CS201952B1

CS201952B1 - Method of making the steel components with high mechanical properties by the processus of the powder metallurgy

Info

Publication number: CS201952B1
Application number: CS191779A
Authority: CS
Inventors: Andrej Salak; Rudolf Simora; Stanislav Hlisnikovsky
Original assignee: Andrej Salak; Rudolf Simora; Stanislav Hlisnikovsky
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1979-03-23
Publication date: 1980-12-31

Description

(54) Sposob výroby ocelových súčiastok s vysokými mechanickými vlastnosťami postupmi práškové] metalurgie(54) Production method for steel components with high mechanical properties by powder metallurgy processes

Vynález sa týká spósobu výroby ocelových súčiastok s vysokými mechanickými vlastnosťami, najmá s vysokou odolnosťou voči opotrebeniu a s vysokou húževnatosťou, ktoré sa dosiahnu bez dodatočného zušlachťovania postupmi práškovej metalurgie. Takéto súčiastky sa možu s výhodou použiť aj pre podmienky dynamického namáhania aj pre podmienky klzného trenia.The invention relates to a process for the production of steel parts with high mechanical properties, in particular with high wear resistance and high toughness, which are achieved without additional refinement by powder metallurgy processes. Such components can advantageously be used for both dynamic loading conditions and sliding friction conditions.

V práškovej metalurgii sú známe spósoby výroby spekaných ocelových súčiastok s vysokými mechanickými vlastnosťami, pri ktorých sa vyžaduje popřípadě aj vysoká odolnosť voči opotrebeniu alebo aj vysoké húževnatostné vlastnosti. V případe húževnatostných vlastností třeba uviesť, že tu ide vždy iba o porovnávané hodnoty jednotlivých vlastností pri spekaných pórovitých materiáloch, pretože tieto sú vždy nižšie ako pri kompaktných materiáloch. Podstatou doterajších postupov je, že pre výrobu spomínaných ocelových súčiastok sa používajú prevažne práškové zmesi, ktoré okrem železa obsahujú obvykle vyššie obsahy médi, niklu, alebo ich kombinácie, ďalej chróm, vanád a popřípadě aj molybdén okrem zriedkavo používaných íných legúr. Súčasťou takýchto práškových zmesí je aj uhlík, ktorý sa přidává buď vo formě grafitu, sadzí alebo vo viazanej formě ako karbidy. Mangán pre spomínané účely sa přidává vždy v spojení napr. s niklom a chrómom, alebo v spojení s méďou a bórom, alebo s niklom a molybdénom, alebo v spojení s chrómom a molybdénom alebo s vanádom a molybdénom. Z hladiska húževnatostných vlastností, charakterizovaných prevažne hodnotami dynamickej a vrubovej húževnatosti, za najvýhodnejšie sa považujú ocele legované niklom a molybdénom alebo mangánom, chrómom a molybdénom s příslušným obsahom uhlíka. Takéto práškové zmesi po dókladnom premiešaní s přídavkem malzadla sa lisujú v uzavretých zápustkách na tvarové súčiastky najčastejšie tlakom 600 MPa. Pri lisovaní nižšími tlakmi sa neočakáva dosiahnutie potřebných vysokých vlastností. Spekanie súčiastok z práškových zmesí, obsahujúcich najmá mangán v akejkofvek formě, sa doporučuje vždy robiť pri teplote aspoň 1200 °C a vyššej'. Pri oceliach s prídavkami médi, niklu a molybdénu sa používá aj spekanie pri teplote 1120 °C. Pre zníženie pórovitosti a tým pre zvýšenie mechanických a najmá húževnatostných vlastností, spekané súčiastky sa podrobia dynamickému zhutňovaniu za tepla, prevažne kováním v uzavretých zápustkách. Pre zvýšenie odolnosti voči opotrebeniu takéto súčiastky obsahujúce potřebný vyšší obsah uhlíka, sa vždy zušlachťujú, a to kalením a popúšťa201952 ním alebo cementováním v spojení s následujícím tepelným spracovaním.In powder metallurgy processes for the production of sintered steel components with high mechanical properties are known, whereby possibly high wear resistance or even high toughness properties are required. In the case of toughness properties, it should be noted that these are always only the values of the individual properties compared for sintered porous materials, since these are always lower than for compact materials. [0004] The essence of the prior art is that for the production of said steel components, mainly powder mixtures are used which, in addition to iron, usually contain higher contents of media, nickel or combinations thereof, chromium, vanadium and possibly molybdenum in addition to rarely used other alloys. Such powder mixtures also include carbon, which is added either in the form of graphite, carbon black or in bonded form as carbides. Manganese for the mentioned purposes is always added in conjunction with e.g. with nickel and chromium, or in conjunction with copper and boron, or nickel and molybdenum, or in conjunction with chromium and molybdenum, or with vanadium and molybdenum. In terms of toughness characteristics, characterized mainly by dynamic and notch toughness values, nickel and molybdenum or manganese, chromium and molybdenum steels with the appropriate carbon content are most preferred. Such powder mixtures, after thorough mixing with the addition of maltant, are compressed in closed dies to form parts, most often at a pressure of 600 MPa. The low pressures required are not expected to achieve the required high properties. Sintering of powdered blend components containing at least manganese in any form is recommended to be done at a temperature of at least 1200 ° C and above. For steels with media, nickel and molybdenum additions, sintering at 1120 ° C is also used. To reduce porosity and thereby increase mechanical and ultimate toughness properties, the sintered parts are subjected to dynamic hot compaction, predominantly forging in closed dies. To increase the wear resistance of such components containing the necessary higher carbon content, they are always quenched by quenching and tempering by cementing or cementing in conjunction with subsequent heat treatment.

Nevýhodou doterajších spósobov je, že pre přípravu ocelí s potřebnými vysokými mechanickými a inými vlastnosťami používajú v prevažnej, miere legovanie poměrně drahými a deficitnými prvkami, ako je najmá med’ a nikel, pričom tieto prvky sa pridávajú niekedy v množstvách i 7 % hmotnostných a ojedinele i vyššie. Mangán v konkrétných pripadoch sa přidává prevažne v menších množstvách, a to vždy v spojení s niektorým ďalším prvkom. Ďalšou nevýhodou je, že spekanie sa robí pri poměrně vysokých teplotách, čo zvyšuje výrobné náklady a nároky na technické vybavenie. Za ďalšiu nevýhodu možno považovat, že vo všetkých pripadoch, kde sú súčiastky v prevádzke podrobené treniu pri zvýšených tlakoch, pre zvýšenie odolnosti voči opotrebovaniu takéto súčiastky sa vždy chemicho-tepelne alebo tepelne spracovávajú, čo sú opáť dodatočné operácie zvyšujúce výrobné náklady. Přitom pri takomto tepelnom spracovaní nastávajú často změny rozmerov súčiastky, preto tieto sa lisuj ú s váčšími prí dávkám i pre dodatočné brúsenie. Nevýhodou doterajšieho spósobu tiež je, že pire požadované poměrně přesné dodržanie obsahu uhlíka v materiáli súčiastky, je nevyhnutné používat buď spekacie atmosféry s kontrolovaným uhlíkovým potenciálom alebo vhodné zásypy pre zabránenie oduhličeniu.The disadvantage of the prior art is that for the preparation of steels with the necessary high mechanical and other properties, they use mostly expensive and deficient elements, such as copper and nickel, for the most part, alloying, which are sometimes added in amounts of up to 7% by weight and sporadically. and above. Manganese in particular cases is mainly added in smaller amounts, always in conjunction with some other element. Another disadvantage is that sintering is carried out at relatively high temperatures, which increases production costs and equipment requirements. It is a further disadvantage that in all cases where the components are subjected to friction at elevated pressures in order to increase the wear resistance of such components, they are always chemically-thermally or thermally treated, which in turn is an additional operation increasing production costs. In such a heat treatment, there is often a change in the dimensions of the component, which is why they are compressed with higher loads even for additional grinding. A disadvantage of the prior art is also that the pire required for relatively accurate adherence to the carbon content of the component material, it is necessary to use either a sintering atmosphere with controlled carbon potential or suitable backfills to prevent decarburization.

Vyššie uvedené nevýhody nemá spósob výroby ocelových súčiastok s vysokými mechanickými vlastnosťami postupmi práškovej metalurgie, najmá s vysokou húževnatosťou a s vysokou odolnosťou voči opotrebeniu dosahovanú bez dodatočného zušfachťovania, ktorého podstatou je, že východisková prášková zmes, obsahujúca okrem železa 1,5 až 5 % mangánu, 0,2 až 1 % molybdénu a 0,1 až 0,8 % hmotnostných uhlíka, sa lisuje na tvarové súčiastky, ktoré sa potom spekajú v plynnej atmosféře, zo spekacej teploty sa ochladzujú a potom sa podrobia deformácii za studená.The above-mentioned disadvantages do not have the method of manufacturing steel parts with high mechanical properties by powder metallurgy processes, in particular with high toughness and high wear resistance achieved without additional refinement, which is based on the fact that the starting powder mixture containing 1.5 to 5% manganese in addition to iron, 0.2 to 1% molybdenum and 0.1 to 0.8% by weight of carbon are compressed to form parts which are then sintered in a gas atmosphere, cooled from the sintering temperature and then subjected to cold deformation.

V zaujme optimálneho využitia všetkých frakqií, pri sposobe podfa vynálezu s výhodou sa použije práškové železo s vefkosťou častíc menšou ako 0,20 mm. Mangán k práškovému železu sa přidá v práškovej formě s výhodou ako elementárny kovový mangán, alebo ako zliatina železo-mangán alebo železo -mangán-uhlík. Podobné molybdén sa přidá v práškovej formě ako elementárny kovový molybdén alebo ako zliatina železo-molybdén. Potřebné vlastnosti tvarových lisovaných súčiastok sa zaistia spekaním pri nižších teplotách, a to v rozsahu s výhodou 1050 až 1200 °C po dobu neprevyšujúcu 3 h v plynnej redukčnej atmosféře obsahujúcej najmenej 2 % objemové vodíka. Spekané výlisky pre dosiahnutie potrebnej štruktúry materiálu sa ochladzujú iba pomaly zo spekacej pece rýchlosťou s výhodou nižšou ako 2 °C.s^_1, alebo sa ochladzujú priamo zo spekacej alebo z primerane nižšej teploty na vzduchu bez nutnosti ďalšieho ohřevu. V záujme zvýšenia přesnosti rozmerov súčiastok pre vylúčenie dodatečných operách trieskového opracovania alebo brúsením, dosiahnutá zmesná štruktúra materiálu umožňuje podrobiť súčiastky deformácii za studená s redukciou nepřevyšuj úcou 10 %, s výhodou přetlačováním.For optimum utilization of all fractions, in the process according to the invention it is advantageous to use powdered iron with a particle size of less than 0.20 mm. Manganese to the iron powder is added in powder form preferably as an elemental metallic manganese or as an iron-manganese alloy or iron-manganese-carbon. Similar molybdenum is added in powder form as elemental molybdenum metal or as an iron-molybdenum alloy. The necessary properties of the molded parts are ensured by sintering at lower temperatures, preferably in the range of 1050 to 1200 ° C for a period not exceeding 3 h in a gaseous reducing atmosphere containing at least 2% by volume of hydrogen. Sintered molded parts to achieve the desired structure of the material is cooled only slowly from the sintering furnace at a rate of preferably less than 2 ° C ^_1, and are cooled directly by sintering, or the appropriate lower temperature in air without any additional heating. In order to increase the accuracy of the dimensions of the components for the elimination of additional abrasion or grinding operations, the obtained mixed material structure allows the components to be subjected to cold deformation with a reduction of not more than 10%, preferably by extrusion.

Pri riešení podfa vynálezu je nielen zachovaný základný postup práškovej metalurgie, a to lisovanie a spekanie, ale požadované vysoké vlastnosti sa dosahujú použitím vhodného zloženia práškovej ocele iba kombináciou obsahu mangánu, molybdénu a uhlíka. Spekaním tvarových súčiastok lisovaných z takejto práškovej zmesi už pri nižších teplotách sa vytvoří zmesná feriticko-bainiticko-martenzitická štruktúra, pričom podiel jednotlivých štruktúrných zložiek je odvislý od uvedených fyzikálnych a technologických parametrov, ktorá zaisťuje dosiahnutie vysokých húževnatostných vlastností v poměrně širokom rozsahu obsahov uhlíka a pórovitosti výliskov. Přitom táto zmesná štruktúra vykazuje v spekanom stave bez dodatečného zušfachťovania aj vysokú odolnosť vůči opotrebovaniu třením, ktorá je podru ienená aj dostatečné vysokou tvrdosťou súčiastok v spekanom stave. Tieto materiály majú zníženú citlivost na určité rozdiely v obsahu uhlíka, preto, je možné ich úspěšně spekať v plynnej redukčnej atmosére bez presnej kontroly uhlíkového potenciálu. Tým dochádza k miernemu oduhličeniu povrchu súčiastok, čo umožňuje nasledujúcu deformáciu za studená přetlačováním, pri ktorej dojde nielen k spresneniu rozmerov súčiastky, ale aj k dodatečnému deformačnému spevneniu ovplyvnenej vrstvy. V pripadooh, kde sa vyžaduje z funkčných dóvodov nižšia pórovitost, než akú je možné ekonomicky dosiahnuť obvykle lisováním a spekaním, je možné ich taktiež zhutňovať za tepla, s výhodou kováním.The present invention not only maintains the basic process of powder metallurgy, namely pressing and sintering, but the desired high properties are achieved by using a suitable powder steel composition only by combining manganese, molybdenum and carbon contents. By sintering the molded parts from such a powder mixture even at lower temperatures, a mixed ferritic-bainitic-martensitic structure is formed, the proportion of the individual structural components being dependent on said physical and technological parameters, which ensures high toughness properties over a relatively wide range of carbon and porosity pressings. In the sintered state without additional refinement, this mixed structure also exhibits a high frictional wear resistance, which is also supported by a sufficiently high hardness of the components in the sintered state. These materials have reduced sensitivity to certain differences in carbon content, therefore, they can be successfully sintered in a gas reducing atmosphere without precise control of the carbon potential. This results in a slight decarburization of the surface of the components, which enables subsequent cold deformation by extrusion, which not only makes the dimensions of the component more precise but also additionally deforms the reinforced layer. In those cases where, for functional reasons, a lower porosity is required than can be economically achieved by compression and sintering, they can also be compacted by heat, preferably by forging.

Příklad 1Example 1

K mechanickému práškovému železu v žíhanom stave s vefkosťou častíc menšou ako 0,16 mm sa přidá mangán v množstve 3,5 % hmotnostných vo formě práškovej zliatiny železo-mangán, ktorá obsahuje aj 7,5 % hmotnostných uhlíka, 0,5% molybdénu vo formě práškovej zliatiny železo-molybdén, uhlík vo formě grafitů do celkového jeho obsahu 0,6 % hmotnostných a 1 % stearanu zinočnatého ako mazadlo. Z tejto práškovej zmesi po dókladnom premiešaní sa vylisujú tlakom 589 MPa tvarové súčiastky, trhacie tyčky, ktoré sa spekajú pri teplote 1120 °C po dobu 3 h v atmosféře štiepeného čpavku s obsahom vodíka 75 % objemových. Súčiastky zo spekacej teploty sa ochladzujú v peci rýchlosťou lasi 0,5 °C. s'¹. Po tomto spracovaní jednoduchým lisováním a spekaním trhacie tyčky dosiahli medzu pevnosti 625 MPa, tvrdost 182 HV10, dynamickú húževnatosť zistenú na tyčkách bez vrubu 25,6 J. cm'²pri hustotě 6,91 g. cm'³,To the mechanical iron powder in the annealed state with a particle size of less than 0.16 mm, manganese is added in an amount of 3.5% by weight in the form of a powdered iron-manganese alloy, which also contains 7.5% by weight carbon, 0.5% molybdenum in in the form of a powdered iron-molybdenum alloy, carbon in the form of graphites up to a total content of 0.6% by weight and 1% of zinc stearate as a lubricant. Molded parts, tear rods, which are sintered at 1120 ° C for 3 h in a cleaved ammonia atmosphere containing 75% by volume of hydrogen are pressed from this powder mixture after thorough mixing at 589 MPa. The sintering components are cooled in the furnace at a rate of 0.5 ° C. s' ¹ . After this treatment, by simply pressing and sintering the tear rod, they reached a breaking strength of 625 MPa, a hardness of 182 HV10, a dynamic toughness found on notch bars of 25.6 J. cm @ ² at a density of 6.91 g. cm ' ³ ,

Příklad 2Example 2

Z práškovej zmesi ako v příklade 1 bez přídavku grafiju sa vylisujú v uzavretých zápustkách tlakom 589 MPa tvarové súčiastky, ozubené kolesá s-hmotnosťou 125 g, ktoré sa potom spekajú pri teplote 1120°C po dobu 3 h v štiepenom čpavku a z tejto teploty sa ochladzujú v peci rýchlosťou asi 0,5 °C . s^_i. Po tomto spracovaní mali ozubené kolesá hustotu 6,96 g . cm'^{1 2 3 4} a pevnost v ohybe stanovená na tyčkách vyrobených zo zubov ozubeného kolesa 920 MPa. Tieto ozubené kolesá bez dodatočného zušlachtovania po opracovaní na požadované presnejšie rozměrové tolerancie, bolí nasadené v olejovom čerpadle ako hnacie a hnané koleso pri pulzujúcom tlaku 0,2 až 3,5 MPa po dobu 5000 h. Po tomto dynamickom zatažení za podmienok trenia, vnútorný otvor ozubeného kolesa sa zváčšil v rozsahu 0 až 0,01 % a výška ozubeného kolesa pri tření o steny telesa čerpadla sa zmenšila menej ako o 0,001 %. Tieto údaje svedčia o vysokých húževnatostných vlastnostiach i o vysokej odolnosti voči opotrebeniu súčiastok vyrobených postupom podlá vynálezu.From the powder mixture as in Example 1 without the addition of graphite, molded parts, 125 g gears are pressed in closed dies at a pressure of 589 MPa, which are then sintered at 1120 ° C for 3 h in split ammonia and cooled at this temperature. at a rate of about 0.5 ° C. s ^_i . After this treatment, the gears had a density of 6.96 g. cm &^lt; ^{-1 >} and the flexural strength determined on rods made of gear teeth 920 MPa. These gears, without additional refinement after machining to the required more precise dimensional tolerances, are used in the oil pump as a driving and driven wheel at a pulsating pressure of 0.2 to 3.5 MPa for 5000 h. After this dynamic load under friction conditions, the inner bore of the gear increased in the range of 0 to 0.01% and the height of the gear when friction against the pump body walls decreased by less than 0.001%. These data show high toughness properties as well as high wear resistance of the parts produced by the process according to the invention.

Sposob podía vynálezu má okrem technických aj ekonomické výhody, ktoré sa dosahujú úsporným legováním, spekaním pri nižších teplotách, vylúčením nutnosti používania kontrolovaných spekacích atmosfér a tiež tým, že v značnom rozsahu prípadov aplikácií sa vystačí s vlastnostami súčiastok dosiahnutých iba jednoduchým lisováním a spekaním. Sposob podía vynálezu je možné úspěšně využiť v práškovej metalurgii pre výrobu spekaných ocelových súčiastok, pri ktorých sa vyžadujú jednak vysoké mechanické vlastnosti, jednak vysoké napr. aj húževnaté vlastnosti, jednak výhodné trecie vlastnosti s vysokou odolnosťou voči opotrebeniu, ako napr. ozubené kolesá, trecie prvky alebo ináč mechanicky namáhané súčiastky.The process according to the invention has, besides technical, economic advantages, which are achieved by economical alloying, sintering at lower temperatures, eliminating the need to use controlled sintering atmospheres, and also by requiring a considerable range of applications to achieve the properties of components achieved simply by squeezing and sintering. The process according to the invention can be successfully used in powder metallurgy for the production of sintered steel components, where both high mechanical properties and high e.g. also tough properties, on the other hand advantageous friction properties with high wear resistance, such as e.g. gears, friction elements or other mechanically stressed components.

PREDMET VYNALEZUOBJECT OF THE INVENTION

Claims

Example 2 From the powder mixture as in Example 1, without the addition of graphite, molded parts, gear wheels with a weight of 125 g, which are sapped at 1120 ° C for 3 hours in cleaved ammonia and from this the temperatures are cooled in an oven with a rate of about 0.5 ° C. After this treatment, the small gearwheel density is 6.96 g. cm < -1 > and bending strength determined on rods made of toothed teeth 920 MPa. These gear wheels without additional refinement after processing to the required more precise dimensional tolerances, have been driven in the oil pump drive and driven wheels at a pulsating pressure of 0.2 to 3.5 MPa for 5000 h. the gear wheel has increased in the range of 0 to 0.01%, and the height of the toothed wheel has been reduced by less than 0.001% when rubbing against the pump body walls. These data indicate high toughness properties as well as high resistance to wear and tear by the inventive method. The method according to the invention has, in addition to technical advantages, economical advantages which are achieved by economical alloying, sintering at lower temperatures, avoiding the use of controlled sintering atmospheres, and also that, to a large extent, the application of the properties achieved by simple pressing only suffices. The method according to the invention can be successfully used in powder metallurgy for the production of sintered steel components in which they require high mechanical properties as well as high e.g. high wear resistance, such as toothed wheels, friction elements or otherwise mechanically stressed components. SUBJECT MATTER

CLAIMS 1. A method for producing steel components with high mechanical properties of powder metallurgy processes, in particular high toughness and high wear resistance, achieved without additional refinement, characterized in that the powder powder mixture contains 1.5 to 5 iron. % of manganese, 0.2 to 1% of molybdenum and 0.1 to 0.8% by weight of carbon, are pressed into shaped parts which are then sintered in a gaseous atmosphere, cooled from the sintering temperature and then undergo cold deformation.

2. Process according to claim 1, characterized in that iron powder having a particle size of less than 0.20 mm is used.

3. A method according to claim 1, wherein the manganese is added in powder form, preferably as a metallic elemental manganese or as an iron-manganese alloy or a manganese-carbon-carbon alloy.

4. A process according to claim 1, wherein the molybdenum is added in powder form preferably as a metallic elemental molybdenum or as an iron-molybdenum alloy.

5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the molded parts are molded at a temperature of 1050 to 1200 ° C for up to 3 hours.

6. A process according to claim 1, wherein the sintering is carried out in a gaseous reducing atmosphere containing hydrogen at a rate of up to 2% by volume.

7. Method according to claim 1, characterized in that the components are cooled from the sintering temperature, preferably with less than 2 QC. s-i.

8. Method according to claim 1, characterized in that the components are cooled from the sintering temperature or from a lower air temperature.

9. Method according to claim 1, characterized in that the sintered components are subjected to cold deformation usually not exceeding 10%, preferably by extrusion.