Кремнистые стали представляют собой графитизированные стали, полученные введением кремния в порошковые материалы на железной основе. Основные механические характеристики кремнистых сталей приведены в табл. 5.12.
Таблица 5.12
Основные механические свойства кремнистых сталей
| Материал | Предел прочности на растяжение, МПа | Предел прочности на изгиб, МПа | Предел прочности на сжатие, МПа | Твердость HRC |
| ЖГр1С2 | 610 | 1180 | 2510 | 43-49 |
| ЖГр1С2Д2 | 710 | 1070 | 2350 | 40-45 |
| ЖГр1,5С2 | 590 | 1140 | 2710 | 40-50 |
| ЖГр1,5С2Д2 | 620 | 1240 | 2590 | 40-42 |
Кремний является графитизирующим легирующим элементом. В процессе графитизации происходит выделение точечного мелкопластинчатого графита, который благоприятно влияет на повышение триботехнических свойств стали.
Совместное легирование кремнием и медью обеспечивает получение высоких механических и триботехнических свойств порошковых графитизированных сталей, что позволяет использовать их для изготовления деталей тяжелонагруженных узлов трения.
Марганцовистые стали. Марганец образует с углеродом карбид Мn3С,
который является более устойчивым и прочным, чем карбид железа Fe3C. При введении марганца в железоуглеродистые сплавы образуются карбиды типа (Fe,Mn)3C, в которых часть атомов железа замещено атомами марганца.
Механические характеристики марганцовистых порошковых сталей полученных механическим смешиванием железного порошка и легирующих элементов приведены в табл. 5.13.
Таблица 5.13
Механические свойства марганцовистых сталей
| Однократное | Двукратное | Горячая ковка | ||||
| прессование и спекание | прессование и спекание | спеченных заготовок | ||||
| Свойства материала | Предел прочности на растяжение, МПа | Относи- тельное удлинение, % | Предел прочности на растяжение, МПа | Относи- тельное удлинение, % | Предел прочности на растяже-ние, МПа | Относител ьное удлинение, % |
| Fe+6%Mn | 600 | 2,5 | 680 | 2,6 | - | — |
| Fe+2%Mn+0,8 %С | 580 | 2,5 | 670 | 2,8 | 1160 | 7,0 |
| Fe+2%Mn+2% Cr+0,6%C | 640 | 4,0 | 670 | 1,6 | 630 | 10,0 |
| Fe+2%Mn+2% Cu+0,6%C | 700 | 2,6 | - | - | 1000 | 8,5 |
| Fe+4%(Mn-Cr-Mo)+0,6%C | 630 | 1,5 | 700 | 1,5 | 1470 | 7,0 |
Молибденовые стали. Молибден является карбидообразующим элементом. Он образует железомолибденовые карбиды типа (Fe,Mo)3C, способствующие повышению механических и триботехнических свойств материалов.
Введение молибдена в железографитовую композицию с последующей термообработкой (закалкой и низким отпуском) приводит к повышению износостойкости и уменьшению коэффициента трения. Комплекс механических свойств возрастает на 15 - 25% по сравнению со спеченным состоянием.
В молибденовых сталях при воздействии скорости и нагрузки наблюдается процесс направленного аустенитно-мартенситного превращения, что приводит к упрочнению в процессе трения.
Хромистые стали. Хромистые порошковые стали используют как износостойкие материалы. Введение хрома в порошковые стали повышает прочность, износостойкость и придаёт особые физико-химические свойства.
Свойства порошковых хромистых сталей зависят от способа введения хрома, среды и температуры спекания. Так сталь марки 20X13, полученная механическим смешиванием порошка Х13 с графитом с последующим прессованием и спеканием имеет:
- предел прочности на разрыв, МПа - 190 – 300;
- относительное удлинение, % - 4 – 6.
После закалки и отпуска прочность стали увеличивается до 590 – 700 МПа, а пластичность уменьшается до 3 – 4%.
Износостойкая сталь, полученная введением в порошок железа углеродистого феррохрома и графита и динамическим горячем прессованием, имеет свойства:
- предел прочности на разрыв, МПа – 880 - 980;
- твёрдость HV, МПа – 6000 - 6200;
- плотность, г / см3 – 7,6 - 7,7.
Наибольшую износостойкость имеют стали, содержащие карбиды типа
(Fe,Cr)23C6.
Хромомолибденовые стали используются для изготовления деталей узлов трения с повышенными триботехническими и механическими свойствами.
Механические свойства некоторых хромомолибденовых сталей после спекания и закалки приведены в табл. 5.14.
Таблица 5.14
Механические свойства хромомолибденовых сталей
| Марка сталей | После спекания | После закалки | ||||
| Предел проч-ности на растяжение, МПа | Ударная вязкость, кДж/м2 | Твердость HRC | Предел прочности на растяжение, МПа | Ударная вязкость, кДж/м2 | Твердость HRC | |
| ЖГр1Х2М2 | 750 | 160 | 18-25 | 390 | 40 | 48-52 |
| ЖГр1Х5М5 | 440 | 110 | 33-40 | 460 | 26 | 41 -45 |
| ЖГр1Х5М10 | 690 | 78 | 37-40 | 460 | 35 | 38-45 |
| ЖГр1Х12М12 | 500 | 140 | 20-37 | 560 | 29 | 34-40 |
Для сталей, полученных из поликомпонентных шихт, характерна структурная неоднородность, которая повышается с увеличением легированности стали. Неоднородность структуры ведёт к понижению предела прочности на растяжение и ударной вязкости из-за действия концентраторов хрупкого разрушения.
Повышение однородности структуры стали достигается проведением цементации с последующей закалкой и низким отпуском. В результате химико-термической обработки понижается коэффициент трения и возрастает нагрузка до схватывания трущихся материалов. Это связано, с одной стороны, со значительным увеличением твердости поверхностного слоя, с другой — с уменьшением гетерогенности структуры.
Никелевые стали. В практике порошковой металлургии для легирования сталей, получаемых методом смешивания порошковых компонентов, могут использоваться три вида никелевого порошка:
- электролитический;
- карбонильный;
- восстановленный (порошок, получаемый восстановлением оксидов никеля).
Сталь, легированная восстановленным никелем, имеет гомогенную структуру, низкую пористость и высокие прочностные свойства.
На свойства порошковых никелевых сталей большое влияние оказывает способ введения углерода, который может вводится в виде графита, сажи, карбидов и насыщением изделий углеродом из твердого или газообразного карбюризатора. Влияние марки никелевого порошка и способа введения углерода на свойства спеченных сталей приведены в табл. 5.15. В сталь марки 50Н10К4М углерод вводили в виде мелкого коллоидного графита, а в стали 40Н10К4М в качестве углеродосодержащего компонента использовали железо марки Р-20.
Таблица 5.15
Влияние способа введения углерода и марки никелевого
порошка на свойства спеченных сталей
| Марка стали | Никелевый порошок | Относи- тельная плотность, % | Предел прочности на растяжение, МПа | Относитель- ное удлинение, % | Твердость, HRC |
| 50Н10К4М | Электролити- ческий | 93 | 1,12 | 1,7 | 45 |
| Карбонильный | 94 | 1,42 | 3,7 | 52 | |
| Восстановлен- ный | 95 | 1,47 | 4,6 | 55 | |
| 40Н10К4М | Электролити- ческий | 97 | 1,64 | 3,6 | 54 |
| Карбонильный | 97 | 1,73 | 6,5 | 55 | |
| Восстановлен- ный | 97 | 1,78 | 7,0 | 55 |
Наличие в составе шихты компонентов, имеющих низкий удельный вес (графит, сажа) вызывает сегрегацию в смеси и приводит к неоднородности структуры стали. Растворение графита в железной основе в процессе спекания сопровождается большой диффузионной пористостью, что снижает механические свойства спеченных сталей.