3.9. Прокатка

Формование металлического порошка в валках прокатного стана называют прокаткой. Первый патент на прокатку металлических порошков был выдан в 1906 г., но промышленное применение этой технологии началось в 1940-х годах. Прокатка позволяет получать формовки в виде полос и лент небольшой толщины, длина которых значительно превосходит их ширину. Отличительной особенностью заготовок, полученных прокаткой, является равномерность плотности и изотропность свойств.

Прокатка – высокопроизводительный процесс с относительно низкой энергоемкостью. Требуемая мощность прокатных станов значительно меньше мощности прессов, требующихся для производства сопоставимых по площади поверхности изделий.

Прокатку порошков применяют для получения самых разнообразных пористых заготовок (фильтры, электроды электрохимического производства, изделия из конструкционных, фрикционных и антифрикционных материалов и др.). Как правило, прокатка порошка экономичнее традиционной прокатки литого металла. Например, себестоимость тонкой ленты из порошка в 2 раза ниже аналогичной ленты, полученной прокаткой из слитка.

На рис. 3.37 представлены схемы прокатки литого металла (а) и порошка (б). Прокатка порошка в полосу имеет много общего с прокаткой литого металла и в то же время содержит существенные отличия. При прокатке литого металла выполняется условие постоянства плотности и объема до, и после прокатки. Это условие не соблюдается при прокатке порошка, поскольку в очаге деформации (в зазоре между валками) происходит уплотнение порошка и уменьшение его объема.

Подача порошка в валки прокатного стана может быть свободной (рис. 3.37в, г) или под давлением (рис. 3.37д). Порошок можно прокатывать в вертикальной (рис. 3.37в) и в горизонтальной (рис. 3.38г, д) плоскостях. На процесс прокатки сильно влияет сыпучесть порошка. При плохой сыпучести скорость поступления порошка в очаг деформации может оказаться ниже скорости прокатки. В этом случае нарушается сплошность порошковой заготовки. Чем лучше сыпучесть, тем стабильнее процесс прокатки и им легче управлять.

Рис. 3.37. Схемы прокатки: а – литого металла; б – порошка;

в – вертикальная; г – горизонтальная с гравитационной подачей

порошка; д – горизонтальная с принудительной подачей порошка.

1 – валки; 2 – бункер для порошка; 3 – порошок; R – радиус валка;

α – угол прокатки; α_Н – угол подачи порошка; h – толщина проката

Уплотнение порошка при прокатке создается силами трения, которые характеризуются коэффициентом трения f и коэффициентом бокового давления ξ. Угол прокатки α, ограничивающий зону уплотнения порошка, определяется суммой этих коэффициентов:

α ≤ f + ξ. (3.32)

В интервале скоростей прокатки от нуля до критической, определяемой природой и свойствами порошка, угол прокатки равен сумме коэффициентов (α = f + ξ). При скоростях выше критической α > f + ξ. В результате прокатки порошок уплотняется от насыпной плотности γ_н до плотности прокатанной полосы γ_п. Отношение этих плотностей называют степенью уплотнения Z:

Z = γ_п / γ_н. (3.33)

Толщина полосы h при диаметре прокатных валков 2R определяется по формуле:

h = α² R / μ Z – 1, (3.34)

где μ – коэффициент вытяжки, равный отношению скорости выхода полосы к скорости подачи порошка.

Плотность, полученной при прокатке полосы определяется уравнением

γ_п = (γ_н / μ) (1 + α² R / h. (3.35)

В связи с трудностью экспериментального определения коэффициента вытяжки μ, в уравнение (3.35) вводят некоторый условный угол α_у, который определяют экспериментально при μ = 1. Тогда, окончательно, формула для определения плотности заготовки принимает вид

γ_п = γ_н (1 + α_у² R / h). (3.36)

Условный угол прокатки определен для разных порошков, которые прокатывали между гладкими шлифованными валками, без смазки, при свободной подаче порошка и вертикальной схеме прокатки. Для железного порошка разных марок этот угол составил 8^о20^’ – 9^o40^’; для медного 10^о50^’; для порошка карбонильного никеля 12^о40^’ и для титанового порошка 12^о20^’. Скорость прокатки обычно составляет от 1-3 до 20-25 м/с.

Таким образом, определяющими параметрами прокатки порошков являются: отношение диаметра валков к толщине ленты; соотношение скоростей ленты и порошка; степень уплотнения порошка и угол прокатки.

Толщина и плотность прокатанных заготовок зависит от химического и гранулометрического состава порошка, формы его частиц, давления порошка на валки, состояния поверхности валков и скорости их вращения, направления прокатки, конструкции бункера и других факторов. Такое обилие переменных факторов затрудняет теоретический анализ процесса прокатки.

По существу, процесс прокатки, от поступления порошка в валки до выхода из валков прокатанной заготовки, можно разделить на три этапа. Первый этап представляет собой начальный неустановившийся период, когда заготовка имеет переменную плотность и толщину, поскольку плотность порошка в зоне деформации изменяется по высоте. При вращении валков в зазор между ними увлекаются деформируемые частицы, которые оказывают расклинивающее действие на валки, а в очаг деформации продолжают поступать новые порции порошка. Когда процесс сжатия порошка уравновешивается сопротивлением стана упругим деформациям, наступает второй, установившийся этап прокатки. Для этого этапа характерна постоянная плотность выходящей заготовки. На конечном, третьем этапе, происходит разгрузка валков стана и обратные явления в заготовке под влиянием сил упругого последействия. В связи с этим концевые участки проката из порошков неоднородны по плотности и их рекомендуется обрезать. При значительном переуплотнении порошка на отдельных участках по ширине заготовки возможно появление разрыва на кромках. Этот дефект можно устранить калибровкой валков и повышением свойств заготовки.

Прокатку порошка можно проводить не только при комнатной, но и при повышенной температуре, но холодная прокатка наиболее проста. Часто, сразу же после прокатки, полученные заготовки спекают в печах непрерывного действия в атмосфере водорода (рис. 3.38).

Рис. 3.38. Схемы производства полосы из порошка:

1 – транспортер-дозатор; 2, 3 – бункер; 4 –очаг деформации;

5, 13 – валки; 6 – направляющий желоб; 7, 14 – датчики натяжения;

8, 15 – камера нагрева; 9, 16 – холодильники печи; 10, 12 – ножницы; 11 – мерные рулоны ленты; 17 – моталка

В отдельных случаях, полосы из металлов с особо высокой химической активностью (титан, ниобий, тантал и др.) спекают в вакууме.

Разработаны технологические схемы производства биметаллического и многослойного проката. Для этого различные порошки или порошки и компактный листовой материал прокатывают совместно (рис. 3.39).

Рис. 3.39. Схемы прокатки слоистых полос:

а, в – двухслойный прокат; б – трехслойный прокат

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность прокатки порошков, и каковы ее особенности?

2. От каких параметров зависит плотность прокатанной порошковой заготовки?

3. Каким образом подается порошок в прокатные валки?

4. Схемы получения биметаллического и многослойного проката из порошков.