Технологический процесс производства порошковых изделий и области и применения

 

3. Свойства металлических  порошков

Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами, основные из которых регламентируются ГОСТами и техническими условиями.

К технологическим свойствам порошков относятся: насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность — отношение массы свободно насыпанного порошка к занимаемому им объему. Чем крупнее частицы и правильнее их форма, тем больше насыпная плотность порошка.

Текучесть порошка определяется скоростью истечения его через отверстие заданного диаметра. Хорошая текучесть порошка необходима для быстрого и равномерного заполнения им пресс-формы.

Прессуемость порошков — это способность их уплотняться при формовании изделий в зависимости от давления. Формуемость порошка характеризуется способностью заготовок сохранять заданную форму после уплотнения порошка при минимальном давлении.

От технологических свойств порошков зависит их дозирование, заполняемость полостей пресс-форм, процесс прессования изделий и их усадка после спекания.

Физические свойства порошков характеризуются формой частиц, гранулометрическим составом порошков, их удельной поверхностью и микротвердостью частиц.

Форма частиц в зависимости от метода получения порошка может быть сферической, губчатой, осколочной, тарельчатой, дендритной, каплевидной.

Гранулометрический состав порошка отражает содержание в нем частиц определенных фракций.

Удельная поверхность порошка (точнее — удельная площадь поверхности) представляет собой отношение суммарной площади поверхности частиц порошка к его массе.

Микротвердость частицы характеризует ее способность к деформированию.

Физические свойства порошков существенно влияют на плотность, прочность и однородность свойств формуемых изделий, давление прессования, а также на процессы уплотнения и спекания порошковых материалов.

Химический состав порошка характеризуется содержанием в нем основного металла или компонентов смеси металлов, примесей, различных механических загрязнений и газов. Химический состав порошка зависит от метода производства и химического состава исходного сырья [3].

 

4. Формование заготовок  из порошковых материалов

Под формованием следует понимать процесс получения заготовок требуемых форм и размеров, а также достаточной прочности для последующего изготовления из них изделий. Формование предполагает уплотнение порошка. Процесс уплотнения порошкового материала в отличие от деформирования компактного металла сопровождается значительным изменением объема прессуемого тела.

На начальной стадии уплотнение происходит за счет относительного перемещения частиц порошка и их более плотной упаковки, на последующих этапах — в результате упругой и пластической деформации частиц или их хрупкого разрушения (в зависимости от свойств деформируемых порошков). Прочность заготовки с повышением давления прессования увеличивается и обеспечивается за счет механического сцепления частиц и сил межатомных и межмолекулярных связей.

Обычно перед формованием производят подготовку порошков, заключающуюся в их отжиге, классификации и приготовлении смесей (шихты).

Отжиг применяют с целью повышения пластичности и прессу-емости порошков за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа.

Классификация — разделение порошков на фракции по размерам частиц. Разделение осуществляют с помощью сит либо воздушных сепараторов.

Приготовление шихты производят в мельницах, смесителях и др. Для этого дозированные порции компонентов определенного гранулометрического и химического состава смешивают в указанных устройствах, добавляя в случае необходимости различные технологические присадки: пластификаторы (стеарат цинка, парафин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования; легкоплавкие присадки, улучшающие спекание; летучие вещества для получения изделий с заданной пористостью. При смешивании порошков материалов, резко различающихся по своим свойствам (например, железа и графита), в целях получения наиболее однородной смеси применяют добавки спирта, бензина, глицерина и др.

Рис. 3. Схемы прессования

 

Прессование в стальной пресс-форме (рис. 3) является наиболее распространенным способом получения заготовок. Пуансон 1 передает давление на порошок 2, помещенный в пресс-форму 3, и порошок уплотняется.

Одним из основных недостатков формования в пресс-формах является возникновение сил трения порошка о стенку матрицы (пресс-формы). Это вызывает неравномерное распределение плотности (прочности) по высоте заготовки, особенно если высота значительно превышает ее диаметр.

На практике снижение трения порошка о стенку матрицы, а следовательно, улучшение условий процесса прессования достигается применением смазки и другими технологическими приемами. Одним из них, например, является замена одностороннего приложения давления (рис. 9.3, а) на двустороннее (рис. 9.3,6). В последнем случае два пуансона движутся навстречу друг другу. Это приводит к более равномерному распределению плотности по высоте заготовки и снижению давления прессования на 30...40 %. Поэтому изделие с более сложной конфигурацией изготавливают двусторонним прессованием. Уплотнение производят на гидравлических или механических прессах, давление прессования составляет 200... 1000 МПа в зависимости от свойств порошка и назначения изделия. Детали пресс-форм выполняют из высокоуглеродистых легированных сталей (инструментальных сталей), твердых сплавов. Стойкость стальных пресс-форм составляет 1...50, пресс-форм из твердых сплавов — до 500 тыс. прессовок.

Рис. 4. Схемы мундштучного прессования

 

Мундштучное прессование применяют для получения заготовок изделий большой длины и равномерной плотности (прутки, трубы, уголки и т. п.) из труднопрессуемых порошков вольфрама, тория, бериллия и др. Процесс получения заготовок заключается в выдавливании порошка, заключенного в полость контейнера 2 (рис. 4), пуансоном 1 через отверстие мундштука матрицы 3. Для обеспечения лучшего связывания частиц порошка и более легкого истечения смеси, через отверстие мундштука в шихту добавляют пластификатор (крахмал, парафин и т. д.). Массовая доля пластификатора в шихте обычно составляет 10... 12 %.

Профиль получаемой заготовки определяется формой отверстия мундштука, полые профили получают с применением специального рассекателя (иглы). Изостатическое прессование заключается в том, что порошок, помещенный в эластичную оболочку, подвергается в камере высокого давления всестороннему сжатию. Если давление создается жидкостью (вода, масло), прессование называют гидростатическим, а если газом,— газостатическим. Порошковое тело после формования имеет практически равномерную плотность по всему объему. В связи с этим изостатическое прессование применяют для получения заготовок сложных конфигураций и больших размеров. Недостатком способа является необходимость проведения дополнительной механической обработки заготовок для достижения их точных, заданных размеров. Прокатка порошков является экономичным и прогрессивным способом непрерывного формообразования заготовок. Ее можно производить в любом направлении.

Рис.5. Схемы прокатки порошков

 

При прокатке в вертикальном направлении (рис. 5, а) порошок 2 непрерывно поступает из бункера / в зазор между валками 3. При вращении валков порошок обжимается и вытягивается в ленту или полосу 4 определенной толщины. Применение бункера с одной (рис. 5, б) или несколькими перегородками 5 позволяет получать двух- или многослойные заготовки из различных материалов.

В настоящее время прокаткой металлических порошков получают ленты и полосы толщиной 0,025...3 мм и шириной до 300 мм, прутки различного профиля и т. д.

Технологический процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной отделкой получаемых изделий. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность его автоматизации.

 

 

 

 

Шликерное литье применяют для получения изделий сложной формы       (с внутренними полостями) из хрупких и твердых порошков карбидов, нитридов, силицидов и др. При этом 40...70 %-ю водную суспензию порошка (шликер) заливают в пористую гипсовую или керамическую форму. Жидкость впитывается стенками формы, внутри формы образуется заготовка, связь частиц порошка в которой обеспечивается их Механическим сцеплением. Подсушенную заготовку извлекают, разрушая стенки формы, окончательно сушат и затем спекают.

Горячее прессование характеризуется совмещением процессов прессования и спекания заготовок. При температурах, близких к температуре спекания, повышается пластичность частиц порошка, более интенсивно протекают процессы уплотнения порошков по сравнению с обычным прессованием. Горячим прессованием (а им может быть любой из известных способов формования) получают изделия из труднодеформируемых порошковых материалов.

Динамическое прессование —это формование заготовок с использованием импульсных нагрузок, отличающееся высокой скоростью их приложения. В качестве источника энергии используют: взрыв заряда взрывчатых веществ, импульсное магнитное поле, сжатый газ и т. д. Высокоскоростное прессование в настоящее время используется при изготовлении высокоплотных крупногабаритных заготовок из трудно дефомируемых металлических порошков и порошков керамических материалов [4].

 

5. Спекание и окончательная  обработка порошковых изделий

Только прессованием порошка получить изделие достаточной прочности невозможно. На поверхности частиц порошка образуются оксиды и всегда есть загрязнения, препятствующие возникновению металлических контактов. В силу упругих свойств частиц порошка велико их сопротивление деформированию. Поэтому для повышения прочности и твердости изделий заготовки подвергают спеканию.

Операция спекания состоит в нагреве и выдержке заготовок при температуре, составляющей 0,7...0,8 от абсолютной температуры плавления основного компонента спекаемой композиции. Средняя продолжительность выдержки составляет 1...2 ч.

При спекании заготовок протекают такие сложные физико-химические процессы, как диффузия, восстановление поверхностных оксидов, рекристаллизация. Между частицами порошка возникают металлические контакты, а прочность их сцепления иногда достигает прочности сцепления кристаллов компактных металлов. Спекание сопровождается обычно некоторым уплотнением заготовок — усадкой, которая зависит от дисперсности исходного порошка, температуры и продолжительности спекания. При спекании снимаются остаточные напряжения в заготовках, изменяются их физические свойства и улучшаются механические характеристики. Для пред-' отвращения окисления частиц порошка спекание проводят в вакууме или в защитной атмосфере (водорода, оксида азота, генераторного газа и др.).

Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Спекание в твердой фазе производится при температуре, меньшей температуры плавления компонентов смеси, при спекании же в жидкой фазе — при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов исходного материала. Спекание в жидкой фазе позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных явлений, приводящих к закрытию пор.

Процесс спекания заготовок в зависимости от температурного режима условно делят на три этапа. На первом этапе (до 150 °С) наблюдается некоторое увеличение прочности и незначительная усадка заготовки, что объясняется испарением адсорбированной воды с поверхности частиц. Происходит увеличение электросопротивления и интенсивная релаксация остаточных напряжений в заготовке. Второй этап (до 0,5ТПЛ) характеризуется дальнейшей релаксацией упругих напряжений, что вызывает изменение площади контактов и уменьшение плотности заготовок. На третьем этапе (при температурах, несколько больших температур рекристаллизации для данного металла) происходит сглаживание свободных и контактных поверхностей частиц, контакты между сросшимися зернами расширяются и становятся металлическими вследствие высоких скоростей диффузии и окончательного восстановления оксидов.

Нагрев заготовок при спекании осуществляют в печах различного типа, работающих периодически или непрерывно. Печи периодического действия применяют при небольшом выпуске порошковых изделий. Они бывают колокольного типа, муфельные и шахтные. При массовом производстве изделий используют методические печи непрерывного действия: конвейерные, рольганговые, с шагающим подом, толкательные.

При необходимости порошковые изделия подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, термической и химико-термической обработке, повторному спеканию, повторному прессованию.

Калиброванием можно получать изделия с погрешностью размеров 0,0005...0,01 мм. Порошковое изделие продавливают через отверстие в стальных пресс-формах специальной конструкции. При этом происходит не только уточнение размеров, но и уплотнение и полировка поверхностного слоя изделий, повышается их износостойкость.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование и т. д.) применяют в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных форм и размеров, для нарезания внутренних и наружных резьб, получения узких, но глубоких отверстий и т. д. При обработке резанием используют хорошо заточенный и доведенный инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза.

Термическую и химико-термическую обработку порошковых изделий (азотирование, хромирование и т. д.) проводят так же, как и для компактных металлов. Некоторой особенностью термической обработки порошковых изделий является необходимость нагрева их и переноса в закалочную ванну в защитной атмосфере, так как они отличаются склонностью к окислению.

Повторное прессование применяют при получении изделий сложной формы, когда при первом прессовании обеспечиваются лишь приближенные их форма и размеры [5].

 

6. Эффективность технологии  порошковой металлургии

Применение методов порошковой металлургии для изготовления изделий позволяет достигать высокой производительности труда и значительной экономии средств в народном хозяйстве страны. Экономия достигается за счет получения изделий высокой прочности, рационального использования металла, снижения его потерь, повышения качества изделий, создания новых прогрессивных деталей и др.

Если обычное изготовление деталей на металлорежущих станках сопровождается потерями до 20...80% металла, связано с необходимостью выполнения большого числа технологических операций и значительными трудозатратами, то получение изделий методами порошковой металлургии отличается тем, что при числе операций 3...5 отходы металла составляют всего 5...10%. Кроме того, производство порошковых изделий сосредоточено в основном на одном предприятии, не требует большого станочного парка и высокой квалификации рабочих. Изготовление деталей обычного состава методами порошковой металлургии дает возможность уменьшить по сравнению с обработкой резанием удельный расход металла в 3...5 раз, трудозатраты — в 2...8 раз, себестоимость изготовления деталей — в 1.5...3 раза и повысить производительность труда в 1,5...2 раза.