Sintered PM manganese steels

• Autorzy: Sułowski M.

Warianty tytułu

PL

Spiekane stale manganowe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

High strength structural materials (as-sintered density between 6.8–7.1 Mg/m3 and UTS in the range of 600–1000 MPa are very important group of steels produced by powder metallurgy technique. Due to economic and environmental reasons, manganese steels are very common used for production of sintered gear wheels [1, 2, 3]. The high strength of manganese steels can be achieved as a result of manganese addition and post-sintering heat treatment. To decrease the cost production of these steels, sinter-hardening can be employed [4, 5]. This operation is possible only for groups of alloying steels containing elements given high hardenability, such as nickel and molybdenum. Nickel has been shown to be a class 3 cancerogenic and allergic element [6]. Thus, due to legislative reasons, most of the investigated steels are nickel-free, in which manganese and/or chromium substitute nickel and expensive molybdenum. Manganese would be an obvious choice for such high strength application if only this element could be protected from oxidation during sintering [3, 7, 8]. If not, during production of PM manganese steels two possible way of oxidation were recognised. Firstly, oxides can be formed because of poor sintering atmosphere dew point. Secondly, iron oxides, which can be reduced by manganese, are the source free oxygen. As a result of this, the reaction between free oxygen and manganese is possible. In a consequence very stable oxides can be created [7], which can be reduced in higher than industrial sintering temperature. The development in furnace construction, allowing for high temperature sintering in oxygen-free atmospheres, caused for increasing in the industrial scale production of sintered steels with addition of elements with high affinity to the oxygen (aluminium, chromium, manganese, titanium). Nowadays it is widely recognised that the mechanical properties and dimensional changes of the sintered manganese steel depend on grade of the iron powder and sintering temperature variations at different sintering atmosphere dew point level [9]. Also tempering temperature influence the properties of PM manganese structural parts. Based on the attainable data, which have been published in national and foreign bulletins and presented at international and domestic conferences, author tried to show the main aspects of producing sinter-hardened PM manganese steels.

PL

Spiekane materiały konstrukcyjne o dużej wytrzymałości na rozciąganie, mieszczącej się w zakresie od 600 MPa do 1000 MPa, i średniej gęstości wynoszącej od 6,8 Mg/m3 do 7,1 Mg/m3, stanowią ważną, wyodrębnioną w normach krajowych i międzynarodowych, grupę materiałów konstrukcyjnych produkowanych techniką metalurgii proszków. Materiały te umożliwiają wytwarzanie części maszyn, łączących w sobie takie cechy jak: względnie duże własności wytrzymałościowe, znikome zanieczyszczenie środowiska naturalnego podczas ich produkcji, stosunkowo małą masę oraz – co najważniejsze – niski koszt wytwarzania. Sprawia to, iż stale spiekane o dużej wytrzymałości stanowią bardzo konkurencyjny materiał w odniesieniu do konwencjonalnych stali konstrukcyjnych i żeliw. Ze stali tych wytwarza się obecnie ostatecznie uformowane, odpowiedzialne, silnie obciążone części maszyn, których typowym przykładem mogą byc przekładniowe koła zębate [1, 2, 3]. Duże własności wytrzymałościowe tych stali osiągane są w wyniku obróbki cieplnej polegającej na hartowaniu i niskim odpuszczaniu. W celu obniżenia kosztów produkcji wyrobów ze spiekanych stali konstrukcyjnych, wprowadza się w ostatnich latach obróbkę cieplną, tzw. „sinter-hardening”, polegającą na ich hartowaniu bezpośrednio z temperatury spiekania poprzez przyspieszone chłodzenie konwekcyjne [4, 5]. Tego rodzaju obróbka cieplna możliwa jest dzięki zastosowaniu pieców o specjalnej konstrukcji i jedynie w odniesieniu do niektórych gatunków spiekanych stali stopowych, odznaczających się odpowiednio dużą hartownością. Pierwiastkami zapewniającymi dużą hartowność takich stali są z reguły nikiel i molibden. Jednakże, z powodu stwierdzenia silnie kancerogennego oddziaływania proszku niklu na organizm człowieka [6], a także z przyczyn ekonomicznych, czynione są próby zastąpienia niklu innymi pierwiastkami stopowymi, głównie chromem oraz manganem. Niestety wyniki wcześniejszych badań, przeprowadzonych już wiele lat temu, wykluczyły możliwość wytwarzania konstrukcyjnych spiekanych stali manganowych –podobnie jak i chromowych – w ówczesnych warunkach przemysłowych. Powodem jest bardzo duże powinowactwo manganu do tlenu oraz wysoka prężność jego par w temperaturze spiekania. Z tego powodu mangan wprowadza się do spieku nie w postaci czystego pierwiastka, lecz zazwyczaj w postaci żelazostopu. Pozwala to znacznie obniżyc koszt produkowanego wyrobu, jednak pojawiają się kłopoty związane z małą prasowalnością mieszanki proszków zawierających żelazomangan [3, 7, 8]. Podczas spiekania konstrukcyjnych stali manganowych występują dwa zródła tlenu. Po pierwsze tlen może dostawać się do materiału bezposrednio z atmosfery, w której realizowany jest proces spiekania. Aby zapobiec utlenianiu spieku podczas jego produkcji należy stosowac atmosfery redukujace o wysokiej czystości oraz odpowiednio niskim punkcie rosy [9]. Drugim zródłem tlenu są tlenki żelaza, które mogą być redukowane przez mangan. Mangan tworzy z tlenem wiele tlenków, z których dwa istnieją w temperaturach wyższych niz 800C. Są one najbardziej niekorzystne, gdyż ich redukcja nastapić może w temperaturach wyższych od tradycyjnych temperatur spiekania [7]. Dopiero w ostatnich latach, dzięki postępowi w dziedzinie budowy pieców przemysłowych, pozwalającemu na zastosowanie wyższych temperatur spiekania i atmosfer o wystarczajaco małej zawartości tlenu i pary wodnej, stało się możliwe produkowanie również na skalę przemysłową stali z dodatkiem pierwiastków stopowych charakteryzujących się dużym powinowactwem do tlenu, tj. aluminium, chromu, manganu i tytanu. Na podstawie dostępnych danych literaturowych, opublikowanych w krajowych oraz zagranicznych czasopismach a także w krajowych i zagranicznych materiałach konferencyjnych, w artykule przedstawiono główne aspekty związane z produkcją spiekanych stali manganowych przeznaczonych do obróbki typu sinter-hardening.

Słowa kluczowe

EN

sintered manganese steels; structure and mechanical properties; sinter-hardening; sintering conditions; post-sintering heat treatment; Weibull statistic

PL

spiekane stale manganowe; właściwości mechaniczne; obróbka cieplna; spiekane stale konstrukcyjne; spiekanie stali

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, iss. 2
• Strony: 227--236
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sułowski M.

• Faculty of metals Engineering and Industrial Computer Science, AGH University of Science and Technology, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30

Bibliografia

• [1] A. Šalak, E. Dudrova, V. Miskovic, Pow. Met. Sci. Tech. 2, 26 (1992).
• [2] A. Šalak, Ferrous Powder Metallurgy, Cambridge Int. Sci. Publ., 1995.
• [3] A. S. Wroński et al, “Tough fatigue and wear resis-tance sintered gear wheels”. Finał Report on EU Copernicus Contract No. ERB CIPA-CT-94-0108, European Commission.
• [4] M. Sulowski, A. Cias, J. Wyrozumski, Proc. of XXIX School of Materials Engineering, by AGH-UST, Cracow-Wisla 251 (2001).
• [5] J. Wyrozumski, M. Sulowski, Rudy i Metale Nieżelazne 47, 1,31 (2002).
• [6] EU Carcinogen Directives 90/394/EEC and 91/322/EEC.
• [7] A. Salak, Powder Metallurgy International 18, 4, 266 (1986).
• [8] A. Cias.S.C. Mitchell, A. S. Wronski, Powder Metallurgy 42, 227 (1999).
• [9] P. K. Jones, K. Buckley-Golder, H. David, R. Lawcock, D. Sarafinchan, R. Shivanath, L. Yao, Proc. of 1998 World PM Congress 155 (1998).
• [10] R. Shivanath, P. K. Jones, R. Lawcock, Proc. of PM TEC'96 World PM Congress, Washington 13,427 (1996).
• [11] A. Cias.S.C. Mitchell, A. S. Wronski, Proc. of 1998 World PM Congress 3, 179 (1998).
• [12] M. Sulowski, A. Cias, Inżynieria Materiałowa 4, 1179(1998).
• [13] S. C. Mitchell, A. S. Wronski, A. Cias, M. Stoytchev, Proc. of International Conference on Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC99, MPIF 3, 7 (1999).
• [14] S. C. Mitchell, A. S. Wronski, A. Cias, Inżynieria Materiałowa 5, 633 (2001).
• [15] G. Zapf,G. Hoffmann, K. Dalal, Powder Metallurgy 18, 214 (1975).
• [16] A. Šalak, Powder Metallurgy International 12, 28 (1980).
• [17] A. Šalak, Powder Metallurgy International 16, 260 (1984).
• [18] A. Šalak, G. Leitner.W Hermel, Powder Metallurgy International 13, 21 (1981).
• [19] A. Šalak, M. Selecka, R. Bures, Powder Metallurgy Progress 3, 41 (2001).
• [20] M. Sulowski, Ph.D. Thesis, AGH-UST, Cracow, 2003, in Polish.
• [21] A. Cias, S. C. Mitchell, A. Watts, A. S. Wronski, Powder Metallurgy 42, 3, 227 (1999).
• [22] A. Cias, S. C. Mitchell, A. S. Wronski, Proc. of 1998 PM World Congress, Granada, Spain, v. UJ -PM Steels, 179.
• [23] A. Cias, AGH-UST, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2004.
• [24] A. Cias, M. Stoytchev, A. S. Wroński, Proc. of International Conference on Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC01, MPIF 10, 131 (2001).
• [25] A. Cias, M. Sulowski, H. Frydrych, Frydrych., Proc. of International Conference on Ad-vances in Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC05, MPIF, part 7 - Materials, 31.
• [26] W. Sowa, M. Sulowski, Rudy i Metale Nieżelazne, to be published.
• [27] A. Cias, M. Sulowski, S. C. Mitchell, A. S. Wronski, Proc. of European Congress on Powder Metallurgy PM2001, EPMA, France 4, 246 (2001).
• [28] M. Youseffi, S. C. Mitchell, A. S. Wroński, A. Cias, Powder Metallurgy 43, 4, 353 (2000).
• [29] M. Sulowski, Master Thesis, AGH-UST, Cracow, 1997, in Polish.
• [30] M. Sulowski, Archives of Metallurgy and Materials 49, 3, 641 (2004).
• [31] M. Sulowski, K. Satora, A. Cias, Proc. Of International Conference DFPM2001, ed. L. Parilak and H. Danninger, Stara Leśna, Slovakia, II, 27.
• [32] A. Cias, M. Sulowski, M. Stoytchev, Proc. of 7th European Conference on Advanced Materials and Processes - EUROMAT 2001, Rimini, Italy, June 2001.
• [33] A. Cias, S. C. Mitchell, K. Pilch, H. Cias, M. Sulowski, A. S. Wroński, Powder Metallurgy 46, 2, 165 (2003).