Изготовление деталей методом порошковой металлургии

Порошковая металлургия – изготовление деталей из металлических и керамических порошков.

Плюсом является возможность получения изделий высокой точности без механической обработки и почти без потери материала. Этот метод используется только для массового и крупносерийного производства.

При использовании этот метода потери материалов составляют 3…4%, в то время как при литье она может составлять до 80%.

Это производство возможно только на специальных заводах. Шлихты получают одним из двух методов:

1. механический (для переработки отходов);

При механическом методе обработки сырья материал измельчают в порошок без изменения химического состава (разлом, вихревой разлом, распыление газом/водой).

2. физико-химический (чистка шлихтов, материалов).

При физико-химическом методе меняется состав или агрегатное состояние материала. Например, восстановление окислов металлов (газами и другими методами), электролиз водных растворов солей.

Основные технологические свойства порошков:

1. насыпной вес – вес единицы объёма свободно насыпного порошка. Он должен быть постоянным, чтобы объём был постоянен при спекании.

2. сыпучесть – способность заполнять форму (меньше форма, сыпучесть хуже); измеряется в числе гранул порошка, вытекающих через воронку диаметром 4 мм, в секунду (вязкость в секунду).

3. прессуемость – способность материала уплотняться, удерживая форму под действием сжимающих сил.

Технологический процесс изготовления изделия в порошковой металлургии:

1. приготовление шихты заданного состава;

2. дозировка;

3. формовка;

4. спекание;

5. термообработка;

6. калибровка;

7. механическая обработка;

8. гальванопокрытие.

Приготовление шихты и дозировка: порошок очищают химическим, магнитным и гидро способами и измельчают для выравнивания зернистости. При измельчении может возникнуть наклёп, который снимается отжигом в защитной, восстановительной среде. Шихту делят на фракции, пропуская через сито, потом смешивают в барабанных вибраторах-смесителях и дозируют по массе или объёму.

Дозировка: ; .

– величина насыпки/насыпной объём; – объём детали по чертежу; – заданная пористость детали в %; – коэффициент потерь при прессовке и спекании; – насыпной удельный вес шихты; – удельный вес шихты в компактном состоянии , где – весовое содержание (i-ой компоненты), – удельный вес i-ой компоненты.

Формовка:

1. формирование в стальных формах – прессование;

2. гидростатическое формирование;

3. прокатка:

   1. мелкие детали;

   2. крупные заготовки (трубы, стержни);

   3. получение листов, полос и лент.

Ограничения: нельзя делать детали с подрезанием внутренней (внешней) поверхностей клиновидного сечения, сложной конфигурации, с резьбой, с острыми кромками, а также полых деталей с толщиной <1 мм.

Используются специальные прессы для металлокерамического производства, иногда производство происходит на обычных (гидравлических, кривошипных…) прессах. Для производства сложных деталей нужны прессы с 4-мя, 6-ю перемещающимися рабочими органами (специальное производство). Возможно проведение одно- и двустороннего прессования. Для одностороннего ; для двустороннего , где – высота; – диаметр; – толщина детали.

Существует 2 варианта прессов:

1. по давлению – до определённого давления по манометру, у детали постоянная плотность, но не постоянная высота;

2. до упора – размер постоянный.

Расчёт высоты заготовки: , где – размер по чертежу; – абсолютная усадка при спекании; – абсолютная упругость заготовки при удалении из пресс-формы; – относительная усадка в %; %.

Для деталей, особенно отвесных давление пресса: , где – удельное давление пресса; – площадь пресса. Усилие выталкивателя: , где – коэффициент трения; – площадь поверхности трения.

Вакуумная печь непрерывного действия для спекания

1 – форкамера (предкамера); 2 – вакуумный шлюз; 3 – кассета; 4 – толкатель; 5 – труба печи; 6 – детали.

При спекании сцепление частиц порошка становится таким плотным (из-за взаимной диффузии), что отдельные частицы перестают существовать самостоятельно. Происходит эффект упрочнения и изменения физико-химических свойств – изменение величины и качества контактных участков между частицами. Происходит изменение размеров детали: рост или усадка; микроструктуры (зернистость). Это процесс происходит в водородной среде или в вакуумных печах.

Цикл обжига в вакуумной печи:

1. загружают деталь в форкамеру (1);

2. откачивают воздух;

3. открывают вакуумный шлюз (2);

4. поднимают кассету (3) с которой деталь сталкивается толкателем (4);

5. опускают кассеты с проталкиванием её по трубе печи (5) с заданной скоростью;

6. разгружают печь через аналогичное шлюзовое устройство.

Температура спекания: .

Для повышения плотности повторяют прессование и спекание, это положительно сказывается на магнитомягких материалах (µ – резко падает при увеличении пористости).

Процесс спекания металлокерамики:

1. нагрев до 100…200 °С (удаление влаги);

2. нагрев до половины температуры плавления (снятие упругого напряжения и активное сцепление частиц);

3. нагрев до температуры спекания (восстановление оксидных плёнок в защитной (нейтральной) среде и окончательное сцепление частиц);

4. выдержка при температуре спекания в течение 30…80 минут (при спекании металлов с различными температурами плавления используют пропитку пористого тугоплавкого металла, жидким менее тугоплавким металлом).

Такие материалы не имеют усадки, а также калибруются в прессформах.