5.3. Классификация порошковых сталей.

В зависимости от химического состава стали подразделяются на простые углеродистые и легированные.

В простых углеродистых сталях помимо углерода, содержание которого колеблется от 0,08 до 1,7%, могут находиться элементы, наличие которых обусловлено либо особенностями технологического процесса (марганца до 0,7%, кремния до 0,5%), либо невозможностью их полного удаления из металла (серы до 0,04%, фосфора до 0,05%, кислорода, азота, водорода). Кроме того, в углеродистой стали могут встречаться случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

Легированной называется сталь, для получения требуемых свойств которой в ее состав вводятся специальные легирующие элементы.

В зависимости от назначения порошковые стали делятся на конструкционные общего машино- и приборостроительного назначения, высокопрочные, нержавеющие, инструментальные, а также специальные.

По равновесной структуре порошковые стали классифицируются на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные с перлитной структурой; заэвтектоидные, содержащие в перлитной структуре избыточные (вторичные) карбиды, и ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды, которые выделились из жидкой фазы, например при распылении. В зависимости от структуры, получаемой после нагрева выше точек Ас₃ и охлаждения на спокойном воздухе, стали могут быть подразделены на перлитные, мартенситные и аустенитные.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного - более значительным, а аустенитного класса — высоким содержанием легирующих элементов.

Кроме приведенной классификации порошковые стали необходимо разделять по пористости и технологии их производства. В зависимости от объемного содержания пор порошковые стали подразделяются на непроницаемые (пор менее 5-8%), полупроницаемые (пор 8-14%) и проницаемые (пор более 12-14%).

В зависимости от технологий производства их можно подразделить на однократно и многократно прессованные в условиях статических нагрузок в закрытых пресс-формах при обычных и высоких температурах; стали, полученные при совмещении холодного прессования и спекания высокопористых заготовок с последующим динамическим горячим прессованием или горячей штамповкой; стали, полученные экструзией, прокаткой, взрывным прессованием.

5.4. Порошковые углеродистые конструкционные стали.

Под конструкционными порошковыми сталями понимаются сплавы, используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении различного рода деталей машин и приборов методами порошковой металлургии.

Для обозначения конструкционных порошковых сталей принята следующая маркировка. Первый буквенный индекс характеризует класс материала: П — что сталь получена методом порошковой металлургии, а второй К — конструкционная сталь. Первый числовой индекс после буквы П означает среднее содержание углерода в сотых долях процента (свободный углерод не должен превышать 0,2%). Следующие за первым числом буквы обозначают следующие 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, X — хром, Ц — цирконий. Цифры после символов элементов означают их среднее содержание в процентах, отсутствие цифры указывает на то, что массовая доля легирующего элемента не превышает одного процента.

Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр, например: сталь порошковая конструкционная медноникелевая со средней массовой долей углерода 0,4 %, никеля 2 %, меди 2 % и минимальной плотностью 6400 кг/м3 в соответствии с ГОСТ 28378-89 будет иметь следующее обозначение: ПК40Н2Д2-64.

В табл. 10 приведены составы наиболее широко применяемых порошковых сталей.

Таблица 10.

Химические составы (масс. %, основа — железо) конструкционных порошковых материалов по ГОСТ28378–89

Марка	С	Cu	Ni	Mo	Cr	Другие элементы
Стали малоуглеродистые, углеродистые, медистые
ПК10	≤0,30	-	-	-	-	-
ПК40	0,31-0,60	-	-	-	-	-
ПК70	0,61-0,90	-	-	-	-	-
ПК10Ф	≤0,30	-	-	-	-	Р: 0,8-1,2
ПК10Д2Ф	≤0,30	1-3	-	-	-	Р: 0,8-1,2
ПК10Д3	≤0,30	1-4	-	-	-	-
ПК10Д3К	≤0,30	1-4	-	-	-	S: 0,15-0,40
ПК10Д5	≤0,30	4-6	-	-	-	-
ПК40Д3	0,31-0,60	1-4	-	-	-	-
ПК40Д3К	0,31-0,60	1-4	-	-	-	S: 0,15-0,40
ПК40Д3КФ	0,31-0,60	1-4	-	-	-	S: 0,15-0,40
ПК70Д3	0,61-0,90	1-4	-	-	-	-
Стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые
ПК10Н2М	≤0,30	-	1-3	0,3-0,7	-	-
ПК10Н2Д2	≤0,30	1-3	1-3	-	-	-
ПК10Н4Д4	≤0,30	2-6	2-6	-	-	-
ПК10Н2Д6М	≤0,30	4-8	1-3	0,3-0,7	-	-
ПК40НМ	0,31-0,60	-	0,5-1,0	0,3-0,7	-	-
ПК40Н2М	0,31-0,60	-	1-3	0,3-0,7	-	-
ПК40Н2Д2	0,31-0,60	1-3	1-3	-	-	-
ПК40Н3Д2Х	0,31-0,60	1-3	2-4	-	0,5-0,15	-
Стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые
ПК40Н3Д2М	0,31-0,60	1-3	1-3	0,3-0,7	-	-
ПК40Н4Д2М	0,31-0,60	1-3	3-5	0,3-0,7	-	-
ПК70Н2Д2	0,61-0,90	1-3	1-3	-	-	-
Стали хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые
ПК70Х3	0,61-0,90	-	-	-	2,0-4,0	-
ПКХ6	0,91-1,20	-	-	-	5,0-7,0	-
ПК40Х2	0,31-0,60	-	-	-	1,0-3,0	-
ПК40Г2	0,31-0,60	-	-	-	-	Mn: 1,0-3,0
ПК40ХН2Г	0,61-0,90	-	1,0-3,0	-	0,5-1,5	Mn: 0,5-1,5
ПКГ13	0,91-1,20	-	-	-	-	Mn: 12,0-14,0
Стали нержавеющие
ПК10Х13М2	≤0,10	-	-	1,0-3,0	12,0-14,0
ПК10Х25	≤0,10	-	-	-	24,0-26,0
ПК20Х13	0,10-0,30	-	-	-	12,0-14,0
ПК40Х13М2	0,30-0,50	-	-	1,0-3,0	12,0-14,0
ПК10Х17Н2	≤0,15	-	1,0-3,0	-	16,8-18,0
ПК10Х18Н9Т	≤0,10	-	8,0-10,0	-	17,0-19,0	Ti: 0,5-0,8
ПК10Х18Н15	≤0,10	-	14,0-16,0	-	17,0-19,0

Таблица 11

Механические свойства конструкционных порошковых материалов на основе железа.

Марки	Плотность, 10^3кг/м^3	Твердость НВ, МПа	Временное сопротивление при растяжении, МПа	Относительное удлинение, %
	Не менее
Стали малоуглеродистые, углеродистые, медистые
ПК10	6,0	400	100	2
	6,4	500	140	3
	6,8	650	180	4
	7,2	800	220	6
	7,6	900	260	20
Стали малоуглеродистые, углеродистые, медистые
ПК40	6,0	550	140	-
	6,4	750	190	1
	6,8	900	240	2
	6,2	1000	2990	4
	7,6	1100	400	10
ПК70	6,0	800	200	-
	6,4	1000	250	1
	6,8	1200	300	1
	7,4	1450	600	4
ПК10Ф	6,8	650	200	3
ПК10Д2Ф	6,0	600	200	1
ПК10Д3	6,0	550	160	1
	6,4	650	200	2
	6,8	750	240	3
	7,4	900	500	15
ПК10Д3К	6,0	550	160	1
	6,4	650	200	2
ПК10Д5	6,0	750	200	-
	6,4	850	240	1
	6,8	950	280	2
	7,4	1100	600	10
ПК40Д3	6,0	800	220	-
	6,4	1000	280	-
ПК40Д3К	6,0	800	220	-
	6,4	1000	280	-
ПК40Д3КФ	6,0	850	240	-
	6,4	1050	300	-
ПК70Д3	6,0	1000	270	-
	6,4	1200	340	-
	6,8	1400	420	-
	7,4	1600	700	3
Стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые
ПК10Н2М	6,8	700	240	8
	7,2	850	270	12
	7,6	1000	450	18
ПК10Н2Д2	6,4	700	240	3
	6,8	900	270	4
	7,2	1100	300	6
	7,6	1300	500	15
ПК10Н4Д4	6,4	900	300	2
	6,8	1200	500	3
Пк10Н2Д6М	7,4	1800	800	3
ПК40НМ	6,8	900	300	4
	7,2	1100	340	6
	7,6	1300	600	10
Стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые
ПК40Н2М	6,4	800	260	2
	6,8	1000	320	4
	7,2	1200	380	5
	7,6	1400	700	7
ПК40Н2Д2	6,4	1000	300	1
	6,8	1200	360	2
	7,4	1500	700	5
ПК40Н3Д2Х	6,4	1200	350	1
	6,8	1500	500	2
ПК40Н2Д2М	6,8	1500	440	3
	7,4	1800	780	6
ПК40Н4Д2М	6,8	1800	600	1
	7,4	2200	880	4
ПК40Н4Д2М	6,8	1800	600	1
	7,4	2200	880	4
ПК70Н2Д2	6,4	1200	330	-
	6,8	1500	440	-
	7,4	2000	800	3
Стали хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые
ПК70Х3	6,4	1100	350	-
	6,8	1400	450	-
ПК40Х2	6,4	900	300	1
	6,8	1100	400	2
	7,4	1400	700	4
ПКХ6	7,4	1800	800	-
ПК40Г2	7,4	1400	700	5
ПК40ХН2Г	6,4	1000	320	1
	6,8	1200	450	2
	7,4	1500	850	6
ПКГ13	7,4	2400	-	-
Стали нержавеющие
ПК20Х13М2	7,4	1000	400	12
ПК10Х25	7,4	1600	400	15
ПК20Х13	6,4	1800	320	1
	6,8	2100	420	2
	7,4	2500	480	6
ПК40Х13М2	7,4	2800	550	4
ПК10Х17Н2	6,8	2300	400	2
	7,2	2700	500	8
ПК10Х18Н9Т	6,4	850	320	3
	6,8	950	380	4
	7,2	1050	400	5
	7,6	1300	550	15
ПК10Х18Н15	6,4	800	300	4
	6,8	900	380	5
	7,2	1000	400	6
	7,6	1250	550	20

В зависимости от условий работы конструкционные детали подразделяется на ненагруженные, малонагруженные, средне-нагруженные и сильно нагруженные. Условиями их работы определяются материал и технология их изготовления. Так, первые две группы изготавливаются на основе порошков железа с графитом и железа с чугуном однократным, прессованием и спеканием, а их пористость задается условиями работы. Эти же стали могут применяться и для изготовления средненагружениых деталей, но при пористости не более 10-12%.

Тяжело нагруженные, а также отдельные виды средненагружениых деталей изготавливаются на основе легированных сталей с использованием сложной технологий.

Углеродистые порошковые стали и стальные изделия могут быть получены путем непосредственного введения в железный порошок углерода в виде графита, сажи, или чугунного порошка, а также посредством науглероживания изделий в процессе спекания или их цементации после спекания. Наиболее распространенным является метод введения в порошковую смесь графита. Однако из-за неравномерного распределения графита по объему смеси стали, полученные на основе механических смесей, отличаются неравномереным распределением углерода в аустените, а в спеченном состоянии непостоянством соотношении структурные составляющих. Этот недостаток можно устранить путем замены традиционного графита наноуглеродом при соблюдении соответствующей технологии его ввода. Наиболее насыщенные углеродом микрообъемы аустенита располагаются вблизи графитовых включений, что способствует появлению в структуре спеченной стали свободного избыточного цементита и феррита в соотношениях, не соответствующих диаграмме состояния железо—углерод.

Независимо от метода введения углерода в порошковые стали углерод повышает прочность, но снижает пластичность. Наибольшей прочностью обладают стали со структурой после спекания тонкодисперсного перлита, исходные смеси которых содержат 0,8-1,0% графита.

К основным факторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей, относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси графита до 1,0-1,2% оптимальная температура спекания составляет 1200-1150°С, при содержании графита выше 1,2-1,5% — 1150-1050°С. Время спекания в зависимости от размеров садки и изделий составляет 1-4 ч. В качестве среды спекания применяются углеродосодержащие газы, диссоциированный аммиак и др. При использовании твердых сред применяют засыпки из крупки древесного угля, отработанного карбюризатора, чугунной стружки. Несмотря на сравнительно высокие прочностные свойства углеродистых порошковых сталей, изделия из них отличаются нестабильностью свойств из-за высокой чувствительности процесса формирования структуры и свойств сталей при спекании к воздействию внешних технологических факторов, что является большим недостатком в условиях массового производства.