RU2221070C1

RU2221070C1 - Sintered iron-based powder-like material

Info

Publication number: RU2221070C1
Application number: RU2002133838/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Анциферов; В.Я. Буланов
Original assignee: Государственное учреждение Институт металлургии Уральского отделения РАН; Государственное научное учреждение "Научный центр порошкового материаловедения"
Priority date: 2002-12-15
Filing date: 2002-12-15
Publication date: 2004-01-10

Abstract

FIELD: powder metallurgy; iron-based sintered materials for operation at high temperatures, pressures and speed strains in aggressive media and wide range of friction. SUBSTANCE: proposed sintered iron-based material contains the following components, mass-%: chromium, 2.7-7.5; molybdenum, 1.5-4.0; copper, 1.7-7.5; calcium fluoride, 1.0-12.0; tungsten, 1.2-9.0; the remainder being iron. EFFECT: enhanced efficiency of production of high-temperature dispersedly hardened materials. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к спеченным материалам на основе железа, которые могут быть использованы в любой отрасли машиностроения для работы в условиях высоких температур, давлений, скоростной деформации, агрессивных сред и широких диапазонов режимов трения. The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular, to sintered materials based on iron, which can be used in any engineering industry to work under conditions of high temperatures, pressures, high-speed deformation, aggressive environments and wide ranges of friction modes.

Известен антифрикционный материал на основе железа (авт. св. 382733, С 22 С 33/02, опубл. БИ 23, 1973 г.), который содержит легирующие компоненты, вес.%:
Углерод - 0,9-1,1
Хром - 4,0-6,0
Молибден - 4,0-10,0
Фтористый кальций - 5,0-7,0
Железо - Остальное
Известный материал предназначен для изготовления деталей, работающих на трение в среде керосина. Недостатком данного материала является его невысокая износостойкость при других условиях работы деталей и узлов.Known antifriction material based on iron (ed. St. 382733, C 22 C 33/02, publ. BI 23, 1973), which contains alloying components, wt.%:
Carbon - 0.9-1.1
Chrome - 4.0-6.0
Molybdenum - 4.0-10.0
Calcium Fluoride - 5.0-7.0
Iron - Else
Known material is intended for the manufacture of parts working on friction in a kerosene environment. The disadvantage of this material is its low wear resistance under other operating conditions of parts and assemblies.

Известен спеченный антифрикционный материал на основе железа (авт. св. 885319, С 22 С 33/02, опубл. БИ 44, 1981 г.), который содержит, вес.%:
Медь - 1,75
Углерод - 0,15-3,0
Сера - 0,2-0,3
Фосфор - 0,2-0,3
Фтористый кальций - 1,0-1,25
Железо - Остальное
Недостатком известного материала является невысокая износостойкость, обусловленная его составом, включающим серу и фосфор, которые при последующем использовании материала увеличивают хрупкость готовых изделий.Known sintered antifriction material based on iron (ed. St. 885319, C 22 C 33/02, publ. BI 44, 1981), which contains, wt.%:
Copper - 1.75
Carbon - 0.15-3.0
Sulfur - 0.2-0.3
Phosphorus - 0.2-0.3
Calcium Fluoride - 1.0-1.25
Iron - Else
A disadvantage of the known material is its low wear resistance, due to its composition, including sulfur and phosphorus, which, with subsequent use of the material, increase the fragility of the finished product.

Наиболее близким по составу к предлагаемому порошковому материалу является спеченный антифрикционный материал на основе железа (авт. св. 606889, С 22 С 33/02, опубл. БИ 18, 1978 г.), имеющий следующий состав, вес.%:
Углерод - 0,9-1,1
Хром - 1,0-5,0
Молибден - 1,0-5,0
Фтористый кальций - 5,0-7,0
Железо - Остальное
Известный материал применяют при работе в условиях сухого трения и скольжения. Однако указанный порошковый материал имеет недостаточно высокие физико-механические характеристики и не может быть использован в производстве деталей для таких областей, как, например, автомобильной или авиационной, где присутствуют высокое давление и скоростные деформации.The closest composition to the proposed powder material is sintered antifriction material based on iron (ed. St. 606889, C 22 C 33/02, publ. BI 18, 1978), having the following composition, wt.%:
Carbon - 0.9-1.1
Chrome - 1.0-5.0
Molybdenum - 1.0-5.0
Calcium Fluoride - 5.0-7.0
Iron - Else
Known material is used when working in conditions of dry friction and sliding. However, the specified powder material has insufficient physical and mechanical characteristics and cannot be used in the manufacture of parts for areas such as, for example, automobile or aviation, where high pressure and high-speed deformations are present.

Кроме того, в известном материале содержание легирующих компонентов в твердом растворе может находиться только в ограниченных узких пределах, что снижает и ухудшает технологичность получения порошковой композиции. In addition, in the known material the content of the alloying components in the solid solution can only be in a limited narrow range, which reduces and degrades the processability of obtaining a powder composition.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание композиционного материала на основе железа, обладающего значительно более высокими физико-механическими свойствами. The problem to which the proposed technical solution is directed is to create a composite material based on iron, which has significantly higher physical and mechanical properties.

Техническим результатом при использовании изобретения является возможность получения высокотемпературных дисперсно-упрочненных материалов на основе железа для использования в любой отрасли машиностроения. The technical result when using the invention is the ability to obtain high-temperature dispersion-hardened materials based on iron for use in any industry.

Поставленная задача достигается новой совокупностью качественного состава порошка и новым соотношением в нем легирующих компонентов, т.е. спеченный порошковый материал на основе железа, содержащий хром, молибден, медь, фтористый кальций, согласно изобретению, дополнительно включает вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 2,7-7,5
Молибден - 1,5-4,0
Медь - 1,7-7,5
Фтористый кальций - 1,0-12,0
Вольфрам - 1,2-9,0
Железо - Остальное
При этом исходная крупность основного компонента составляет 20-40 мкм, а добавка фтористого кальция расширяет пределы легирования для получения твердого раствора легирующих компонентов.The task is achieved by a new set of qualitative composition of the powder and a new ratio of alloying components in it, i.e. sintered iron-based powder material containing chromium, molybdenum, copper, calcium fluoride, according to the invention, further includes tungsten in the following ratio, wt.%:
Chrome - 2.7-7.5
Molybdenum - 1.5-4.0
Copper - 1.7-7.5
Calcium Fluoride - 1.0-12.0
Tungsten - 1.2-9.0
Iron - Else
In this case, the initial fineness of the main component is 20-40 microns, and the addition of calcium fluoride expands the limits of alloying to obtain a solid solution of alloying components.

Основой заявляемой порошковой композиции является порошок железа гранулометрического состава 20-40 мкм, обеспечивающий наиболее благоприятную растворимость легирующих компонентов при спекании исходного материала. The basis of the claimed powder composition is an iron powder with a particle size distribution of 20-40 microns, providing the most favorable solubility of the alloying components during sintering of the starting material.

Предлагаемый качественный состав и количественное соотношение легирующих компонентов является оптимальным для обеспечения высоких физико-механических свойств спеченного материала, позволяющих использовать его для изготовления деталей, работающих в особо сложных условиях в различных областях машиностроения. The proposed qualitative composition and quantitative ratio of alloying components is optimal to ensure high physical and mechanical properties of the sintered material, allowing it to be used for the manufacture of parts operating in particularly difficult conditions in various fields of engineering.

Присутствие в порошковом материале элементов VI группы периодической системы - хрома, молибдена и вольфрама значительно влияет на конечные свойства порошковых сталей, т.е. обеспечивают им возможность работы при более высоких температурах и давлении, в агрессивных средах, в режиме трения. Это происходит за счет того, что молибден и вольфрам образуют с железом твердые растворы ограниченные и неограниченные - с хромом, и при взаимодействии с фтористым кальцием, который интенсифицирует взаимную диффузию металлов и повышает их концентрацию в твердом растворе, всей системе обеспечиваются высокие физико-механические свойства. The presence in the powder material of elements of group VI of the periodic system — chromium, molybdenum, and tungsten — significantly affects the final properties of powder steels, i.e. provide them with the ability to work at higher temperatures and pressures, in aggressive environments, in friction mode. This is due to the fact that molybdenum and tungsten form solid solutions with iron, limited and unlimited - with chromium, and when interacting with calcium fluoride, which intensifies the mutual diffusion of metals and increases their concentration in a solid solution, the whole system is ensured by high physical and mechanical properties .

Заявляемые содержания вышеуказанных легирующих компонентов являются оптимальными, значения их в указанных пределах обеспечивают образование общей кристаллической решетки. За пределами заявленных значений по отношению к основному элементу снижаются физико-механические характеристики спеченного материала. The claimed content of the above alloying components are optimal, their values within the specified limits provide the formation of a common crystal lattice. Outside of the declared values with respect to the main element, the physical and mechanical characteristics of the sintered material are reduced.

Введение фтористого кальция в композицию на основе железа приводит к образованию тонкой кальций-фторидной пленки, которая активирует процесс консолидации порошков, а при спекании в атмосфере водорода фтористый кальций выделяет ионы фтора, активизирующие процесс спекания, т.е. наличие фтористого кальция обеспечивает сверхпредельную растворимость легирующих компонентов в железной порошковой матрице, что приводит к резкому повышению физико-механических свойств порошкового материала. Кроме того, фтористый кальций дает смазывающий эффект, особенно при высоких температурах, что в свою очередь оказывает положительное влияние на повышение механических свойств спеченного материала. The introduction of calcium fluoride into an iron-based composition leads to the formation of a thin calcium fluoride film, which activates the powder consolidation process, and when sintering in a hydrogen atmosphere, calcium fluoride releases fluorine ions, which activate the sintering process, i.e. the presence of calcium fluoride provides an extremely limit solubility of the alloying components in the iron powder matrix, which leads to a sharp increase in the physicomechanical properties of the powder material. In addition, calcium fluoride gives a lubricating effect, especially at high temperatures, which in turn has a positive effect on increasing the mechanical properties of the sintered material.

Количественные пределы содержания фтористого кальция установлены экспериментально по отношению к содержанию остальных компонентов смеси и являются оптимальными. The quantitative limits of the content of calcium fluoride are established experimentally with respect to the content of the remaining components of the mixture and are optimal.

Экспериментальное изучение образцов спеченных порошков показало, что наличие меди в заявляемой композиции влияет на стабилизацию электронной структуры, а совместно с фтористым кальцием медь обеспечивает однородность распределения в твердом растворе легирующих компонентов - молибдена и вольфрама. An experimental study of samples of sintered powders showed that the presence of copper in the claimed composition affects the stabilization of the electronic structure, and together with calcium fluoride, copper ensures uniform distribution in the solid solution of the alloying components - molybdenum and tungsten.

Рентгенографические исследования доказывают, что содержание меди 1,7-7,5 мас. % является необходимым и достаточным для получения высоких физико-механических свойств. X-ray studies prove that the copper content of 1.7-7.5 wt. % is necessary and sufficient to obtain high physical and mechanical properties.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Композиции получали путем смешивания исходных компонентов: железо особо чистое, молибден чистый, хром чистый, медь чистая, вольфрам, фтористый кальций. The compositions were obtained by mixing the starting components: especially pure iron, pure molybdenum, pure chromium, pure copper, tungsten, calcium fluoride.

Полученные смеси прессовали при давлении 8 т/см³ и спекали в атмосфере водорода в течение 2 ч при температуре 1200^oС с точкой росы 25-45^oС до полной гомогенизации легирующих компонентов в железе.The resulting mixtures were pressed at a pressure of 8 t / cm ³ and sintered in a hydrogen atmosphere for 2 h at a temperature of 1200 ^° C with a dew point of 25-45 ^° C until the alloying components in the iron were completely homogenized.

Свойства полученных спеченных материалов исследовали методами микроструктурного, термического и рентгеновского анализов. The properties of the obtained sintered materials were studied by microstructural, thermal, and X-ray analysis.

Исследуемые составы композиций, результаты их испытаний и полученные физико-механические свойства приводятся в таблице. The studied compositions, the results of their tests and the obtained physical and mechanical properties are given in the table.

Как видно из представленных данных, предлагаемый материал по сравнению с известным обеспечивает более высокие физико-механические свойства. As can be seen from the data presented, the proposed material in comparison with the known provides higher physical and mechanical properties.

Claims

1. Sintered iron-based powder material containing chromium, molybdenum, copper, calcium fluoride, characterized in that it further includes tungsten in the following ratio of components, wt.%:

Chrome 2.7-7.5

Molybdenum 1.5-4.0

Copper 1.7-7.5

Calcium Fluoride 1.0-12.0

Tungsten 1.2-9.0

Iron Else

2. Sintered powder material according to claim 1, characterized in that the initial particle size of the main component is iron is 20-40 microns.