильного аустенита, который при нагружении превращается в мартенсит деформации. Рентгенограммы поверхности до и после нагружения представлены на чертеже.

Судя по величине пиков на чертеже количество аустента в зоне разрушения резко падает, точные соотношения установить сложно из-за наложения пиков меди и гамма-фазы (возможно даже полное превращение остаточного аустенита в мартенсит деформации). Трипэффект, причиной которого является деформационный гамма-альфа переход в областях с повышенной концентрацией легирующих добавок, в сочетании с более высоким содержанием стали в слое (больше плотность укладки частиц) и являются причинами увеличения прочности и стабильности свойств соединения.

Сравнительные характеристики предлагаемого способа получения сборок и прототипа представлены в таблице.

Таблица
Сопоставление прочности и качества соединения предлагаемого способа и прототипа
Способ соединения	Прочность при испытании на сдвиг, МПа	Доверительный интервал при уровне значимости р=0,05
Заявляемый способ	150	±1,5
Прототип	120	±10

Таким образом, предлагаемый способ соединения порошковых деталей в неразъемные конструкции не только позволяет создавать крупногабаритные изделия, но обеспечивает повышение стабильности и прочности соединения по сравнению со способом-прототипом.