2. Конструкционные материалы

Конструкционные детали являются наиболее распростра­нен­ным видом продукции порошковой металлургии. С учетом почти пол­ного отсутствия отходов, изготовление детали имеет 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 тяжело нагруженные детали, которые в свою очередь делятся на тяжело нагру­женные статическими и динамичес­кими усилиями.

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

Малонагруженные детали обыч­но имеют пористость 16–25 %, соответствующую 1-й 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-й группе плотности.

Тяжело нагруженные статическими усилиями детали изго­товляют из порошков углеродистых или легированных сталей и цветных сплавов. Пористость материала не должна превышать 9 % (3-я группа плотности). 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.

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

На рис. 1 представлена зависимость относительной проч­ности σ_отн = = (σ_пор / σ_комп) · 100 от относительной плотности γ_отн = = (γ_отн / γ_комп) · 100 порошковых материалов при различных тех­но­ло­ги­ческих процессах формообразования, где σ_пор, γ_пор – прочность и плотность порошковых материалов, а σ_комп, γ_кoмп – прочность и плотность ком­пактных материалов. С увеличением плотности одновременно возрастают пластичность и ударная вязкость. Изменяя пористость, можно регулировать плотность и механичес­кие свойства деталей, 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 (в г/см³). Например: ЖГр0,5-7,3; ЖГр0,4Д4Н3-7,3.

В марках порошковых конструкционных материалов из угле­родистых и легированных сталей первая буква определяет класс материалов («С» – сталь), вторая буква «П» указывает на 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. 1 приведены механические свойства некоторых марок порошковых материалов для различных условий нагружения.

Таблица 1