Технология и свойства порошковых материалов и изделий из них : конструкционные материалы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1909 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

В.К. Нарва 

Технология и свойства
порошковых материалов 
и изделий из них 

Конструкционные материалы 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
150100 – Металлургия, профиль «Порошковая металлургия, 
композиционные материалы, покрытия»

Москва 2010 

УДК 621.762 
 
Н28 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. А.В. Манухин 

Нарва В.К. 
Н28  
Технология и свойства порошковых материалов и изделий 
из них: Конструкционные материалы: Курс лекций. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2010. – 124 с. 
ISBN 978-5-87623-303-5 

Рассмотрены вопросы формирования структуры и свойств порошковых 
конструкционных материалов на основе железа и цветных металлов. Описаны применяемые технологические схемы производства конструкционных 
материалов, методы улучшения свойств легированием основы, термической, 
химико-термической и термомеханической обработкой. Рассмотрены особенности всех видов обработки для порошковых материалов и отличия их в 
сравнении с литыми. Оценены преимущества и недостатки метода порошковой металлургии применительно к конструкционным материалам. 
Предназначен для студентов, обучающихся по профилю 150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», а также магистров, обучающихся по направлению «Металлургия». 

УДК 621.762 

ISBN 978-5-87623-303-5 
©
Нарва В.К., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Особенности развития порошковых конструкционных 
материалов.................................................................................................6 
2. Классификация конструкционных материалов на основе 
железа ........................................................................................................8 
3. Технология изготовления спеченных сталей...................................11 
4. Способы введения углерода в состав конструкционных 
материалов...............................................................................................16 
5. Формирование структуры при спекании порошковых сталей.......18 
6. Методы повышения физико-механических свойств 
конструкционных материалов на железной основе ............................23 
6.1. Повышение плотности изделий .................................................23 
6.2. Легирование конструкционных материалов.............................23 
6.3. Термическая обработка порошковых сталей ............................40 
6.4. Термомеханическая обработка порошковых сталей................67 
6.5. Химико-термическая обработка порошковых сталей..............70 
7. Конструкционные материалы на основе цветных металлов ..........95 
7.1. Конструкционные материалы на основе меди..........................95 
7.2. Конструкционные материалы на основе титана.....................100 
7.3. Спеченный алюминиевый порошок (САП) ............................105 
7.4. Сплавы на основе алюминия ....................................................118 
Заключение............................................................................................122 
Библиографический список.................................................................123 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Быстрые темпы развития науки и техники предъявляют чрезвычайно высокие требования к физическим, механическим и эксплуатационным свойствам применяемых материалов. Для удовлетворения этих требований при создании новых материалов все чаще используются методы порошковой металлургии. 
Одной из наиболее важных отличительных черт порошковой металлургии является присущая только ей совокупность приемов, позволяющих изготовлять полуфабрикаты и изделия из порошков металлов, сплавов и металлоподобных соединений или их смесей с неметаллическими порошками. Это прогрессивное производство, в котором сочетаются методы металлургии, материаловедения и металлообработки. 
Сейчас трудно назвать отрасль техники, где бы не использовались 
изделия, получаемые из порошков. С каждым годом в связи с ускорением темпов развития науки и техники все больше создается новых совершенных материалов, разрабатываются новые прогрессивные технологические схемы. 
Материалы, производимые методом порошковой металлургии, по 
назначению делятся на две основные группы. К первой относятся 
материалы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые 
и легированные стали, чугуны, цветные сплавы, т.е. наиболее распространенные, используемые в машиностроении и приборостроении. Их применение позволяет упростить технологию изготовления 
деталей, снизить трудоемкость и себестоимость и, следовательно, 
экономически выгодно. 
Вторую группу составляют материалы, характеризующиеся специальными свойствами – высокой прочностью и пластичностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, твердостью, жаропрочностью, регламентированными физическими характеристиками, например малой или большой плотностью, заданными магнитными и 
электрическими свойствами. К этой группе относятся пористые, антифрикционные, фрикционные, электротехнические, жаропрочные, 
инструментальные материалы. 
Любой из перечисленных материалов в той или иной мере можно 
назвать конструкционным. Однако в более узком смысле к последним причисляют те, из которых изготавливаются детали машин, механизмов, приборов. 

Такие материалы появились в 1937 г., когда за рубежом замок 
дверной ручки автомобиля изготовили из смеси порошков железа и 
графита, а уже в 1976 г. в США на один автомобиль приходилось 
более сотни спеченных деталей общей массой 11 кг. 
Сегодня превращение порошковой металлургии в многотоннажное производство спеченных изделий связывают, прежде всего, с 
удовлетворением возрастающих потребностей машиностроения. 
В России потребность в спеченных конструкционных деталях 
(шестерни, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, хромовики, собачки, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки и корпуса 
подшипников, детали насосов и счетно-решающих устройств, диски, 
втулки, фланцы и др.) превышает 60 % общего выпуска спеченных 
изделий. 
В целом ежегодный объем выпуска конструкционных порошковых изделий в мире находится на уровне 400…450 тыс. т, а ожидаемый объем их производства оценивается в 1000…1500 тыс. т. 
Получение порошковых конструкционных деталей дает значительный экономический эффект. Себестоимость изготовления 1 т порошковых конструкционных деталей средней сложности в 2–2,5 раза ниже 
себестоимости 1 т деталей, изготовленных механической обработкой 
из проката и литья. В ряде случаев эффективность использования 
порошковых деталей значительно возрастает за счет увеличения срока их службы по сравнению с деталями из литых материалов. 
 
 

1. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ 
ПОРОШКОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 

Особенности развития спеченных конструкционных материалов 
связаны с совершенствованием техники и возрастанием требований к 
применяемым материалам и изделиям. Рассмотрим особенности спеченных материалов. 
1. Усложнение состава, поскольку более высокими свойствами 
обладают не углеродистые, а легированные стали, сплавы на основе 
цветных металлов, а не чистые металлы. 
2. Повышение плотности изделий, поскольку остаточная пористость спеченных изделий часто определяет их невысокие свойства 
(твердость, прочность, износостойкость). Совершенствование технологии получения изделий, использование наиболее совершенных методов формования, спекания, горячего импульсного прессования позволяет значительно повысить плотность изделий и их свойства. С 
целью повышения плотности для конструкционных изделий широко 
используется двойное прессование и спекание. Даже при весьма высоких давлениях нельзя получить плотную деталь за один цикл холодного прессования. Чрезмерное давление прессования приводит к 
расслою. Поэтому после первого прессования производится спекание 
при сравнительно низких температурах. При этом снимаются внутренние напряжения и становится возможным второй цикл прессования, что приводит к дальнейшему уплотнению детали. 
3. Усложнение формы получаемых изделий. Если ранее в основном производили детали только простой формы, то в настоящее время освоено изготовление изделий сложной формы. 
4. Применение дополнительной обработки спеченных изделий. К 
ним относятся термическая, химико-термическая и термомеханическая виды обработки, которые позволяют значительно повысить конечные свойства изделий. Их широко используют несмотря на некоторое усложнение технологии. 
5. Использование конструкционных материалов со специальными 
свойствами. В ряде случаев это материалы, которые логично можно 
получить только методом порошковой металлургии: с неравновесной 
структурой, многослойные, дисперсно-упрочненные и др. 
Требования к металлическим порошкам для конструкционных материалов диктуются стремлением обеспечить высокую плотность и 

повышенные физико-механические свойства изделий. Среди них 
следует отметить: 
а) большую насыпную массу, за счет чего удается снизить давление прессования, высоту прессформы, ход плунжера пресса, себестоимость изделий; 
б) высокую текучесть, которая важна для объемной дозировки 
шихты при прессовании изделий на механических прессах; 
в) чистоту порошка, гарантирующую неизменность химического 
состава после спекания, поскольку при восстановлении оксидной 
пленки порошка при спекании изделий в восстановленной атмосфере 
происходит выгорание углерода из шихты и изменяется химический 
состав материала; 
г) дешевизну порошка, которая во многом определяет стоимость 
изделий. 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 

Порошковые конструкционные материалы классифицируются по 
различным признакам. По условиям эксплуатации и степени нагруженности конструкционные материалы подразделяются на четыре группы: 
малонагруженные, умеренно нагруженные, средненагруженные и тяжело 
нагруженные. Разделение на указанные группы производится в зависимости от предела прочности материала на сжатие и его пористости. Так, 
предел прочности малонагруженных деталей не превышает 20…25 % 
предела прочности беспористого материала при пористости 16…25 %. 
Детали, изготовленные из такого материала не подвергаются расчету на 
прочность, а их размеры выбираются из конструкционных и технологических соображений (крышки приборов, колпачки, заглушки и др.) 
Для умеренно нагруженных деталей, изготовленных из материалов пористостью 10…15 %, предел прочности на сжатие составляет 
50…55 % предела прочности беспористого материала. 
Для средненагруженных и тяжело нагруженных деталей используют материалы, предел прочности на сжатие которых составляет 
соответственно 70…75 % и более 90 % предела прочности беспористого материала (шестерни, рычаги, кулачки и т.д.). При этом пористость первых составляет 8…12 %, вторых – близка к 0 % [1]. 
Для определения предела прочности на сжатие материалов малой 
и средней пористости используют формулу М.Ю. Бальшина: 

 
(
)
1

m
σ = σ
−
к
П
, 

где σк – предел прочности беспористого материала, МПа; 
m – константа, изменяющаяся от 3 до 6; 
П – пористость материала. 

Для определения предела прочности на сжатие хрупких материалов применяют формулу В. Рышкевича: 

 
(
)
exp b
σ = σк
П , 

где В – коэффициент, b = 4…7. 

Малонагруженные детали, находящие наибольшее применение в 
машиностроении, приборостроении, целесообразно изготовлять из 
железного порошка без или с добавкой углерода прессованием и 

спеканием. Умеренно нагруженные детали с пористостью 10…15 % 
целесообразно изготовлять из порошков углеродистых или низколегированных сталей однократным или двухкратным прессованием и 
спеканием. Средненагруженные детали с пористостью не более 10 % 
следует изготовлять и порошков углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов двухкратным прессованием и спеканием, горячей или холодной штамповкой, горячим прессованием. 
Тяжело нагруженные детали, эксплуатируемые в условиях высоких статических и динамических нагрузок, целесообразно изготовлять из гомогенных порошков легированных сталей или сплавов с 
пористостью менее 2 %. Изделия получают горячей или холодной 
штамповкой спеченных заготовок с последующей термомеханической обработкой. Применяют и другие высокоэнергетические методы прессования (горячее, изостатическое, динамическое и др.) 
Порошковые стали обозначаются марками, сочетающими цифры 
и буквы. Первая буква С обозначает класс материала – сталь, П – материал получен методом порошковой металлургии. Первая цифра 
после букв указывает на среднее содержание общего углерода, выраженного в сотых долях процента. Буквы за первой цифрой, как и 
для литых сталей, обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – 
ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий. Цифры после обозначения этих элементов указывают на среднее содержание элемента. Цифры после 
дефиса указывают, к какой группе по плотности относится материал. 
Порошковые стали по плотности подразделяются на четыре группы. 
Например, обозначение стали СП60ХН3М-2 читаем так: С – сталь, П 
– получена методом порошковой металлургии, 60 – содержание углерода 0,6 %, Х – хрома 1 %, Н – никеля 2,8…3,2 %, М – молибдена 1 
%, 2 – вторая группа по плотности (табл. 2.1). 

Таблица 2.1 

Классификация порошковых сталей по плотности 

Группа по плотности 
Свойства 
1 
2 
3 
4 

Пористость, % 
 
Плотность, г/см³ 

25…16 
 
6,0…6,6 

15…10 
 
6,7…7,17 

9…2 
 
7,2…7,7 

2 
 
7,7 

Порошковые стали по составу разделяют на следующие группы: 
углеродистые, легированные, высокопрочные, нержавеющие. Изме

няя содержание углерода в исходном сырье, технологию производства, можно получать углеродистые порошковые конструкционные 
стали с различными свойствами. 
При использовании легированных сталей повышаются прочностные 
свойства деталей. Наиболее распространенными легирующими элементами таких сталей являются никель (7…20 %), кобальт (4…17 %), молибден (4…5 %), титан (0,8…3,5 %), алюминий, марганец, хром (1…4 %). 
Нержавеющие порошковые стали все шире применяться в технике 
в качестве коррозионностойких материалов. Коррозионная стойкость 
таких материалов существенно зависит от гомогенности и пористости 
материалов. Основными легирующими элементами нержавеющих порошковых сталей являются никель (2…28 %) и хром (12…16 %). Кроме 
того, в их состав вводят молибден (0,1…3,0 %), марганец (0,1…0,6 %), 
кремний (0,1…1,0 %), углерод (0,02…0,10 %). 

3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
СПЕЧЕННЫХ СТАЛЕЙ 

Технологические процессы изготовления порошковых конструкционных материалов определяются степенью нагруженности деталей: чем она выше, тем сложнее технологический процесс изготовления детали (рис. 3.1) [2]. Так, малонагруженные детали изготовляют холодным прессованием и спеканием, а средненагруженные и 
тяжело нагруженные – двойным прессованием и спеканием или другими высокоэнергетическими способами (горячая штамповка, горячее прессование и т.п.). 

Малонагруженные 
Умеренно нагруженные 
Средненагруженные 

Железо 
Углеродистые 
стали 

Углеродистые

стали 

Низколегированные 
стали 

Углеродистые 
стали 

Легированные 
стали 

Подготовка шихты 

Прессование, МПа 

Углеродистые 
стали 

300…500 МПa
300…500 МПa 
600…800 МПa 
400…600 МПa
800…1000 МПa

Спекание, °С 

1050…1200 
1100…1200 
1100…1200 
1100…1200 
1100…1200 

Поверхностная 
обработка 

Допрессовка 
400-500 МПa
Термообработка
Допрессовка 
400-600 МПa

Допрессовка 
600-700 МПa

Спекание 
1100…1200 °С

Спекание 
1100…1200 °С 

Спекание 
1100…1200 °С

Калибровка 
Термообработка
Цементация 
920 °С 

Готовые изделия 
 

Рис. 3.1. Принципиальная технологическая схема 
изготовления малонагруженных, умеренно и средненагруженных 
конструкционных деталей 

Малонагруженные и умеренно нагруженные конструкционные 
детали изготовляют прессованием и спеканием порошков железа или