PL200915B1

PL200915B1 - Sposób wytwarzania wyrobu spiekanego na bazie żelaza zawierającego miedź

Info

Publication number: PL200915B1
Application number: PL362787A
Authority: PL
Inventors: Paritosh Maulik
Original assignee: Federal Mogul Sintered Prod
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2009-02-27
Also published as: GB2386908A; KR20030070116A; DE60203893D1; DE60203893T2; CN1488006A; EP1370704A1; CN1314824C; RU2003125845A; PL362787A1; ES2237669T3; JP2004520486A; WO2002059388A1; ATE294255T1; GB2386908B; EP1370704B1; BR0206677A; RU2280706C2; US20040112173A1; GB0315414D0

Abstract

Opisano sposób wytwarzania wyrobu spieka- nego na bazie zelaza zawieraj acego mied z, obejmuj acy wytwarzanie mieszanki proszku po- siadaj acej zadany sk lad, prasowanie wspomnia- nej mieszanki proszku dla uzyskania wypraski wytwarzanego wyrobu oraz spiekanie wspomnia- nej wypraski dla wytworzenia wyrobu. Wed lug sposobu wytwarza si e mieszank e proszku zawie- raj ac a mied z w zakresie od 12% do 26% wago- wych oraz proszek stali stopowej zawieraj acy materia l sprzyjaj acy powstawaniu martenzytu, przy czym przynajmniej cz esc ca lkowitej zawarto- sci zelaza i miedzi dodaje si e do mieszanki w postaci zawieraj acego mied z materia lu prosz- kowego wybranego z grupy obejmuj acej proszek zelaza i miedzi zwi azanych dyfuzyjnie i proszku stopu zelaza z miedzi a, a podczas spiekania wy- twarza si e wyrób, w którym osnowa zelaza ma struktur e martenzytyczn a. PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wyrobu spiekanego na bazie żelaza zawierającego miedź.

Metalurgia proszków umożliwia projektowanie materiałów metalowych, co nie jest możliwe do wykonania w tradycyjnych procesach odlewania i przeróbki metalowych wlewków. W metalurgii proszków znane jest nasycanie spiekanych wyrobów żelaznych metalami posiadającymi niższe temperatury topnienia, jak np. ołów i miedź. Ołów stosuje się dla poprawy skrawalności spiekanych materiałów żelaznych, natomiast miedź pozwala uzyskać ten sam efekt i dodatkowo inne pożądane właściwości nadawane spiekanemu materiałowi. Ołów jest w niniejszym czasie unikany z powodu szkodliwych właściwości środowiskowych. Miedź poprawia skrawalność i przewodność cieplną spiekanego wyrobu.

Wyroby nasycone miedzią znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, przykładowo dla takich części jak wkładki gniazd zaworowych w głowicach cylindrów silników spalinowych. Tego rodzaju wyroby pracują w bardzo ciężkich warunkach obejmujących powtarzalne obciążenia udarowe, marginalne smarowanie, podwyższone temperatury pracy oraz oddziaływanie gorących gazów korozyjnych. Właściwości, które zapewniają sprostanie takim warunkom, uzyskuje się poprzez odpowiednie zaprojektowanie materiału na osnowie żelaza. Tego rodzaju osnowy żelaza są często materiałami wysokostopowymi, co niekorzystnie wpływa na skrawalność. Skrawalność jest istotna dla wykonawcy silników spalinowych w kontekście produkcyjnym, ponieważ wpływa na wydajność. Nasycanie miedzią poprawia skrawalność, natomiast sama miedź daje wzrost przewodności cieplnej, co sprzyja obniżeniu temperatur roboczych i pomaga zachować właściwości mechaniczne.

W procesie nasycania układa się w stos wypraski ze stopu miedzi w styku ze składnikiem żelaznym i przeprowadza się zespół stosu dwóch części poprzez piec do spiekania w temperaturze spiekania około 1100°C w atmosferze gazów redukujących, co powoduje spiekanie i nasycanie równocześnie. Podczas spiekania wypraska ze stopu miedzi topi się i ciekły stop przesiąka oraz wypełnia pory żelaznego składnika pod wpływem oddziaływania kapilarnego. W ten sposób można wypełnić tylko pory wzajemnie połączone, a pory izolowane lub w inny sposób niepołączone pory nie mogą być wypełnione. Skład wypraski ze stopu miedzi dobiera się kompatybilnie z materiałem żelaznym, z możliwym maksymalnym uniknięciem niepożądanych reakcji lub erozji. Ciężar wypraski ze stopu miedzi dobiera się w taki sposób, aby wypełnić większość porów, jednakże jak podano powyżej, w nieunikniony sposób występuje pewna porowatość szczątkowa.

W odmianie powyższych procesów wypraskę ze stopu miedzi układa się w stos z wypraską z żelaza i oba te elementy przeprowadza się poprzez piec do spiekania w celu nasycenia.

Proces infiltracji jest kosztowny, co wynika z wprowadzenia dodatkowych operacji procesowych. W procesie tym wymagane są następujące dodatkowe operacje: wykonanie oddzielnej mieszanki proszku stopowego miedzi, prasowanie odpowiednich wyprasek o odpowiednim ciężarze z tej mieszanki proszku, układanie w stos wyprasek z wyrobami żelaznymi przed przeprowadzeniem przez piec do spiekania i bębnowanie spiekanych oraz nasycanych wyrobów po ochłodzeniu w celu usunięcia proszkowego nalotu, który w nieunikniony sposób powstaje na wyrobach podczas spiekania. W tradycyjnych wyrobach żelaznych nasycanych miedzią poziom zawartości miedzi generalnie leży w zakresie od 15 do 25% wagowych. W wyrobach nienasycanych do wstępnie sprasowanej mieszanki proszku zwykle dodaje się około 5% wagowych proszku miedzi. Takie stosunkowo małe dodatki miedzi do nienasyconych wyrobów żelaznych wspomagają operację spiekania dzięki obecności ciekłej fazy miedzi.

Próbowano wprowadzać ilości miedzi stosowane w procesie nasycania za pomocą dodatku w postaci odpowiedniej ilości czystej miedzi do wyjściowych mieszanek proszkowych przed prasowaniem i spiekaniem. Jednakże wskutek zróżnicowania na przykład wielkości ziaren proszku, gęstości proszku i morfologii ziaren występowała segregacja proszku miedzi podczas przenoszenia mieszanek proszku. Tego rodzaju segregacja proszku powoduje nieakceptowalne zmiany w wytwarzanych wyrobach.

Gdy występują tylko małe ilości proszku czystej miedzi, na przykład około 5% wagowych wspomnianych powyżej, segregacja ma miejsce w dalszym ciągu, lecz jej skutek w wytwarzanych wyrobach jest minimalny i nie powoduje poważnych problemów.

Takie wyroby jak wkładki gniazd zaworowych do silników spalinowych pracujące w skrajnie trudnych warunkach środowiskowych wykonywano całkowicie z proszku wysokostopowych stali, jak na przykład proszek stalowy typu M3/2. Ten proszek stali szybkotnącej zawiera stosunkowo duże ilości chromu, wolframu, molibdenu, wanadu i tak dalej. Chociaż części wykonywane z tych materiałów wykazują bardzo dobre właściwości i dużą trwałość roboczą, są z reguły kosztowne pod wzglęPL 200 915 B1 dem wytwarzania i obróbki. Są kosztowne w wykonaniu po pierwsze ze względu na wysoki koszt związanego materiału i po drugie kosztowne w obróbce ze względu na małą skrawalność składników zawierających znaczne ilości twardych węglików i ich mikrostrukturę. W nieustannym dążeniu do zmniejszenia ceny powstały opracowania mające na celu zmniejszenie kosztu materiału poprzez dodanie stosunkowo dużych ilości zasadniczo czystego proszku żelaza do mieszanek proszku i w konsekwencji zmniejszenie kosztu poprzez wytwarzanie uzyskiwanych materiałów spiekanych łatwiejszych w obróbce, dzięki zmniejszeniu ilości twardych faz i dodanie faz poprawiających skrawalność, jak na przykład miedź lub fazy sprzyjające łamaniu wióra.

Wadą pod względem właściwości i trwałości użytkowej takich nowych materiałów, jak przykładowo podano w GB-A-2188062, jest zachowanie w rdzeniach ziaren żelaza, utworzonych przez spiekanie razem z prasowanymi cząstkami proszku żelaza w mieszance proszku, miękkiej fazy ferrytycznej wywierającej szkodliwy wpływ na zużycie i ich właściwości wytrzymałościowe. Takie materiały mogą początkowo zawierać mieszanki około 50% wysoko stopowego materiału, przykładowo proszku stalowego typu M3/2, i około 50% proszku czystego żelaza z niewielkimi dodatkami węgla, wosków smarujących narzędzia do prasowania itp. Nawet przy pełnym spiekaniu ziarna żelaza zawierają ferrytyczne rdzenie z niewielką tylko dyfuzją chromu z obszarów proszku stalowego typu M3/2 do obszarów powierzchniowych ziaren żelaza, gdzie po spiekaniu może powstawać martenzyt. Taka struktura także występuje, jeśli materiał jest nasycony lub gdy do mieszanki proszku dodano do około 5% wagowych czystej miedzi.

Znany jest sposób wytwarzania wyrobów z materiałów żelaznych obejmujących mieszanki proszków stali stopowej i niskostopowego żelaza bądź proszku zasadniczo czystego żelaza. Znane jest zastosowanie takich mieszanek z dodatkami przykładowo proszku węgla, i przetwarzanie ich poprzez prasowanie i spiekanie oraz obróbkę cieplną po spiekaniu do postaci takich wyrobów, jak na przykład wkładki gniazd zaworowych do silników spalinowych. Takie znane materiały można nasycać, lub nie, stopem miedzi zgodnie z jednym z tradycyjnych sposobów opisanych powyżej. Tego rodzaju materiały i sposoby wytwarzania z nich produktów są opisane w GB-A-2 188 062 i EP-A- 312 161. Materiały te mogą zawierać przykładowo około 50% wagowych proszku wysokostopowej stali i około 50% wagowych proszku zasadniczo czystego żelaza. Proszek stopowej stali zawiera zazwyczaj chrom, który podczas warunków spiekania w temperaturze około 1100°C wykazuje się największą mobilnością atomów, oprócz węgla, w odniesieniu do szybkości dyfuzji tych pierwiastków stopowych, które sprzyjają powstawaniu martenzytu podczas chłodzenia wyrobu po spiekaniu. Najbardziej mobilne są atomy węgla przemieszczające się do międzywęzłowych miejsc struktury krystalicznej atomów żelaza. Ponieważ wielkość i ciężar atomu chromu są podobne jak żelaza, zastępują one atomy żelaza i w konsekwencji posiadają podobną mobilność jak atomy żelaza w warunkach spiekania. Obecność chromu sprzyja powstawaniu martenzytu w tych regionach spiekanego materiału, w które dyfundują, a martenzyt powstaje podczas ochładzania materiału po zakończeniu cyklu spiekania. Spiekanie takich wyrobów często odbywa się w piecach zawierających zespoły do ruchu ciągłego, jak na przykład taśma lub mechanizm belki kroczącej, służące do transportu wyrobów poprzez piec, zwykle podpartych na przykład w łódkach. Generalnie, pierwsza część pieca podwyższa temperaturę wyrobów do temperatury spiekania; druga część utrzymuje wyroby w temperaturze spiekania; a trzecia część umożliwia chłodzenie wyrobów z temperatury spiekania do temperatury, w której nie nastąpi wyraźne utlenienie wyrobów na wyjściu z pieca do spiekania. Wyroby generalnie spieka się w atmosferze gazu ochronnego ciągle przepływającego przez piec, mającego na celu dostarczenie atmosfery obojętnej lub redukującej oraz powstrzymanie dopływu powietrza (tlen) do pieca. Stosuje się atmosferę ochronną zasadniczo pod ciśnieniem otoczenia, jedynie z nieznacznym nadciśnieniem wewnątrz pieca dla zapobieżenia przedostawaniu się powietrza do wewnątrz. Gdy materiał spiekany zawiera znaczną ilość proszku żelaza w mieszance wyjściowej, często ziarna żelaza powstające w spiekaniu sprasowanych cząstek proszku mają mikrostrukturę w zakresie od ferrytu do perlitu i mieszaninę dwóch faz, zależnie od zawartości węgla, w rdzeniu regionów bogatych w żelazo dla stali innej niż narzędziowa. Zewnętrzny obszar ziaren żelaza generalnie zawiera martenzyt spowodowany obecnością chromu, który dyfundował podczas spiekania, lecz rdzeń pozostaje zasadniczo ferrytyczny lub perlityczny bądź tworzy mieszaninę ferrytu i perlitu w zależności od poziomu dodanego węgla.

W stanie po spiekaniu faza lub struktura ziarnowa bogatej w żelazo stali, innej niż narzędziowa, zawiera głównie perlit, choć może występować mała ilość ferrytu, a w środku i w zewnętrznych regionach ziaren występuje mieszanina martenzytu i bainitu.

PL 200 915 B1

Jeśli spiekany wyrób zawiera austenit szczątkowy, to austenit szczątkowy generalnie przekształca się podczas obróbki kriogenicznej po spiekaniu. Podczas odpuszczania zwykle wykonywanego po obróbce kriogenicznej następuje częściowy rozkład fazy perlitycznej, prowadzący do powstawania obszarów ferrytycznych wewnątrz ziaren lub fazy bogatej w żelazo. Może to pogarszać odporność materiału na zużycie, wskutek obecności ferrytu a także zmniejszać wytrzymałość, wskutek obecności ferrytu. Obróbka cieplna po spiekaniu obejmuje obróbkę kriogeniczną mającą na celu przekształcenie pozostałości fazy gamma (austenit) w martenzyt, a następnie stosuje się odpuszczanie, dla zmniejszenia stopnia twardości i kruchości fazy martenzytycznej raczej niż rozkładu perlitu, który jest niepożądanym efektem ubocznym procesu odpuszczania. Ponieważ odpuszczanie wykonuje się w temperaturze wyższej od oczekiwanej temperatury roboczej, uzyskuje się zapewnienie stabilności wymiarowej wyrobu w środowisku roboczym (na przykład wkładki gniazda zaworowego w komorze spalania silnika spalinowego). Tego rodzaju obróbka nie wpływa na występowanie fazy ferrytycznej (oprócz tego, że powoduje wytwarzanie przynajmniej części ferrytu) lub na występowanie nieodłącznie zmniejszonej odporności na zużycie i gorszych właściwości mechanicznych.

Z publikacji CH-275201 znany jest sposób wytwarzania wyrobu spiekanego z proszków stalowych, które mogą być wytwarzane przy użyciu znanych metod metalurgii proszków. Na przykład może być mieszany proszek jednego stopu z proszkiem żelaza lub mogą być użyte proszki stopów wykonane z różnych kombinacji pierwiastków stopowych. Jako sposób wprowadzania Cu do proszków podaje się nasączanie miedzią wypraski wykonanej z proszku stopowego zawierającego inne pierwiastki.

Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu wytwarzania wyrobów z materiałów żelaznych posiadających dużą zawartość miedzi, proporcjonalną do materiału nasycanego miedzią, lecz bez niekorzystnego wykonywania dodatkowych operacji wymaganych we wcześniej znanych sposobach.

Według wynalazku sposób wytwarzania wyrobu spiekanego na bazie żelaza zawierającego miedź, obejmujący wytwarzanie mieszanki proszku posiadającej żądany skład, prasowanie wspomnianej mieszanki proszku dla uzyskania wypraski wytwarzanego wyrobu oraz spiekanie wspomnianej wypraski dla wytworzenia wyrobu, charakteryzuje się tym, że wytwarza się mieszankę proszku zawierającą miedź w zakresie od 12% do 26% wagowych oraz proszek stali stopowej zawierający materiał sprzyjający powstawaniu martenzytu, przy czym przynajmniej część całkowitej zawartości żelaza i miedzi dodaje się do mieszanki w postaci zawierającego miedź materiału proszkowego wybranego z grupy obejmującej proszek żelaza i miedzi związanych dyfuzyjnie i proszek stopu żelaza i miedzi, a podczas spiekania wytwarza się wyrób, w którym osnowa żelaza ma strukturę martenzytyczną.

Do mieszanki proszku korzystnie dodaje się miedź w zakresie od 15 do 20% wagowych.

Korzystnie proszek stali zawiera chrom lub molibden lub nikiel.

Korzystnie, proszek stali jest proszkiem stali szybkotnącej, zwłaszcza jest proszkiem stalowym typu M3/2.

Korzystnie proszek stali jest proszkiem stali nierdzewnej, zwłaszcza jest proszkiem stali nierdzewnej 316.

Korzystnie mieszanka proszku zawiera proszek węgla.

Korzystnie w skład proszku żelaza i miedzi wchodzi 20% wagowych Fe-Cu.

W innym wariancie wynalazku mieszanka proszku zawiera proszek czystej miedzi.

Mieszanka proszku może zawierać proszek pierwiastka sprzyjającego powstawaniu martenzytu. Pierwiastek sprzyjający powstawaniu martenzytu może być wybrany z grupy obejmującej chrom, molibden i nikiel.

Materiał spiekany poddaje się operacji obróbki kriogenicznej. Materiał spiekany może być poddawany także operacji odpuszczania materiału spiekanego.

Do mieszanki proszku korzystnie dodaje się dwusiarczek molibdenu lub dwusiarczek wolframu.

Do mieszanki proszku można też dodawać proszek żelaza.

W sposobie według wynalazku dodawanie miedzi ma głównie na celu zwiększenie przewodności cieplnej wytwarzanych wyrobów, jednakże wyroby wytwarzane sposobem według niniejszego wynalazku uzyskują również inne korzystne właściwości. Poniżej 12% wagowych miedzi żądany wzrost przewodności cieplnej nie został uzyskany, natomiast powyżej 26% wagowych wystąpiło kłopotliwe przesączanie stopionej miedzi z tego materiału podczas spiekania.

W sposobie według niniejszego wynalazku proszek żelaza zawierający związaną miedź jest korzystnie proszkiem stopowym, w którym pojedyncze ziarna proszku zawierają zarówno żelazo jak

PL 200 915 B1 i miedź, w związku z czym nie jest możliwa wyraźna segregacja między żelazem i miedzią. Ziarna proszku żelaza i miedzi mogą być wybrane spośród dwóch podstawowych rodzajów materiałów proszkowych: proszek stopowy żelaza z miedzią lub proszek o wiązaniu dyfuzyjnym żelaza z miedzią. Proszek stopowy żelaza z miedzią można wytwarzać znanymi sposobami wspólnego topienia składników materiału i następnie rozpylania stopionej masy na przykład wodą lub gazem, dla wytworzenia żądanego proszku stopowego. Związane dyfuzyjnie żelazo i miedź wytwarza się poprzez wykonywanie mieszanki proszków pierwiastków żelaza i miedzi i, na przykład, poprzez przeprowadzenie półfabrykatu mieszanki przez piec, przez co między ziarnami następuje dyfuzja i tym samym następuje związanie ich ze sobą. Wytworzony w ten sposób „zbrylony materiał poddaje się lekkiemu zgniataniu w celu rozdrobnienia na przylegające do siebie cząstki zawierające zarówno żelazo, jak i miedź. Proces ten powoduje dyfuzję miedzi w zewnętrzne regiony każdej cząstki tego żelaza. Sposób według niniejszego wynalazku pozwala uniknąć licznych operacji technologicznych występujących w znanych sposobach, ponieważ nie musi być wykonywana oddzielna mieszanka proszku stopowego miedzi i nie potrzeba wytwarzać z niej wyprasek, wypraski nie muszą być układane w stos z wypraskami z materiału żelaznego, a finalne wyroby spiekane nie wymagają usuwania nieodłącznego osadu, jak miało to miejsce w znanych sposobach nasycania.

Szczególna korzyść wynikająca ze sposobu według wynalazku dotyczy technologii materiałów żelaznych obejmujących mieszanki proszków stali stopowej i niskostopowego żelaza bądź proszku zasadniczo czystego żelaza.

Zauważono, że w sposobie według niniejszego wynalazku występuje działanie synergiczne miedzi i chromu (wynikający z postaci związanej dyfuzyjnie lub z postaci stopowej z żelazem), wspomagające dyfuzję miedzi i chromu w kierunku środka ziaren żelaza, w przeciwieństwie do pozostawania środka ziaren żelaza jako ferrytycznego lub perlitycznego lub ich mieszaniny. Zauważa się w rdzeniu ziaren żelaza przemianę w martenzyt podczas normalnego chłodzenia w piecu. Spiekane materiały żelazne wykonane zgodnie ze sposobem według niniejszego wynalazku z zastosowaniem proszku stopowego żelaza i miedzi lub proszku żelaza i miedzi z wiązaniem dyfuzyjnym wykazują obecność martenzytu w rdzeniach ziaren bogatych w żelazo w wyniku dyfuzji chromu lub innych pierwiastków wspomagających powstawanie martenzytu, do ziaren żelaza. Martenzyt powstaje podczas chłodzenia austenitu, a ewentualny austenit szczątkowy jest przekształcany w obróbce kriogenicznej, następującej po spiekaniu. Podczas chłodzenia od temperatury spiekania część austenitu również przekształca się w bainit. Martenzyt można następnie odpuszczać dla utworzenia struktury odpuszczonego martenzytu, która jest łatwo skrawalna.

Należy tu zauważyć, że poprzednio miękkie rdzenie ferrytyczno-perlityczne ziaren żelaza obecnie zawierają materiał, który jest twardszy, mocniejszy i bardziej odporny na zużycie, co wynika ze sposobu według niniejszego wynalazku.

Przypuszcza się, że przetwarzanie zastosowane do wytworzenia stopowego i związanego dyfuzyjnie materiału żelaza i miedzi powoduje przynajmniej pewną dyfuzję fazy miedzi do składnika żelaza, a obecność miedzi wspomaga dyfuzję chromu, lub innych pierwiastków sprzyjających powstawaniu martenzytu, do rdzeni ziaren żelaza tworzonych w spiekaniu, co umożliwia powstanie martenzytu.

Wykonanie materiałów testowych według sposobu zgodnego z niniejszym wynalazkiem i wykonanie zasadniczo identycznych materiałów według znanych procesów nasycania, lecz z zastosowaniem zasadniczo identycznych parametrów procesowych, przykładowo ciśnienia prasowania i temperatury spiekania, wykazały korzystny wpływ zastosowania proszku stopowego żelaza i miedzi lub proszku z wiązaniem dyfuzyjnym, jak opisano powyżej. Materiały o wysoce identycznym składzie, z wyjątkiem zawartości miedzi, wykonano: 1) zgodnie ze sposobem niniejszego wynalazku; 2) metodą równoczesnego spiekania i nasycania; i 3) poprzez dodanie 13% wagowych proszku czystej miedzi do wyjściowej mieszanki proszków oraz spiekanie (tzn. bez nasycania i bez dodatku proszku stopu żelaza i miedzi).

Materiały wykonane w technologiach tradycyjnego nasycania w tych samych warunkach procesowych nie wykazują korzystnego wpływu powstawania martenzytu w rdzeniu ziaren żelaza. Analiza na skaningowym mikroskopie elektronowym wykazała obecność chromu w rdzeniu ziarna w materiałach wykonanych sposobem według niniejszego wynalazku.

Należy podkreślić, że warunki procesowe stosowane w badaniach porównawczych są takie same, jak warunki procesowe zastosowane w produkcji znanych materiałów komercyjnych, a zatem reprezentują aktualnie optymalne warunki procesowe z uwzględnieniem wszystkich czynników. Materiały wykonane zgodnie ze sposobem według niniejszego wynalazku można również poddawać obróbce cieplnej po spiekaniu, na przykład obróbce kriogenicznej w temperaturze -120°C lub poniżej, dla

PL 200 915 B1 przemiany fazy austenitu szczątkowego w martenzyt z następnym odpuszczaniem, dla zmiękczenia tego martenzytu, zwiększenia stabilności wymiarowej oraz podatności na obróbkę skrawaniem.

A zatem, zgodnie z jednym z wariantów niniejszego wynalazku mieszanka proszku zawiera składnik proszkowy zawierający relatywnie niestopowy proszek żelaza i składnik proszkowy zawierający proszek stali, w którym występuje przynajmniej chrom lub inny pierwiastek sprzyjający powstawaniu martenzytu jako pierwiastek stopowy, oprócz stopowego lub dyfuzyjnie związanego proszku żelaza i miedzi. Alternatywnie lub dodatkowo, mieszanka proszku może zawierać dodatek (dodatki) pierwiastka sprzyjającego powstawaniu martenzytu, jak na przykład molibdenu lub niklu. Opisano tu przykłady zastosowania proszków stalowego typu M3/2, odpowiadającego stali nierdzewnej, jednakże można wykorzystać każdą inną odpowiednią stal narzędziową lub szybkotnącą, przykładowo proszek stalowy zawierający chrom, w zależności od zastosowania, w jakim wytwarzany wyrób będzie użyty.

Przykładem alternatywnego materiału stalowego jest stal 316, która jest stalą nierdzewną o składzie w procentach wagowych: 17% Cr, 2% Mo, 13% Ni, reszta Fe, w której zasadniczo nie występuje węgiel.

Jak się zatem okazuje, sposób, w jaki wprowadza się miedź w spiekany materiał żelazny, to jest poprzez wiązanie jej z żelazem, z uprzednim zastosowaniem obróbki powodującej między nimi reakcję, powoduje się nieoczekiwane działanie synergiczne potęgujące dyfuzję chromu lub innych pierwiastków sprzyjających powstawaniu martenzytu poprzez osnowę żelaza, wspomagając przemianę na martenzyt podczas chłodzenia po spiekaniu lub podczas przemiany szczątkowego austenitu w wyniku obróbki kriogenicznej.

Materiał stopowy żelaza i miedzi lub materiał związany dyfuzyjnie może mieć dowolny pożądany skład chemiczny, na przykład 20% miedzi i żelazo. Mieszanki proszków można wykonywać ze składników proszkowych zawierających, przykładowo: żelazo, żelazo i miedź, proszek stali stopowej i/lub proszek węgla. Ilość stopowego proszku żelaza i miedzi będzie zależna od wymaganej końcowej zawartości miedzi w wyrobie oraz od początkowego składu stopowego proszku żelaza i miedzi.

W mieszance proszku nie wyklucza się zastosowania materiału stopu żelaza i miedzi i/lub związanego dyfuzyjnie żelaza i miedzi wraz z dodatkiem proszku czystej miedzi, co może być w pewnych przypadkach korzystne. W mieszance można również zastosować proszek stopowy oraz związany dyfuzyjnie proszek żelaza z miedzią.

Materiał stopu żelaza i miedzi okazuje się nieco korzystny pod względem sprzyjania powstawaniu martenzytu w ziarnach żelaza, niż materiał żelaza i miedzi związanych dyfuzyjnie. Korzystne jest, zatem, użycie stopowego materiału, należy jednakże podkreślić, że w materiale związanym dyfuzyjnie wytwarza się martenzyt po spiekaniu w kolejnej operacji, natomiast znane nasycane materiały nie wytwarzają martenzytu w rdzeniach ziaren żelaza i rdzenie te zawierają jedynie mieszankę ferrytu i perlitu.

Dla pełnego zrozumienia wynalazku opisano przykłady ilustracyjne, w odniesieniu do załączonych rysunków, gdzie: fig. 1 przedstawia wykres słupkowy ukazujący zużycie wkładek gniazda zaworowego w badaniu silnika spalinowego wytworzone z materiału wykonanego zgodnie z niniejszym wynalazkiem; i fig. 2 - wykres zużycia narzędzia w funkcji ilości skrawanych części dla materiałów wykonanych zgodnie z niniejszym wynalazkiem i materiału znanego.

Materiał wkładki gniazda zaworowego

P r z y k ł a d 1

Mieszanki proszków żelaza o typowym składzie zastosowane do wytwarzania wkładek gniazda zaworowego dla silników spalinowych przygotowywano różnymi sposobami. Składy mieszanek proszków określające proszki zastosowane do ich wykonania przedstawiono poniżej w tabeli 1.

W przykładzie 1 materiał przygotowano w sposób zgodny z wynalazkiem, gdzie całą ilość żelaza i miedź dodano w postaci proszku stopowego żelazo-20% miedzi. Taki proszek stopowy daje w materiale gotowym około 9,5% wagowych miedzi.

T a b e l a 1

Składnik % wagowych	Stal M3/2	Grafit	MoS2	Czysta Cu	Proszek Fe-Cu	Środek poślizgowy	Proszek Fe
Przykład 1	45,00	0,55	1,00	6	47,47	0,75	-
Przykład 1a	42,90	0,42	0,87	13	-	0,75	42,90
Przykład 1b	49,75	0,50	-	Nasycane	-	0,75	49,75

PL 200 915 B1

Do wstępnej mieszanki proszków dodano jeszcze 6% wagowych proszku czystej miedzi, w celu zwiększenia całkowitej zawartości miedzi do 15% wagowych. Proszkiem stopowym stali był w tym przypadku rozpylany wodą proszek stalowy typu M3/2 o nominalnym składzie: 1% C; 4% Cr; 5% Mo; 3% V; 5% W. Ponieważ dodano tylko 6% wagowych proszku czystej miedzi, zmniejszono do minimum segregację.

Przykład 1a odnosi się do mieszanki proszku, w której zawartość miedzi w ilości 13% wagowych stanowi proszek czystej miedzi. Choć taki materiał normalnie nie był wytwarzany z tak dużą zawartością proszku czystej miedzi z powodów omówionych powyżej, wykonano go dla określenia wpływu zawartości miedzi na charakterystykę dyfuzji chromu w składnik żelaza.

Przykład 1b zrealizowano zgodnie ze znanym sposobem według GB-A-2 188 062, w którym miedź dostarczono do proszku poprzez spiekanie z równoczesnym nasycaniem.

Wszystkie proszki zmieszano według zasad ustalonych dla mieszalnika stożkowego Y.

Ciśnienie prasowania dobrano w zakresie 650-800 MPa, w każdym przypadku następowało spiekanie w około 1100°C w piecu przenośnikowym, wszystkie próbki spiekano w tych samych warunkach. Po spiekaniu wszystkie próbki poddano obróbce kriogenicznej w temperaturze -120°C, dla przemiany szczątkowego austenitu (faza γ) w strukturze i następnie odpuszczano w 600°C przez 2 godziny, dla zmiękczenia tego martenzytu, uzyskania większej stabilności wymiarowej i poprawy skrawalności.

W tabeli 2 poniżej podano zawartość pierwiastków, gęstość spiekanego materiału oraz twardość końcową po obróbce kriogenicznej i po odpuszczaniu, które wykonano po spiekaniu.

T a b e l a 2

Składnik % wagowych	C	Cr	Cu	Mo	S	V	W	Fe	Gęstość Mgm'³	Twardość HRA
Przykład 1	1,0	1,8	15,5	2,9	0,4	1,4	2,3	Reszta	7,20	64-67
Przykład 1a	0,9	1,7	13,0	2,7	0,3	1,3	2,1	Reszta	7,00	59-64
Przykład 1b	0,9	2,0	15,0	2,5		1,5	2,5	Reszta	7,95	67-71

Mikrostruktura próbek wykonanych zgodnie z przykładem 1 wykazała strukturę martenzytu odpuszczania nawet w rdzeniach ziaren żelaza. Martenzyt powstał podczas chłodzenia od temperatury spiekania. Obróbkę kriogeniczną przeprowadzono w celu przemiany szczątkowego austenitu w proszku stalowym typu M3/2 w martenzyt. Przemiana z austenitu w martenzyt nie jest łatwo obserwowana pod mikroskopem, może o niej świadczyć wzrost twardości przy przemianie austenitu w martenzyt.

Próbki według przykładu 1a wykazały mikrostrukturę zawierającą pewną ilość martenzytu powstałą przy chłodzeniu od temperatury spiekania oraz szczątkowego austenitu. W następstwie obróbki kriogenicznej austenit szczątkowy przemienia się w martenzyt w obszarach proszku stalowego typu M3/2 a ziarna żelaza zawierają głównie perlit (faza zawierająca strukturę płytkową ferrytu i cementytu) oraz pewną ilość ferrytu. Perlit powstaje dzięki dodaniu proszku węgla w postaci grafitu, jednakże z powodu nieobecności chromu, w rdzeniach ziaren żelaza nie powstaje martenzyt. Podczas odpuszczania nastąpił rozległy rozpad perlitu oraz wzrosła frakcja objętościowa ferrytu w porównaniu ze stanem sprzed spiekania. W związku z tym odporność na zużycie materiału w przykładzie 1a jest niższa a właściwości mechaniczne, jak wykazały wyniki pomiaru twardości, są również niższe.

Próbki w przykładzie 1b wykazały niemal identyczną strukturę i właściwości jak próbki w przykładzie 1a. Materiał ten wykonano zgodnie ze znanym sposobem według GB-A-2 188 062. Twardość w przykładzie 1b była nieco wyższa niż w przykładzie 1, co wynikało z większej gęstości materiału po nasycaniu.

Materiał w przykładzie 1 b wykazywał znaczne ilości słabiej powiązanych obszarów ferrytu po odpuszczaniu, bez pożądanej struktury martenzytu odpuszczania pokazanej w przykładzie 1 uzyskanym zgodnie ze sposobem według niniejszego wynalazku.

Na fig. 1 pokazano wykres słupkowy zużycia wkładki gniazda zaworowego wykonanej z materiału według przykładu 1, w położeniach wydechowych 1,8 litrowego 4-cylindrowego 16-zaworowego silnika spalinowego, pracującego przez 180 godzin z szybkością 6000 obr/min na benzynie bezołowiowej, silnik posiadał zawory z powłoką Stellitową (nazwa handlowa). Kryterium sukcesu dla tego

PL 200 915 B1 badania jest nieprzekroczenie 100 mikrometrów zużycia wkładki gniazda zaworowego. Jak wynika z fig. 1, maksymalne zużycie wystąpiło w gnieździe zaworowym w położeniu 4(60 ąm) zużycie dla wszystkich innych wkładek wynosiło około 30 ąm lub mniej.

Z przykładów 1, 1a i 1b w oczywisty sposób wynika, że jedyną bezpośrednią różnicą w procesie ich wytwarzania był sposób wprowadzenia miedzi w spiekany materiał. Przypuszcza się, że lepszą strukturę i właściwości można bezpośrednio przypisać zastosowaniu stopów żelaza z miedzią, gdzie przynajmniej część zawartości miedzi jest niepodzielnie związana z żelazem i pochodzi ze zwiększonej dyfuzji spowodowanej przez ten materiał stopowy.

P r z y k ł a d 2

Wykonano mieszankę proszku zawierającą 45% wagowych proszku stalowego typu M3/2, odpowiadającego stali narzędziowej, zawierającego 0,55% węgla, 1% MoS2, 6% Cu, 47,45% FeCu20 (proszek związany dyfuzyjnie) i 0,75% środka smarnego w postaci wosku. Z mieszanki wykonano wypraski prasowane pod ciśnieniem 770 MPa do gęstości pozornej 7,1 Mgm³ i spiekano w około 1100°C w ciągłym przepływie atmosfery azotowo wodorowej w piecu przenośnikowym. Spiekane wyroby poddano obróbce kriogenicznej w temperaturze -120°C lub poniżej, w celu przemiany szczątkowego austenitu w martenzyt i ostatecznie odpuszczono w 600°C. Gęstość spiekanego materiału wynosiła 7,0 Mgm3. Twardość spiekanego materiału wynosiła 61 HRA, twardość materiału po obróbce kriogenicznej wynosiła 65 HRA a twardość odpuszczanego materiału po obróbce kriogenicznej wynosiła 62-65 HRA.

Mikrostruktura materiału w przykładzie 2 (wykonanego z proszku żelaza i miedzi z wiązaniem dyfuzyjnym) po odpuszczaniu (w następstwie spiekania i obróbki kriogenicznej) wykazywała małe sporadyczne obszary ferrytu w bogatej w żelazo stali innej niż narzędziowa. Jednakże bogata w żelazo faza zawierała zasadniczo perlit w rozległych obszarach ferrytu, typowe dla znanego materiału wykonanego z zastosowaniem technologii nasycania.

P r z y k ł a d 3

Przygotowano mieszankę zawierającą w procentach wagowych: 75% proszku stopowego FeCu20, 23% proszku stali nierdzewnej 316, 0,75% proszku MoS₂, 1% proszku węgla; materiał ten oznaczono symbolem N1. Stal nierdzewna 316 miała następujący skład: 17% Cr, 2% Mo, 13% Ni, reszta Fe. Próbkę porównawczą oznaczoną symbolem N wykonano z mieszanki o następującym składzie (% wagowych): 70,9% niestopowego proszku żelaza, 27% proszku stali nierdzewnej 316, 0,9% proszku MoS₂, 1,2% węgla. Oba materiały prasowano pod ciśnieniem 770 MPa.

Materiał N1 spiekano oddzielnie (ponieważ występowało tu około 15% wagowych miedzi dostarczonej przez proszek stopowych Fe-Cu) a materiał N2 spiekano równocześnie i nasycano zgodnie ze znaną technologią procesową. Końcowy teoretyczny skład ogólny obu materiałów N1 i N w % wagowych był następujący: 1 C/3,9 Cr/15 Cu/0,9 Mo/3 Ni/S 0,3/bal Fe.

Spiekanie z nasycaniem wykonano w temperaturze około 1100°C w atmosferze przepływającego azotu z wodorem. Po spiekaniu oba materiały obrobiono kriogenicznie i odpuszczono.

Materiał N1 wykazywał mikrostrukturę zawierającą ferryt nawet w rdzeniach ziaren, które w przeważającej ilości były żelazem. Tego rodzaju materiał wykazywał zasadniczo strukturę martenzytu odpuszczania. Materiał N wykazywał rozległy ferryt w ziarnach żelaza w strukturze perlitycznej w strefach przejściowych pomiędzy poprzednimi ziarnami żelaza i cząstkami stali nierdzewnej 316 nawet pomimo, że materiał ten miał nieco większą zawartość węgla 1,2%. A zatem, w uzyskanej strukturze po przetworzeniu ponownie występował wpływ miedzi niepodzielnie związanej z żelazem w uzyskanej strukturze po przetworzeniu.

P r z y k ł a d 4

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem wykonano następne mieszanki oznaczone jako materiały FMCA i FMCD. Składy mieszanek dla tych materiałów w postaci składników mieszanek proszku podano w tabeli 3.

T a b e l a 3

	FMCA 75	FMCD
1	2	3
F4-20 Cu (stopowy)	75,00	75,00
C	1,35	1,35
Mo	0,50

PL 200 915 B1 cd. tabeli 3

1	2	3
MoS2
Niestopowe Fe	23,15	22,65
Środek poślizgowy	0,75	0,75

Materiały prasowano pod ciśnieniem 770 MPa i spiekano w około 1100°C w ciągłej atmosferze gazowej, jak w poprzednich przykładach. Uzyskane gęstości i twardości materiałów spiekanych podano w tabeli 4. Wykonano obróbkę cieplną próbek po spiekaniu.

T a b e l a 4

	FMCA	FMCD
Gęstość pozorna, Mgm'³	7,05	7,05
Gęstość po ściekaniu	7,35 - 7,40	7,15 - 7,20
Twardość HRB	99 - 101	95 - 98

W materiale FMCA wykonanym zgodnie z niniejszym wynalazkiem w wyjściowej mieszance proszku zastosowano proszek stopowy Fe-Cu i 0,5% proszku czystego molibdenu. Materiał FMCA wykazywał rozległe strefy bogate w Mo oraz obszary martenzytyczne i bainityczne związane z tymi strefami. Materiał FMCA wykazywał również węgliki na granicach ziarnowych. Mikrostruktury materiału FMCA były nieco podobne do materiału porównawczego oznaczonego jako FMC (proszek niestopowego żelaza, 1,35% C, 0,5% Mo), natomiast zawartość miedzi uzyskano w wyniku równoczesnego spiekania i nasycania zgodnie ze znanym sposobem. Oprócz infiltracji warunki spiekania były takie same dla obu materiałów FMCA i FMCD.

W materiale FMC występował węglik granic ziarn, perlityczna osnowa oraz strefy bogate w Mo z cząstkami Mo, lecz bardzo małe w porównaniu z materiałem FMCA.

Podczas spiekania następował częściowy rozpad MoS2 w materiale FMCD, dostarczając do struktury wolny Mo o potencjalnej zdolności generowania umiejscowionej struktury martenzytyczno-bainitycznej związanej ze strefami bogatymi w Mo.

Część siarki z rozpadu MoS2 reagowała z żelazem i miedzią, tworząc metaliczne siarczki, korzystne dla poprawy skrawalności.

W materiale FMCD można było zauważyć bezwęglikowe sieci oraz perlityczna osnowę.

Na fig. 2 pokazano wykres przedstawiający zużycie narzędzia w funkcji ilości części obrobionych skrawaniem dla materiałów FMC, FMCA I FMCD. Wykres potwierdza, że dla materiałów zawierających stopowy proszek Fe-Cu dający wzrost do rozległych obszarów martenzytyczno-bainitycznych nie nastąpiło pogorszenie skrawalności pomimo wytworzenia mocniejszych, bardziej odpornych na zużycie struktur materiałowych.

Faktycznie, skrawalność obu materiałów FMCA i FMCD jest lepsza w porównaniu z materiałem FMC wykonanym w znany sposób.

Claims

1. Sposób wytwarzania wyrobu spiekanego na bazie zawierającego miedź, obejmujący wytwarzanie mieszanki proszku posiadającej żądany skład, prasowanie wspomnianej mieszanki proszku dla uzyskania wypraski wytwarzanego wyrobu oraz spiekanie wspomnianej wypraski dla wytworzenia wyrobu, znamienny tym, że wytwarza się mieszankę proszku zawierającą miedź w zakresie od 12% do 26% wagowych oraz proszek stali stopowej zawierający materiał sprzyjający powstawaniu martenzytu, przy czym przynajmniej część całkowitej zawartości żelaza i miedzi dodaje się do mieszanki w postaci zawierającego miedź materiału proszkowego wybranego z grupy obejmującej proszek żelaza i miedzi związanych dyfuzyjnie i proszku stopu żelaza z miedzią, a podczas spiekania wytwarza się wyrób, w którym osnowa żelaza ma strukturę martenzytyczną.

PL 200 915 B1

2. Sposóbwedług zastrz. 1 , z namiennytym, że d omieszankiproszkud odajes ięmiedź w zakresie od 15 źs 20 % wsgswych.

3. Poozbb weźłgg asztra. 1 slbo 2, znamienny tym, że proszek ztsli aswiers chrom.

4. Poozbb weźłgg asztra. 1 slbo 2, znamienny tym, że orozaek ztsli aswiers molibźek.

5. Poozbb weźłgg asztra. 1 slbo 2, znamienny tym, że orozaek ztsli aswiers nikiel.

6. Sposób weeług zzntrz. .albb2, znnmιiennatym. że prc>sóaS szali jest proozaiem szali szabkotkącej.

7. Poozbb weźłgg asztra. 7, znamienny tym, że orozaek ztsli jest orozakiem stslowym tyou M3/2.

8. Poosbb weźłgg asstra. 1 slbo 2, znamienny tym, że orosaek stsli jest orosakiem stsli kierźaewkej.

9. Poosbb weźłgg asztra. 8, znamienny tym, że orosaek stsli jest orosakiem stsli kierźaewkej 316.

10. Poosbb weźłgg asstra. 1 slbo 2, znamienny tym, że miesaskks orosakg aswiers orosaek węgls.

11. Sposóbweeług zzntrz. .8100 2^nnmιieenatym. żż w sółaS proozkk żżlasal mieeoiweChźai 20% wsgowbch Fe-Cg.

12. SposZbweeług zzntrz. 1 albb2, znnmieenatym. żż mieszanku proozak zawieea proszaS caystej mieźai.

13. SposZbweeług zantrz. 1 albb2, znnmieenatym. żż 1nieszanku proozak zawiesa aroszaS oierwisztks sorabjsjącego oowstswskig msrtekabtg.

14. SposZbweeług aantrz. 13, anamieenat ym, Pż aiesr/ianteS azrzaja-ąąc aowetaweniu mas tekabtg jest wybr-kb a grgob obejmgjącej chrom, molibźek i kikiel.

15. SPooób weeług aantrz. 1, annmieena tym. Pż ιτ^θ- azieSuny pooźź-e aię aoo^^sc aorbbki kriogekicakej.

16. SposZbweeług zzntrz. 1 albb 1 1, znnmιieenatym. żż ma-eSa-szieSunypoOOoje s ięGoeracji oźogsacaskis msterisłg soiekskego.

17. SposZbweeług zzntrz. 1 albb2, znnmιieenatym. żż d ź mieszankiproszkud źoźjes iędwwsisrcaek molibźekg lgb źwgsisrcaek wolfrsmg.

18. SposZb weeług zantrz. T znnmieena yyy^, żż dź mieszanki proozkk doOo-esięproszaS żelsas.