Для підвищення експлуатаційних властивостей порошкових конструкційних деталей використовуються практично всі відомі методи термічної і хіміко-термічної обробки, що застосовуються для звичайних сталей. Можливість термообробки звичайних сталей визначається складом сталі, теплопровідністю, швидкістю охолодження і розмірами деталі. При визначенні режимів обробки порошкових сталей необхідно враховувати залишкову пористість, яка має суттєвий вплив на теплопровідність, і, як наслідок, на фазові перетворення, що протікають при охолодженні [1, 2]. Крім того, при гартуванні наявність пор викликає інтенсивне утворення парової сорочки, що ускладнює тепловідвід від поверхні деталі, і сприяючи цим утворенню плямистої твердості [3].
Наявність пористості у виробах викликає необхідність ряду умов: нагрівання під загартування необхідно вести в захисних середовищах або вакуумі, час нагрівання і час витримки повинні бути на 20-30 % більше, ніж для литих сталей аналогічного складу, внаслідок зниженої теплопровідності необхідні підвищені швидкості охолодження [4]. Принципова відмінність загартованих порошкових сталей від беспористих полягає в тому, що якщо твердість у порошкових сталей після загартування підвищується (як у беспоритих сталях відповідного хімічного складу), то міцність або підвищується несуттєво стосовно спеченого стану, або навіть трохи знижується. У порошкових сталях при загартуванні на величину й розподіл гартівних напруг будуть впливати пори, міжчасткові границі, хімічна неоднорідність. Цей вплив проявляється у вкрай нерівномірному розподілі у виробах внутрішніх напружень, появі їхніх піків по краях пор і інших дефектів структури, що знижує в'язкість і сприяє крихкому руйнуванню. Підвищення міцності в загартованих сталях відбувається тільки після відпуску з температур, що забезпечують зняття гартівних напруг. Установлено, що максимальна міцність загартованих порошкових сталей досягається після проведення відпуску в інтервалі температур 200–450 0С.
З підвищенням пористості збільшується швидкість розкладання аустеніту, підвищується температура мартенситних перетворень. Істотний вплив має пористість і на швидкість охолодження порошкових сталей. Так, при охолодженні деталей пористістю 10-13 % на глибині 2 мм швидкість охолодження у воді досягає 510, а при пористості 24 % – тільки 290 ° С/с. Зниження швидкості охолодження пористих сталей по глибині знижує їх прогартованість, що необхідно враховувати при гартуванні виробів. У цьому випадку мартенситний шар, що утворюється, може мати малу товщину і при високих контактних навантаженнях здатний продавлюватись. Прогартованість порошкових сталей так само як литих залежить від кількості вуглецю [4].
Гартування вуглецевих і низьколегованих порошкових сталей проводять від температур, на 50-80 0С вище за точку АС3. В якості охолоджувальних середовищ використовують воду або водні розчини солей, а для сталей, схильних до крихкості і розтріскування – масло. Для збільшення швидкості охолодження виробів у гартівному середовищі їх необхідно енергійно перемішувати, тим самим порушуючи парову сорочку яка утворюється. Більш інтенсивне охолодження забезпечується струменями води. Температурні режими гартування порошкових безпористих сталей, отриманих гарячим пресуванням, гарячим штампуванням та іншими високоенергетичними методами, аналогічні режимам обробки звичайних сталей.
Швидкість охолодження при термічній обробці впливає на структуру й властивості виробів, тому вона строго встановлюється залежно від призначення обробки й вимог, пропонованих до термічно оброблюваних виробів. При загартуванні в маслі твердість нижче, ніж при загартуванні у воді, але спостерігається підвищення міцності. Пояснюється це тим, що більш «м'яке» загартування в маслі знижує величину й неоднорідність внутрішніх напружень і забезпечує більше стійкий стан структури в порівнянні із загартуванням у воді. Охолодження в маслі при загартуванні в більшості випадків не забезпечує одержання мартенситної структури, а відповідно високій міцності й твердості. Перевага води як гартівної рідини полягає в тому, що вона, маючи високу охолоджувальну здатність в інтервалі температур 650-550 0С, знижує дифузійне перетворення аустеніту в області його мінімальної стійкості. Ця властивість води є особливо цінним для порошкових сталей у зв'язку зі зниженою стійкістю аустеніту. Одночасно підвищена охолоджувальна здатність води в області температур 300-100 0С не забезпечує рівномірного охолодження, сприяє появі в загартованих виробах внутрішніх тріщин, а також тріщин і «м'яких» плям на поверхні. Температура нагрівання при термічній обробці впливає на структуру й властивості оброблюваних порошкових сталей, при цьому вона встановлюється залежно від складу сталі, її пористості й призначення обробки. Температура нагрівання під гартування для вуглецевих і низьколегованих сталей вище точки Ас3 на 60–80 0С. Вибір температури відпуску пов'язано з пористістю, зі збільшенням пористості сталей температура відпуску підвищується.
Нагрів під гартування пористих сталей необхідно проводити в безокислюваному середовищі. Температурні режими відпуску порошкових сталей аналогічні режимам відпуску звичайних сталей.
Таблиця 1. Режими хіміко-термічної обробки порошкових сталей (γ>7,2 г/см3)
| Процес | Склад насичуючої фази | Температура, 0С | Тривалість витримки, год. | Товщина шару, мм | Твердість, HRC |
| Газова цементація | Суміш 16–20 % СО, 12–16 % СН4+С2Н6, 30–40 % Н2, 20–30 % N2 | 6–12 | 0,6–1,4 | 58–64 | |
| Цементація у твердому карбірюзаторі | Деревне вугілля 70–76 %, BaCO3, 20–25 %, CaCO3 3,5 % | 920–930 | 5,5–16 | 0,6–1,8 | 58–64 |
| Газове азотування | Продукти дисоціації аміаку при ступеню дисоціації 15–50 % | 480–520 | До 80 | 0,5–0,7 | * |
| Високо-температурна нітроцементація | Ендогаз 80–90 %, природний газ 5–8 %, аміак 2–3 % | 900–950 | 2–4 | 0,7–1,2 | 58–64 |
| Нітроцементація | Ендогаз 80–90 %, природний газ 5–8 %, аміак 2,5–5 % | 840–870 | 4,0–5,5 | 0,8–1,0 | 60–62 |
*Hµ – 10,5–11,5 ГПа
Цементацію проводять з метою збільшення в поверхневому шарі змісту вуглецю до 1,0%. Збільшення пористості до 10% викликає збільшення глибини цементації в 2–3 рази в порівнянні з безпористою сталлю. При цементації залізних виробів підвищується їх міцність. Так, наприклад, при цементації в твердому карбюризаторі при температурі 920 °С протягом 6 годин зразки пористістю 7–8 і 13–15 % мали однакову міцність (σв = 300...330 МПа), що пояснюється більшою глибиною цементованого шару у зразків з більшою пористістю. Цементацію проводять при температурі вище АС3 у твердих і газоподібних середовищах які містять вуглець. Після цементації вироби можуть піддаватися гартуванню і відпуску.
Азотування проводять при більш низьких температурах (450–650 °С) в середовищі дисоційованого аміаку для підвищення твердості, зносостійкості та опору утворенню задирів.
Інші види хіміко-термічної обробки проводяться за режимами, встановленими для литих сталей. Деякі режими поверхневого зміцнення наведено в табл. 1.
Порошкові сталі через наявність пор мають підвищену схильність до корозії в порівнянні з литими сталями. Зниження корозії порошкових сталей досягається проведенням термічної обробки, а також за рахунок введення операцій пасивації й маслопросочування після термічної обробки (таблиця 2).
Таблиця 2. Технологія термічної обробки спечених сталей
| Найменування операції | Середовище | Температура, 0С | Час, хв. |
| Ванна нагріву | Соляна ванна 75–80 % BaCl2 + 25–20 % NaCl | 760–950 | Залежно від маси і розмірів |
| Ванна гартування | Вода +0,5 % NaCl або масло | 1–2 | |
| Сушка після гартування | Стиснене повітря | 70–100 | 3–6 |
| Ванна відпуску | 50 % KNO3 + NaNO2 | 160–500 | 9–18 |
| Перша мийка | Вода + 1 % Na2CO3 | 90–100 | 3–6 |
| Друга мийка | Вода | 90–100 | 3–6 |
| Пасивація | Вода + 4–5 % NaNO2 + 1–1,5 % Na2CO3 | 90–100 | 3–6 |
| Сушка | Повітря | 100–120 | 3–6 |
| Ванна просочування | Масло И-20 | 80–90 | 3–6 |
Проведені корозійні випробування показують, що швидкість корозії порошкових виробів різної пористості при відносній вологості повітря 90 % практично дорівнює швидкості корозії аналогічних порошкових матеріалів після спікання. Установлено, що й після тривалого зберігання корозійна стійкість термооброблених порошкових матеріалів у соляних розплавах порівнянна з корозією аналогічних матеріалів після спікання.
Порівняльні дослідження різних захисних середовищ при термічній обробці порошкових сталей дозволяють зробити висновок, що при нагріванні порошкових сталей у соляних ваннах властивості їх вище й стабільніше, чим при застосуванні газових захисних атмосфер. Крім того, час термічної обробки з використанням соляних ванн в 4–6 разів менше і операція виконання термічної обробки легко піддається автоматизації.
Список літератури:
1. Н.В. Коробова, А.М. Дмитриев Производство деталей из порошковых материалов на железной основе холодным формованием и последующим спеканием // Технология легких сплавов, 2008.–№4.– с.41–50
2. Howard Ferguson. Heat Treatment of Ferrous Powder Metallurgy // Parts ASM Handbook Volume 7, Powder Metal Technologies and Applications, 1990. – P. 645-655
3. Технология порошковой металлургии / А.Н. Степанчук, И.И. Билык, П.А. Бойко.– К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 415 с.
4. Цыганова М. С. Исследование влияния пористости на кинетические параметры распада аустенита порошковых сталей с целью прогнозирования структуры после термообработки : Дис. канд. техн. наук : Курган, 2004 159 с.
5. Гуревич Ю.Г. Закаливаемость и прокаливаемость порошковой стали ПК70ДЗ в зависимости от содержания в ней углерода // Металловедение и термическая обработка металлов, 2009.–№3.– с. 23-29