2. Конструкционные материалы

К онструкционные детали являются наиболее распространенным видом продукции порошковой металлургии. Учитывая почти пол­ное отсутствие отходов, они имеют минимальную стоимость и трудоемкость. Различают конструкционные порошковые мате­риалы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы и материалы, обладающие специальными свойствами — высокой износостой­костью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стой­костью, специфическими магнитными и электрическими характе­ристиками. В зависимости от условий нагружения различают мало-, средне- и тяжелонагруженные детали, которые в свою очередь делятся на тяжелонагру­женные статическими и динамичес­кими усилиями.

В зависимости от пористости детали из порошковых материалов делятся на четыре группы по плот­ности.

Малонагруженные детали обыч­но имеют пористость 16—25 %, соответствующую 1-ой группе плотности. Их изготовляют путем холодного прессования и спека­ния из железного порошка с до­бавкой графита, либо из порошков углеродистых сталей.

Средненагруженные порошко­вые детали изготовляют дву­кратным холодным прессованием и спеканием из порошков угле­родистых или низколегированных сталей, а также из железного порошка с добавкой углерода, меди, никеля. Пористость мате­риала при этом должна составлять 10—15 %, что соответствует 2-ой группе плотности.

Тяжелонагруженные статическими усилиями детали изго­товляют из порошков углеродистых или легированных сталей и цветных сплавов. Пористость материала не должна превышать 9 % (группа плотности 3). Изделия получают холодным прессо­ванием и спеканием с последующей дополнительной горячей и холодной штамповкой или горячим прессованием. Применяют также пропитку легкоплавкими металлическими расплавами с по­следующей термической обработкой.

Тяжелонагруженные динамическими нагрузками детали изготавливают из порошков углеродистых и легированных сталей и сплавов цветных металлов с пористостью не более 2 % (группа плотности 4). В этом случае проводят холодное прессование, спекание, горячую штамповку, горячее прессование или химико-термическую обработку.

На рис. 140 представлена зависимость относительной проч­ности относительной плотности порошковых материалов при различных тех­нологических процессах формообразования, —

прочность и плотность порошковых материалов, — прочность и плотность компактных материалов. С увеличением плотности одновременно возрастают пластичность и ударная вязкость. Изменяя пористость, можно регулировать плотность и механические свойства, подбирать материалы с заданным уров­нем свойств для конкретных условий работы изделий.

Холодное прессование с обычными скоростями процесса может обеспечить относительную плотность не более 84—85 %. После спекания такие материалы имеют относительную прочность около 50 %. Дальнейшее повышение плотности при холодном прессо­вании возможно за счет повышения скорости процесса до 6— 20 м/с. При этих скоростях достигается относительная плотность до 94—95 % и относительная прочность возрастает до 75 %. Применением горячей штамповки можно достичь плотности, близкой к 100 %. Прочность таких порошковых материалов со­поставима с прочностью беспористых литых или кованых мате­риалов соответствующего состава и структуры.

Для обозначения порошковых конструкционных материалов принята буквенно-цифровая маркировка.

В марках конструкционных материалов на основе порошков железа, легированных медью, хромом, никелем и т. д., приняты следующие обозначения: Ж — железо, Гр — графит, Д—медь, Н — никель, О — олово, М — молибден. Цифры после букв обозначают массовую долю элементов, проценты, а цифра в конце марки после тире — плотность материала, г/см³. Например, ЖГрО,5-7,3; ЖГрО,4Д4НЗ-7,3.

В марках порошковых конструкционных материалов из угле родистых и легированных сталей первая буква определяет класс материалов: «С» — сталь, вторая буква «П» указывает то, что материалы получены методами порошковой металлургии. Первая цифра после букв «СП» как и в случае конструкционных сталей, показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры после них — их среднее содержание в целых процентах. В конце марки через тире указывается группа плотности материала (1—4). В табл. 22 приведены механические свойства некоторых марок порошковых материалов для различных условий нагружения.

Основой для получения порошковых коррозионностойких ма­териалов обычно являются порошки сталей и сплавов определен­ного состава. Иногда для их изготовления используют смеси разных металлических порошков, однако такие материалы значи­тельно уступают по свойствам, особенно коррозионным, мате­риалам такого же состава из порошков сталей и сплавов. Детали из порошков сталей марок 12X13, 14Х17Н2, 10Х18Н10, 10Х23Н18 получают после одно- и двукратного прессования с последующей горячей обработкой давлением. Дополнительная обработка давле­нием позволяет снизить пористость до 2 % и менее и тем самым повысить как механические свойства, так и коррозионную стой кость коррозионностойких сталей. На рис. 141 приведена зависи­мость плотности порошковой стали с 13 % хрома от степени деформации при различных давлениях прессования. С увеличе­нием степени деформации возрастает плотность стали и умень­шается пористость.

Отрицательное влияние пористости на коррозионную стойкость обусловлено развитой поверхностью открытых сообщающихся пор. Например, скорость коррозии стали 08Х18Н15 с 30 % пор в кипящей 25 %-ной азотной кислоте в 100 раз больше, чем ком­пактной стали. Скорость коррозии образцов с 5,5—7 % пор в три раза, с 4,4 % пор — вдвое, а с 2,7 % — всего лишь на 2 % выше по сравнению с компактной деформированной сталью. Поэтому конструкционные детали из порошковых коррозионно-стойких сталей, предназначенные для работы в агрессивных средах, должны иметь пористость не более 3 %.

Беспористые и низкопористые порошковые коррозионностой-кие стали, полученные методами двукратного прессования и спе­кания, горячего вакуумного прессования и горячей штамповки, рекомендуются для коррозионностойких деталей ответственного назначения. Они не уступают по своим свойствам компактным сталям тех же составов.

Конструкционные материалы на основе цветных металлов и сплавов изготавливают из порошков алюминия, магния, берил­лия, меди, никеля, бронз, латуней, титана, хрома и других металлов и сплавов.

Марки порошковых конструкци­онных материалов на основе цвет­ных металлов также обозначают со­четанием буквенных и цифровых ин­дексов. Первый буквенный индекс указывает класс материалов: Ал — алюминий, Бе — бериллий, Бр — бронза, В — вольфрам, Г — марга­нец, Д — медь, Ж — железо, Л — латунь, М — молибден, Мг — магний, Н — никель, О — олово, П — фосфор, С — кремний, Св — свинец, Ср — серебро, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цинк, Цр — цирко­ний. Второй буквенный индекс «П» указывает, что материал получен методами порошковой металлур­гии. Следующие после него буквы обозначают легирующие эле­менты, а цифры после них — массовую долю элемента в про­центах. Цифра в конце марки после тире, как и для черных металлов, обозначает группу пористости материала. Состав и механические свойства некоторых конструкционных материалов из порошков цветных металлов приведены в табл. 23

.

Перспективно использование порошков титана и его сплавов для изготовления тяжелонагруженных деталей. Высокие механи­ческие свойства порошковых изделий на основе титана (б_в = 650-900 МПа, = 8-16 %) позволили применить их для изготовления шатунов автомобильных двигателей. Это дало воз­можность существенно уменьшить массу, снизить инерционные силы и повысить мощность двигателя. Из порошков титана орга­низовано серийное производство деталей типа втулок, крышек, труб, для химического и пищевого машиностроения, приборо­строения и др.