Области применения порошковых легированных сталей

Основную долю изделий, изготавливаемых в настоящее время в мире, представляют изделия на основе железа. Ежегодно во всем мире производится более 200 тыс. таких изделий, многие из которых отличаются сложной формой и крупными размерами. Ранее изделия из порошковых сталей характеризовались относительно низкими механическими свойствами, малыми размерами и простой формой. В связи с этим области их применения были ограничены. По мере развития порошковой технологии стало возможным изготавливать изделия, характеризующиеся более высокими значениями механических свойств, плотности, более сложной формы. В настоящее время порошковые легированные стали используются для изготовления кулачков и звездочек, деталей масляных насосов высокого давления, тормозов, замков, поршневых колец, роторов синхронных генераторов, храповиков, шестерен всех видов и многих других изделий для работы в условиях повышенных нагрузок.

Порошковые конструкционные изделия по величине действующих напряжений можно классифицировать на мало-, умеренно-, средне- и тяжелонагруженные.

К малонагруженным деталям относятся втулки, крышки, шайбы с пористостью до 15-16 %. Их получают однократным холодным прессованием при давлении 600-800 МПа с последующим спеканием при температуре 1150-1200 °С в водороде или другой защитной атмосфере. Для повышения точности размеров применяют калибрование. Для достижения герметичности изделия пропитывают металлическими или неметаллическими расплавами, а также наносят на детали защитные покрытия.

Умереннонагруженные детали с пористостью 10-15 % получают двукратным холодным прессованием при давлении 600-800 МПа и спеканием. Первое спекание проводят при 800-850 °С в течение 1 ч, окончательное - при 1150-1200 °С в течение двух часов. Точность размеров достигается либо калиброванием, либо механической обработкой. Для придания деталям необходимых физико-механических свойств их подвергают термической или химико-термической обработке.

Детали, предназначенные для работы в тяжелонагруженных условиях (например, шестерни, кулачки, рычаги, звездочки, фланцы и т. д.), получают двукратным спеканием, горячим прессованием, горячей или холодной штамповкой, пропиткой жидкими металлами предварительно сформованных прессовок. В случае необходимости применяется дополнительная обработка и доводка для достижения нужной точности размеров. Кроме того, в зависимости от условий эксплуатации детали подвергают термической, термомеханической или химикотермической обработке.

Главной задачей предприятий порошковой металлургии является освоение производства плотных деталей сложной формы. Это позволит расширить производство деталей высокой прочности и обладающих специальными физическими свойствами (коррозионной стойкостью, износостойкостью, магнитными, тепловыми и другими свойствами). Среди разнообразных методов получения высокоплотных порошковых деталей наибольшее распространение получил метод горячей штамповки (ГШ) пористых заготовок. Горячая штамповка позволяет получать детали, сочетающие в себе неплохие допуски в размерах, точное сохранение формы, хорошие механические свойства и значительную экономию по себестоимости.

Штамповка спеченных, заготовок за рубежом широко используется в области автомобилестроения. Изготовляются седла клапанов, детали шатуна, ступицы передних колес, шаровой шарнирной чаши, передней и задней муфты карданного вала, синхронизатора коробки передач, фланцы задней оси, детали стартера, различные шестерни, кулачки муфт сцепления и т.п. В настоящее время методом штамповки изготавливается более 80 изделий из порошков легированных сталей.

Больших успехов в применении штамповки спеченных заготовок добилась американская фирма "Федерал Могал". Стоимость изделий, получаемых фирмой этим способом, в год составляет более 20 млн. дол. Технология позволяет получать детали сложной конфигурации с минимальной плотностью 99,6 % и массой до 4,5 кг.

Этот метод изготовления плотных высокопрочных деталей имеет ряд преимуществ перед обычной ковкой литой стали. Структура получается более мелкозернистая, обеспечивается высокая однородность свойств изделий, значительно ниже затраты на механическую обработку детали, стойкость штампов повышается на 20-30 % за счет меньших усилий при пластической деформации пористого металла, достигается большая экономия сырья и материалов.

Внедрение горячей штамповки спеченных заготовок в промышленность осуществляется путем создания автоматических линий, на которых объединены все необходимые операции - от получения порошка до изготовления конечного изделия. Такие линии уже функционируют в США, Японии, Швеции и других странах и прогнозируется их более широкое внедрение в будущем.

В Новочеркасском политехническом институте разработана классификация схем формования при горячей допрессовке пористых порошковых заготовок в зависимости от конфигурации деталей, включающая пять групп и три подгруппы. Классификация позволяет правильно выбрать схему формования, обеспечивающую наиболее экономичный и простой способ изготовления детали с нужными свойствами.

Перспективными технологическими вариантами штамповки являются операции штамповки заготовок, полученных горячей экструзией порошка, а также горячая штамповка в вакууме. Применение метода экструзии с последующей штамповкой в США в промышленных масштабах для изготовления деталей газотурбинных двигателей позволяет снизить затраты на производство примерно на 12 %.

Значительный интерес во всех странах вызывает инжекционное формование металлических порошков. В настоящее время в США эта технология под наименованием "Уич" успешно применяется для производства деталей из никельсодержащей стали. Этот способ формования позволяет прессовать более тонкий порошок (с размером частиц до 5 мкм). Процесс "Уич" дает возможность получать детали сложной конфигурации и больших размеров.

Перспективным направлением в развитии порошковой металлургии является разработка новых инструментальных материалов на основе быстрорежущих сталей. Особенно большое внимание уделяется инструментальным материалам, содержащим карбиды титана, карбиды ниобия, смеси карбидов ниобия с карбидом тантала и др.

Быстрыми темпами развивается технология получения порошков легированной инструментальной стали. Исследования в этой области в различных, странах направлены на замену дорогостоящих никеля и молибдена другими легирующими элементами, в частности хромом и марганцем. Определенные успехи в этом направлении достигнуты шведской фирмой "Xeганес". Основные преимущества новых порошковых инструментальных материалов - это уменьшение размеров зерен, увеличение гомогенности, отсутствие сегрегации и т.п. Все это увеличивает срок службы инструмента и повышает его производительность.

Порошковые легированные стали используются также для изготовления нержавеющих материалов различного назначения. На основе порошков нержавеющих сталей разработаны антифрикционные материалы, применяемые для изготовления подшипников, работающих в газовых и жидких агрессивных средах в широком интервале температур (250-600 °С) при скоростях скольжения до 60-80 м/с.

Плотные нержавеющие материалы, изготовляемые горячей прокаткой, экструзией или ковкой пористых спеченных заготовок, обладают высокими механическими и антифрикционными характеристиками. В отличие от слитков такие порошковые заготовки не имеют дефектов кристаллизации, возникающих при переходе из жидкого состояния в твердое. Однако этот метод пока не нашел широкого применения из-за сложной технологии.