способ электроконтактного спекания порошков с упрочнителями

Формула изобретения

Способ электроконтактного спекания порошковых материалов с упрочнителями, включающий смешивание порошков, их предварительное уплотнение, одновременное спекание и прессование давлением 5-10 МПа, отличающийся тем, что перед смешиванием порошки сортируют таким образом, чтобы размеры металлических частиц не превышали 80 мкм, а размеры упрочняющих частиц составляли от ¹ /₄ до ¹/₂ размера металлических частиц, при этом спекание осуществляют в одну стадию плотностью тока 5,5-51,0 А/мм².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения порошковых материалов с упрочнителями. Способ применим в машиностроении, автомобилестроении, тракторостроении и других отраслях промышленности при изготовлении изделий из порошковых материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения изделий из порошков с различной электропроводностью и размерами частиц от 5 до 160 мкм [пат. РФ №2096131, МКИ ⁶ B 22 F 3/105, 3/14, опубл. 1997]. При этом после предварительного уплотнения смеси порошков давлением до 25 МПа, спекание проводят в 2 стадии с различной плотностью переменного тока под давлением 5-10 МПа.

Известные причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивает предлагаемое изобретение, заключаются в наличии несплавлений и неравномерном распределении упрочняющих частиц (карбида кремния) в объеме материала, которые скапливаются в межзеренных пространствах, приводя к повышенной концентрации напряжений в этих участках в процессе эксплуатации.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить качество готового порошкового материала с неэлектропроводящими упрочняющими частицами, обеспечив более однородную структуру с равномерно распределенными по объему упрочняющими частицами, уменьшая концентрацию внутренних напряжений в межзеренных пространствах.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении износостойкости и прочности спекаемого изделия.

Указанный технический результат достигается за счет сортировки исходных порошков перед смешиванием таким образом, чтобы размеры металлических частиц не превышали 80 мкм, при этом размеры упрочняющих частиц составляли от до размера металлических частиц, а также за счет электроконтактного спекания в одну стадию плотностью тока 5,5-51,0 А/мм² с одновременным приложением давления 5-10 МПа после предварительного уплотнения порошковой смеси.

Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения существует причинно-следственная связь. Установлено, что с увеличением размеров исходных частиц порошка уменьшается число контактных участков, снижается доля тепловыделения на них и продолжительность начальной стадии спекания. Следовательно, для достижения более равномерного распределения температуры по сечению спекаемой прессовки необходимо повышение дисперсности исходных порошков. Однако это значительно удорожает себестоимость порошков, поэтому приемлемым максимальным размером металлических порошков является 80 мкм, когда контактное и объемное тепловыделения становятся сопоставимыми.

С другой стороны, если размеры упрочняющих частиц превышают ¹ /₂ часть размеров металлических частиц, упрочнители начинают соприкасаться между собой даже внутри металлической связки и выступать в межзеренные пространства, препятствуя образованию металлической связи между зернами; если же размеры упрочняющих частиц меньше ¹/₄ части металлических, то между ними образуется чрезмерная металлическая прослойка (не менее половины размера металлической частицы) с пониженной износостойкостью. Кроме того, увеличение размеров упрочнителей, обладающих меньшей электропроводностью по сравнению с металлами, вызывает заметное местное перераспределение линий тока в отдельных участках по сечению прессовки, ухудшая качество спекаемого материала.

Сортировка металлических и упрочняющих частиц по указанным размерам, создающая сравнительно однородную структуру перед электроконтактным спеканием, с последующим уплотнением порошковых заготовок в холодном состоянии позволяет осуществить горячее прессование в одну стадию переменным током плотностью 5,5-51,0 А/мм², т.к. в этом случае исключается начальная стадия спекания, связанная с формированием достаточной площади электрического контакта между отдельными частицами.

Возможность осуществления способа подтверждают следующие примеры, результаты которых приведены в таблице. Для спекания использовали сварочную машину МСР-50 мощностью 50 кВА и известное устройство, состоящее из корпуса с изоляцией и двух ступенчатых пуансонов-токоподводов, которые центрируются в корпусе огнеупорными втулками [пат. РФ. №2103113, МКИ⁶ B 22 F 3/14, опубл. 1998].

Пример 1. Спекали смесь отсортированных порошков меди с размерами частиц 30-60 мкм, никеля - 60-80 мкм, карбида вольфрама - 15-20 мкм. На нижний пуансон из меди насыпали слой разделительного порошка, содержащего графит и 25 мас.% оксида алюминия. Сверху насыпали смесь порошков меди, никеля и карбида вольфрама, а затем снова разделительный порошок. Устанавливали верхний пуансон и прессовали при давлении 20 МПа, используя в качестве смазки технический вазелин с дисульфидом молибдена. Затем наружные концы пуансонов закрепляли в зажимах сварочной машины и при давлении 5 МПа пропускали переменный ток плотностью 20,5 А/мм². После электроконтактного спекания с помощью металлографического анализа выявили, что кристаллы карбида вольфрама расположены в материале равномерно, чему способствовало оптимальное сочетание дисперсности исходных порошков.

Пример 2. Спекали смесь отсортированных порошков меди фракции 10-30 мкм, зеленого карбида кремния - 5-15 мкм. Спекание выполняли аналогично примеру 1 при давлении 5 МПа и плотности тока 5,5 А/мм². Полученные со шлифов спеченных образцов микрофотографии свидетельствуют о равномерном распределении карбида кремния по всему объему образца и высокой плотности порошкового материала.

Пример 3. Спекали смесь отсортированных порошков меди с размерами частиц 40-80 мкм и зеленого карбида кремния с размерами фракций 10-20 мкм. Спекание выполняли аналогично примеру 1 при давлении 10 МПа и плотности тока 51,0 А/мм². Анализ показал: карбид кремния равномерно распределился в меди, границы исходных частиц не различимы.

Пример 4. Спекали смесь отсортированных порошков бронзы БрА9Ж3Л с размерами частиц 80-100 мкм и зеленого карбида кремния - 45-80 мкм. Спекание выполняли аналогично примеру 1 при давлении 5 МПа и плотности тока 4,7 А/мм². Металлографический анализ показал наличие несплавлений отдельных поверхностей частиц порошка, крайне неравномерное распределение кристаллов карбида кремния по объему образца и его концентрацию в межзеренных пространствах.

Пример 5. Спекали смесь отсортированных порошков железа фракции 60-100 мкм и корунда - 3-8 мкм. Спекание выполняли аналогично примеру 1 при давлении 10 МПа и плотности тока 51,6 А/мм ². После спекания микрофотографирование шлифов порошковых материалов показало, что металлической основой является феррит; некоторое повышение микротвердости обусловлено наличием оксидов на поверхности исходного порошка железа, которые не могли быть удалены в процессе спекания, т.к. оно проводилось на воздухе. Пористость полученной заготовки не превысила 8%, однако обнаружены несплавления вблизи крупных исходных частиц железа. Ширина пустот достигала 0,15 мм. Малое контактное сопротивление в области протяженных электропроводящих частиц привело к недостаточному для оплавления металла локальному тепловыделению.

Пример 6. Спекали порошки бронзы БрА9Ж3Л с размерами частиц 80-100 мкм и зеленого карбида кремния - 45-80 мкм. Спекание выполняли согласно прототипу при давлении 5 МПа и плотности тока первоначально 4,5 А/мм² в течение 15 с, а затем 11,3 А/мм² в течение 5 с. Металлографический анализ показал наличие несплавлений отдельных поверхностей частиц порошка, крайне неравномерное распределение кристаллов карбида кремния по объему образца и его концентрацию в межзеренных пространствах.

На машине трения СМТ-2 определили износ полученных порошковых материалов по схеме "диск-пластина" без смазки по убыли массы, в качестве контр-тела использовали сталь 45. Приведенные в таблице результаты показывают преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом как по величине предела прочности, так и по износостойкости. В то же время, превышение размера металлических частиц более 80 мкм, несоблюдение предлагаемого соотношения между размерами металлических и упрочняющих частиц и рекомендованной плотности тока спекания (примеры 4 и 5) не обеспечивает требуемого технического результата.