Порошковая сталь что это такое

Обновлено: 28.04.2024

Среди многих металлических сплавов сильно значимое место занимает известная сталь Elmax. Изначально её изготавливал одноимённый шведский концерн UDDEHOLM AG. Швеция всегда славилась своим высоким качеством. На данный момент выпуск налажен другими фирмами по всему миру.

Что такое порошковая металлургия

Прежде всего, порошковая металлургия – это технология получения металлических порошков и последующее создание их них различных изделий. В общем виде процесс изготовления включает в себя 4 основных этапа:

производство порошка;
смешивание полученных порошков;
прессование;
и последующие их сплавление в цельную сталь.

Проще говоря, если сдавить два куска металла под высокой температурой, то они меняют свою форму и сливаются воедино, между ними исчезает граница, их атомы входят в реакцию, и из двух частей получается одна.

Точно также и со стальным порошком: его сжимают при больших температурах, при этом раздельные мелкие частицы сплавляются, образуя цельный массив. Можно получить как готовое изделие, проводя операцию в какой-либо форме, так и прокат для будущего производства.

Особенности порошковых технологий

Как известно стандартный процесс изготовления сталей более дешёвый и простой в сравнении с порошковым. Отсюда может возникнуть вполне логический вопрос, зачем менять то, что проверенно временем. Чтобы понять это, нужно заглянуть несколько глубже.

В общепринятой технологии выпуска сталей (мартены, конвертер и т.п.) проводится начальное охлаждение и кристаллизация определённой консистенции. Застывание происходит за счёт образование металлических зёрен. Их форма и размеры находятся в прямой зависимости от перепадов температуры.

Если требуется, чтобы в конечном итоге металл приобрел какие-то конкретные свойства, требуется тщательный контроль за температурным и временным режимом, в некоторых случаях даже последующая термическая обработка готового продукта. Лишь беспрекословное выполнение каждого стандарта может дать гарантии правильного группирование образующих частиц.

У порошковых сталей, в том числе и у Elmax, таковой недостаток отсутствует, так как то самое распределение включенных элементов программируется заранее за счёт размера металлической пыли. Увеличение кристаллов теперь не зависит от температуры и ограничено этими порошинками, которые равно распределятся по всему массиву, давая однородный состав.

Этот метод имеет существенные преимущества над традиционным:

Экономия качественного и дорого материала, так как основным источником для производства могут служить даже отходы, например, окалина, которая нигде не годится, а тут активно используется.
Методы производства порошковых сталей компенсирует потери вследствие технологического процесса.
Изделия, изготовленные с применением этой технологии, имеют высокую стойкость к образованию коррозий.
Процесс производства не отличается высокой сложностью и чем-то напоминает создание керамики.

Первоначально сталь предназначалась для изготовления режущих элементов станков, обрабатывающих различные по составу и свойствам пластмассы, и приобрела наибольшую популярность и позитивные отзывы ножовщиков-профессионалов в Германии и в скандинавских странах, а после – и в других частях мира.

Плюсы

Сталь Elmax, созданная порошковой металлургией, благодаря своей технологии изготовления имеет большое количество достоинств, среди которых:

Превосходное сопротивление коррозиям, что обусловлено высоким содержанием хрома. Это качество раскрывается в полной мере при тщательной шлифовке и полировке поверхности.
Режущие инструменты из этой стали способны длительное время удерживать остроту режущей кромки. После правильной закалки твердость материала находится в пределах 60 HRC.
Упрочнённая микроструктура сплава даже при очень остром угле заточки позволяет использовать лезвие долгое время без потери начальных свойств.
Металл обладает прекрасной пластичностью. Ножи из стали elmax выдерживаю высокие нагрузки на изгиб без деформаций.
Поверхность сплава хорошо подается финальной обработке, что позволяет отполировать её до состояния зеркала.
Элмакс отлично выдерживает любые внешние и ударные на грузки, не изменяя геометрии. При ударах на ней сложно оставить вмятины.
Технология производства позволяет максимально минимизировать содержание вредных примесей, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках.

Минусы

Идеальных материалов не существует: какая бы хорошая не была сталь, у неё все равно можно выявить недостатки:

Самый главный минус – высокая стоимость сырья, а значит и конечных изделий.
Хоть эта марка и обладает довольно высокой стойкостью к коррозионным процессам, но появления маленьких очагов ржавчины полностью не исключено, особенно при длительном нахождении во влажной среде и плохом уходе.
Заточка требует опыта, определённых навыков и профессиональных точильных инструментов, так как 60 HRC – это высокая твёрдость. В походных условиях провести даже небольшую правку будет весьма затруднительно.

Химический состав

Сталь Elmax относят к высокоуглеродистым и высоколегированным сплавам. Это обуславливает её химическим составом, который представлен элементами, нижеуказанными в таблице.

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	W
1,72%	0,80%	0,3%	18,0%	1,0%	3,0%	0,15%	0,11%

Каждый элемент в сочетании с другими даёт те самые уникальные характеристики стали Elmax. По приведённым данным можно сделать такие несложные выводы: елмах будет неплохо противостоять коррозиям и износу, она обладает хорошей закаливаемостью, отличными режущими показателями.

Порошковое происхождение определяет структуру металла: мелкое зерно распределено равномерно. За счёт этого сплав не боится ударов и демонстрирует хорошую пластичность.

Механические и химические свойства

Но не стоит забывать, что для достижения максимальной коррозионной устойчивости изделия из элмакс необходимо тщательно шлифовать, а затем полировать мелким абразивом. В противном случае не исключена возможность образования окислений в пределах границ отдельных частиц.

Аналоги

Сведений об аналогах Elmax достаточно много, так как существует огромное количество порошковых сталей с похожим химическим составом, имеющих схожие характеристики.

К сплавам, которые изготовлены порошковым методом и имеют близкий состав (15-19% хрома и около 2 процентов углерода), а также твердость в пределах 60 HRC, относят:

Но это не означает, что все они имеют идентичное сходство и одинаковую стоимость. Каждая металлургическая компания держит технологию производства в строжайшей тайне и защищает её патентом. Тем не менее, инженеры с применением современных технологий достигают таких результатов, что в случае необходимости одну марку можно запросто заменить другой.

Применение

Наибольшую популярность Elmax обрела как ножевая сталь. Изготовленные из неё клинки обладают превосходными режущими показателями, длительным сроком эксплуатации и сопротивления к процессам ржавления. Но затачивать такие лезвия довольно сложно.

Ножи, произведённые порошковым методом, с столь высокой прочность не советуют использовать в роли походных, так как вдали от профессионального оборудования провести правку будет крайне сложно.

Но ножевое дело – не единственная отрасль, в которой применяется Elmax, ограничивать такую хорошую сталь рамками одного производства – не разумно. Её отличные термические и антикоррозионные качества находят свое применение в деталях механизмов, которые работаю в условиях агрессивной среды и высокой температуры, например, лопатки турбин, втулки подшипников и т.п.

Какие ножи изготавливают из Elmax

Ножи из стали Elmax пользуются огромной популярностью среди работников общепита и пищевой индустрии. Кухонные инструменты в работе не прихотливы, универсальны и долгое время обходятся без заточки.

Даже не смотря на сложность правки, они пользуются успехом среди рыбаков и охотников. Однако стоит помнить, что в полевых условиях, что-либо сделать с режущей кромкой не получится, инвентарь необходимо готовить дома и заранее. Нож Elmax – удобный, долговечный, универсальный, не зря эта марка имеет такой успех по всему миру.

Особенности заточки

Как уже неоднократно упоминалось провести заточку самостоятельно, без опыта и должно оборудования очень не просто. Имеется в виду качественное затачивание, когда сохраняется правильный угол, а поверхность блестит, как зеркало. А поцарапать клинок можно и камнем, только результату будет ноль.

Если же есть необходимые навыки и желание самостоятельно затачивать свои нож, понадобится минимальный набор абразивных камней. Удобнее всего режущую кромку можно довести до острого состояния с помощью японских водных камней, абразивов на основе оксида алюминия и алмазных брусков с зернистостью 100/80 и 50/40.

Работать нужно по стандартной схеме: сначала грубое зерно с соблюдением одинакового угла, а затем постепенное его уменьшение и конечная полировка со специальной пастой.

Отзывы

Анатолий, Севастополь, 24 года: «Заказал нож из Elmax у весьма известного и популярного здесь производителя. Некоторое время он валялся на полке. И вот, выдался шанс протестировать его в деле. Изначальная заточка, бреет — не очень уверенно, но царапает оконное стекло. Каждый день, в течение недели, разделывал пару-тройку щучек и убирал в ножны. Каждый день обнаруживал на нем несколько ржавых точек до 2мм, которые, с некоторым трудом, удалялись бесследно. Как затем выяснилось, он не полностью нержавеющий и нужно постоянно его вытирать насухо!»

Ещё один отзыв, носящий положительный характер.

Андрей, Киров, 32 года: «Увлекаюсь туризмом, рыбалкой и охотой. У меня из ELMAX 5 различных моделей ножей. Более-менее серьезно использовал только один. Лосей-кабанов не разделывал, обычные EDC задачи. Замечаний нет, заточку держит. В общем, шикарный материал от качественного производителя. Если правильно точить и ухаживать, прослужит один год. Одно удручает – цена».

Быстрорез — сталь рапид

В последнее время часто можно слышать выражение «быстрорежущая сталь». Что же это такое? По сути, это специальные сплавы, предназначенные для изготовления металлорежущего инструмента, который работает на высоких оборотах. Характеристика такого металла должна предусматривать высокую прочность, износостойкость и устойчивость к перепадам температуры.

Характеристики быстрорежущих сталей

Быстрорежущие сплавы появились относительно недавно. До их появления для обточки изделий из дерева или цветных металлов применялись обычные стальные резцы, при использовании которых возникали некоторые трудности. Они имели очень маленький срок службы ввиду быстрого износа и сильно нагревались, из-за чего работы на больших скоростях делалась невозможной.

Проблема была решена в 1858 году после получения сплава, в котором как основные легирующие добавки были использованы вольфрам и марганец. В течение последующих десятилетий методом многочисленных экспериментов было получено несколько видов сверхпрочных металлов, которые позволили значительно увеличить скорость и продуктивность металлорежущих станков.

К категории быстрорежущих сталей относят большую группу сплавов, в составе которых имеются легирующие элементы, позволяющие добиваться стойкости к износу и сильному нагреванию. От обычных углеродистых сплавов их отличает высокий показатель прочности, который позволяет использовать инструменты из них для обработки твёрдых материалов.

Быстрорезы имеют ряд примечательных характеристик, по которым их можно отличить от других марок сталей, к ним относят следующие:

Сохранение твёрдости при высоких температурах, так называемая горяча твёрдость. Любые предметы при трении нагреваются. Температура режущего инструмента, работающего на огромных оборотах, увеличивается очень быстро до высоких показателей. Обычные стали при таком нагреве подвергаются отпуску, из-за чего теряют свои рабочие свойства. Быстрорежущая сталь не подвергается подобным процессам, так как её состав позволяет ей выдерживать температуру до 6000 градусов Цельсия без потери прочности.
Высокая красностойкость – параметр сплава, характеризующийся временным промежутком, в течение которого он способен работать при высокой температуре без потери первоначальных свойств.
Сопротивление разрушительным процессам. Помимо стойкости к сильному нагреву быстрорезы должны иметь повышенные механические показатели, в сравнении с обычными металлами. Инструменты из таких сплавов даже под высоким давлением не крошатся и не переламываются, за счёт чего активно применяются для изготовления свёрл и резцов.

Расшифровка обозначения марок сталей

Впервые быстрорежущая сталь была изобретена специалистами из Британии. Так как инструменты из этого материала предусматривали работы на больших скоростях, такие сплавы получили название «rapidsteel» (что в переводе на русский означает быстрая сталь). Такое название, придуманное в Англии, послужило причиной для современного маркирования всех быстрорежущих марок буквой «Р».

Согласно международному регламенту первая цифра, следующая за Р, обозначает содержание вольфрама в процентах, которые является основополагающим элементом, определяющим ключевые характеристики всего сплава.

Помимо вольфрама для быстрорезов характерно наличие таких компонентов, как кобальт, ванадий и молибден, которые в маркировке отображаются соответственными буквами: К, Ф и М. За каждой такой буквой следует цифра, указывающая на процент от общего химического состава. Как видно, человек, который самую малость разбирается в сталях, даже не смотря на описание, может рассказать всю основную информацию о сплаве.

Методы производства и обработки

Инструменты, которые изготавливаются из быстрорежущей стали, производятся по двум основным технологиям:

Классический способ, предполагающий отливку раскалённого металла в специальные формы и дальнейшую его обработку и закалку.
Метод порошковой металлургии: расплавленная сталь распыляется под воздействием азотной струи и затем сплавляется вновь.

Порошковая металлургия более сложная в сравнении с традиционной. Процесс производства предполагает производство стального порошка, который задувается в специальную форму и уже в ней сплавляется. Это позволяет предотвратить возникновение карбидных ликваций и сделать структуру стали более однородной и стабильной, что положительно сказывается на всех рабочих свойствах.

Порошковый метод обладает рядом достоинств, которые позволяют ему вытеснить более дорогие виды обработки, такие как литьё, штамповку и ковку:

экономичность – исходным материалом для производства порошка могут служить даже отходы, например, окалина, к тому же такой способ требует меньше финансовых затрат в сравнении с классическим;
достижение более точных форм изделий – детали, созданные данным методом, не требуют дальнейших обработок резанием;
высокий показатель износостойкости.

За производственным процессом обязательно следует процесс закалки. Закалка инструментов из быстрорезов проходит при температурах, которые способствуют наиболее благоприятному разложению в них легирующих компонентов, но в тоже время и к росту зёрен в молекулярной решётке. После закаливания для структуры быстрорежущих сплавов характерно содержание до 30% аустенита, а это отрицательно сказывается на всех на рабочих параметрах. Чтобы уменьшить негативное влияние аустенита до минимальных значений, применяется две различных технологии:

проводится несколько циклов нагрева, выдержки при однородной температуре и последующее охлаждение, так называемый многократный отпуск;
до выполнения отпуска, деталь подвергают охлаждению до очень низких температур.

Улучшение характеристик изделий

К инструментам, изготовленным из быстрорезов, предъявляются высокие требования и, чтобы они обладали ими в полной мере, их поверхность подвергается обработке. Для этого применяются различные способы, в числе которых:

Поверхностный слой детали подвергается азотированию. Проводиться подобная обработка может в газообразной среде, состоящей либо на 80% из азота и на 20% из аммиака, либо из 100% аммиака. Процесс проходит 10-40 минут при температуре 550 – 6600 градусов. Такая операция позволяет сделать верхний слой менее хрупким.
Поверхность насыщают углеродом и азотом – так называемое цианирование, которое происходит за счет погружения детали в расплав цианида натрия. В зависимости от конечного назначения детали цианирование проходит под разной температурой. Чем дольше время и выше температура, тем толще получается слой.
Сульфидирование – выполняется в жидком расплаве сульфида с добавлением серы. Данный процесс проводится от 45 минут до 3-ёх часов при температуре от 450 до 5600 градусов Цельсия

Все вышеперечисленные процедуры выполняются уже с готовым инструментом: режущая часть заточена, поверхность отшлифована и закалена.

Расшифровка: что обозначают символы маркировки

Выше уже рассказывалось, какие данные можно извлечь из названия любой марки быстрорезов. Для большей наглядность рассмотрим расшифровку одной широко используемой быстрорежущей стали Р9Ф5:

Р – понятно, обозначение быстрорежущих сплавов, от английского «рапид» — скорость;
9 – процентное содержание в сплаве вольфрама;
Ф – обозначает наличие в составе стали ванадия;
5 – процентное содержание ванадия.

Если анализировать аббревиатуру Р9Ф5 дальше, то её расшифровка может содержать и другие буквы. Например, если металл получен методом электрошлакового переплава, появляется ещё одна буква – «Ш».

Внедрение современных технологий, а именно с применением азотирования, можно встретить следующую маркировку Р9АФ5.

Импортные аналоги быстрорезов имеют следующую маркировку – HSS, которая расшифровывается как High Speed Steel, в переводе на русский — это высокоскоростная сталь:

ГОСТ и ТУ

Требования к производству, технические характеристики, процесс термообработки и элементный состав быстрорежущих сталей регулируют специальные госты. Регулирующих документов большое количество, так как для каждого вида изделий предусмотрен свой стандарт:

ТУ 14-11-245-88 — холоднодеформированные фасонные профили высокой точности;
ГОСТ 1133-7 — кованые круги или квадраты, сортамент;
ГОСТ 2590- 88 — горячекатаные круги;
ГОСТ 7417-75 — калиброванный пруток;
ГОСТ 14955-77 — круги со специальной отделкой поверхности .

Эти стандарты применяются практически на всех российских производствах.

Трудности закалки быстрорежущей стали

Термическая обработка быстрорезов имеет ряд сложностей, связанных со спецификой применения и предъявляемыми требованиями. Например, термообработка Р6М5 затруднена свойством этого сплава к обезуглероживанию (его закалка требует на четверть времени больше, чем схожих сплавов Р18 и Р12). Температура закалки данного металла – 1230 градусов. Сначала производится отпуск при 200 и 300 градусах с часовой выдержкой. Дальше обработка осуществляется в 3 этапа:

Затем сталь охлаждается в селитре, в масле и на воздухе. Последующая обработка предполагает троекратный отпуск с выдержкой по 90 минут при однородной температуре 560 градусов. На этапах отпуска сплав обогащается легирующими добавками.

Изделия, нашедшие место в быту и на производстве

Нож быстрорез даже при интенсивном использовании долгое время удерживает заточку, однако стоит учитывать, что ввиду высоких прочностных качеств он с трудом поддаётся заточке, особенно в домашних условиях.

Быстрорезы широко применяются и в промышленности. Самый яркий пример – это изготовление свёрл самых разных назначений: от дерева до сверхпрочных металлов. Из них же делают следующие детали промышленных механизмов:

Как точить изделия из быстрореза

Даже быстрорез сталь подвержена износу и затуплению, не смотря на внушающие прочностные показатели. Если учитывать сведения о применении и свойствах данных сплавов, то можно смело утверждать, что заточить их при помощи шлифовальных кругов из электрокорунда не выйдет – поверхность после такой обработки всё равно остаётся шероховатой, а режущие качества не улучшаются. Что тогда говорить о ручной заточке?

Самым правильным вариантом будет отдать изделие на заточку в специализированную мастерскую, которая имеет в своём распоряжении круги из эльбора. Иметь подобные машины в своём гараже – непозволительная роскошь и просто не целесообразно. Лучше не пробовать проводить затачивание в гаражных условиях, так как есть шанс повредить инструмент до степени невозврата в первоначальное состояние.

Стоимость металла в продукции

Рассмотрим стоимость металла на примере одного из самых популярных быстрорезов на отечественном рынке – Р6М5. Купить готовые изделия не составит большого труда, они распространены повсеместно, однако стоимость стали довольно высокая. Ниже будет представлен примерный прайс-лист.

В зависимости от толщины листа круг инструментальный соответственно будет стоить:

2 мм — 1350 рублей за кг;
4 мм — 1200 рублей за кг;
16 мм – 600 рублей за кг.

Приведённые выше расценки – это относительное усреднённое значение. Они могут меняться в зависимости от многих факторов: местности, экономической ситуации и т.д. Высокая цена быстрорежущих металлов делает их популярными при сбыте металлолома. Стоимость такой вторичной продукции гораздо выше, чем обыкновенных сплавов.

Что такое порошковая сталь

Про порошковые стали ходит множество заблуждений. Даже от некоторых специалистов приходится слышать совершенно некорректные высказывания относительно свойств и востребованности порошковых сталей, что уж говорить о простых пользователях, которым совершенно неинтересна вся эта металлургия, им нужен хороший нож, а порошковый стоит дороже. Так за что же приходится платить?

Для начала немного теории. Попробую сформулировать предельно понятным языком.

Современная сталь представляет собой сплав карбидов (соединений металла с углеродом) и матрицы. Карбиды гораздо более прочны, чем матрица (2500 HV против 800 HV). Прочность же средне-и высокоабразивных материалов, которые мы режем (канат, шкура и т.д.) составляет около 1000 HV. Из этого следует, что если перед нами стоит задача резать такие материалы — нам надо выбрать нож с высокой карбидной фазой, так как относительно мягкая матрица способна резать только мягкие материалы (кухонный нож).

Если карбидной фазы мало – абразив стачивает мягкую матрицу. Чтобы этого не происходило – нам нужно увеличить размер карбида,чтобы именно он взаимодействовал с абразивом.. Хорошо, начинаем вводить легирующие добавки, служащие именно этой цели.

Представим карбид в матрице как зуб в десне. Он существенно тверже абразива, абразив не сможет его сточить. Казалось бы, почему тогда тупится нож? А потому что зуб, испытывая постоянные нагрузки, начинает просто выламываться из матрицы. То есть виды затупления при низкой и высокой карбидных фазах разные. Но нам, как пользователю, это неинтересно, как именно тупится нож, нам надо, чтобы он не тупился.

То есть заколдованный круг, мало карбидов – нож быстро тупится, больше крупных карбидов – нож опять таки быстро тупится, механические свойства невелики. Увеличение твердости матрицы ничего не даст – она станет хрупкой. Решение нашли в том, чтобы сделать размер карбида не очень большим, тогда карбидов в матрице будет много, и выламывание части их не приведет к затуплению ножа. Но сделать обычным образом это невозможно, потому что размер карбида зависит от скорости кристаллизации. Чтобы уменьшить размер карбида – надо увеличить скорость кристаллизации. И современные технологии традиционного литья достигли своего предела – карбид меньшего размера сделать не удавалось.

И вот тут на сцене появляется порошковая технология. Порошковый передел в самом простом понимании – это та же сталь, которую:

— Распыляют в инертном газе

— Взвесь подают на кристаллизатор.

-Полученные микрослитки прессуют при сверхвысоких давлениях, и затем спекают.

Суть в том, при при распылении получаются микрослитки стали очень малого размера, которые уже можно быстро охладить (кристаллизовать). В итоге получаем очень высокую карбидную фазу, очень равномерно распределенную, что существенно повышает механические свойства (прочность).

Именно поэтому порошок всегда прочнее моностали равной с ней твердости – именно из за равномерности. Также порошок дает очень приятный бонус – при порошковом переделе удается увеличить количество легирующих добавок. Например, мы помним из школьного курса, что углерода в стали чисто физически не может быть более 2% — она превращается в хрупкий чугун. А вот при порошком переделе количество углерода может довести до 4%, что влияет на образование карбидной фазы.

Подведем итоги. Порошковый передел успешно решает проблему неоднородности распределения легирующих элементов в расплаве, также позволяя получить более качественный состав легирования. Это напрямую, и очень существенно, влияет на режущие свойства стали.

Ну и для наглядности — несколько интересных таблиц — сравнение прочности и износостойкости моносталей и порошков.

edge retention – аналог прочности, сопротивление заминам режущей кромки

wear resistance – износостойкость

working hardness – рабочая твердость

Corrosion resistance – коррозионная стойкость

Toughness – ударная вязкость

CPM- это условное название порошкового передела

Несколько слов можно сказать и об ударной вязкости порошковых сталей (тем, кто боится, что у него нож сломается при рубке кости)

Сталь………..Твердость……..Коэффициент ударной вязкости (еще один вид прочности, отвечает именно за динамические нагрузки, которые возникают при рубке)

Технология изготовления порошковых сталей

Порошковые стали используются для изготовления ножей уже более 30 лет. За эти годы цена на такие стали существенно снизилась, они стали более доступны и применимы в самых разных ножах, в том числе и не только премиального сегмента. В чем же отличие порошковой стали от «обычной» и каким образом она создается?

Порошковая сталь – это измельченная до состояния порошка сталь, которую распыляют в инертном газе, затем взвесь подают на специальный кристаллизатор, а затем полученные микрослитки прессуют при сверхвысоких температурах и спекают в специальной печи. В результате этих действий происходит так называемый порошковый передел - сталь получает большое количество карбидов, которые отвечают за рез ножа и при этом ее можно легировать дополнительными укрепляющими прочность элементами.

Структура любой закаленной стали состоит из двух важнейших элементов: карбидов и мартенсита.

Мартенсит — это основная структурная составляющая закалённой стали (матрица). Она представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного материала стали (аустенита). Структура мартенсита неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.

Карбиды – это соединения металлов и неметаллов с углеродом. Особенностью карбидов является большая электроотрицательность углерода, по сравнению с другим элементом. Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества. Они нелетучие и не растворимы ни в одном из известных растворителей. Карбиды применяют в производстве чугунов и сталей, керамики, различных сплавов, как абразивные и шлифующие материалы, как восстановители, раскислители, катализаторы и др. Из карбида кремния SiC (карборунд) изготавливают шлифовальные круги и другие абразивы; карбид железа Fe3C (цементит) входит в состав чугунов и сталей, из карбида вольфрама и карбида хрома производят порошки, используемые при газотермическом напылении.

Большинство сталей, используемых для производства клинков, после термообработки имеют структуру: мартенсит + карбиды (+ остаточный аустенит + неметаллические включения и т.д.). Карбиды, более твёрдые и хрупкие, чем мартенситная матрица, увеличивают износостойкость стали, но ухудшают ее механические характеристики, негативно влияя прочность и вязкость. Степень снижения прочностных свойств зависит от количества карбидной фазы, её типа, размера карбидов и их скоплений и равномерности распределения карбидов в структуре.

Кроме того, выраженная карбидная неоднородность создаёт проблемы при шлифовании, увеличивает склонность к поводкам и трещинам. Стали с большим количеством крупных и неравномерно распределённых карбидов хуже поддаются горячей деформации. Такая сталь приобретает при термообработке неоднородную структуру, а сами результаты термообработки становятся менее предсказуемыми.

Следовательно, чтобы увеличить износостойкость стали и длительное удержание остроты, нужно увеличивать количество карбидной фазы, а чтобы сохранить приемлемые механические характеристики уменьшать и улучшать их распределение. Добиться этой цели можно несколькими методами. Среди них:

1. Оптимизация состава стали. К примеру, можно насытить сталь карбидами других типов, чаще всего большим количеством ванадия.

2. Микролегирование. Насыщение стали элементами, которые улучшают распределение карбидов и несколько уменьшают их размеры.

3. Высокоинтенсивная пластическая деформация. При увеличении степени деформации карбиды частично дробятся, и улучшается их распределение (особенно при использовании специальных приёмов деформации).

4. Увеличение скорости кристаллизации. Именно этот принцип лежит в основе технологии порошковой металлургии. Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения нужно уменьшить размеры слитка. При размере слитка порядка 150 мкм, скорость охлаждения достигает 104105 к/с, при таких скоростях и размерах эвтектика (жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы) получается очень тонкой, а размер карбидов не превышает 23 мкм. Для того, чтобы этого добиться нужно применить порошковый метод или метод порошкового передела.

Порошковый метод (порошковый передел).

Переде́л— одна из стадий получения или переработки металла в чёрной и цветной металлургии. К переделам относятся: плавка и разливка металла, обжатие, прокат, трубное и метизное производство. Сущность технологии метода порошковой металлургии состоит в получении порошков чистых металлов и многокомпонентных сплавов с их последующим поэтапным безотходным преобразованием в готовые к эксплуатации материалы, изделия и покрытия требуемых функциональных параметров.

Свойства порошков

Порошки металлов различаются по своим физико-химическим и технологическим свойствам. К категории физических свойств относятся форморазмеры и гранулометрический состав частиц, характеристики их удельной поверхности, а также плотность и способность деформироваться, которая называется микротвердостью.

Набор химических свойств определяется химическим составом сырья и метода/способа изготовления. Допустимая концентрация в готовой порошковой продукции нежелательных примесей не должна превышать значения 1,5-2%. Одним из важнейших химических свойств является степень газонасыщенности порошка, что особенно актуально для порошков, получаемых путем восстановления, из состава которых бывает трудно удалить определенную часть газообразных восстановителей и продуктов реакции.

Основными методами изготовления порошков из сырья являются:

1. Физико-механический метод

В рамках данного метода исходное сырье преобразуется в порошок без нарушения химсостава, посредством механического измельчения, как в твердом агрегатном состоянии, так и виде жидкого расплава. Физико-механическое измельчение производят способами: дробления и размола; распыления и грануляции. При дроблении и размоле твердого сырья изначальные размерные параметры частиц уменьшаются до заданных значений.

2. Химико-металлургический метод

Этот метод получения металлических порошков также можно реализовывать различными способами, среди которых наиболее востребованные:

Химическое восстановление металла из исходного сырья (восстановительный способ). Он применением различных химических веществ-восстановителей, которыми воздействуют на соли и оксиды металлов для отделения неметаллической фракции (солевого остатка, газов).

Электролиз - способ изготовления порошков состоит в осаждении частиц чистого металла на катоде под воздействием постоянного тока на соответствующий электролит в виде раствора либо расплава.

Термокарбонильная диссоциация (карбонильный способ). Порошки карбонильные изготавливают путем разложения в заданном температурном режиме карбонильных металлических соединений на исходные составляющие: частицы чистого металла и газообразный монооксид углерода СО, который удаляется.

Процесс изготовления порошковой стали включает в себя ряд этапов: предварительную подготовку порошковой смеси (шихты); формовку; спекание.

Предварительная подготовка порошковой смеси

П реобразование уже изготовленного металлического порошка в конечные изделия начинается с предварительной подготовки исходной смеси (шихты), которая в последующем будет подвергаться формованию и спеканию. Процесс подготовки исходной шихты является трехэтапным и последовательно осуществляется в виде: отжига, затем сортировки по фракциям (классификации) и непосредственно смешивания.

Рекристаллизационный отжиг порошков необходим для повышения показателей их пластичности и прессуемости. Путем отжига удается восстановить остаточные оксиды и удалить внутреннее напряжение – наклеп. Для отжига порошки подвергают нагреву в восстановительно-защитных газовых или вакуумных средах.

Классификацию порошков осуществляют их разделением по фракциям (в зависимости от тех или иных размерных параметров частиц) с применением специальных вибросит, имеющих ячейки соответствующих диаметров. Для разделения по фракциям применяют также воздушные сепараторы, а для классификации жидких смесей – способ центробежной дисперсной седиментации.

Порошковый материал направляется нагнетаемым турбиной воздушным потоком в область разделения, где под действием центробежной силы происходит отделение и оседание тяжелых крупных частиц, удаляемых в нижнем направлении через разгрузочный клапан. Мелкие легкие частицы увлекаются циклонным потоком воздуха вверх и направляются на дополнительную сепарацию.

Смешивание – важнейшая из подготовительных операций, она производится путем приготовления из металлопорошков различного химико-гранулометрического состава (возможны легирующие добавки порошков неметаллических элементов) однородной субстанции – шихты. От того, насколько тщательно происходит смешивание, зависит однородность шихты, что исключительно важно для конечных функциональных свойств готовой металлокерамической продукции. Чаще всего смешивание порошковых составляющих осуществляют механическим способом с применением специальных миксерах. Смешивание, не сопровождающееся измельчением, выполняют в миксерах непрерывного действия барабанного, шнекового, лопастного, центробежного и других типов. По завершении процесса получаемая шихта тщательно высушивается и просеивается.

Формование (формовка) в порошковой металлургии – это технологическая стадия, целью которой является уплотнение поступающего в пресс-форму заданного количества готовой сыпучей шихты и ее обжатие для придания форморазмеров готового к последующему спеканию изделия. Деформация частиц при формовке по своему генезу может быть одновременно упругой, хрупкой и пластической. Формовка шихты в большинстве случаев осуществляется путем ее размещения в прочных стальных пресс-формах и последующего спрессовывания под давлением от 30 до 1200 МПа на прессовых агрегатах механического, пневматического или гидравлического принципа действия.

Последней стадией технологического метода порошковой металлургии является термическая обработка сформованных заготовок. Она осуществляется методом спекания. Спекание – одна из наиболее ответственных технологических процедур в рамках метода ПМ, в результате которой малопрочные заготовки преобразуются в исключительно прочные спеченные тела. В ходе спекания из заготовки удаляются адсорбированные в них газы, происходит возгонка нежелательных примесей, и снимаются остаточные напряжения в частицах и точках контакта между ними, устраняются оксидные пленки, происходит диффузионное преобразование поверхностного слоя, качественно преобразуется форма пор. Спекание осуществляют двумя способами: твердофазным (по мере нагрева заготовок не образуется жидкий расплав одного из компонентов), и жидкофазным. В результате спекания получается металлический брусок или пластина, которые и становиться основой для изготовления ножа.

Преимущества порошковых сталей

За счёт мелких размеров и равномерному распределению карбидов в порошковых сталях можно существенно увеличить степень легирования и объем карбидной фазы, и тем самым повысить стойкостные свойства стали. Достигаются лучшие механические характеристики, в частности порошковые стали гораздо лучше шлифуются и куются. При закалке стали получается более насыщенный твёрдый раствор, более мелкое и равномерное зерно, что способствует некоторому повышению твёрдости, теплостойкости, механических свойств и коррозионной стойкости. Порошковая технология позволяет достаточно легко получать высокоазотистые стали методами твердофазного азотирования. В целом порошковый передел практически не имеет недостатков, повышая все качества стали.

Читайте также: