Порошковая металлургия и дальнейшая перспектива ее развития

Микротвердость порошковой частицы характеризует  ее  способность к деформированию. Способность к деформированию в значительной степени зависит от содержания примесей  в порошковой частице и дефектов кристаллической решетки. Для измерения микротвердости в шлифованную поверхность частицы  вдавливают  алмазную пирамиду с углом при вершине 136 под действием нагрузки порядка 0,5... 200г. Измерение выполняют на приборах для измерения микротвердости ПМТ-2 и ПМТ-З.

Технологические свойства  порошка  определяют:   насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность - это масса единицы объема порошка при свободном заполнении объема.

Текучесть порошка характеризует скорость заполнения  единицы  объема и определяется массой порошка высыпавшегося через отверстие заданного диаметра в единицу времени.  От текучести порошка  зависит  скорость заполнения инструмента и производительность при прессовании. Текучесть порошка обычно уменьшается с увеличением удельной поверхности и шероховатости частичек порошка и усложнением их формы.  Последнее обстоятельство затрудняет относительное перемещение частиц .

Влажность также значительно  уменьшает  текучесть порошка.

Прессуемость и формуемость. Под прессуемостью порошка понимают  свойство  порошка  приобретать  при  прессовании  определенную  плотность  в  зависимости от давления,  а под формуемостью - свойство порошка сохранять заданную  форму, полученную после  уплотнения при минимальном давлении.  Прессуемость в основном зависит от пластичности частиц порошка, а формуемость - от формы и состояния поверхности частиц. Чем выше насыпная массе порошка, тем хуже,  в большинстве случаев,  формуемость и лучше прессуемость.  Количественно  прессуемость  определяется   плотностью спрессованного брикета,  формуемость оценивают качественно, по внешнему виду спрессованного брикета,  или количественно - величиной давления,  при котором получают неосыпающийся, прочный брикет.

Формование металлических порошков.

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакууме) при температуре 0,4...0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков - это процесс разделения порошков по величине частиц. Порошки с различной величиной частиц используют для составления смеси, содержащей требуемый процент каждого размера. Классификация частиц размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифи-цируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смесей. В производстве для изготовления изделий используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков есть одна из важных операций и задачей ее является обеспечение однородности смеси, так как от этого зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях. Соотношение шихты и шаров по массе 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия.

Равномерное и быстрое распределение частиц порошков в объеме  смеси достигается при близкой по абсолютной величине плотности смешиваемых компонентов. При  большой  разнице  абсолютной величины  плотностей  наступает  расслоение компонентов. В этом случае полезно применять  раздельную  загрузку  компонентов по частям: сначала более легкие с каким-либо более тяжелым, затем остальные компоненты. Смешивание всегда лучше происходит в  жидкой  среде,  что не всегда экономически целесообразно из-за усложнения технологического процесса.

При приготовлении  шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама,  карбидов металлов) для повышения  формуемости  в  смесь  добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц.  Пластификаторы должны удовлетворять   требованиям:   обладать  высокой  смачивающей  возможностью, выгорать при нагреве без остатка,  легко растворяться в органических растворителях. Раствор пластификатора обычно заливают в перемешиваемый порошок,  затем смесь сушат для  удаления растворителя. Высушенную смесь просеивают через сито.

Дозирование - это процесс отделения  определенных объемов смеси  порошка. Различают  объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование  используют  при  автоматизированном формовании  изделий.  Дозирование по массе наиболее точный способ,  этот способ обеспечивает одинаковую плотность  формования заготовок.

Для формования изделий из  порошков  применяют  следующие способы:  прессование  в  стальной  прессформе,  изостатическое прессование,  прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.6) возникает  сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения  и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами  порошка  и  заклинивания  -  механического сцепления частиц.  У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков  малой  площади  под действием огромных напряжений,  а затем распространяется вглубь частиц.

Рис.6 Схема прессования в прес-                 Рис. 7 Кривая идеального процесса

сформе (1 – матрица, 2 – пуансон,                         уплотнения.

3 – нижний пуансон, 4 – порошек)

и схема распределения давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.7) имеет три характерных участка. Наиболее интенсивно плотность нарастает на участке A при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После этого заполнения пустот  возникает горизонтальный участок B кривой, связанный с возрастанием давления и практически неизменяющейся плотностью т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при сжатии порошкового тела  начинается  деформация частиц и третья стадия процесса уплотнения (участок С! ‘ ). При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление  порожка на стенки. Это давление меньше давления со стороны сжимающего порошок пуансона (рис.6) из-за трения между  частицами  и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами.  Величина давления на боковые стенки зависит от трения между  частицами, частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная величина давления получается неодинаковой: у пуансона наибольшей,  а у нижней части – наименьшей (рис.6).  По этой причине невозможно получить по высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность. Неравномерность плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального поперечного сечения. При прессовании засыпанных в цилиндрическую прессформу одинаковых доз порошка,  разделенных прокладками из тонкой фольги получают отдельные  слои различной формы  и  размера  (рис.8). 

Рис.8 Схема распределения плотности по вертикальному сечению спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверзу).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается тоньше нижележащего. Изгиб слоев объясняется  меньшей  скоростью перемещения порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность получается на расстоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера прессуемого изделия,  что связано с действием сил трения между  торцом пуансона и порошком.

Для получения более качественных изделий после прессования

• получения более равномерной плотности по различным сечениям применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту,  поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на стенках инструмента. Смазку обычно)- в порошок, что обеспечивает наилучшие производственные показатели.

При выталкивании изделия из прессформы из-за упругого увеличения ее поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры поперечного сечения матрицы. Величина изменения размеров зависит от величины зерен и материала порошка, формы и состояния поверхности частиц, содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования, смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров. В направлении действия прессующего усилия изменения размеров больше, чем в поперечном направлении.

Представленная схема (рис.6) показывает одностороннее прессование, которое применяют для прессуемых изделий с соотношением высоты И к наименьшему размеру поперечного сечения d:H/d = 2...3. Если это соотношение больше 3, но меньше 5, то применяют схему двухстороннего прессования; при большем соотношении размеров применяют другой метод.

Прессование сложных изделий, т.е. изделий с неодинаковыми размерами в направлении прессования, связано с трудностями обеспечения равномерной плотности спрессованного изделия в различных сечениях. Эту задачу решают путем применения нескольких пуансонов, через которые прикладывают к порошку различные усилия (рис.9). Иногда при изготовлении изделий сложной формы предварительно прессуют заготовку, а затем придают ей окнчательную форму при повторном обжатии - прессовании и спекании.

Рис.9 Схема прессования в прессформе сложного изделия: 1- пуансон,2-пуансон, 3-матрица,

4- нижний пуансон.

При прессовании кроме стальных прессформ - основного  инструмента  производства  используют гидравлические универсальные или механические прессы.  Для прессования сложных изделий используют специальные многоплунжерные прессовые установки.

Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности изделий, вида порошка и метода его производства. Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности изделий, виде порошка и метода его производства. Давление прессования в этом случае может составлять (3...5) Gт пределов текучести материала порошка.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке  под  действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью прессование называют гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором поднимают давление до требуемой величины. Из-за практического отсутствия трения между оболочкой и  порошком  спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям,  а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получки? цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка  с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины. Схема процесс представлена на рис. 10.

Рис.10 Схема мундштучного прессования.

При прессовании труб в обойме1 с мундштуком 2 переменного сечения  устанавливают  иглу-стержень 3, закрепляемую в звездочке 4. Над обоймой находится матрица и, соединенная с обоймой гайкой 5. Из матрицы выдавливание пластифицированной  смеси производится пуансоном 7. Допустимое обжатие k=(F-f)/f*100% должно быть более 90%;  здесь F и f - площади поперечного сечения матрицы и изделия.

Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве материала  изделия и в этом случае обычно не используют пластификатор; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400...GOC*C, меди - 800...900*С, никеля - 1000...1200 С, стали - 1050...1250 *С. Для предупреждения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или прессование в защитных оболочках (стеклянных,  графитовых, металлических - медных,   латунных, медно-железной   фольге).   После   прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных спрессованнному металлу.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой.  Шликер в этом случае - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц I... 2 мкм (реже до 5...10 мкм) и жидкости - воды, спирта, четырех- хлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени.  Форму для ликерного  литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси  (порошка  в жидкости).  Эти потоки возникают в результате впитывая жидкости в поры гипсовой формы под действием вакуума или  центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной  и  составляет 1...60  мин.  После  удаления  изделия  из  формы его сушат при 110...150*С на воздухе, в сушильных шкафах.