ческое горячее прессование - ДГП) пористых заготовок с последующей их термической обработкой. Горячештампованная термообработанная ни-кельмолибденовая сталь (ПК60Н2М) имеет высокие механические свойства прочность при испытании на растяжение а= 1300... 1400 МПа, при испытании на изгиб = 2200...2300 МПа, ударная вязкость КС = 185кДж/м Применение горячей штамповки позволяет повысить относительную плотность пористых заготовок, например, для стали ПК40Н4Д2М по сравнению с однократным прессованием - от 85,9 до 98,9 %, по сравнению с двукратным - от 93,8 до 99,5 %. По механическим свойствам горячештампованные стали мало отличаются от компактных: предел прочности а = 1300 МПа, твердость 40 HRC, ударная вязкость KCV = = 500 кДж/м

Методом горячей штамповки пористых заготовок получают заготовки из распыленных порошков быстрорежуш,их сталей Р18 и Р6М5К5. Структура стали Р18 после горячей штамповки характеризуется высокой однородностью, отсутствием карбидной ликвации и содержит мелкие зерна карбидов (0,3... 1,5 мкм), в отличие от литой аналогичного состава. После закалки и трехкратного отпуска твердость стали 64...65HRC. Исследование режущих свойств показало, что стойкость резцов из порошковой стали Р18 вдвое выше, чем резцов из литой стали.

США - лидер по внедрению штамповки в технологии порошковой металлургии и, хотя масштаб производства в 90-х годах был невелик, ожршается, что в начале XXI в. в США, Японии и Западной Европе этим методом будут производить до 30 % конструкционных порошковых изделий.

Внедрение горячей штамповки сдерживается тем, что применение этого процесса во многом лишает порошковую металлургию ее преимуществ: низкой себестоимости продукции и высокого коэффициента использования металла.

Особый интерес представляет высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), которая способствует повышению прочности при сохранении пластичности материала. Основными параметрами, определяющими эффективность ВТМО, являются степень, скорость и температура деформации, а также последеформационная вьщержка, за которой следует закалка (если вьщержка исключается, закалка - немедленная). При такой обработке подавляется (или частично задерживается) процесс рекристаллизации, так как ВТМО осуществляется в высокотемпературной области. В табл. 4.5 приведены результаты ВТМО порошковых сталей гомогенного состава и аналогичных литых. Некоторое уве-

сталей

личение степени деформации (на 5%) для порошковых материалов вызвано необходимостью исключения пористости.

Существенное повышение механических свойств сталей в результате ВТМО связано с изменениями тонкой структуры. При обычной закалке формируется игольчатый мартенсит, а при ВТМО - бесструктурный, измельчаются и карбиды.

Американской фирмой Федерал Моугью разработан недорогой технологический процесс Синта Фордж . Особенностью технологии является использование тепла, оставшегося после ДГП, для термообработки. Полученные изделия (муфты, шестерни, обоймы) имеют плотность до 99,6 % от теоретической.

Процесс изготовления высокоплотных деталей без операции прессования из свободно насыпанного порошка получил название Лус-Пэк . Фирма United States Steeb (США), используя этот процесс, изготовляет детали из порошковой стали. Процесс Лус-Пэк исключительно эффективен, затраты на 50 % ниже, чем при получении поковок из литых деформированных материалов.

Два перечисленных процесса подтверждают эффективность порошковой металлургии при решении частных конкретных задач.

Современным направлением порошковой металлургии является также ROC-процесс (Rapid Omni-versional Compaction - быстрое направленное компактирование), когда толстостенная пресс-форма, наполненная предварительно нагретой шихтой, подвергается одноосному сжатию под Высоким давлением. В результате заполненный порошком внутрен-

нии объем находится под квазиизостатическим давлением. ROC-процесс также как и САР-процесс, не направлены на решение задач массового производства. Отметим, что при САР-процессе (Consolidation by Atmospheric Pressure) спекание осуществляют при нормальном атмосферном давлении и температуре несколько выше солидуса.

Фирма H6ganas с помощью процесса Апсог-dense полчила материалы на основе железа с плотностью 7,25...7,55 г/см- при однократном прессовании и одностадийном спекании. Процесс включает приготовление смесей с оптимальным содержанием основных компонентов и минимальной концентрацией пластифицирующих добавок. Используется традиционное оборудование для прессования (давление 690 МПа), но с подогревом порошка и матрицы до 130...155°С (с точным контролем температуры ±2 °С), спекание проводят при 1260 °С.

Технология обеспечивает уплотнение прессовок при меньшем усилии прессования и значительное повышение плотности прессовок, что позволяет производить их механическую обработку. Прочность прессовки, содержащей 0,6 % связки, составляет 21...24 МПа по сравнению с 12...18 МПа для традиционного процесса прессования с последующим спеканием. Относительная плотность изделий достигает 97 %. Результаты испытаний показали экономичность и эффективность данного способа, позволяющего изготовлять широкую номенклатуру высококачественных деталей с повышенной плотностью и контролем геометрических размеров.

При теплом прессовании получают изделия с высокими плотностью и механическими характеристиками [6]. Влияние теплого однократного и двукратного прессования на процесс уплотнения двух видов смесей: ди-стаюй АЕ + 0,6 % С + 0,6 % пластификатора; дисталой НР-1 + 0,6 % С + + 0,6 % пластификатора представлены в табл 4.6.

Изготовленные по этим технологиям изделия демонстрируют очевидные преимущества теплого прессования: возможность получения при однократном прессовании и спекании высокоплотных изделий, технологичность, высокие физико-механические свойства (табл. 4.7).

Таким образом, преимущества теплого прессования очевидны, но отечественной промыцшенностью специализированное оборудование для теплого прессования не освоено, а производимые в ФРГ прессы весьма дороги и изготовляются по индивидуальным заказам. При этом следует отметить, что стоимость смазки относительно небольшая, а переоборудование имеющихся прессов с целью подогрева шихты вполне возможно, т. е. целесообразно развивать данное направление порошковой металлургии на отечественных предприятиях.

4. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 4.6. Технологические режимы теплого прессования изделий

Таблица 4.7. Свойства порошковых материалов после теплого прессования

Современным направлением в порошковой металлургии является использование материалов, которые находятся при температуре спекания в а-области [7]. Так, материал MSP3.5Mo, содержащий 3,5 % Мо, при температуре спекания 1250...1280С находится в а-области, что

обеспечивает большую усадку и высокий комплекс физико-механически свойств. Плотность деталей из стани MSP3.5Mo при спекании без жи кой фазы составляет 7,5...7,6 г/см1 Спекание проводили в колпакодГ печах с зоной быстрого охлаждения (скорости охлаждения было доста точно, чтобы получить мартенситную структуру). Материал, содержащий 1,5% Мо, 2% Си, 0,5% С, после спекания имел = 950... 1080 МП предел прочности зависел от условий прессования (600...700 МПа) Следует отметить, что температура спекания описанного технологического процесса выше, чем наибольшая температура эксплуатации большинства серийно производимого специализированного российского оборудования.

Повысить плотность в процессе спекания можно благодаря усацке с использованием химических методов, но чаще всего механические и химические методы дополняют друг друга. При этом достаточно увеличип, температуру спекания, вследствие чего повысится плотность, поскольку диффузионные процессы связаны с температурой экспоненциальной зависимостью. Для существенного роста плотности в процессе спекания обычно применяются тонкие активные порошки с большой удельной поверхностью, например в технологиях инжекционного литья (способы формования с применением термопластических веществ и паст).

Исследования по применению ультрадисперсных порошков (УДП) для производства порошковых сталей проведены в Институте металлургии УрО РАН. В качестве основы применяли порошок марки ПЖФР.

Добавки УДП никеля наиболее эффективны в виде химических соединений, восстанавливающихся в процессе спекания порошкового ма-териапа. В ряду соединений NiO, М1(МОз)2, NiCjO максимальной скоростью диффузии в железо характеризуется никель, восстановленный из оксалата. Введение 0,2...0,3 % (масс.) УДП никеля активирует процесс спекания материалов из смеси железа и никеля и повышает плотность спекаемого материала на 4 %. При этом температура спекания снижается на 200 °С, а время спекания сокращается в 4 раза. Свойства спеченных материалов представлены в табл. 4.8.

Одним из вариантов процесса высокотемпературного компактирова-ния является горячее изостатическое прессование (ГИП), которое предусматривает использование при спекании внешнего давления, в этом случае пористость изделия незначительна. ГИП применяют для изготовления деталей из низкоуглеродистых, жаропрочных, нержавеющих и инструментальных сталей. При этом прочностные характеристики повышаются на 5...10%, а пластические - в несколько раз.

Снижение затрат по сравнению с затратами на ГИП обеспечивает изотермическая ковка. Как и при ГИП, шихту засыпают в формы и вакуумиру-ют, герметизиру-кя, нафевают до

100-120 °С, помешают в камеру высокого давления гидравлического пресса и уплотняют при давлении около 400 МПа. При изготовлении по данной технологии детапи из материалов на основе железа теоретической плотности достигают менее чем за 10 мин.

Весьма эффективно повышает плотность жидкофазное спекание (ЖФС), классическим примером которого являются технологические процессы получения твердых и тяжелых сплавов. Для низколегированных стапей применение ЖФС сопряжено с необходимостью использования более высокой температуры, но пропитка спеченных сталей медными сплавами яатяется хорошо известным методом повышения плотности и прочности. Так, в США в начале 90-х годов 10 % всего объема продукции порошковой металлургии пропитывали медью. Перспективы существенного повышения свойств псевдосплавов сталь-медь связаны с определением оптимальных режимов термообработки, при которых упрочнение происходит за счет дисперсионного твердения. Именно у дисперсион-но-твердеющих материалов (мартенситно-стареющих сталей и псевдосплавов сталь-медь) достигнута наибольшая конструктивная прочность.

Порошковая сталь 10Р6М5 из водораспыленного порошка, полученная жидкофазным спеканием, после закалки с 1180°С и трехкратного отпуска при 550 °С имеет прочность при изгибе 1700...2300 МПа, ударную вязкость - 40...8О кДж/м, сталь из газораспыленного порошка аналогичного состава - соответственно 3300...3500 МПа и 250...300 кДж/м. Стойкость режущих инструментов при обработке однотипных деталей в первом случае на 10...25 %, а во втором - в 2-3 раза выше по сравнению с инструментом из литого металла.

Активированное спекание предусматривает использование либо химических добавок, либо специальной атмосферы (например, 1 % НС1), воляющих уменьшить энергию активации и повысить активность

Таблица 4.8. Свойства сталей с ультрадисперсными добавками