Конструкционные материалы

К группе конструкционных материалов относятся материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материалов являются повышенные механические свойства, твердость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Применение в качестве исходного материала чистого железного порошка при изготовлении конструкционных деталей ограничено из-за низких прочностных свойств спеченного железа, определяющихся характером межчастичных границ. Повышение механических свойств конструкционного изделия возможно за счет дополнительно использования легирующих элементов (фосфор, медь, хром, никель, молибден) и операции химико-термической обработки (азотированию, сульфидированию, хромированию).

В практике машиностроения и технологии порошковой металлургии наибольшее распространения получили конструкционные порошковые материалы на основе железа: сталь малоуглеродистая, углеродистая и медистая; хромистая, марганцовистая и медьникельмарганцовистая; нержавеющая.

Введение меди в материал на основе железа увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала, но несколько снижает его пластичность и вязкость, повышает сопротивляемость порошкового материала атмосферной коррозии. При спекании железомедных материалов выше температуры плавления меди (1083 ˚С) медь находится в жидком состоянии, взаимодействует с железом и образует твердый раствор замещения на основе ɣ-железа с максимальной концентрацией меди в растворе до 8 %. При медленном охлаждении медь выделяется по границам зерен железа в виде богатой медью ε-фазы, в α-железа содержание меди уменьшается до 0,2-0,35%.

Введение никеля в порошковый материал на основе железа повышает прочность и пластичность стали, при этом легирование порошкового железа только никелем применяется редко вследствие необходимости высоких температур и длительных выдержек при спекании для получения однородной структуры.

Присадка к чистому железу 5% никеля повышает прочность и твердость материала, оставляя его пластичность практически без изменений. В связи с тем, что никель при спекании вызывает большую усадку, для получения безусадочных изделий с высокими механическими свойствами порошковые стали легируется медью и никелем. При одновременном легировании никелем и медью прочность на разрыв образцов с пористостью 10% достигает 400-420 МПа, удлинение – 7-8%, твердость – 120-127 НВ. Наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности наблюдается в сплавах содержащих от 1 до 5% каждого из этих элементов.

Легирование порошковой стали на основе железа карбидообразующим элементом – молибденом(0,5-5%) ограничено из-за низкого коэффициента диффузии его в α- и ɣ-железо, что затрудняет получение однородного твердого раствора. Введение молибдена в железо приводит к интенсивной усадке и интенсивному росту зерна при спекании. Легирование порошковых сталей молибденом производится только при изготовлении ответственных тяжелонагруженных деталей. В практике порошковой металлургии более распространено комплексное легирование молибденом и никелем.

Распространенным и дешевым карбидообразующим элементом является хром, способный образовывать двойные и сложные карбиды. Хром способствует увеличению прочности и износостойкости, хорошей закаливаемости порошковой стали. В спеченной хромистой стали присутствует широкая гамма структур, от ферритной до сорбитной со сложными карбидами. Это объясняется высокой устойчивостью оксидов, температура диссоциации которых почти достигает температуры плавления чистого хрома. Наличие оксидов затрудняет диффузионные процессы, а само спекание необходимо производить при высоких температурах в остроосушенных восстановительных средах (водород, диссоциированном аммиаке).

Из неметаллических легирующих элементов практическое применение в порошковой металлургии нашел фосфор. По соображениям вязкости содержание фосфора в порошковой стали ограничиваются 0,3-0,6%. Вследствие образования твердых растворов с железом фосфор стабилизирует Feα.

Марганец принадлежит к переходным металлам, расширяющим область существования ɣ-Fe, увеличивая твердость феррита, повышает устойчивость переохлажденного аустенита и снижает температуру мартенситного превращения. Марганец относится к элементам, обладающим высоким упрочняющим действием в стали, однако не достаточно широко используется в порошковой стали из-за необходимости использования восстановительной атмосферы с высокой степенью осушки. Так, при температуре 800˚С необходимо использование атмосферы с точкой россы -77˚С, при температуре 1100˚С -54˚С.

Титан, как легирующий элемент железа не используется. Он применяется как элемент, который оказывает влияние на другой легирующий элемент. Так в композиции Fe-Ni-Co-Mo, титан образует с никелем твердые фазы упрочняющие металл.

В результате термообработки сера с железом образует эвтектику – сульфид железа, температура плавления которого 988˚С. Сульфид железа вызывает красноломкость, то есть хрупкость при высоких температурах, так при нагреве до 1000-1200˚С сульфид железа, располагающийся по границам зерен, разрушает связи между зернами и при деформации вызывает появление трещин.

 

 

1.2 Конструкционные порошковые материалы.

Материалы этой группы применяются для изготовления изделий, используемых в качестве силовых и несущих элементов в различных областях машиностроения, приборостроения, бытовой техники и новых областей техники (атомной, ракетной, вычислительной и др.). Это весьма обширная группа материалов, в которую входят материалы для общего машиностроения, жаропрочные, коррозионностойкие и некоторые другие. Общим требованием, к конструкционным материалам является высокая прочность. В зависимости от условий работы это требование может распространяться на широкий температурный интервал, а также на эксплуатацию в условиях агрессивных сред, радиационных полей и т.д. Как уже отмечалось ранее, определенные требования по прочности предъявляют практически ко всем материалам, однако для конструкционных это требование является превалирующим. Далее рассмотрены лишь материалы для общего машиностроения и жаропрочные.

Материалы для общего машиностроения.

Детали общемашиностроительного назначения занимают преобладающее место в порошковой металлургии. Потребность в этой группе материалов превышает 60 % всей потребности в порошковых материалах. Основные стимулы использования методов порошковой металлургии для изготовления конструкционных деталей - сокращение расхода металла, снижение энергопотребления и трудозатрат. Как правило, конструкционные материалы изготовляют на основе железа, но в последнее время интенсивно развивается производство этих материалов на основе порошков титана, алюминия и их сплавов.
Детали общемашиностроительного назначения можно подразделить на четыре группы: малонагруженные, умереннонагруженные, средненагруженные и тяжелонагруженные.

Эта классификация носит, конечно, условный характер (не следует, например, абсолютизировать данные о показателях относительных свойств). Однако в инженерной практике она имеет большое значение. Так, изделия первой группы являются малоответственными, их не рассчитывают на прочность, а размеры выбирают исходя из конструкционных и технологических соображений. Такие изделия изготовляют из стандартных порошков среднего качества, обычно прибегая к традиционной технологии порошковой металлургии - прессованию и спеканию; термическую обработку используют редко. При изготовлении деталей второй группы прибегают к операциям допрессовки и повторного спекания, после которого в большинстве случаев следует термическая обработка. Детали третьей и особенно четвертой группы являются особоответственными, для их получения применяют методы активированного спекания, пропитки, жидкофазного спекания, горячего прессования, холодной и горячей ковки (штамповки) с последующей термической и термомеханической обработкой. Эти детали работают не только при статических, но и при динамических нагрузках, поэтому требования к остаточной пористости, химическому составу, наличию включений в структуре (прежде всего тяжело-нагруженных деталей) тщательно регламентируют.

Следует отметить важность особенностей конструирования изделий из порошковых материалов практически любого назначения, учет специфики методов ПМ позволяет реализовать характеристики в полной мере.