Железные и легированные порошки в России - промышленные технологии и перспективные разработки

ЖЕЛЕЗНЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ ПОРОШКИ В РОССИИ – ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ

АКИМЕНКО В.Б. 1, ГУЛЯЕВ И.А. 1, КАЛАШНИКОВА О.Ю.1,
СЕКАЧЕВ М.А.1, ГАВРИЛОВ С.А. 2, ГАВРИЛОВ В.А.2

1ФГУП « ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»,г. Москва, Россия,
тел./факс: (+7 495) 777-93-56, e-mail: akimenko08@mail.ru
2ООО «ССМ-ТМ», г. Череповец, Россия,
тел.:(+7 202) 56 61 20, e-mail: va.gavrilov@ss mtm.ru.

В современной России порошки на железной основе в про-мышленных масштабах производят в ООО «Северстальмаш-Тяжмаш» (г.Череповец Вологодской обл.) методом распыления расплава чугуна сжатым воздухом. Производство восстановлен-ных железных порошков на ЗАО «Стакс» (г. Красный Сулин, Рос-товская обл.) временно преостановлено.
Исходя из требований потребителей, а также основываясь на мировых тенденциях развития порошковой металлургии железа, разработки Института порошковой металлургии «ЦНИИчермет им.И.П.Бардина» (ИПМ ЦНИИчермет) последнего десятилетия в этой области направлены, в первую очередь, на расширение ма-рочного состава и создание прогрессивных технологий получения железных и легированных порошков для нового поколения техники.
Среди новых процессов и классов порошковых материалов, созданных в последнее время и имеющих не только научное, но и важное практическое значение с точки зрения их освоения отечественной промышленностью, необходимо выделить три: восстановленные железные порошки, распыленные железные порошки и легированные порошки на их основе.
По первому направлению разработана и успешно опробова-на в опытно-промышленных условиях запатентованная техноло-гия получения восстановленных железных порошков высших марок из первородного сырья – гематитовых руд Курской маг-нитной аномалии (КМА) [1]. Использование этой технологии по-зволяет производить высококачественные железные порошки в широком интервале насыпной плотности (от 2,0 г/см3 до 2,6 г/см3) и прочностью прессовки до 50МПа при плотности 6,5г/см3.
В процессе исследований выявлен еще один вид высокока-чественного сырья для производства восстановленных желез-ных порошков в широком диапазоне потребительских характери-стик – гранулированные оксиды травильных растворов ОАО НЛМК. Эти гранулы по содержанию примесей аналогичны чисто-вой прокатной окалине кипящих марок стали, а по составу и кри-сталлическому строению соответствуют гематиту (α-Fe2O3). При этом они имеют округлую форму частиц размером не более 2мм, насыпную плотность около 3г/см3, обладают высокой текучестью и не склонны к образованию пыли в процессе транспортировки и переработки. Установлено, что при карботермическом восстановлении гранул в проходных промышленных печах без существенных изменений технологического передела могут быть получены железные порошки марки ПЖВ2 с насыпной плотностью от 2,2г/см3 до 2,4г/см3. Как показали испытания, проведенные в ОАО АВТОВАЗ, эти порошки по своим потребительским свойствам могут успешно конкурировать с аналогичной продукцией шведской фирмы «Hoganas AB». Исследования, выполненные ИПМ ЦНИИчермет, показали также, что при водородном восста-новлении гранулированных оксидов в проходных конвейерных печах можно в промышленных масштабах получать «легкие» железные порошки с насыпной плотностью 1,5- 2,0г/см3.
В качестве основных разработок института в области распы-ленных железных пороков следует выделить процесс получения воздухораспыленного железного порошка с высокоактивной по-верхностью частиц [2], характеризующегося сочетанием лучших технологических свойств восстановленных и распыленных порошков: хорошей формуемостью и высокой уплотняемостью при сохранении необходимого уровня текучести и насыпной плотности.
Технология основана на создании на поверхности частиц распыленных порошков, чистых по химическому составу, высо-копористого кораллоподобного железа, сходного по строению с восстановленными железными порошками и обладающего су-щественно большей площадью удельной поверхности по срав-нению с обычными железными порошками. Как показали элек-тронно-микроскопические исследования (рис.1), поверхность частиц высокоактивных порошков покрыта множеством коралло-подобных наростов сформированных из отдельных кристалли-тов, размер которых колеблется от десятков до сотен наномет-ров и зависит, в основном, от температуры и длительности отжига. Такая особая структура порошка формируется в процессе обезуглероживающе-восстановительного отжига воздухораспыленного порошка-сырца с применением специальных дисперсных добавок: оксида железа Fe2O3, имеющего структуру гематита и порошка графита в количестве, обеспечивающем отношение содержания кислорода к углероду в порошковой шихте на уровне 2,2-2,4.




Рис.1. Сканограмма частиц высокоактивного воздухораспыленного железного порошка, РЭМ, х1430


Результаты исследования основных физико-технологических свойств распыленных высокоактивных железных порошков ново-го поколения с различным содержанием активирующих добавок, представленные на рис.2, свидетельствуют, что описанное выше состояние поверхности железного порошка позволяет не только существенно повысить прочность прессовки (выше 25МПа), т.е. значительно улучшить формуемость распыленных порошков, но и сохранить такое важное преимущество перед восстановлен-ными порошками, как высокая уплотняемость. Сопоставление свойств лабораторных парий высокоактивного железного порошка ПЖРВ2.200, полученного с добавлением 6%Fe2O3 в исходную порошковую шихту, с потребительскими свойствами железных порошков высших марок отечественных и ведущих мировых производителей показало, что по прочности прессовки разработанный порошок практически не уступает восстановленному железному порошку, а по уплотняемости соответствует водораспыленному порошку (табл.1). Производство такого железного распыленного порошка нового поколения планируется освоить в цехе изложниц ООО «ССМ-ТМ», где успешно прошли первые эксперименты по опробованию новой технологии.
Известно, что существенным резервом повышения эксплуа-тационных свойств порошковых сталей является введение в же-лезные порошки легирующих элементов, в том числе таких не традиционных для литых и катаных сталей, как сера, фосфор и медь. В этом направлении, в последние годы в ИПМ ЦНИИчер-мет разработана широкая гамма легированных железных по-рошков, в которых легирующие добавки распределены с различ-ной степенью гомогенности в зависимости от технологии изго-товления изделий и условий их эксплуатации. При этом, в каче-стве основы были использованы как распыленные, так и восста-новленные железные порошки в диапазоне насыпной плотности от 2,0 г/см3 до 3,0 г/см3.


Рис.2. Влияние концентрации активирующей добавки Fe2O3 на свойства порошка

Таблица 1
Свойства распыленных железных порошков
Марка порошка Насыпная плотность, г/см3 Теку-честь, с/50г Упл.,г/см3 при давлении, МПа Прочн. пресс.,МПа, при плотн. 6,5г/см3
400 700
Распыленный порошок с высокоактивной поверхностью
ПЖРВ2.200 2,2 38 6,4 7,1 30
Порошки ООО «ССМ-Тяжмаш»
ПЖРВ2.200 2,6 37 6,6 7,1 18
ПЖРВ3.200 2,8 34 6,5 7,0 14

В настоящее время ИПМ ЦНИИчермет подготовлены к про-мышленному освоению технологии производства следующих видов легированных железных порошков:
- железо-медные лигатуры с содержанием меди 5-20% для прецизионных конструкционных, триботехнических и электрокон-тактных деталей;
- порошки железо-фосфор и железо-фосфор-олово с 0,5-1,0% Р и 5-8% Sn для электротехнических изделий из магнитно-мягких материалов и деталей приборов типа магнитных клапанов, экранов и др.;
- порошки систем Fe-Ni-Mo-Co, Fe-Ni-Mo-Cu-Si для высоко-прочных износо- и теплостойких деталей, например, направляющих роликов сортовых прокатных станов. Основой для получения этих порошков методом частичного легирования служит воздухораспыленный порошок, гомогенно-легированный никелем [3,4];
- порошки систем Fe-Ni-Mo и Fe-Ni-Mo-Cu на основе высоко-активного воздухораспыленного железного порошка для получе-ния высокопрочных спеченных изделий особо сложной конфигу-рации, в том числе таким прогрессивным методом формования, как теплое прессование.
Для производства высокопрочных и теплостойких деталей автомобилей семейства ВАЗ и ГАЗ в ООО «ССМ-ТМ» по разра-боткам ИПМ ЦНИИчермет в 1998-2001гг. освоены промышленные технологии [5,6] получения частично-легированных железных порошков марок ПЛ-Н4Д2М-РВ (Fe-4%Ni-1,5%Cu- 0,5%Mo), выпускаемых по ТУ 14-1-5402-2000, и ПЛ-К6МН (Fe-6%Co-1,5%Mo-1,5%Ni), выпускаемых по ТУ 14-1-5427-2001 (табл.2).
Таблица 2
Основные потребительские свойства частично-легированных железных порошков, промышленно освоенных в ООО «Северстальмаш-Тяжмаш»
по технологии ИПМ ЦНИИчермет

Марка порошка Насыпная плотность, г/см3 Текуч., с/50г Уплотня-емость*, г/см3,
Прочность прессовки**, МПа
ПЛ-Н4Д2М-РВ-27 2,60-2,80 ≤37 ≥6,95 (600) ≥25
ПЛ-Н4Д2М-РВ-29 2,60-3,05 ≤34 ≥7,00 (600) ≥23
ПЛ-К6МН 2,7-3,1 ≤33 ≥7,05 (700) ≥15
Примечание. * В скобках – давление прессования образцов, МПа.
**Прочность прессовки при плотности образцов 7г/см3.

В 2007 г. коллектив ИПМ ЦНИИчермет совместно с ОАО «АВТОВАЗ» и ООО «ССМ-Тяжмаш» за разработку порошковых материалов на основе легированных порошков был награжден Серебряной медалью лауреата международной выставки
«Металл-Экспо».
Таким образом, современные железные и легированные по-рошки, выпускаемые в России в промышленных масштабах, практически не уступают лучшим зарубежным маркам.
По разработанным в последние годы в ИПМ ЦНИИчермет технологиям возможно в максимально сжатые сроки на сущест-вующих производствах значительно расширить номенклатуру железных и легированных порошков для различных видов изде-лий, конкурентоспособных с аналогичной продукцией ведущих производителей Европы, Северной Америки и Японии.
Литература:

1. Пат.2231420 РФ, МКИ7 B22 F 9/20. Способ получения железного порошка/ М.А.Секачев, В.Б.Акименко, И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова - №2002134350. Заявлено 20.12.02. Опубл. 27.06.04 Бюл. № 18.
2. Пат.2364469 РФ, МПК8 B22 F 9/08. Способ получения железного порошка/ В.Б.Акименко, И.А.Гуляев, М.А.Секачев и др. - №2008121386. Заявлено 29.05.08. Опубл. 20.08.2009 Бюл.№ 23.
3. Пат.2327547 РФ, МПК8 B22 F 9/08, 9/04 1/00. Способ получения порошка на железной основе (его варианты)/ И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова, И.А.Липгарт и др. - №2006132830. Заявлено 14.09.06. Опубл. 27.06.08 Бюл.№ 18.
4. Пат.2327548 РФ, МПК8 B22 F 9/08, 9/04 1/00. Способ получения порошка на железной основе (его варианты)/ И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова, И.А.Липгарт и др. - №2006132829. Заявлено 14.09.06. Опубл. 27.06.08 Бюл.№18.
5. Пат.2202445 РФ, МКИ7 B22 F 9/06, 1/00. Способ получения порошка на железной основе/ И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова, А.А.Обухович и др. - №2001127140. Заявлено 05.10.01. Опубл. 20.04.03 Бюл.№11.
6. Пат.2202446 РФ, МКИ7 B22 F 9/06, 1/00. Способ получения порошка на железной основе (его варианты)/ И.А.Гуляев, О.Ю.Калашникова, А.А.Обухович и др. - №2001127141. Заявлено 05.10.01. Опубл. 20.04.03 Бюл.№11.