процесса спекания. Его существенный недостаток - значительные изменения геометрии и формы изделия. Активирование спекания можно обеспечить механическим легированием.

На плотность изделий влршет не только химический состав добавок но и способ их введения. Для легирования порошковых сталей обычно в чистом виде применяют никель, молибден, медь, углерод, имеющие низкое сродство к кислороду, а компоненты с высоким сродством к кислороду предпочтительнее использовать в виде соединений. Для деталей конструкционного и триботехнического назначения разработана низколегированная хромомолибденовая сталь.

Самым распространенным легирующим элементом является никель. Добавки никеля увеличивают прочность, пластичность и ударную вязкость изделий. Смешивание и диффузионное легирование порошков позволяет получать материалы плотностью на 0,25...0,4 г/см выше плотности сталей из распьшенных легированных порошков.

При спекании могут происходить как усадка, так и увеличение размеров изделий. Это явление используется для компенсации влияния легирующих добавок. Так, в системах Fe-Ni-Cu или Fe-P-Cu усадка, в связи с присутствием никеля или фосфора, компенсируется увеличением размеров за счет легирования медью.

При спекании по принятым в промышленности режимам близкими по гомогенности к литым сталям являются только изделия из предварительно отожженных порошков распьшенных сталей. Струтсгура сталей из распьшенных и частичнолегированных сплавов более однородная, чем у поликомпонентных. В изделиях из легированных сталей присутствуют поры в виде многочисленных мелких скоплений, тогда как детали, полученные из поликомпонентных смесей, имеют более крупные поры.

Порошковые нержавеющие стали применяются для изготовления конструкционных деталей или фильтров [8]. Конструкционные детали имеют достаточно высокие антикоррозионные и механические свойства. Однако наличие остаточной пористости несколько снижает их свойства по сравнению с литыми и деформированными сплавами. Для снижения пористости применяют, в основном, горячую обработку давлением и инфильтрацию.

Порошковые нержавеющие стали, полученные горячим прессованием в вакууме, с остаточной пористостью 1...3 %, имеют коррозионную стойкость в растворах солей и кислот выше, чем литые прокатанные стали того же состава.

При производстве фильтроэлементов из порошковых нержавеющих сталей применение различных видов горячей обработки давлением недопустимо, поэтому наиболее рациональным направлением улучшения свойств является использование специальных добавок, обеспечивающих регулирование спекания. Дальнейшее изменение пористости достигается деформацией.

По мере роста цен на мировом рынке на никель, хром, молибден возрастает интерес к производству деталей из нержавеющих сталей методами порошковой металлургии. Отмечается устойчивая тенденция к росту объемов производства порошков нержавеющих сталей в США.

Для автомобильной выхлопной системы разработаны порошковые нержавеющие стали. Детали из нержавеющей стали 409L обладают более высокой коррозионной стойкостью и лучшей термоустойчивостью по сравнению с деформированной 409L (механические свойства 409L и деформированной 409L приведены в табл. 4.9).

В одном ряду с нержавеющими сталями в промышленно развитых странах Запада по объему производства стоят быстрорежущие стали.

Судя по публикациям, значительно расширился круг исследований в этом направлении в 90-х годах. Быстрорежущие стали производят используя гидро- или изостатриеское прессование, инжекционное формование, усовершенствованные технологии холодного и горячего формования.

Перспективным направлением повышения свойств быстрорежущих сталей является введение в их состав карбидов, оксидов и других соединений, повышающих износостойкость. Основными объектами исследований в России являются быстрорежущие стали Р6М5К5, PI8, Р6М5, за рубежом - Т15 и М2. В Южной Корее разрабатывается процесс получения быстрорежущей стали из поликомпонентной смеси порошков и карбидов. Такой способ очень эффективен и безусловно составит конкуренцию традиционному, использующему легированные распыленные порошки.

Определенный интерес представляют работы по получению высокопрочных мартенситно-стареющих сталей методом порошковой металлургии. За рубежом эти стали, в основном, получают из распьшенных легированных порошков, применяя различные методы горячего формования. Это позволило значительно снизить ликвационную неоднородность сталей и, как следствие этого, повысить прочностные свойства, но характеристики вязкости разрушения порошковых сталей остались на уровне или несколько ниже, чем у сталей, полученных традиционными методами.

Таблица 4.9. Механические свойства порошковых сталей типа 409L и двух деформируемых ферритных сталей

Материал

409L

409L (0,8% никель)

409L (1,20% никель)

409L (1,60% никль)

409L деформ. отожж.

430 деформ. отожж.

Работы, проведенные в России и Белоруссии по получению мартенситно-стареющих сталей из нелегированных порошков, показали перспективность этой технологии. Использование чистых исходных материалов и отсутствие ликвационных процессов позволило повысить в порошковых мартенситно-стареющих сталях содержание основного упрочняющего элемента - титана - до 2...3 %. В результате был разработан новый класс инструментальных сталей, сочетающих высокую твердость и вязкость разрушения.

В последнее время повышенное внимание исследователей привлекают структурно-неоднородные материалы двух типов: гетерогенные бей-нитно-марте НС итные стали и трип-стали - относительно новый класс материалов [9]. К трип-сталям относят стали с высокими прочностью и пластичностью, реализуемыми за счет у-а-перехода при нагружении. Особенно важное свойство этих сталей - высокое сопротивление распространению трещин.

Предложен способ получения стали (со структурой, имеющей 85...97 % мартенсита), содержащей в порошковой смеси медь, графит, никель, молибден. После компактирования изделия спекают в бескислородной атмосфере в интервале температур 1130...1230°С и охлаждают в печи со скоростью 5...20 °С/мин. Таким образом, простыми технологическими приемами создается неоднородная мартенситно-бейнитная структура с улучшенными механическими свойствами.

В 90-е годы для никельмолибденовой и никельмолибденовомедцистой сталей разработана технология, обеспечивающая в процессе нагружения деформационное превращение богатого никелем аустенита в мартенсит. Высокопрочные материалы были получены при использовании порошков сталей и длительной цементации (920 °С, 25 ч). В результате предел прочности составил 1380...1920 МПа, а ударная вязкость -200...530кДж/м2.

Ведутся работы по созданию метастабильных аустенитных сталей (MAC) и в России. Так, порошковые стали ПК50Н4 (0,45...0,55 % С; 4% Ni) и ПК50Н6 (0,45...0,55 % С; 6 % Ni пористостью 4...6 %), получаемые из поликомпонентной шихты однократным прессованием при давлении 600 МПа и спеканием в водороде (Г= 1200°С) или в вакууме {Т= 1300 °С), после термообработки имели = 1150...1780 МПа, Al = 38...71 МПа-м/2 43...48 HRC. Высокие механические свойства порошковых MAC достигнуты благодаря деформационному аустенито-мартенситному превращению. Установлено, что дополнительная энергия, расходуемая на разрушение образцов с метастабильным аустенитом, определяется энергией фазового превращения и его объемной долей.

Существует несколько групп метастабильных триботехнических сталей. Это материалы на основе систем Fe-Mn-C и Fe-Ni-C с различным содержанием углерода и легирующих элемертгов (110Г13, Г12-Г20, ИЗО, 40Н25 и др.), хромомарганцевые стали (30X1ЗГ9, 80ГХ4 и др.), хромо-никелевые мартенситно-стареющие стали с низким содержанием углерода (типа 07Х15Н5Д2Т) и повышенной вязкостью, высокоуглеродистые экономнолегированные марганцевованадиевые и хромоникелевые стали

(110Н4ХЗ, 130Г6Ф2). Преимущества MAC по сравнению с мартенсит-ными сталями заключаются в том, что они имеют высокую абразивную износостойкость, повышенные значения трещиностойкости, ударной вязкости и предела выносливости и могут быть использованы в качестве материала для конструкций, работающих в условиях ударных нагрузок и в контакте с абразивсодержащими средами (горнодобывающие установки, нефте- и газопромысловое оборудование).

Большинство отечественных исследований MAC отражает проблемы влияния химического состава сталей и параметров термообработки на механические свойства. Многие зарубежные разработки посвящены эко-номнолегированным порошковым сталям с улучшенными износостойкостью и прочностью. Для их производства используют частичнолегированные порошки с высокой уплотняемостью, после традиционных операций порошковой металлургии следует химико-термическая обработка (цементация) и закалка. Однако разработчики не уделяют внимания изучению возможности фазового перехода при различных видах контактного взаимодействия, что имеет принципиальное практическое значение при внедрении рассматриваемых материалов. Вместе с тем уже в настоящее время созданы и внедрены в серийное производство низколегированные MAC триботехнического назначения, а композиционные материалы на основе этих сталей имеют еще в несколько раз большую износостойкость.

Идея создания концентрационно-неоднородных метастабильных аус-тенитных порошковых сталей основана на реализации заданного распределения легирующих добавок. Установлена возможность роста прочности (в процессе наведенного деформацией мартенситного перехода) в результате увеличения напряжений, достаточных для раскрытия характерных дефектов. При этом улучшение трещиностойкости обусловлено дополнительными энергетическими затратами, необходимыми для структурных превращений в поверхностных слоях зоны разрушения. Непосредственные измерения показали совпадение изменения термодинамического потенциала зоны разрушения и дополнительной энергии, расходуемой на разрушение образцов с метастабильным аустенитом.

Использование деформационного мартенситного превращения оказалось плодотворным при создании материалов, совмещающих высокую износостойкость и конструктивную прочность. Поведение таких сталей в конструкциях предсказуемо, посколысу с ростом доли упрочняющей фазы все свойства изменяются монотонно, тогда как у карбидосталей добавка 10% TiC примерно вдвое повышает износостойкость и уменьшает прочность и трещиностойкость.

Следует отметить, что основные пути улучшения качества порошковых сталей - повышение плотности за счет увеличения давления, кратное прессование с промежуточными отжигами, динамическое горячее прессование, теплое прессование, применение порошков с низким содержанием сопутствующих примесей и др. - во всех случаях приводят к увеличению стоимости изделий.

Упрочнение легированием с последующей термообработкой - наиболее эффективный метод улучшения свойств. Однако при этом возникает сложность выбора режима термической обработки из-за быстрого окисления и ускоренного распада пористого концентрационно-неоднородного аустенита. Применяемые в настоящее время высоколегированные порошковые стали, хотя и обеспечивают заданную структуру, широкого распространения не получили из-за высокой стоимости.

Перспективным направлением создания конструкционных порошковых сталей является использование структурной неоднородности. Для практической реализации представляют интерес три структуры: мартен-ситно-бейнитная, в которой увеличение конструкционной прочности может быть достигнуто за счет усложнения траектории движения трещины; аустенито-мартенситная, в которой повышение свойств сопряжено с реализацией трип-эффекта; структура сталей, повышение свойств прочности которых можно обеспечить через дисперсионное твердение и дисперсное упрочнение.

Для изготовления изделий, работающих в условиях повышенного износа, применяются порошковые карбидостали. Для получения карбидосталей методом порошковой металлургии чаще всего используют карбид титана со средней крупностью до 3 мкм, а в качестве матриц -легированные стали различного состава. Соотношение в карбидостали карбидной и стальной составляющих зависит от требований, предъявляемых к материалу (табл. 4.10) [10].

Для интенсификации спекания применяют введение карбонильных порошков, легирование фосфор- и борсодержащими соединениями, использование легковосстанавливающихся оксидов, механическое легирование поликомпонентной смеси, горячее изостатическое прессование, самораспространяющийся высокотемпературный синтез для композиций с высоким содержанием TiC.

В Научном центре порошкового материаловедения для повышения конструкционной прочности и износостойкости карбидосталей предложено в качестве связки использовать стали со структурой метастабиль-ного аустенита. Концентрационная неоднородность, характерная для