» » Изготовление компактных заготовок быстрорежущих сталей
15.01.2016

Распыленные гранулы быстрорежущих сталей имеют высокую твердость (7,2—7,5 ГПа), сферическую форму, гладкую поверхность, поэтому практически не прессуются в холодном состоянии. В связи с этим для получения компактных заготовок и изделий из порошков быстрорежущих сталей применяется метод горячего прессования в двух основных вариантах.
Первый вариант осуществляют с применением пластификаторов (стеарата цинка, парафина) при температуре 1100—1300 °С. При температурах ниже 1100 °С не происходит сращивания малопластичных гранул высокопрочных сталей (типа Р18), а при температуре выше 1300 °С возможно появление жидкой фазы. Максимальная плотность достигается при температуре 1250 °С, давлении 350 МПа и выдержке 15 мин. Остаточная пористость при этом составляет 3—5%. Повышение температуры и длительности выдержки приводит к образованию крупных карбидов. Преимущество этого метода состоит в компактировании порошка без использования контейнера и, следовательно, в отсутствии необходимости механической обработки для удаления контейнера.
Второй вариант горячего прессования осуществляют в контейнерах при температуре 1250—1280 °С, давлении 300 МПа и выдержке 20 мин, что обеспечивает практически полное устранение пористости.
Структура полученных полуфабрикатов характеризуется высокой однородностью, наличием дисперсных карбидов (0,3—0,5 мкм). Отжиг сопровождается формированием структуры сорбита с равномерно распределенными карбидами Мe3С и незначительным количеством Ме7С3. После закалки и отпуска твердость составляет 64-66 HRC.
Горячая экструзия капсул со свободно засыпанным порошком (гранулами) является экономичной технологией получения компактных заготовок. Отличительная особенность этой технологии — совмещение операций компактнрования и деформации. Преимущество метода заключается в высокой производительности, возможности использования существующего оборудования.
При горячем изостатическом прессовании уплотнение зависит от наличия пор в исходных гранулах. Температуры 1000 и 1100 °С оказываются недостаточными для полного устранения пористости, поэтому требуется повышение температуры компактирования.
ГИП с последующей ковкой капсул с компактируемым порошком представляет собой метод получения высококачественных заготовок инструментальных сталей.
Сравнение структуры и свойств полуфабрикатов быстрорежущей стали 10Р6М5К5, полученной компактированием быстрозакаленных порошков методом горячей экструзии, горячего изостатического прессования и по традиционной технологии выплавки слитка, является основой металловедческого подхода к выбору оптимальной технологии.
Микроструктура во всех случаях представляет собой мелкозернистый перлит, причем дисперсность карбидной фазы в заготовке из быстрозакаленных гранул выше, чем в обычной заготовке: 0,6—0,9 мкм и 2—20 мкм соответственно. Несмотря на высокую степень деформации при горячей экструзии (90 %), в структуре компакта встречаются отдельные гранулы с исходной дендритной структурой.
В связи с этим в структуре экспедированных заготовок, в отличие от заготовок, полученных ГИП с последующей ковкой, наблюдается некоторая строчечность в распределении карбидов, не превышающая одного балла карбидной неоднородности эталонных шкал.
Таким образом, применение металлургии распыленных порошков (гранул) позволяет устранить карбидную ликвацию быстрорежущей стали и значительно уменьшить размер карбидов.
Предварительный отжиг порошков снижает их твердость, повышает плотность компакта, сужает температурный интервал превращения перлита в аустенит на 10—15 °С, приводит к коагуляции карбидов Ме6С, Me7C3, МеС, Ме3С, уменьшению количества карбидов цементитного типа.
Полуфабрикаты, полученные ГИП с последующей ковкой, экструзией, гидростатическим прессованием с последующим спеканием, импульсным прессованием, характеризуются мелкозернистой структурой с равномерным распределением карбидов. Твердость гидростатически прессованных заготовок после спекания и отпуска при 560 °С соответствует 65 HRC и 61 HRC после отпуска при 620 °С. Структура и фазовый состав заготовок, полученных импульсным прессованием, практически не отличаются от структуры и фазового состава исходных порошков. Фазовый состав заготовок, полученных различными методами, представляет собой о: -фазу и карбиды Ме6С.
Сопоставление эффективности технологии горячей экструзии, горячего газостатического прессования с последующей ковкой и традиционной технологии показало, что максимальным уровнем твердости, теплостойкости, ударной вязкости характеризуется металл, полученный по схеме ГИП + ковка. Металл, полученный горячей экструзией, несколько уступает по ударной вязкости, но при этом уровень его других свойств значительно выше.
Микроструктура и механические свойства заготовок существенно зависят от содержания кислорода в исходном порошке. При содержании кислорода ниже 0,03 % не наблюдается выделений оксидной фазы. С повышением его содержания до 0,10 % появляются оксидные частицы по наследственным границам гранул и происходит образование обезуглероженных участков в виде «белых пятен». При высоком содержании кислорода образуется прерывистая или сплошная сетка оксидов по границам гранул.
Предел прочности и ударная вязкость полуфабрикатов стали Р18, полученной из быстрозакаленных порошков, существенно снижаются с повышением содержания кислорода: 0,10 % О2 — 2100 МПа и 45 кДж/м2; 0,18 % О2 — 1860 МПа и 32 кДж/м2; 0,25 % О2 — 1480 МПа и 22 кДж/м2. При этом снижается более чем вдвое стойкость резцов. Аналогичное влияние кислорода на свойства характерно и для других марок быстрорежущих сталей, полученных из быстрозакаленных порошков.
Для снижения содержания кислорода проводят вакуумно-термическую обработку порошка при температурах 1000—1100 °С и остаточном давлении 2,7—0,4 Па, что обеспечивает полное восстановление оксидных пленок на поверхности частиц порошка и снижение содержания кислорода с 0,2 до 0,03 %. Это приводит к резкому повышению предела прочности и ударной вязкости полуфабрикатов из стали Р18 до 2800 МПа и 110 кДж/м2, а для стали Р6М5К5 - до 2600 МПа и 150 кДж/м2.