5.6. Горячая штамповка

Горячая штамповка, или ковка в закрытых штампах, имеет некоторое сходство с процессом горячего прессования, поскольку проводится при близких температурах (0,7-0,8 Т_пл) и одноосном приложении давления на порошок. Вместе с тем, процессы горячего прессования и штамповки существенно различаются. При прессовании в качестве исходной заготовки обычно применяется свободно засыпанный порошок, тогда как при штамповке – предварительно спеченная заготовка. Другим отличительным признаком является возникновение бокового давления в начальный момент прессования порошка, поскольку он ограничен стенкой формы. При штамповке такого ограничения в начальный момент нет (рис.5.10).

При горячей штамповке литых металлов и сплавов конечная форма изделия достигается, как правило, за несколько переходов. Применение в качестве исходной заготовки порошкового брикета, содержащего 10 – 20  пор, позволяет за один удар молота уплотнить брикет и придать ему заданную форму. Применение исходных порошковых заготовок, вместо литых, позволяет способом горячей штамповки обеспечить ту же форму и свойства конечного изделия, но с меньшими усилиями и при сокращении числа ступеней процесса и потребного штампового инструмента.

В зарубежной литературе отмечается, что пористый материал при горячей пластической деформации получает более высокую степень деформационного упрочнения, в сравнении с плотным литым материалом. Горячая штамповка порошкового материала представляет собой комбинацию упрочнения и пластического течения под действием сил, приложенных в одноосном направлении. Стесненность деформации стенками штампа имеет большое значение при оценке фактического напряженного состояния. Существенно различается характер формоизменения пор при горячей штамповке, в сравнении, например, с ГИП. При ГИП происходит равномерное уменьшение размера и объема поры, тогда как при штамповке пора сплющивается, претерпевая значительные сдвиговые деформации.

Однородность плотности штампованной порошковой заготовки в большой степени зависит от смазки. При отсутствии смазки возникают зоны пониженной плотности и трещины. Для устранения пористости и хорошего схватывание порошковых частиц необходимо обеспечить высокую степень деформации в вертикальном направлении (50 и более). Такие деформации без искривления и разрушения заготовки возможны только при оптимальном выборе температуры, хорошей смазке и соответствующем отношении высоты пористого брикета к его диаметру. На рис.5.11 показан график, на котором обозначена область оптимального соотношения высоты и диаметра брикета, в рамках которой обеспечивается полная плотность штамповки и минимальная вероятность образования дефектов. Горячая штамповка порошковых материалов на основе железа осуществляется в температурном интервале 1200 – 800 С.

Обычно штампованные заготовки из порошка имеют более высокие значения прочности, но пониженную пластичность в сравнении со штамповками из того же по составу сплава, но изготовленными из литого или деформированного полуфабриката. Например, штамповка из порошка конструкционной стали имеет твердость HRC 35, предел прочности 970 МПа и относительное удлинение 16%. Те же характеристики такой же штамповки из проката составляют, соответственно: 27 HRC; 680 МПа и 23%.

Более низкие пластические свойства порошковых штамповок даже при полной плотности можно объяснить наличием в структуре металла посторонних включений. Включения образуются преимущественно в результате окисления исходного пористого брикета и загрязнений от смазочных материалов и штамповой оснастки, которые попадают в поры брикета. Полностью устранить такие дефекты невозможно, их стараются свести к допустимому уровню. В автомобильной промышленности за рубежом из порошков на основе железа горячей штамповкой получают шатуны, муфты сцепления и другие детали. Допустимое содержание включений 0,2% (объемных) при содержании кислорода менее 0,03%. На рис.5.12 показана схема автоматизированной линии по производству порошковых деталей с применением горячей штамповки. Характерно, что заготовка, после нагрева в индукторе (в защитной среде), передается в штамп роботом за считанные секунды.

В нашей стране разработана технология горячей штамповки порошков, которую авторы (Ю.Г. Дорофеев и его сотрудники) назвали динамическим горячим прессованием (ДГП). Определяющими параметрами всех основных технологических операций ДГП является температура, время и давление.

Принципиальные температурновременные режимы ДГП показаны на рис.5.13. На рис.5.13, а приведен режим, включающий кратковременный нагрев заготовок в защитной газовой среде, подачу их из печи в штамп и уплотнение. Такой вариант технологии рекомендуется для получения конструкционных деталей и других изделий преимущественно из однокомпонентной шихты. Для магнитопроводов и сердечников из порошков железа и его сплавов с фосфором, кремнием и никелем рекомендуется кратковременный нагрев, горячая допрессовка и последующий отжиг (рис. 5.13,б). Длительный нагрев и спекание пористых заготовок из поликомпонентной шихты в защитных средах или вакууме с последующим охлаждением, повторным кратковременным нагревом и горячим уплотнением в штампе применяется для получения деталей из легированных конструкционных сталей, а также коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов (рис. 5.13, в).

Применяются и другие варианты технологии ДГП, представляющие собой комбинацию операций, рассмотренных выше. Некоторые из них показаны на рис.5.13, г, д. Характерно, что в процесс ДГП включены не только нагрев и горячая штамповка, но и операции спекания и термической обработки.

На заводе "Ростсельмаш" в 1975 г. впервые в нашей стране осуществлено массовое производство порошковых деталей методом ДГП. Детали имеют разную, сравнительно простую форму. Масса деталей до 2 кг. В ПО "Волгоградский тракторный завод" создана поточно-механизированная линия для изготовления уплотнительных колец ходовых систем гусеничных тракторов. Проводятся работы по внедрению ДГП и на других предприятиях.

За рубежом еще в 70-х годах созданы автоматизированные линии для горячей штамповки цилиндрических и конических шестерен, а также других сравнительно сложных по форме деталей из порошковых заготовок.

Существуют определенные проблемы, сдерживающие широкое применение горячей штамповки порошков. Условно их можно разделить на две группы – экономические и технические. Цена железных порошков в 2 – 3 раза превышает стоимость стального проката. Высока и стоимость штамповой оснастки, поэтому горячая штамповка порошков не всегда может конкурировать с процессами штамповки и ковки монолитного материала и точным литьем. Производство конструкционных деталей из порошков с применением горячей штамповки экономически целесообразно только в тех случаях, когда почти полностью исключается необходимость в механической обработке деталей.

Группа технических проблем связана со свойствами и качеством штампованных порошковых заготовок. При горячей штамповке в заготовках довольно часто могут возникать трещины, недопрессовки, разноплотность и другие виды внутренних дефектов. Распространенным дефектом заготовок является также обезуглероживание или окисление поверхностных слоев вследствие несовершенства технических средств защиты пористых заготовок от взаимодействия с воздухом и газовой атмосферой нагревательных устройств. Указанные дефекты могут приводить к существенному снижению механических свойств. Надо отметить и возможные погрешности размеров и форм заготовок, связанные с нестабильностью размеров штамповой оснастки. В борьбе за повышение конкурентоспособности технология горячей штамповки порошков, оборудование и штамповая оснастка непрерывно совершенствуется с целью повышения свойств и качества продукции, а также снижения затрат на ее производство.