4.6 Штамповка деталей из порошков и пористых материалов

Порошки и пористые материалы используют для изготовления машиностроительных заготовок, а в ряде случаев и деталей.

Использование металлических порошков для изготовления деталей обусловлено рядом причин: желанием уменьшить трудозатраты и отходы металла в процессе механической обработки резанием, обеспечить однородность химического состава и мелкозернистость структуры детали, при необходимости обеспечить плотность, соответствующую компактным металлам и сплавам, осуществлять пластическое деформирование при приложении меньших сил. В некоторых случаях необходимо изготовлять детали с заданной пористостью, например фильтры в различного рода очистных устройствах; сопла, турбинные лопатки и другие детали, работающие в энергетических установках при высоких температурах и т. п.

Кроме металлических применяют и керамические порошки для изготовления деталей, работающих при высоких температурно-скоростных параметрах.

Пористые материалы подразделяют на пористые порошковые (ППМ) и пористые волокнистые (ПВМ).

Качество деталей, изготовленных из порошковых и пористых материалов, с точки зрения механических характеристик, точности размеров, шероховатости поверхности и эксплуатационных свойств определяется в основном качеством исходных материалов, способами и термомеханическими режимами формовки и применяемой штамповой оснастки и превосходит во многих случаях качество деталей, изготовленных из компактных материалов. В первую очередь это относится к рабочим деталям режущего и штампового инструмента. Разработаны технологические процессы для изготовления деталей из конструкционных и инструментальных порошковых материалов, о чем свидетельствует обширная литература.

4.6.1 Методы пластической деформации порошковых и пористых материалов

Холодную формовку поковок (деталей) осуществляют непосредственно из порошков. В процессе холодной формовки из порошка оформляется поковка, которую затем нагревают до высоких температур (0,7…0,9 абсолютной температуры плавления основы). В результате происходит спекание.

При горячей формовке заготовками являются предварительно спрессованные прутки и поковки, обладающие определенной пористостью.

Пластическая деформация порошков в процессе формовки деталей происходит в результате относительного перемещения отдельных частиц, внутризеренной и межзеренной деформации. Поковки (детали) при наличии пористости (неполном контакте между частицами порошка) имеют физические свойства, механические характеристики, упругие константы и эксплуатационные качества значительно ниже по сравнению с компактными материалами. Поэтому в процессе формовки для достижения наивысших механических и эксплуатационных характеристик необходимо обеспечить изготовление поковок (деталей) с плотностью, равной плотности компактного материала.

При спекании не всегда происходит уплотнение материала, в некоторых случаях, наоборот, происходит разуплотнение. Для обеспечения более высокой точности формуемых поковок наиболее желательным является неизменность объема в процессе спекания.

При горячей формовке поковок из пористых материалов одновременно происходят процессы пластического деформирования и диффузионные. Преобладающими будут диффузионные, в результате которых происходит рекристаллизация и сращивание частиц. Это означает, что сращивание частиц порошка будет происходить в процессе формовки, благодаря чему происходит повышение ресурса пластичности и снижение деформирующей силы, необходимой для пластического деформирования. Сращивание происходит в результате установления контактных поверхностей между частицами и силового взаимодействия между атомами или группами атомов, принадлежащими разным частицам.

Силовое взаимодействие наиболее эффективно происходит при температурах выше температуры рекристаллизации. Наличие окисных плен на поверхностях частиц порошка затрудняет перенос вещества путем диффузии атомов и соответственно процесс сращивания частиц или закрытия пор. Для разрушения окисных плен на поверхностях частиц в процессе штамповки создают такое деформирование, в процессе которого преобладающими являются сдвиговые деформации на таких поверхностях, через которые проходит весь объем металла деформируемой заготовки.

Такие условия обеспечиваются при штамповке выдавливанием со сдвиговыми деформациями (образование отростков, расположенных под углом, отличным от прямого по отношению к первоначальной оси заготовки), при штамповке со скручиванием, с активным действием сил трения и др. При наличии сдвиговых деформаций происходит разрушение окисных плен, повышение энергетического уровня на поверхностях частиц и более интенсивное уплотнение. Эти обстоятельства способствуют активному сращиванию. Прочность поверхностей сращивания существенно зависит от температуры, при которой происходит горячая формовка, скорости и степени деформаций (в первую очередь сдвиговых деформаций).

Если в процессе формовки предусмотрена выдержка под давлением, то на первом этапе деформирования происходит пластическая деформация, а на последующем (выдержка под давлением), значительная роль принадлежит кратковременной ползучести. В этом случае при быстром протекании первого этапа можно допускать появление трещин, поскольку на втором они залечиваются.

При горячей формовке в условиях вакуума или в восстановительной среде окисная пленка может разрушаться не только в результате пластической деформации, но и в результате действия восстановительной среды.

Сращивание частиц порошка при спекании в значительной степени зависит от способа его получения, термической обработки, формы и размеров частиц, наличия легированных элементов, а также введения в порошок пластификаторов.

С одной стороны, наличие пор уменьшает контактное сечение, а с другой, - поры являются концентратами напряжений. Это означает, что чем выше пористость, тем ниже механические характеристики, пределы прочности, выносливости, относительное сужение при разрыве, ударная вязкость и др.

Повышение прочностных характеристик можно ожидать, если форма пор будет сферической, а распределение - равномерное по сечению, в котором действуют рабочие напряжения. В тех случаях, если пористость менее 2%, механические характеристики деталей, изготовленных из порошков, выше, чем изготовленных из компактных материалов. Наиболее высокие механические характеристики могут быть обеспечены после горячей формовки при нагреве в восстановительной атмосфере водорода.

Коррозионная стойкость деталей, изготовленных из порошков при наличии пористости, также ниже, чем из компактных материалов, так как поверхность контакта с коррозионной средой значительно выше.

Однако при пористости менее 3% существенного влияния на изменение коррозионной стойкости не замечено. По-видимому, в этом случае поры становятся закрытыми, и эффекта увеличения поверхности контакта с коррозионной средой нет.

При горячей формовке может быть достигнута точность размеров деталей, соответствующая 7-му квалитету, а параметр шероховатости - до Rа = 40мкм.